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Ringhybrid-Duplexer

Bild 1: einfacher Ringkoppler mit vier Anschlüssen

Bild 1: einfacher Ringkoppler mit vier Anschlüssen

Ringhybrid-Duplexer

Ringhybrid-Duplexer sind in der Radartechnik Sende-/Empfangsumschalter, die auf einen einfachen Ringkoppler aufbauen. Dieser Aufbau ist geeignet für das Schalten sehr großer Impulsleistungen.

Ein Ringkoppler (auch Rat-Race-Koppler oder 180°-Hybrid) besteht hier meist aus einem zu einen Kreis gebogenen rechteckigen Hohlleiter, dessen mittlerer Umfang genau 1,5 λ beträgt. (Alle Angaben über Wellenlängen beziehen sich hier auf die innerhalb des Hohlleiters bestehende Phasengeschwindigkeit, sind also etwas länger, als die für diese Frequenz gültige Wellenlänge im freien Raum.) Die Anschlüsse sind vier Serienverzweigungen im Abstand von je λ/4. Somit verbleibt ein Abschnitt mit einer Länge von 3λ/4.

Bei einer Verwendung als Duplexer ist am Anschluss 1 die Antenne angeschlossen, am Anschluss 3 der Sender und am Anschluss 2 und 4 der Empfänger. Die Empfängeranschlüsse haben im Abstand von λ/4 ein Gasentladungsröhre, die während des Sendens zünden und einen Kurzschluss auf diesen Leitungen erzeugen.

TR-Röhre
TR-Röhre
vom Sender
zur Antenne

Bild 2: Verlauf des E-Feldes im Sendemoment

TR-Röhre
TR-Röhre
vom Sender
zur Antenne

Bild 2: Verlauf des E-Feldes im Sendemoment

Sendemoment

Wenn der Sender arbeitet, dann teilt sich an der Serienverzweigung am Anschluss 3 seine Leistung (E-Feld) in zwei gleich große Teile auf, die zueinander um 180° phasenverschoben sind. Ein Feld bewegt sich im Uhrzeigersinn um den Ring und das andere gegen den Uhrzeigersinn. Beide Felder müssen innerhalb des Hohlleiterkreises am Ort eines Anschlusses durch die Leitungsverzögerung einen zusätzliche Phasenunterschied von 180° erhalten haben, um die Phasenverschiebung bei der Einspeisung auszugleichen. Nur dann kann sich das E-Feld in dem jeweiligen Anschluss fortpflanzen.

Das Feld, das sich vom Anschluss 3 im Uhrzeigersinn bewegt, ionisiert die Gasentladungsröhre in Anschluss 4, und der Energiefluss wird vor dem Empfänger blockiert. Die Leitungslänge von λ/4 transformiert diesen Kurzschluss zu einer sehr hohen Impedanz, die am Anschluss 4 einem offenen Stromkreis entspricht. Diese hohe Impedanz verhindert das Eindringen von Energie in den Empfängertrakt, obwohl die beiden Felder am Eingang von Anschluss 4 phasenverschoben sind. Das Feld, das sich vom Anschluss 3 gegen den Uhrzeigersinn bewegt, ionisiert die Gasentladungsröhre in Anschluss 2, die einen Kurzschluss zurück zum Ringübergang reflektiert. Es wird jedoch keine Energie an den Empfänger gesendet, da die am Anschluss 2 ankommenden Felder in Phase sind. Die im Uhrzeigersinn und entgegen des Uhrzeigersinns eintreffenden Felder kommen an Anschluss 1 um 180 Grad phasenverschoben an. Mit der Phasenverschiebung bei der Einspeisung sind beide Teilfelder im Anschluss 3 phasengleich und werden zur Antenne weitergeleitet.

Bild 3: Verhalten einer T-Verbindung bei gleich- und gegenphasigen Feldern

Bild 3: Verhalten einer T-Verbindung bei gleich- und gegenphasigen Feldern

Empfangsmoment

Während des Empfangs tritt das relativ schwache Feld von der Antenne in Anschluss 1 ein und teilt sich an der T-förmigen Serienverzweigung in zwei um 180° phasenverschobene Komponenten, von denen eine im Uhrzeigersinn, die andere entgegen dem Uhrzeigersinn sich auf der Ringleitung fortpflanzt. Am gegenüberliegenden Anschluss 4 haben beide Komponenten eine gleich große Verzögerung von ¾λ, haben also immer noch ihren Phasenunterschied von der Einspeisung. Der Anschluss 2 ist genau ½λ vom Anschluss 4 entfernt, beide Komponenten liegen dort mit nur entgegengesetzter Polarität an. Keines der beiden Felder reicht aus, um die Gasentladungsröhren in den Anschlüssen 2 und 4 zu zünden. Da die Felder an diesen Armen durch die Leitungsverzögerung phasenverschoben ankommen, wird die Energie zum Empfänger übertragen. (Die Aufteilung in zwei Leitungen zum Empfänger mit gegenphasigem Signal ist für die nachfolgende Abwärtsmischung von Vorteil.)

Die an Anschluss 3 von links und rechts ankommenden E-Felder haben die gleiche Phasenlage durch die unterschiedliche Leitungsverzögerung, werden in den Anschluss 3 gegenphasig eingekoppelt und löschen sich damit gegenseitig aus. Innerhalb der Ringleitung überlagern sie sich und bilden eine stehende Welle.


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