Forum: HF, Funk und Felder Richtkoppler Isolation

https://dl6gl.de/media/files/messungen-an-richtkopplern.pdf

Ein präziser Messrichtkoppler oder ein einfacher Koppler zur 
überschlagsmäßigen Anzeige der Ausgangsleistung und des SWR?

Auf die Bandbreite kommt es noch an, breitbandig und genau ist teuer bis 
unmöglich.

Und es kommt auf die Genauigkeit der Abschlüsse an allen drei Ports an.

Das ist schon sehr sportlich.

Mini-Circuits hat z.B. einen SMD-Koppler SCBD-10-63HP+
10 dB SMT Bi-Directional Coupler, 50 - 6000 MHz, 50Ω
und weitere ähnliche Typen, aber nicht speziell für Messzwecke.
https://www.minicircuits.com/pdfs/SCBD-10-63HP+.pdf

In VNAs und anderen Geräten kann der Fehler meistens rauskalibriert 
werden. Die Isolation muss also oftmals nicht perfekt sein.

Richtig. Je besser die Hardware (Direktivität/Isolation, Verluste, 
Rauschen, ...), desto einfacher und genauer funktioniert bereits die 
unkalibrierte ("rohe") Messung und die Kalibrierung muss nicht mehr so 
viel korrigieren. Nur mit beidem kann man eine sehr hohe Genauigkeit 
erreichen.

Felix B. schrieb:
> Gibt es denn so breitbandige Koppler, die nicht wheatstone Brücken sind?

Es gibt wohl Brücken welche 2-18GHz abdecken, aber auf Kosten der 
Richtschärfe.

Richtkoppler welche 100KHz bis 18GHz abdecken und keine Wheatstone 
Brücken sind, sind mir keine bekannt. Aber vielleicht gibt es ja auch 
diese.

In VNAs kann man viele  Kompromisse, welche bei den Messbrücken 
Richtkoppler eingegeangen werden, durch eine Werkskalibration wieder 
rausgekürzt werden, was aber dann auch mit anderen Nachteile erkauft 
werden, wie z.B. Dynamikbereich.

Hier machen sich dann die Unterschiede zwischen einen Nano-VNA und einen
HP8753 bemerkbar. Wobei als Ursache für den Unterschied aber auch noch 
andere Gründe mit reinspielen.

Ralph Berres

Für Frequenzen bis in den hohen Megahertz oder sogar unteren 
Gigahertzbereich kann man auch Transformatoren verwenden. Die verwenden 
z.B. bei Minicircuits angeboten und wohl auch von Hobbyisten gebaut.

https://en.wikipedia.org/wiki/Power_dividers_and_directional_couplers#Cross-connected_transformers

https://www.members.tripod.com/michaelgellis/direct.html

Minicircuits, siehe z.B. ADC-10-4+
https://www.minicircuits.com/WebStore/Couplers.html

Felix B. schrieb:
> Wozu braucht man dann Koppler mit nahezu perfekter isolation?

Wenn man Reflexionsfaktoren messen will, interessiert einen die 
Isolation nur mittelbar. Was wesentlich ist, ist die Richtschärfe 
(Direktivität). Die hängt allerdings mit der Isolation zusammen:

wobei die Isolation und der Koppelfaktor sind:

Die Port-Bezeichnungen beziehen sich auf das angehängte Bild. Die 
Richtschärfe D_34 ist also die Fähigkeit des Kopplers zwischen hin- und 
rücklaufender Welle zwischen Port 1 und 2 zu unterscheiden.

Für eine Reflexionsfaktormessung ist nun

Dabei ist Γ_DUT der wahre Reflexionsfaktur des Messobjekts, Γ der mit 
der fehlerbehafteten Brücke gemessene, und E_DF der Direktivitätsfehler 
der Brücke (entspricht der Richtschärfe auf der linearen Skala). Das 
zunächst unbekannte E_DF (und die anderen Fehlerterme) werden bei der 
Kalibrierung ermittelt.

Was man aber sieht ist, dass mit größerem E_DF (das entspricht 
schlechterer Richtschärfe) der Einfluss auf das Messergebnis kritischer 
wird. Instabilitäten und Unsicherheiten wirken sich damit stärker aus.

Ralph B. schrieb:
> In VNAs kann man viele  Kompromisse, welche bei den Messbrücken
> Richtkoppler eingegeangen werden, durch eine Werkskalibration wieder
> rausgekürzt werden

Mit einer Werkskalibrierung hat das nichts zu tun. Die 
Systemrichtschärfe, die nach einer OSM- bzw. TOSM-Kalibrierung erreicht 
wird, hängt im Wesentlichen von der Rückflussdämpfung der verwendeten 
Load ab (bzw. der Güte der für sie zur Verfügung stehenden 
Korrekturdaten). Siehe die eben geposteten Gleichungen.

> was aber dann auch mit anderen Nachteile erkauft
> werden, wie z.B. Dynamikbereich

Mit dem Dynamikbereich hat das zunächst wenig zu tun. Siehe die 
geposteten Gleichungen. Das Problem ist eher, dass der Einfluss der 
Fehlerterme auf das Messergebnis größer und damit kritischer wird, wenn 
die Fehlerterme im Verhältnis zur Messgröße größer werden.

Mario H. schrieb:
> Für eine Reflexionsfaktormessung ist nunΓDUT=EDF+(1−ERF)Γ1−ESFΓ.
> \Gamma_{\rm DUT}=E_{\rm DF}+(1-E_{\rm RF})\frac{\Gamma}{1-E_{\rm
> SF}\Gamma}.
> Dabei ist Γ_DUT der wahre Reflexionsfaktur des Messobjekts, Γ der mit
> der fehlerbehafteten Brücke gemessene

Falsch, umgekehrt: Es ist

wobei Γ_meas der gemessene Reflexionsfaktor und Γ der wahre 
Reflexionsfaktor des Messobjekts ist.

Edit: Anbei auch noch das oben vergessene Bild.

Mario H. schrieb:
> Mit einer Werkskalibrierung hat das nichts zu tun. Die
> Systemrichtschärfe, die nach einer OSM- bzw. TOSM-Kalibrierung erreicht
> wird, hängt im Wesentlichen von der Rückflussdämpfung der verwendeten
> Load ab (bzw. der Güte der für sie zur Verfügung stehenden
> Korrekturdaten). Siehe die eben geposteten Gleichungen.

das ist prinzipiell richtig doch bei der Werkskalibrierung wird 
offensichtlich eine Grundkalibrierung nach OSM durchgeführt, so das wenn 
man an den Sendeport direkt die Abschlüsse O,S,M anschließt im 
Smithdiagramm auch ohne vorherige Userkalibrierung schon alle drei 
Punkte auf der reellen Achse liegen.

Ich kann mir nicht vorstellen, das die eingebauten Richtkoppler von 
Hause aus schon so gut sind.

So ist das jedenfalls bei meinen HP8752 welches bis 1,3GHz geht und bei 
dem HP8753ES bis 3GHz, welches  in der Firma steht, bei der ich arbeite.

Userkalibrierung muss ich erst machen, wenn ich ein Kabel an den Port 
anschließe.

Ralph Berres

Simulant schrieb:
> Wenn ich an einen idealen Richtkoppler denke, dann kann ich den so
> dimensionieren dass ein Port breitbandig entkoppelt ist.

Du hast recht. Ralph sprach offensichtlich von der Auslegung des 
Kopplers, ich dachte an die Fehlerkorrektur selber. Klassischer Fall von 
oberflächlichem Lesen meinerseits.

Der Koppler (Koppelfaktor, Mainline Loss, etc.) hat sicher Einfluss auf 
den Dynamikbereich. Wenn auch nicht den entscheidenden.

Ralph B. schrieb:
> das ist prinzipiell richtig doch bei der Werkskalibrierung wird
> offensichtlich eine Grundkalibrierung nach OSM durchgeführt, so das wenn
> man an den Sendeport direkt die Abschlüsse O,S,M anschließt im
> Smithdiagramm auch ohne vorherige Userkalibrierung schon alle drei
> Punkte auf der reellen Achse liegen.
>
> Ich kann mir nicht vorstellen, das die eingebauten Richtkoppler von
> Hause aus schon so gut sind.

Das ist richtig, der ist von Haus aus nicht so gut. Allerdings ersetzt 
die User-Kalibrierung die Grundkalibrierung, die das Gerät nimmt, wenn 
keine User-Kalibrierung aktiv ist. Darauf läuft es auch hinaus, wenn das 
Gerät intern die User-Kalibrierung auf die Werkskalibrierung 
draufrechnet.

Unter dem Strich gilt das Gesagte: Die erzielte Systemrichtschärfe wird 
durch die Rückflussdämpfung der Load bestimmt.

Die verbleibenden Fehler nach Kalibrierung hängen natürlich wesentlich 
von der Stabilität des Geräts und des Messaufbaus ab. Da liegen Welten 
zwischen einem nanoVNA und einem Laborgerät.

Felix B. schrieb:
> Wie machen das professionelle Messgeräte über so einen weiten Bereich?
> Die ganzen handheld VNAs werden doch nicht 10 messbrücken verbaut haben
> immer für einen kleinen Bereich.

Vielleicht nicht 10 aber zumindest eine Aufteilung in Low Band 
(Messbrücke) und High band (Richtkoppler) findet sicher bei einigen 
Anritsu VNAs statt. Der Übergang ist so um die 2 GHz herum.
Die in den alten VNA test sets verbauten Monster-Richtkoppler bieten 
aber zum Teil schon phänomenal gute Roh-Performance, allerdings auf 
Kosten des Insertion losses, da keine grossen Leistungen übertragen 
werden müssen.
(https://www.testequipmenthq.com/datasheets/Agilent-8510C-Datasheet.pdf)

Felix B. schrieb:
> Also wie viel darf von port 1 nach
> port 3 koppeln?

Hängt von deinem finanziellen Budget ab.

Faustregel: Wenn die Anwendung (unkorrigiette) Reflexionsmesdungen sind, 
sollte die Richtschärfe des Kopplers etwa 10 dB höher als der zu 
messende minimale Reflektionsfaktor (S11) sein.