Wie hier schon beschrieben habe ich eine weitere Variante eines Sontheimer-Frederick-Richtkopplers gebaut. Sie hat den passenden Abstand der SMA-Buchsen, um direkt an das Gamma-Messgerät angeschraubt zu werden. Beide Leiterplatten sind nun verfügbar und hier zunächst die Beschreibung und die Meßergebnisse zum Koppler.
Detailansicht
Hier nochmal die KiCad-3D-Ansicht und ein paar Detailfotos:
Diesmal wurden Ringkerne des Typs FT 50–43 mit einem AL-Wert von 440nH/Wdg² verwendet. Sie haben jeweils 20 Windungen und damit eine Eigeninduktivität von 176 µH. Sie transformieren die Leistung auf ein vierhundertstel, was rechnerisch einen Kopplungsverlust von 10*log(400)=26 dB erwarten lässt.
Als innere „Wicklung mit einer Windung“ wurde ein kurzes Stück RG400 Koaxkabel eingesetzt, das gegenüber RG58 den Vorteil hat, nicht so hitzeempfindlich zu sein. Man kann recht sorglos mit dem Lötkolben hantieren. Außerdem ist die Schirmung deutlich dichter, was der Isolation zugute kommt.
Messergebnisse
Hier die Meßergebnisse, die direkt mit den vorherigen hier und hier zu vergleichen wären:
Die Richtschärfe ist der wichtigste Parameter eines Richtkopplers. Sie gibt das Verhältnis der bei idealer Anpassung gemessenen Rücklaufspannung im Verhältnis zur Vorlaufspannung an. Die rücklaufende Spannung sollte unter idealen Verhältnissen null sein, was in der Praxis aber nicht erreichbar ist. Die hier vorgestellte Version 1.7 erreicht für den gesamten Kurzwellenbereich eine Richtschärfe von besser als ‑43 dB und selbst im 4‑m-Band noch knapp ‑34 dB. Das sind für den hier beabsichtigten Zweck mehr als gute Werte. Selbst für das 2‑m-Band werden noch ‑20 dB erreicht.
Der Kopplungsverlust liegt bis in das 4‑m-Band bei den errechneten 26 dB. Darüber fällt er etwas stärker ab, als bei dem vorherigen Versuchsaufbau mit FT50-61 Ringkernen. Zwei Dekaden abzudecken ist ja auch nicht ganz selbstverständlich.
Die Durchgangsdämpfung liegt mit 0,02~0,04 dB hart an der Grenze der Meßgenauigkeit des verwendeten Netzwerkanalysators. Idealerweise wären hier 0,01 dB zu erwarten (10*log(1–1/400)).
Der innere blaue Kreis im Smith-Diagramm kennzeichnet ein SWR von 1,25. Im gesamten Bereich zwischen 1,8 MHz und 150 MHz liegt das SWR bei 1,02 bis maximal 1,07
Das KiCad-Projekt
Zusammenfassung
Der hier vorgestellte Richtkoppler ist für den vorgesehenen Einsatzzweck bis hinauf zum 4‑m-Band sehr gut geeignet. Wer bis in das 2‑m-Band arbeiten will, sollte eher den FT 50–61 Ringkern nehmen, was auf Kosten des 160-m-Bandes gehen könnte. Eventuell sind dann 22 bis 24 Windungen als Kompromiss angemessen.
Vorschau
Auch der oben schon gezeigte Koppler funktioniert nun sehr gut. Die Eingangssignale werden bis etwa ‑40 dBm erkannt und bis sind bis etwa ‑30 dBm gut messbar. Ich werde noch einige Meßreihen durchziehen und dann hier berichten. Vorab schonmal die Messungen der Eingangsreflexion:
Nachtrag (24.07.2026)
Bei genauer Betrachtung der bisherigen Messungen (hier, hier und hier) hätte auffallen können, dass bei der oben gezeigten Messung etwas nicht stimmen kann. Bei allen bisherigen Messungen wurde die Isolation (und die daraus errechnete Richtschärfe) bei niedrigen Frequenzen schlechter, d.h. die Kurve stieg an. Das war jeweils unterhalb der durch die Trafos vorgegebene Mindestfrequenz und daher nicht weiter störend. Bei der oben gezeigten Messung ist das aber nicht der Fall. Im Gegenteil, die Isolation wird mit sinkender Frequenz immer besser und scheint gegen unendlich zu laufen (also immer weiter nach unten). Das kleine Plateau ganz links ist ein Artefakt durch die Mittelung benachbarter Messwerte.
Das fiel mir erst bei der Inbetriebnahme des Richtkopplers auf. Bei den gezeigten Messungen schien er korrekt zu arbeiten, aber leider nicht mehr, wenn die zu messende Impedanz am ANT-Port von 50 Ω abwich. Bei offenem oder kurzgeschlossenem ANT-Port sollte ja an UR die rücklaufende Spannung anstehen. Das war aber nicht der Fall, sie ging gegen null. Genauere Untersuchung mit einer Lupe ergab, dass wohl ein Drähtchen des Abschirmgeflechts der Koaxkabel, die durch die Ringkerne gehen, einen Kurzschluss verursacht hat. Nach der Beseitigung dieses Kurzschlusses ergibt sich nun folgende Messung:
Die Messkurven zeigen nun den aus den früheren Messungen bekannten Anstieg bei niedrigen Frequenzen. Davon abgesehen weichen sie nicht wesentlich von der oben gezeigten Messung ab. Isolation und Richtschärfe sind 3~5 dB schlechter, was immer noch gut ist, bei 1,8 MHz allerdings 30 dB schlechter. Das liegt daran, dass die vorigen Messungen bei niedrigen Frequenzen zu gut waren und dass das 160-m-Band nahe an der Grenze des Betriebsbereichs des Kopplers liegt. Wenn man 30 dB als Zielwert für die Richtschärfe fordert, ist der Koppler aber gut im gesamten Kurzwellenbereich vom 160-m- bis hin zum 4‑m-Band verwendbar.
Wie arbeitet ein Koppler unterhalb seiner Betriebsfrequenz?
Damit ein Transformator mit einem vernünftigen Wirkungsgrad arbeitet, wird üblicherweise gefordert, dass seine Impedanz bei der Betriebsfrequenz ein vielfaches seines reellen Widerstands beträgt. Als vernünftiger Wert wird hier oft mindestens das fünffache gefordert. Wie oben beschrieben, haben die hier verwendeten Spulen eine Eigeninduktivität von 176 µH. Der reelle Widerstand ist 50 Ω und somit sollte der induktive Widerstand 250 Ω nicht unterschreiten, das wären in diesem Fall also 226 kHz. Also schauen wir uns das Verhalten doch mal zwischen 5 kHz und 1 MHz an:
Die Kurven sind dargestellt wie gemessen, ohne Mittelwertbildung zum Ausgleich lokaler Abweichungen.
Bei sehr niedrigen Frequenzen wird die Durchgangsdämpfung sehr groß. Das liegt schlichtweg daran, dass die Spulen dort praktisch einen Kurzschluss darstellen. Das fängt bei 200 kHz an, sich deutlich zu bessern, was sich mit dem oben genannten Wert von 226 kHz deckt. Ab 700 kHz wird eine Richtschärfe von 30 dB erreicht, was mit einer kleinen Sicherheitsmarge also einen Betrieb ab 1 MHz gewährleistet. Die Durchgangsdämpfung liegt bei weniger als 0,1 dB, was einen normalerweise tragbaren Verlust von etwa 2% bedeutet.
Der Kopplungsverlust ist schon weit unter 100 kHz in dem durch das Wicklungsverhältnis vorgegebenen Bereich. Auch wenn die Durchgangsdämpfung da noch sehr groß ist, funktionieren die Übertrager also. Bei 21 kHz liegt die Durchgangsdämpfung übrigens bei 3 dB (hier nicht gezeigt) und da wird dann die Hälfte der Eingangsleistung in den Spulen verbraten.
Grenzen der Isolationsmessung
Warum wird die Isolation überhaupt mit sinkender Frequenz schlechter (steigender dB-Wert)? Hier nochmal der Schaltplan:
Die Isolation ist das Verhältnis der an UR gemessenen Spannung zur Eingangsspannung TRX. UR ist die Summe der vom Stromübertrager T1 und der vom Spannungsübertrager T2 gelieferten Spannungen. Bei idealer Anpassung sollten sie sich kompensieren und UR sollte 0 V sein. In der Praxis funktioniert das aber nur in einem bestimmten Frequenzbereich. Mit steigender Frequenz erhöht sich die kapazitive Kopplung der Primär- und Sekundärwicklungen der jeweiligen Spule. T2 koppelt daher zunehmend mehr Spannung auf UR, die von T1 nicht mehr kompensiert werden kann. Bei niedrigen Frequenzen beginnt irgendwann T2 zu schwächeln und kann die von T1 gelieferte Spannung nicht mehr kompensieren. Dadurch wird die Isolation mit sinkender Frequenz ebenso schlechter.
