Grundlagen: Leistungsteiler


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Einleitung

Wilkinson-Teiler
Ohmscher Teiler

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Einleitung

Will man ein Hochfrequenzsignal auf zwei Kabel aufteilen, dann kann man nicht einfach drei Kabel zusammenstecken (Impedanz!) Stattdessen braucht man einen Leistungsteiler.


Wilkinson-Teiler

Der Wilkinson-Teiler ist der beliebteste Leistungsteiler, da er die geringsten Verluste aufweist, und Niemand will mühsam erzeugte Leistung in einem Leistungsteiler verlieren, wenn es nicht unabdingbar ist. Sein Nachteil ist, das er für eine bestimmte Frequenz (oder ein Frequenzband) ausgelegt ist, innerhalb dessen er gut funktioniert.

Das Foto zeigt das Grundprinzip ganz gut. Entscheidend für die Arbeitsfrequenz ist die Länge der im Bild sichtbaren Schleife, die mit einer dünneren Leiterbahn realisiert wurde. Die Länge der beiden symmetrischen Hälften muss einem Viertel der Wellenlänge der "Arbeitsfrequenz" des Wilkinson Teilers entsprechen.

Dieser hier ist für ca. 950 MHz ausgelegt, und funktioniert in einem Bereich von 800 MHz bis zu 1300 MHz zufriedenstellend.

Man kann sowas aber auch breitbandiger konstruieren, indem man mehrere Wilkinson-Teiler ineinander verschachtelt.



Foto eines einfachen
                Wilkinson-Teilers





Ohmscher Teiler

Die Wilkinson-Teiler sind am beliebtesten, da sie nur sehr geringe Verluste haben. Dafür sind sie aber immer in ihrer Bandbreite eingeschränkt.
Der Ohmsche Teiler ist genau das Gegenteil. Es ist prinzipiell sehr breitbandig (geht sogar für Gleichstrom), vernichtet aber die Hälfte der Leistung. Wenn man also die Eingangsenergie in zwei auf zwei Ausgänge gleichmäßig aufteilen will, dann kommen dort maximal je ein Viertel der Leistung an. Die übrigen zwei Viertel - also die Hälfte der Eingangsleistung geht im Leistungsteiler verloren.

Die nebenstehende Zeichnung zeigt den aus drei Widerständen bestehenden Teiler sowie die an den Ausgängen angeschlossenen Verbraucher (in Rot) mit korrekter Impdedanz von 50 Ohm. Alle drei Widerstände R1 ... R3 sind gleich groß: 50/3 Ohm (also 16.67 Ohm).

Da die Schaltung für beide Ausgänge gleich aufgebaut ist, ist klar, das an beiden Ausgängen auch das Gleiche herauskommt. Die Eingangsimpedanz ergibt sich aus der Kombination der 5 Widerstände wie folgt:

Z = R1 + ((R2 + 50 Ohm) || (R3+ 50 Ohm))
Z = R1 + (R2 + 50 Ohm) / 2

Es gilt ja : R1 = R2 = R3
Und jeder Ausgangswiderstand ist: 50 Ohm = 3 x R1

Ohmscher Teiler
Folglich kann man schreiben:

Z = R1 + (R1 + 3xR1) / 2
Z = R1 + (4 x R1) /2
Z = R1 + 2xR1 = 3 x R1 = 50 Ohm


Mit den gewählten Widerstandswerten für R1 ... R3 ist die Eingangsimpedanz des Teilers also korrekte 50 Ohm. Prima.

Das bedeutet aber auch, dass R1 ein Drittel dieses Widerstandes ausmacht, und folglich ein Drittel der Eingangsleistung in Wärme umwandelt. Die verbleibenden zwei Drittel teilen sich auf die beiden identischen Pfade auf. Dort stellt der Widerstand R2 bzw R3 jeweils ein Viertel des verbleibenden Widerstandes, während der angeschlossene Verbraucher drei Viertel ausmacht. Am Verbraucher kommen deshalb auch nur drei Viertel des jeweils verbleibenden Drittels der Eingangsleistung an, und das ist jeweils genau ein Viertel der Eingangsleistung oder -6 dB. Bei einem Wilkinson-Teiler wäre die Ausgangsleistung doppelt so groß.
Foto eines
                einfachen Ohmschen Leistungsteilers

 


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Autor: sprut
erstellt: 16.02.2019