Direktivität

Richtkoppler, wie er zur Reflexions­messung dienen könnte. Die Tore seien hier mit (1) rechts, (2) links und (3) links oben durch­nummeriert.

Direktivität (englisch Directivity) ist ein Fachbegriff aus der Hochfrequenz­messtechnik, der das Richtverhältnis (auch genannt: Richtschärfe) eines Richtkopplers (Bild) quantitativ beschreibt. Gemeint ist damit das Verhältnis von:

• Messsignal bei Vorhandensein einer Totalreflexion am Messtor, also bei Reflexionsfaktor r = 1 zu

• Messsignal bei perfekter Anpassung am Messtor, also bei r = 0.

Bei kommerziellen Netzwerkanalysatoren werden anstelle von Richtkopplern häufig VSWR-Messbrücken eingesetzt, da diese eine erheblich größere Bandbreite aufweisen. Für diese gelten dieselben Gesetzmäßigkeiten bezüglich der Direktivität wie für Richtkoppler.

Grundlagen

Die Streuparameter (S‑Parameter) eines Dreitors, wie des Richtkopplers im Bild, beschreiben die Zusammenhänge zwischen den drei auf die Tore zulaufenden Wellen a₁, a₂ und a₃ und die von den Toren weglaufenden Wellen b₁, b₂ und b₃ in der Form:

${\begin{pmatrix}b_{1}\\b_{2}\\b_{3}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}S_{11}&S_{12}&S_{13}\\S_{21}&S_{22}&S_{23}\\S_{31}&S_{32}&S_{33}\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}a_{1}\\a_{2}\\a_{3}\end{pmatrix}}$

Zur Messung des Reflexionsfaktors eines Messobjekts (englisch Device Under Test, kurz: DUT) würde man es an das linke Tor des Richtkopplers (Tor 2) anschließen. Das Sendesignal (a₁) könnte man von rechts einspeisen (Tor 1), obwohl im Bild dort Output zu lesen ist. Und das Empfangssignal (b₃) würde in diesem Fall am linken oberen Anschluss (Tor 3) gemessen.

Die Direktivität D dieser Anordnung ist definiert als:

D = |S₂₁| · |S₃₂| / |S₃₁|

Hier ist mit |S| der Betrag der komplexen S‑Parameter gemeint.

Eine möglichst hohe Direktivität, beispielsweise mindestens 40 dB, ist Voraussetzung für eine hinreichende Messgenauigkeit bei der Reflexionsfaktormesung eines DUTs.

Messung

Zur messtechnischen Bestimmung der Direktivität würde man mindestens zwei Messungen durchführen, wie ganz oben angegeben:

• Totalreflexion am Messtor wird wahlweise durch Anschluss eines Leerlaufs (Open) oder eines Kurzschlusses (Short) an das Messtor erzielt. In der Praxis nutzt man oft beide Kalibrierstandards und bildet den Mittelwert der jeweiligen Messungen.

• Näherungsweise Anpassung am Messtor erreicht man mithilfe eines Abschlusswiderstandes (Match). Präzisere Ergebnisse erhält man mithilfe eine Luftleitung (Air Line) oder einer Gleitlast (Sliding Match).

Der Quotient beider Messungen ist die Direktivität D.

Literatur

• Rohde & Schwarz: VSWR-Messbrücke R&S ZRA. In: R&S Data Sheet. Februar 2004, S. 1–2.  PDF.

Weblinks

• Coupler Fundamentals. In: Microwaves101. 2024, abgerufen am 31. Juli 2024 (englisch).