Einleitung
Ein 2,4 GHz Wilkinson Teiler wird im 13-cm-Amateurfunkband häufig zur verlustarmen und gut entkoppelten Signalaufteilung benötigt – insbesondere bei Anwendungen rund um QO-100. In diesem Beitrag zeige ich den vollständigen Eigenbau eines Wilkinson-Leistungsteilers auf FR4 Leiterplattenmaterial in Streifenleitungstechnik inklusive Layout, Berechnungsgrundlagen und Messergebnissen.
Technische Basis
Leiterplattenmaterial:
FR4, 0,8 mm Dicke
beidseitig 35 µm Kupfer
Layout und Konstruktion:
Zeichnung und Layout erstellt mit FreeCAD
Fertigung:
CNC-gefräst auf einer MPCNC
Frästiefe: 0,15 mm
Werkzeug: 1,2 mm spiralverzahnter Fräser
Bestückung:
SMD-Widerstand 100 Ω, Bauform 0805 (Isolationswiderstand)
SMA-Buchsen für HF-Anschlüsse
Projektübersicht
Für viele Anwendungen im 13-cm-Amateurfunkband (2.4 GHz) und insbesondere im Umfeld von QO-100 wird eine saubere, breitbandige und gut entkoppelte Signalaufteilung benötigt.
Der hier beschriebene Wilkinson-Leistungsteiler ist für den Frequenzbereich um 2,4 GHz ausgelegt und eignet sich sowohl für Empfangs- als auch für Sendeanwendungen.
Der Aufbau erfolgte auf einer FR4-Leiterplatte und wurde vollständig im Eigenbau realisiert – vom Entwurf bis zur mechanischen Fertigung.
Anwendungen
- Gleichmäßige Aufteilung eines HF-Signals auf zwei Ausgänge
- Amateurfunk im 13-cm-Band
z. B. Aufteilung eines Empfangssignals auf einen klassischen Empfänger und einen SDR - QO-100-Sendeanlagen
Zusammenschaltung bzw. Speisung von zwei kleinen Leistungsverstärkern - Weitere 2,4-GHz-Anwendungen, wie Bluetooth, Wi-Fi oder allgemeine Labor- und Messtechnik
Elektrische Auslegung
Die Auslegung erfolgte für das 13-cm-Amateurfunkband von 2320–2450 MHz.
Das Prinzip beruht auf Leitungstransformationen und kann hier nachgelesen werden.
Die beiden Transformationsleitungen besitzen zusammen eine elektrische Länge von λ/2 bei einer Impedanz von 70,7 Ω. Dadurch werden:
- eine saubere Leistungsaufteilung
- eine gute Entkopplung der Ausgänge
- ein impedanzrichtiger Abschluss aller Ports
erreicht.
Die restlichen Leitungen sind auf 50 Ω ausgelegt und die Längen sind frei wählbar.
Bei der Berechnung wurde der Verkürzungsfaktor des Basismaterials berücksichtigt (εr ≈ 4,65 für das verwendete FR4).
Das Bild rechts zeigt die Konturen, die zur Herstellung auf einer CNC-Fräse verwendet worden sind.
Die Layoutdatei ist am Ende dieses Beitrags zum Download verfügbar.
- Die dielektrischen Eigenschaften des Leiterplattenmaterials streuen von Hersteller zu Hersteller und sogar von Charge zu Charge.
- Falls die technischen Daten des Kopplers nicht beim ersten Versuch passen, müssen die Maße eventuell skaliert werden.
Messergebnisse
Alle Messungen wurden mit einem NanoVNA durchgeführt.
Rückflussdämpfung (S11)
- Besser als 15 dB im gesamten 13-cm-Band
- ca. 20 dB bei 2,4 GHz (roter Marker)
Einfügedämpfung (S21 / S31)
- 3,3–3,4 dB
- Davon 3 dB durch die Teilung, Rest reale Verluste (~7 %)
Symmetrie
±0,1 dB
Isolation (S23 / S32)
- Besser als 28 dB im gesamten Band
Nutzbarer Frequenzbereich
1,8–2,7 GHz mit leicht verschlechterten Werten außerhalb der Mittenfrequenz
Zusammenfassung
Der Wilkinson-Teiler zeigt im gesamten vorgesehenen Frequenzbereich um 2.4 GHz sehr gute HF-Eigenschaften.
Mit:
- hoher Isolation
- guter Anpassung
- sauberer Symmetrie
- Materialkosten unter 5 €
eignet sich der Aufbau hervorragend für Anwendungen im 13-cm-Band, insbesondere im Umfeld von QO-100, sowie für allgemeine 2,4-GHz-Experimente und Messaufgaben.
Weil das Leiterplattenmaterial bereits zuvor in anderen Projekten vermessen worden war, konnte auf einen bekannten εr Wert zurückgegriffen werden. Die Mittenfrequenz wurde dadurch bereits im ersten Entwurf gut getroffen, sodass keine Layout-Anpassungen erforderlich waren.
Download
Hier können Sie die Layout-Daten des 2,4-GHz-Wilkinson-Teilers im SVG-Format als ZIP-Datei herunterladen. Die Platine kann damit photochemisch oder per CNC-Fräse hergestellt werden.