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Verluste ist die Wärmestrahlung jedoch vernachlässigbar klein, wie im Folgenden gezeigt
wird. Nimmt man den Koppler als „Schwarzen Strahler“ an, so ergibt sich über den gesamten
Raumwinkel aus dem Stefan-Boltzmann-Gesetz die Strahlungsleistung L zu:
L =
π k
60c
h
W
m k
2 4
4
σ * F * T , mitσ
= 2
−8
≈ 5,
7 * 10
3
2 . 4
(4.24)
Eine großzügige Approximation der Strahlungsfläche F des Kopplers findet man durch die
Zylinderfläche
F
−3
2
= 2π * r * h = 5*
10 m , mit r = 8 mm und h = 10 cm. Damit ergibt sich
auch bei einer Temperatur der Koppelschleifen von 100 K eine Strahlungsleistung von unter
30 mW. Die tatsächliche Strahlungsleistung ist mit Sicherheit noch viel kleiner, da der
Emissionsgrad bei Kupfer deutlich kleiner als der eines „Schwarzen Strahlers“ ist.
Zusätzlich zum statischen Wärmetransport sind die Verluste durch die übertragene
Hochfrequenzleistung zu berücksichtigen. Im ungünstigsten Fall ergibt sich ein Betriebsmode
mit 100 W CW und 4 kW gepulster HF-Leistung bei einem Tastverhältnis von 1%. Auch
unter Berücksichtigung von 100% Reflexion ergibt sich eine Verlustleistung von unter 0,6 W.
Nur ein Bruchteil dieser Leistung wird über die Federkontakte ans 4 K-Niveau abgegeben.
Fasst man die Verluste durch Wärmeleitung von Innen- und Außenleiter sowie die HF-
Verluste zusammen und nimmt man eine großzügige Abschätzung der durch die
Federkontakte übertragenden Leistung von 10% an, so ergibt sich insgesamt inklusive der
Strahlungsleistung eine Verlustleistung von 0,1 W pro Koppler bei 4 K.
4.7.4 Prototyp-Messungen des HF-Kopplers
Bereits bei Raumtemperatur lassen sich Messungen im Zeitbereich zur Bestimmung der
örtlichen Reflexionen insbesondere am warmen koaxialen Fenster durchführen.
Eine Zeitbereichsmessung bei 801 Messpunkten und einem Frequenzhub von 0,045 – 2 GHz
ist in Abb. 4.21 dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die hohe Reflexion am Ende der
Koppelschleife, die nicht durch einen reflexionsarmen Abschluss ersetzt wurde. Darüber
hinaus erkennt man die Reflexionen am Ort des warmen Fensters. Mit etwa 15% ist diese
Reflexion, bedingt durch die hohe Endfrequenz der Messung, relativ hoch.
Betrachtet man nur den Bereich des warmen Fensters durch die Fensterfunktion moderner
Netzwerkanalysatoren (Gated) und transformiert diesen Bereich zurück in den
Frequenzbereich, so sieht man, dass bei 160 MHz bzw. 320 MHz ein Reflexionsfaktor von
unter –25 dB erreicht wird (Abb. 4.22). Da alle weiteren koaxialen Übergänge und die
Vakuum-Leitung breitbandig als 50 Ω-System ausgelegt wurden, lässt sich der Koppler somit
für beide Betriebsfrequenzen ohne Modifikationen einsetzen. Eine weitere Reduzierung des
Reflektionsfaktors wird allerdings durch Optimierung der Federkontakte angestrebt.