DE10228851A1

DE10228851A1 - Richtkoppler

Info

Publication number: DE10228851A1
Application number: DE10228851A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Kummer; Rainer Krause
Original assignee: Kathrein Werke KG
Current assignee: Kathrein SE
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: AU2003242635A1; WO2004004062A1; CA2460153A1; DE50300483D1; US6882243B2; CN2653713Y; AU2003242635B2; BR0305208A; CA2460153C; CN1274057C; EP1407508A1; DE10228851B4; CN1554135A; US20040005814A1; EP1407508B1; ATE294453T1

Abstract

Ein verbesserter Richtkoppler zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: DOLLAR A - auf dem Kopplersubstrat (19') ist angrenzend an die beiden Koppelleitungsenden (25) je eine Dämpfungsschaltung (27) oder an dem einen Koppelleitungsende (25) eine Dämpfungsschaltung (27) und an dem anderen Koppelleitungsende (25) ein Abschlusswiderstand (49) angeschlossen, DOLLAR A - auf dem Kopplersubstrat (19') ist eine elektrische Pegelauswertung (33) vorgesehen, und DOLLAR A - auf dem Kopplersubstrat (19') ist eine Schnittstelleneinrichtung (35) zum Anschluss von gegebenenfalls ungeschirmten Kabeln (41) vorgesehen oder es sind gegebenenfalls ungeschirmte Kabel (41) an der Pegelauswertungs-Schaltungseinrichtung oder diesem nachgeordnet auf dem Kopplersubstrat (19') angeschlossen, worüber die über das Koppelleitungsstück (23) erhaltenen HF-Signale in Form von analogen Signalen weiterleitbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein Richtkoppler ist beispielsweise aus der DE 23 20 458 C2 bekannt geworden. Er besteht aus einer unsymmetrischen Streifenleitung und einer Koaxialleitung, bei dem die Streifenleitung mit dem koaxialen Innenleiter gekoppelt ist. Der Streifenleiter ist dabei in der Koppelzone in eine freiliegende Aussparung des Außenleiters der Koaxialleitung eingepasst, wobei der Masseleiter der Streifenleitung gleichzeitig die durch die Aussparung unterbrochene Schirmung der Koaxialleitung bildet.
Ein diesem Stand der Technik insoweit vergleichbarer Richtkoppler ist auch aus der DE 199 28 943 A1 bekannt geworden. Um bei einem derartigen Richtkoppler auch die induktive Kopplung einzustellen, wird gemäß dieser Vorveröffentlichung vorgeschlagen, die Grundplatte als kreis runde Substratscheibe auszubilden, die in einer entsprechend zylindrisch gebildeten Ausfräsung sitzt. Dadurch ist die Substratscheibe mit dem Koppelstück winkelverdrehbar.
Durch die Drehung der Koppelleitung in dem elektromagnetischen Koaxialkabelfeld ist also der Richtkoppler abgleichbar. Der Abgleich beschränkt sich dabei allerdings nur auf die Koppeldämpfung. Die Erzielung einer hohen Richtschärpe, die in der Praxis von großer Bedeutung ist, spielt bei dieser Lösung keine Rolle.
Die bei dem geschilderten Stand der Technik abgegriffenen Richtkoppel-Signalgrößen werden bekanntermaßen einer externen Auswerteinrichtung zugeführt, und zwar über Koaxialkabel. Da hochfrequente Signale ausgekoppelt werden, müssen von daher auch hochwertige und kostenintensive Koaxialkabel und natürlich ebenso hochwertige und kostenintensive Koaxialsteckverbinder verwendet werden. Dadurch soll sichergestellt werden, dass auch bezüglich des Wellenwiderstandes eine hochwertige Verbindung und damit eine gute Richtschärfe realisierbar ist.
Gleichwohl lassen sich mit den bekannten Richtkopplern nur vergleichsweise schlechte Richtschärfe-Werte realisieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher, ausgehend von dem gattungsbildenden Stand der Technik einen verbesserten Richtkoppler zu schaffen, der bei insgesamt kostengünstigerem Aufbau die Erzielung verbesserter Signalwerte zulässt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung schlägt nunmehr in Abweichung zu dem gesamten Stand der Technik vor, dass auf der Grundplatte des Richtkopplers anschließend an die beiden Enden des Koppelstückes je eine Dämpfungsschaltung oder am einen Ende des Koppelstückes eine Dämpfungsschaltung und am anderen Ende des Koppelstückes ein Abschlusswiderstand vorgesehen sind. Wird an einem Ende des Kopplungsstückes ein Abschlusswiderstand vorgesehen, so handelt es sich um einen sog. einarmigen Richtkoppler, bei dem der zweite Koppelarm durch den Abschlusswiderstand terminiert ist.

Vor allem aber ist auf dem Richtkoppler selbst, d.h. bevorzugt auf der Grundplatte eine elektronische Pegelauswertung vorgesehen. Ferner ist eine Schnittstelleneinrichtung untergebracht, an der allerdings dann – da die Hochfrequenz-Signalverarbeitung auf dem Richtkoppler selbst stattfindet – lediglich ein ungeschirmtes Kabel angeschlossen werden kann. Bevorzugt wird nämlich an dieser Schnittstelleneinrichtung ein Flachbandkabel angeschlossen, welches natürlich gegenüber hochwertigen Koaxialkabel-Anschlüssen sehr viel preisgünstiger zur Verfügung gestellt werden kann.

Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau werden nicht nur drastische Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen realisiert, sondern es ergeben sich deutlich verbesserte Werte für die Richtschärfe!

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden für die Dämpfungsglieder eine an sich bekannte n-Schaltung oder beispielsweise eine T-Schaltung unter Verwendung der entsprechenden Widerstände eingesetzt. Insbesondere diese Schaltungsanordnungen können problemlos auf der Grundplatte bzw. dem Richtkoppler angesetzt werden.

Darüber hinaus können an dem jeweiligen Arm des Richtkopplers auch noch Filterbausteine untergebracht sein.

Als besonders günstig erweist sich ferner die Unterbringung eines Pegeldetektors auf dem Richtkoppler, d.h. insbesondere auf der Grundplatte.

Schließlich ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass sich auf dem Richtkoppler zusätzlich ein nicht flüchtiger EEPROM-Speicherbaustein befindet, in dem die Übertragungsfunktion zumindest eines und vorzugsweise beider Koppelarme samt elektronischer Auswertung gespeichert ist. Damit ist nunmehr eine eindeutige Zuordnung zwischen anliegendem HF-Pegelwert und resultierender Detektorspannung sichergestellt. Sämtliche Bauteiltoleranzen von Richtkoppler und Auswertelektronik sind so auf einer gemeinsamen Baugruppe zusammengefasst und abgespeichert. Dadurch wird zudem auch das Auswechseln einzelner Baugruppen in einem Gerät erheblich vereinfacht. Denn in bisher bekannt gewordenen Kopplersystemen musste demgegenüber nach dem Auswechseln einzelner Komponenten entweder ein aufwendiger Abgleich am Gesamtgerät durchgeführt werden oder es mussten sehr hochwertige, eng tolerierte Einzelkomponenten eingesetzt werden, die im gegenseitigen Zusammenspiel abgleichfrei sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
1: eine schematische perspektivische Darstellung eines Koaxialleiters mit einem Anschlussbereich für den Richtkoppler;
2: eine schematische Vertikalschnittdarstellung durch die Grundplatte des Richtkopplers und des Koaxialleiters;
3: eine schematische Draufsicht auf die Darstellung gemäß 2;
4: eine vergrößerte Detaildarstellung auf den das Koppelstück sowie die elektronischen Baugruppen und Komponenten umfassenden Grundplatte des Richtkopplers einschließlich eines Erweiterungsabschnittes;
5: einen schematischen Schaltplan zur Verdeutlichung der auf der Grundplatte befindlichen Elektronik; und
6: eine zu 5 abgewandelte Schaltungsanordnung für einen einarmigen Richtkoppler, bei welchem der eine Ausgang des Richtkopplers über einen Abschlusswiderstand abgeschlossen und am anderen Ausgang nicht ein n-förmiges, sondern ein T-förmiges Dämpfungsglied vorgesehen ist.
In den 1ff. ist ein Richtkoppler gezeigt, der ein durchgehendes Koaxialleitungsstück 1 mit einem in 1 in perspektivischer Ansicht gezeigten und relativ massig ausgestalteten Außenleiter 3 und mit einem Innenleiter 5 umfasst .
Der Außenleiter 3 weist einen im gezeigten Ausführungsbeispiel quadratischen oder rechteckförmigen Außendurchmesser auf. Unter Ausbildung eines im Inneren des Außenleiters 3 hohlzylinderförmigen Abstandsraumes 7 ist vom Außenleiter 3 elektrisch getrennt der im gezeigten Ausführungsbeispiel zylindrische Innenleiter 5 verlaufend vorgesehen.
Auf dem Außenleiter 3 ist – wie insbesondere aus 1 zu ersehen ist – ein Auflager- oder Montageabschnitt 11 vorzugsweise in Form einer Vertiefung oder Ausfräsung vorgesehen. In einer so gebildeten Koppelzone 13 ist eine freiliegende Aussparung 15, d.h. ein Fenster 15 in der Wandung des Außenleiters 3 vorgesehen.
In dieser Koppelzone 13 wird dann der Koppler 19 mit dem Kopplersubstrat 19' beispielsweise durch mehrere seitlich zur freiliegenden Aussparung 15 versetzt liegende Schrauben 16 am Außenleiter 3 fest montiert, wobei an der Unterseite des Kopplersubstrates 19' ein Koppelleitungsstück 23 vorgesehen ist. Die Koppelleitung hat dabei eine Länge von vorzugsweise < λ/4, insbesondere eine Länge von > λ/16, vor allem um λ/8. Dazu sind an den Stellen, an denen die Schrauben 16 sitzen, in der Wandung des Außenleiters 3 entsprechende Gewindebohrungen eingearbeitet, die mit entsprechenden Bohrungen 18 in dem Kopplersubstrat 19' fluchten, um die entsprechenden Schrauben 16 einzudrehen.
Das Koppeleitungsstück 23 kann in einer vorbestimmten Ausrichtung auf dem Kopplersubstrat 19' vorgesehen sein, und zwar derart, dass sich erfahrungsgemäß günstige Werte für die Koppeldämpung ergeben.
Das Koppelleitungsstück 23 kann beispielsweise aus einer Streifenleitung bestehen. Genauso kann aber ein Drahtbügel oder ein bedrahtetes Bauteil (Widerstand) eingesetzt werden.
Das Kopplersubstrat 19' ist in Form einer Multilayerschicht aufgebaut, die durch die Schirmungsfläche eine gute Schirmung bietet und dadruch einen insgesamt störstrahlungsfesten Koppler ergibt. Durch die Multilayerschicht 19' ist dadurch die durch die freiliegende Aussparung 15 unterbrochene Schirmung der Koaxialleitung wieder völlig geschlossen.
Über Durchkontaktierungen werden die an dem Koppelleitungsstück 23 in dem betreffendenen elektromagnetischen Feld abgegriffenen Signale an die Koppleroberseite durchgereicht, wo sich die elektronischen Bauteile befinden, die die ausgekoppelten HF-Signale unmittelbar in analoge NF-Spannungen zur Weiterverarbeitung konvertieren.
Dazu sind unmittelbar angrenzend an die Koppelleitungsenden 25 geeignet dimensionierte Dämpfungsglieder oder Dämpfungsschaltungen 27 vorgesehen, die als beidseitige Zwangsanpassung für die Koppelleitung dienen und somit die Richtwirkung des Kopplers grundlegend mitbestimmen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist dabei die Dämpfungsschaltung 27 in Form einer n-Schaltung ausgebildet, bei welcher ein erster Widerstand R1 jeweils in der Signalleitung 29 und vor und hinter dem Widerstand R1 ein auf Masse oder ein Gegenpotential gelegter weiterer Widerstand R2 bzw. R3 geschaltet sind.
Wie anhand von 6 auch gezeigt ist, kann anstelle einer derartigen n-förmigen Dämpfungsschaltung 27 eine Tförmige Dämpfungsschaltung verwendet werden, bei welcher zwei Widerstände R4 und R5 in der Signalleitung 29 in Reihe geschaltet sind und zwischen diesen ein auf Masse oder ein Gegenpotential gelegter Widerstand R6 angeschlossen ist.
Aber auch andere Dämpfungsschaltungen sind grundsätzlich realisierbar (z.B. Festdämpfungsglieder).
Aus dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 5 geht hervor, dass die elektronischen HF-Bauteile auf der Koppeloberseite identisch und symmetrisch für beide Koppelarme ausgewählt und angeordnet sind. Da eventuell störende Einflüsse wie Fehlanpassungen, Bauteiltoleranzen und Temperaturtriften gleichermaßen auf beide Koppelarme wirken, werden diese Einflüsse gegeneinander kompensiert.
Aus der Draufsicht gemäß 5 ist auch zu ersehen, dass den Dämpfungsschaltungen 27 in beiden Koppelarmen A, B nachgeordnet noch ein Filter 31 sowie beispielsweise ein Pegeldetektor 33 und ein EEPROM 37 untergebracht sein können, wobei bevorzugt in dem EEPROM-Speicherbaustein die Übertragungsfunktion der beiden Koppelarme samt elektronischer Auswertung gespeichert sind.
Die gesamte Anordnung lässt sich einschließlich einer Schnittstelleneinrichtung 35 auf dem Koppelsubstrat 19' unterbringen. Sollte der Zentralabschnitt 19a des Koppelleitersubstrates 19' für die elektronischen Baukomponenten nicht groß genug sein, so kann das Kopplersubstrat 19' neben dem Zentralabschnitt 19a, der unmittelbar oberhalb der freien Aussparung 15 am Außenleiter 3 des Koaxialleitungsstückes 1 liegt, noch einen seitlich weiter vorstehender Erstreckungsabschnitt 19b umfassen (4).
An der erwähnten Schnittstelleneinrichtung 35 können nunmehr zum Abgriff der Analogsignale eine Gegensteck- oder Kontakteinrichtung 36 mit einem ungeschirmten Kabel angeschlossen werden, beispielsweise ein ungeschirmtes Flachkabel 41, welches zu einem extern untergebrachten Mikroprozessorbaustein 43 führt.
Das Kopplersubstrat 19' ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als 4-Lagen-Multilayer aufgebaut, wodurch die Kombination aus HF-Richtkoppler und elektronischer Auswertung auf einer einzigen kompakten Baugruppe realisierbar ist. Dabei existieren zwei Innenlagen, wobei die untere Innenlage als Bezugsmasse für das Koppelleitungsstück dient. Der Lagenaufbau des Kopplersubstrates kann aber auch anders ausgeführt sein, beispielsweise mit unterschiedlicher Substratstärke oder Lagenanzahl. Das Leiterplattensubstrat kann sich für jede Lage ändern und somit auch unterschiedliche Qualitätsstufen und Preisklassen aufweisen.
Anhand von 6 ist zum einen gezeigt, dass die Dämpfungsglieder 27 auch in Form der erwähnten T-Schaltung ausgebildet sein können. Darüber hinaus ist anhand von 6 ein Richtkoppler gezeigt, der einarmig ausgebildet ist. In diesem Falle wird der eine Koppelarm auf dem Kopplersubstrat 19' durch einen Abschlusswiderstand 49 abgeschlossen.
In Ergänzung zu der erläuterten Ausführungsbeispielen wird angemerkt, dass das Koppelleitungstück sowohl in Länge wie Breite variieren kann und dabei auch in unterschiedlicher Relativlage, d.h. insbesondere Verdrehlage zu dem darunter befindlichen Innenleiter montiert werden kann. Dabei muss das Koppelleitungsstück nicht als Streifenleitung ausgeführt sein. Es kann vielmehr auch als Drahtbügel oder in Form eines bedrahteten Bauteiles (Widerstand) realisiert sein.
Wie bereits angedeutet wurde, kann die Lage und der Aufbau des Kopplersubstrates abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen abgebildet sein. So können beispielsweise unterschiedliche Substratstärken oder ein Kopplersubstrat mit einer von dem gezeigten Ausführungsbeispiel abweichenden Lage und Anzahl verwendet werden.
Schließlich kann auch das Leiterplattensubstrat aus unterschiedlichen Qualitätsstufen und Preisklassen aufgebaut sein.
Wie sich insbesondere unter Bezugnahme auf 4 und 5 ergibt, können die elektrischen und elektronischen Bauteile sowohl auf der Koppleroberseite, d.h. der Oberseite des Kopplersubstrates 19' wie aber auch auf der Unterseite angebracht sein. Schließlich können die geschilderten Baugruppen auch noch Elemente zu einer Temperaturkompensation mitbeinhalten, die beispielsweise eine Software- oder hardwaremäßigen Temperaturkompensation erlauben.
Ferner kann die Baugruppe auf dem Kopplersubstrat auch noch neben einer absoluten Pegelinformation auch Differenzwerte von Pegel und Phase zwischen den beiden Koppelarmen liefern. Auch diese Signale können entsprechend ausgewertet und über das Flachbandkabel einem nachgeordne ten Mikroprozessor zur Verfügung gestellt werden.
Schließlich können die beiden Koppelarme a und b über getrennte oder gemeinsame Elektronikpfade 29 ausgewertet werden. In den Auswertepfaden können zur Unterdrückung von Störfrequenzen frequenzbestimmende Elemente wie Bandpässe 31 oder Bandsperren implementiert sein.
Schließlich kann auf der Baugruppe auch eine zusätzliche Schaltung oder ein Mikroprozessor vorgesehen sein, der die gewonnenen Detektorspannungen auswertet und davon abgeleitet die Größen, wie z. B. Reflektionsfaktor, Rückflussdämpfung oder Stehwellenverhältnis (VSWR) erzeugt. Bei Bedarf muss gegebenenfalls das Kopplersubstrat größer ausgebildet sein oder es weist einen größeren Koppelansatz 19b auf.

Claims

Richtkoppler mit zumindest einem Koppelleitungsstück (23), welches mit einem koaxialen Innenleiter (5) eines Koaxialleitungsstücke (1) gekoppelt ist und dazu das Koppelleitungsstück (23) auf oder an einem Kopplersubstrat (19') vorgesehen ist, welches auf einem Auflage- oder Montageabschnitt (11) des Außenleiters (3) des Koaxialleitungsstückes (1) im Bereich einer Aussparung (15) im Außenleiter (3) angeordnet ist und so das Koppelleitungsstück (23) in den Raum zwischen Innen- und Außenleiter (5, 3) gehalten ist, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale – auf dem Kopplersubstrat (19') ist angrenzend an die beiden Koppelleitungsenden (25) je eine Dämpfungsschaltung (27) oder an dem einen Koppelleitungsende (25) eine Dämpfungsschaltung (27) und an dem anderen Koppelleitungsende (25) ein Abschlusswiderstand (49) angeschlossen, – auf dem Kopplersubstrat (19') ist eine elektrische Pegelauswertung (33) vorgesehen, und – auf dem Kopplersubstrat (19') ist eine Schnittstelleneinrichtung (35) zum Anschluss von gegebenenfalls ungeschirmten Kabeln (41) vorgesehen oder es sind gegebe nenfalls ungeschirmte Kabel (41) an der Pegelauswertungs-Schaltungseinrichtung oder diesem nachgeordnet auf dem Kopplersubstrat (19') angeschlossen, worüber die über das Koppelleitungsstück (23) erhaltenen HF-Signale in Form von analogen NF-Signalen weiterleitbar sind.
Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsschaltung (27) aus einer n-Schaltung (R1, R2, R3) besteht.
Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsschaltung (27) aus einer T-Schaltung (R4, R5, R6) besteht.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kopplersubstrat (19') vorzugsweise an jedem der beiden Koppelleitungsenden (25) angrenzend bzw. nachgeschaltet ein Pegeldetektor (33) vorgesehen ist.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ferner auf dem Kopplersubstrat (19') ein Speicherbaustein (37) vorzugsweise in Form eines EEPROM-Speicherbausteines (37) vorgesehen ist, in welchem die Übertragungsfunktion zumindest eines und vorzugsweise beider Koppelarme samt elektronischer Auswertung gespeichert sind.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplersubstrat (19') einen Multilayer-Aufbau aufweist.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplersubstrat (19') einen Zentralabschnitt (19a) im Bereich der freiliegenden Aussparung (15) des Außenleiters (3) im Koaxialleitungsstück (1) umfasst, und dass von diesem Zentralabschnitt (19a) zumindest in einer seitlichen Richtung ein zusätzlicher Erstreckungsabschnitt (19b) zur Aufnahme weiterer elektrischer oder elektronischer Komponenten vorgesehen ist.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelleitungsstück (23) als Streifenleitung, als Drahtbügel oder als bedrahtetes Bauteil vorzugsweise in Form eines Widerstandes ausgebildet ist.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauteile auf der Oberseite des Kopplersubstrates (19') und/oder auf der Unterseite des Kopplersubstrates (19') angebracht oder vorgesehen sind.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kopplersubstrat (19') ferner noch Elemente zur Temperaturkompensation vorgesehen sind.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkoppler ferner noch neben Baugruppen zur Erfassung einer absoluten Pegelinformation auch noch Baugruppen zur Erfassung von Differenzwerten zwischen Pegel und Phase zwischen den beiden Koppelarmen (A, B) umfasst.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Koppelarm (A, B), vorzugsweise in beiden Koppelarmen (A, B) insbesondere zur Unterdrückung von Störfrequenzen frequenzbestimmende Bauelemente, insbesondere Bandpässe (31) oder Bandsperren vorgesehen sind.
Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkoppler vorzugsweise auf dem Kopplersubstrat (19') auch noch einen Mikroprozessor (43) mit umfasst.