DE2552478A1

DE2552478A1 - In bandleitungstechnik aufgebauter richtkoppler

Info

Publication number: DE2552478A1
Application number: DE19752552478
Authority: DE
Inventors: Edward Samuel Caragliano; Howard Herbert Nick
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-11-22
Publication date: 1976-06-24
Also published as: FR2296279B1; USB535256I5; JPS5178671A; FR2296279A1; GB1475472A; US3999150A

Description

Böblingen, den 13. November 1975 heb/bs

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: PO 974 021

In Bandleitungstechnik aufgebauter Richtkoppler

j Die Erfindung betrifft einen in Bandleitungtechnik aufgebauten ;Richtkoppler mit wesentlich verbesserten elektrischen Eigenschaften, die eine wesentliche Verringerung seiner Größe ge-

_:statten.

!Verschiedene Entdeckungen in der Halbleiterphysik haben zu einer jbeträchtlichen Verkleinerung von elektronischen Bauelementen und !Schaltungen geführt. Versuche, in Bandleitungstechnik aufgebaute Richtkoppler soweit zu verkleinern, daß sie mit den verbesserten !elektronischen Bauelementen und Schaltungen größenordnungsmäßig !verträglich sind, sind bis jetzt ohne Erfolg geblieben. Für Richtkoppler ist eine ziemlich lange Packung erforderlich, da i zwischen einer Eingangsleitung und einer Ausgangsleitung im j allgemeinen eine über eine ziemlich lange Strecke gehende Kopplung erforderlich ist» In der US-Patentschrift 3 460 069 ist eine verbesserte Packung für Richtkoppler angegeben, bei welcher die koppelnden Leitungen zwischen Eingang und Ausgang einer Schaltungskarte serpentinenartig verlaufen. Man hat jedoch anschließend festgestellt, daß bei Verringerung des Abstandes der serpentinenartig verlaufenden Leitungen zur weiteren Verkleinerung der Packung sich nachteilige elektrische Auswirkungen einstellen.

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Tatsächlich ergibt der geringere Abstand zwischen den elektrischen Leitungen, wenn sie serpentinenartig aufgewickelt sind eine Verringerung der zwischen benachbarten Leitungen auftre-■tenden Kopplung. Auf diesen benachbarten Leitungen laufen die Signale in entgegengesetzten Richtungen, so daß durch die Kopplung die elektrischen Eigenschaften des Kopplers verschlechtert werden.

Wie bekannt, ist ein in Bandleitungstechnik aufgebauter Koppler eine Vorrichtung, bei der zwei parallele, einander benachbarte, in gedruckter Schaltungstechnik aufgebaute Bandleitungen zwischen zwei Masseebenen oder Masseleitungen eingebettet und induktiv und kapazitiv derart miteinander gekoppelt sind, so daß die Kanten eines ersten Impulses mit schneller Anstiegszeit und rascher Abfallzeit, welcher entlang der Leitung läuft, in der anderen Leitung einen positiven und einen negativen Impuls erzeugen. Die Leitungen sind in der Weise rückgekoppelt oder richtungsabhängig gekoppelt, daß die so erzeugten Impulse längs der zweiten Leitung in einer Richtung laufen, die der Richtung, in der der erste Impuls längs der ersten Leitung läuft, entgegengesetzt gerichtet ist.

Die zwischen den koppelnden Abschnitten des aus zwei Elementen bestehenden Richtkopplers übertragene Energie wird durch die verschiedenen physischen Eigenschaften des Richtkopplers, wie z.B. die Länge, die Breite und den Abstand zwischen den koppelnden Abschnitten beeinflußt. Demgemäß haben große Längen der miteinander koppelnden Elemente zur Erzeugung einer guten Energieübertragung zwischen den Abschnitten des Kopplers für einen möglichst kleinen Aufbau eines aus zwei Elementen aufgebauten Richtkopplers offensichtliche Nachteile.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen in Bandleitungstechnik aufgebauten Richtkoppler möglichst kleiner flacher Bauart zu schaffen, ohne daß sich daraus eine entsprechen-

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_M *3 mm

de Verschlechterung seiner Betriebseigenschaften ergibt. Dabei sollen insbesondere auch das dielektrische Material und die Masseebenen in einer Schaltungskarte als Teil des Richtkopplers mitverwendet werden.

Der neue in Bandleitungstechnik aufgebaute Richtkoppler weist ein wesentlich kleineres Volumen ohne die dabei sonst erwartete Verschlechterung seiner elektrischen Eigenschaften auf. Die miteinander gekoppelten Eingangs- und Ausgangsleitungen sind zu entsprechenden Spiralen gewunden, die beide die gleiche Steigung aufweisen und über ihre gesamte Länge einen derartigen festen Abstand voneinander aufweisen, daß eine Kopplung für ein Eingangssignal von der Eingangskoppelleitung nach der Ausgangsikoppelleitung in rückwärtiger Richtung erzielt wird. Auf jeder 'Seite der spiralförmig gewundenen Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen ist mit einem geringen Abstand von diesen Leitungen je eine Masseebene angeordnet. Zwischen den Eingangs- und Ausgangsleitungen und zwischen den Masseebenen ist jeweils ein dielektrisches Material angeordnet. Durch die spiralförmig gewundenen Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen erhält man eine kleinere Packung und außerdem verbesserte elektrische Betriebseigenschaften, so daß der Abstand der beiden Masseebenen von den spiralig aufgewickelten Eingangs- bzw. Ausgangskoppelleitungen verringert werden kann, wodurch das Volumen der gesamten Packung weiter herabgesetzt werden kann.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind in den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelen angegeben.

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	den	2552478 - 4 -	Zeichnungen zeigt:
In	. 1	schematisch einen in Bandleitungstechnik aufge bauten Richtkoppler mit den verschiedenen An schlußklemmen und Koppelabschnitten;
Fig	. 1a	die in verschiedenen Punkten des in Fig. 1 ge zeigten Richtkopplers auftretenden Impulse, wenn Eingangsseitig eine Sprungfunktion angelegt wird;
Fig	. 2	schematisch ein Ersatzschaltbild zur Darstellung der elektrischen Eigenschaften des in Fig. 1 gezeigten Richtkopplers;
Fig	, 3a	eine Draufsicht auf den Richtkoppler zur Dar stellung der Breite der hier verwendeten Band leitungen;
Fig	. 3b	eine Querschnittsansicht längs der Linie 3b-3b in Fig. 3a zur Darstellung der geometrischen An— Ordnung und der Abmessungen des Richtkopplers gemäß Fig. 1;
jFig	. 4a	eine Draufsicht eines spiralförmig aufgewundenen koplanaren Richtkopplers gemäß der Erfindung;
Fig	. 4b	eine Schnittansicht längs der Linie 4b-4b in Fig. 4a;
Fig	. 5	eine Draufsicht auf einen Richtkoppler mit serpen tinenartig gewundenen Koppelleitungen;
Fig	. 5a	eine Seitenschnittansicht des in Fig. 5 gezeigten Richtkopplers;
Fig

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Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Richtkoppler mit

spiralförmig gewundenen Eingangs- und Ausgangs- : leitungen; I

Fig. 6a eine Seitenschnittansicht des in Fig. 6 gezeig- \

ten Richtkopplers;

Fig. 7 die Packung zur Darstellung der Größe eines

nicht spiralförmig aufgewickelten Richtkopplers mit bestimmten elektrischen Eigenschaften und

Fig. 8 die Packungsgröße eines spiralig aufgewickelten

Richtkopplers der gleichen elektrischen Eigenschaften wie der Richtkoppler, der zu der

^! Packungsgröße in Fig. 7 führen würde;

IFig. 9 schematisch eine Anordnung, bei der mehrere

j spiralförmig aufgewickelte Richtkoppler überein-

'■ ander gestapelt sind;

Fig. 10 eine graphische Darstellung des Koppelfaktors k

über den Abmessungen in Millimetern und

Fig. 11 eine graphische Darstellung der Impedanz Zo in _; Ohm über der B-Abmessung in Millimetern.

IIn Fig. 1 ist schematisch ein aus zwei Elementen bestehender 'Richtkoppler gemäß dem Stande der Technik dargestellt, der aus zwei parallel zu einander verlaufenden, sich von einem Ende A nach einem Ende B erstreckenden leitenden Segmenten 10 und 12 besteht. Gewöhnlich sind die Leiter 10 und 12 auf einem aus nichtleitendem Material, wie z.B. Epoxyglas bestehenden Substrat 14 angeordnet und liegen zwischen zwei Masseebenen 16 und 18, die normalerweise aus über und unter den Leitern angeordneten Kupfer-Ifolien bestehen. Jedes der Leiterelemente 10 und 12 weist eine An-

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schlußklemme 20 bzw. 22 am Ende A des Kopplers auf, die als Eingangs- bzw. Ausgangsklemme dienen. Jeder der Leiter 10 und 12 weist am Ende B des Kopplers je einen Abschlußwiderstand 24 bzw. 26 auf, durch die der Koppler an den Wellenwiderstand der angeschlossenen Leitung angepaßt ist. Die Kopplung findet über die gesamte Länge der Abschnitte 10 und 12 statt. Das Arbeiten des Kopplers hängt dabei von der Steilheit der Flanken des einfallenden Impulses ab. Die Breite oder Dauer des durch die Kopplung erzeugten Impulses wird durch die Länge L bestimmt, über die die beiden Abschnitte der Leiter 10 und 12 parallel verlaufen. ! Das Betriebsverhalten des Kopplers ergibt sich aus dem Wider- '·· stand der Übertragungsleitungen für die übertragenen Signale und dem Koppelfaktor, der sowohl von der Breite der Leitungen im Koppelbereich, der Dicke dieser Leitungen und dem Abstand zwischen den Masseebenen, dem Abstand zwischen den Leitungen und der relativen Dielektrizitätskonstante des dazwischenliegenden Materials abhängt. Es wurde festgestellt, daß koppelnden Leiterabschnitte der elektrischen Länge L einen Impuls mit der Impulsdauer 2L erzeugen. Beispielsweise wird ein Eingangssignal mit einer Spannungsamplitude von 1 Volt an der Eingangsklemme 20 des Leiterabschnittes 10 angelegt, wenn der Koppler eine Koppelverhältnis von 1;4 und eine elektrische Länge L von 2 ns (Nanosekunden) aufweist, so erhält man einen Ausgangsimpuls von einer Dauer von 4 ns und einer Impulsamplitude von 1/4 Volt. Der Eingangsimpuls kann durch eine am Koppler über einen Abschnitt ;

einer an die Impedanz des Kopplers angepaßten übertragungsleitung '. I ι

!angeschlossene Treiberschaltung erzeugt werden. j

Wie in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet, durchläuft der eingekoppelte^ Impuls den Leiterabschnitt 12 in entgegengesetzter Richtung, wie , den koppelnden Leiterabschnitt 10. Man erkennt sofort, daß ein längs der Haupttiber tr agungs leitung 12 mit dem Leiterabschnitt laufender Impuls in gleicher Weise in umgekehrter Richtung in den koppelnden Leiterabschnitt 10 eingekoppelt wird. Ein in Bandleitungstechnik aufgebauter Koppler wird dabei durch die Kante eines

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längs einer der Leitungen laufenden Welle betätigt und diese Impulsflanke sollte eine Anstiegs- oder Abfallzeit haben, die mindestens zweimal so schnell ist, wie die zeitliche Dauer des in der Kopplung erzeugten Impulses, so daß das Verhältnis der Höhe des induzierten Impulses zur Höhe des ansteuernden Impulses nach Art des Koppelfaktors k in Beziehung gesetzt werden kann. Die elektrische Länge des Kopplers wird als τ bezeichnet und der Koppelfaktor k = V Aus/V Ein, wobei V eine Spannung ist.

Fig. 1A zeigt das klassische Verhalten bei einer Sprungfunktion als Eingangssignal, Die der Klemme 20 zugeführte Sprungfunktion ist in Fig. IA als V Ein bezeichnet. Der mit V22 bezeichnete Impuls tritt an der Klemme 22 auf, d.h., an der rückgekoppelten Signalklemme des Kopplers, Man sieht, daß die Amplitude dieses Impulses durch den Kopplungsfaktor k des Kopplers bestimmt ist und eine Dauer von 2τ aufweist, wobei xdie elektrische Länge des gekoppelten Bereiches ist. V21 stellt den an der Klemme 21 ankommenden Impuls dar. Man sieht, daß dieses Signal über die Zeit T — τ verzögert ist. Diese Verzögerung ergibt sich ■beim Durchlaufen der Koppelleitung 10, deren elektrische Länge τ ist. V23 ist die an der Klemme 23 auftretende Spannung, Diese Klemme ist die sogenannte O-Klemme, weil die resultierende, dort eingekoppelte Energie = 0 ist.

Die beiden den Koppelbereich bildenden übertragungsleitungen lassen sich ferner durch die Darstellung mit verteilten Parametern gemäß Fig. 2 beschreiben. Eine kleine Strecke ΔΧ ist hier gezeigt, der jeweils die Selbst-Induktivität Ls jeder übertragungsleitung, eine Gegen-Induktivität Lm zwischen den beiden Übertragungsleitungen, eine Eigenkapazität Cs jeder übertragungsleitung gegenüber Masse oder Erde und die Kapazität Cm zwischen den einzelnen Leitungen zugeordnet ist. Die zwischen Eingangsklemme 20 und Masse liegende Eingangsimpedanz hängt von Ls, Lm, Cs, Cm und der Abschlußimpedanz Zo ab. Die in Fig.2 dar-

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gestellten elektrischen Parameter hängen von den physischen, geometrischen Parametern des in den Fign. 3a und 3b dargestellten Richtkopplers und außerdem von den elektromagnetischen Eigenschaften des umgebenden Materials ab. Fig. 3a zeigt als Draufsicht auf den Richtkoppler die Breite W der miteinander gekoppelten Leitungen, Fig. 3b zeigt eine Seitenschnittansicht des Richtkopplers mit folgenden Angaben;

X = Abstand zwischen den Leitungen Υ = Abstand zwischen jeder Leitung und der zugehörigen Masseebene

2 = Dicke der Leitungen
Er = relative Dielektrizitätskonstante

des umgebenden Isoliermaterials Mr = relative Permeabilität des umgebenden Isoliermaterials

Die Beziehung zwischen den elektrischen Parametern und den körperlichen Abmessungen lassen sich durch eine Behandlung komplexer Feldgleichungen ableiten, die sich in IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques; Band MTT-4, April 1956, Seite 75 bis 81 in !einem Aufsatz von E.M,T, Jones und J.T. BoIIjahn finden, mit dem Titel "Coupled Strip Transmission Line Filters and Directional !Couplers". Wie man aus diesem Aufsatz erkennt, eignen sich diese Gleichungen nicht ohne weiteres für eine einfache Schreibweise, doch läßt sich feststellen, daß die folgenden Parameter funktional wie folgt zusammenhängen;

1. Zo (Wellenwiderstand) = f (W, Y, X, Z, Er, Mr)

2. Np (Äusbreitungsgeschwindigkeit) = g (c, Er, Mr) (wobei

c die Lichtgeschwindigkeit 1st)

3. Ls (Selbst-Induktivität) = h(Mr, Y, Z, W)

4. Lm (Gegen-Induktivität) = j (Ls, X)

5. Cs (Eigenkapazität) = ra (Y, W, X, Z, Er)

6. Cm (Gegenseitige Kapazität) - η (W, C, Er, Y und Z),

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Die oben genannten Funktionen beschreiben den Fall von zwei geraden, parallelen, kreisförmigen oder rechteckigen Übertragungsleitungen, die mit Abständen in symmetrischer Anordnung zwischen \ zwei Masseebenen angeordnet sind, wobei der Bereich zwischen den Masseebenen und den Leitungen mit einem homogenen iso- ^; tropen Medium ausgefüllt ist, der ein μο und EoEr aufweist. Dabei ist μο die Dielektrizitätskonstante des freien Raumes und Eo die Permiabilität des Mediums. Das folgende Beispiel gilt für einen geradlinigen Richtkoppler der die folgenden notwendigen Bedingungen erfüllt:

k (Spannungskoppelfaktor) =0,53

Zo (Wellenwiderstand) = 100
; Er (Dielektrizitätskonstante) =4,8 ; W (Breite der koppelnden Leitung) = O_f127 mm

τ (elektrische Länge) = 3,75 ns ι _3

Z (Dicke der Leitung) = 17,8 χ 10 mm.

jDie sich daraus ergebenden geometrischen Abmessungen sind;

X (Abstand zwischen den koppelnden Leitungen) = 79,76x10 mm B (Abstand zwischen den Masseebenen) = 2y+X = 33,71 mm.

Unter Bezugnahme auf die Fign. 3a und 3b wird ein zweites Beijspiel gezeigt, das die erforderlichen Bedingungen wie folgt er- !füllt:

k	= 0,27	OTtI
Zo	= 106	ns
Er	= 4,8	χ 10 mm
W	= 0,63
T	= 31,25
Z	= 35,56

Die sich daraus ergebenden geometrischen Abmessungen sind wie folgt: X = 1,453 ram und B = 23,39 mm.

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'·■ Aus Beispiel 1 folgt, daß mit einer Dielektrizitätskonstante j des Materials Er von 4,8 und einer elektrischen Länge τ von 3,75 ns die Gesamtlänge des Koppelbereiches ungefähr gleich 533,4 mm wird. In gleicher Weise ergibt sich aus Beispiel 2 die Länge des Koppelbereiches zu etwa 4267,2 mm. Natürlich wird die Längenabmessung jeder Packung unter Einschluß des Richtkopplers zu den beiden oben angegebenen Längenabmessungen in Beziehung stehen. Man erkennt, daß beim Aufbau eines Richtkopplers gemäß den beiden Beispielen sich sehr unhandliche Gebilde ergeben würden mit Abmessungen von beispielsweise von I55,88 χ 63,5 χ 3,3 cm. Jeder brauchbare Versuch, die Längenabmessung der Packung zu verringern, führt von dem geradlinigen Richtkoppler weg.

In den Fign. 5 und 5a ist ein Richtkoppler mit einer serpentinenartigen Anordnung der koppelnden Leitungen gezeigt, wodurch die elektrischen Parameter Ls, Lm, Cs und Cm der zuvor erwähnten geradlinigen Anordnungen beeinflußt werden. Wenn man beispielsweise die geradlinige Anordnung zu der serpentinenartigen Anordnung gemäß Fig, 5 umformt, dann würde die Selbst-Induktivität jeder der gekoppelten Leitungen und die Gegen-Induktivität zwischen den Leitungen gegenüber dem Fall des geradlinigen Kopplers !verringert. Die einander benachbarten Leitungsabschnitte beein-

jflüssen sich dabei etwa in der Weise, daß der in Segment A-A fließende Strom dem im Segment B-B fließenden Strom entgegenge- !richtet ist, so daß das durch den im Segment A-A fließenden Strom erzeugte magnetische Feld das durch den gleichen im Segment B-B in aitgegengesetzter Richtung fließenden Strom erzeugte Feld beeinträchtigt, so daß sich für die gesamte Leitung ein geringerer !Wert an Eigen-Induktivität Ls ergibt. In gleicher Weise würde ! jauch die ausgangsseltige Induktivität der Koppelleitung verringert^ Da dsmgemäß die für eine vorgegebene Länge des Koppelbereiches jbenötigte Fläche kleiner gemacht wird, so nimmt auch die Anzahl der geradlinigen Segmente (A-A) in Fig. 5 und ihr Abstand in der serpentinenartigen Anordnung zu, so daß sich ein weitere Ver-

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ringerung der Selbst-Induktivität und der entsprechenden Gegeninduktivität ergibt. Diese Verringerung der Selbst-Induktivität geht unmittelbar in eine Verringerung der Eingangsimpedanz Zo ein, wie dies Fig. 2 zeigt. Die Änderung der Gegen-Induktivität Lm hat den den größten Einfluß auf den Koppelfaktor k.

In einer geradlinigen Koppelanordnung mit der Impedanz Zo, einem Koppelfaktor k, einer Dielektrizitätskonstante Er und einer Breite und Dicke der Koppelleitung von W bzw. Z liegen die Abmessungen B_f X und Y, wie Fig. 3 zeigt, fest. Wird dieser gleiche Koppler nunmehr zu einer serpentinenartigen Arnordnung umgeformt, so erhält man einen niedrigeren Wellenwiderstand Zo und einen kleineren Koppelfaktor k. Man kann die Abmessungen Q, B und X ^: so ändern, daß diese Parameter wieder die Werte der geradlinigen !Anordnung annehmen. Die erforderlichen Änderungen bedeuten also eine Erhöhung der Abmessungen in Q und B und eine Abnahme der Abmessung in X-Richtung.

In den Fign. 6 und 6a ist eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Richtkopplers dargestellt, bei dem die Eingangs-Koppelleitung und die Ausgangs-Koppelleitung spiralförmig ausgeführt sind. Jede der spiralförmigen Windungen hat die gleiche Steigung und die Windungen liegen in zueinander parallelen Ebenen, so daß die Breitendimension W einander benachbarter Spiralen über die gesamte Länge der miteinander gekoppelten Leitungen einander gegenüberliegt und im Abstand X voneinander zueinander parallel verläuft. Diese spiralförmigen Leitungen sind in ein dielektrisches Material eingebettet, das sich bis zu den Masseebenen erstreckt, die oberhalb und unterhalb parallel zu den spiralförmigen Windungen angeordnet sind. Erläuterungen und Abmessungen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3a und 3b gegeben wurden, sind in gleicher Weise auf den spiralförmig ausgestalteten Koppler in Fig. 6 und 6a anwendbar. Durch die spiralförmige Anordnung der Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen ergibt sich eine wesentliche Verringerung der Längenabmessung gegenüber einem gerad-

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linigen Koppler, so daß eine viel kompaktere Packung erzielbar j ist. Wie man ferner aus Fig. 6 und 6a erkennt, fließt der Strom !in benachbarten Segmenten der Windungen in der gleichen Richtung, j so daß die durch die stromführenden Leitungen erzeugten Felder einander unterstützen, statt einander entgegengesetzt gerichtet zu sein. Tatsächlich wird die Kopplung zwischen benachbarten Leitungen erhöht, wenn die spiralförmigen Windungen eine kleine Steigung besitzen. Diese verbesserten elektrischen Eigenschaften werden verringert, wenn der Abstand B zu den Masseebenen verringert wird. Wenn man die Masseebenen näher an die spiralförmigen Windungen heranbringt, wird das Feld begrenzt, so daß zwischen benachbarten Leitungen eine kleinere Kopplung auftritt.

Für einen koplanaren Richtkoppler tritt eine ähnliche Wirkungsweise auf. Aus den Fign. 4a und 4b erkennt man, daß Eingangsund Ausgangs-Koppelleitungen oder Segmente solcher Koppelleitungen in voneinander getrennten Spiralen angeordnet sind, die jeweils die gleiche Steigung aufweisen. Diese Spiralen sind in der gleichen Ebene leicht gegeneinander versetzt angeordnet, so daß die Kanten eines Leitungssegments einer Spirale von den !Kanten der benachbarten Leitungssegmente der anderen Spirale über die gesamte Länge der koppelnden Leitungen einen Abstand von S aufweisen. In der spiralförmigen Anordnung ergibt sich leine Kantenkopplung von beiden Kanten der Eingangsleitung nach benachbarten Leitungssegmenten der Ausgangsleitung. Wenn man die Masseebenen dichter an die spiralförmig angebrachten Leitungen heranführt, und damit die Abmessung B verringert, dann wird das die Eingangs-Koppelleitung umgebende Feld entsprechend begrenzt, so daß sich daraus eine Verringerung der elektrischen Betriebseigenschaften ergibt, wobei gleichzeitig aber eine flachere Packung mit kleinerem Volumen entsteht. Die elektrischen Eigenschaften einer solchen, mit spiralförmig angeordneten Leitungen aufgebauten Packung mit kleinerem Volumen sind immer noch denen einer geradlinigen Anordnung äquivalent. Mit anderen Worten, wenn man das Volumen der Packung dadurch verringert, daß man

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die Masseebenen näher aneinander heranführt, wird zwar die elektrische Wirkungsweise etwas verschlechtert, so daß die durch die spiralförmige Anordnung der Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen erzielte Verbesserung der Arbeitsweise wieder kompensiert wird.

An den nachfolgenden Beispielen wird gezeigt, wie eine spiralförmige Anordnung gemäß Fig. 6 eine drastische Verringerung der Abmessung B, des Abstandes zwischen den Masseebenen ergibt. Sojmit gibt also eine spiralförmige Anordnung der Koppelleitungen leine beträchtliche Verringerung des Volumens in bezug auf das jfür eine geradlinige Anordnung der Koppelleitungen erfordernjenen Volumen, wobei gleichzeitig die spiralförmige Anordnung ',der Koppelleitungen eine beträchtliche Verringerung der Abmessung B gestattet, so daß man tatsächlich eine relativ flache Packung mit kleinem Volumen erhält. Die folgenden beiden Beispiele sollen ,die Vorteile der spiralförmigen Anordnung der Koppelleitungen erläutern. Bei diesem Beispiel werden die gleichen Parameter wie im Beispiel 1 für die geradlinige Anordnung des Richtkopplers verwendet.

Notwendige Bedingungen;	k	0,53	mm	10 rom
	Zo	= 100	3,75 ns	= 0,3556 mm.
	Er	4,8	17,7 χ
	W	0,127	(Steigung) =
	τ
	Z
	P

Die Steigung wird dabei von Mitte zu Mitte benachbarter Windungen der Spirale gemessen. Die sich ergebenden geometrischen Abmessungen! sind X = 0,036322 mm und B = 2Y+X = 2,54 mm. Die Abmessung B beim geradlinigen Koppler beträgt unter den gleichen Bedingungen 33,705 mm. Dies ist ein Unterschied in der B-Abmessung von 31,1658 mm. j

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Das folgende Beispiel erfordert die gleichen Bedingungen, wie j sie im Zusammenhang mit Beispiel 2 gegeben wurden.

Erforderliche Bedingungen: k = 0,27 |

Zo = 106 i

Er = 4,8 ■ j W = 0,635 mm

τ = 31,25 ns . ;

Z = 0,03556 mm j

P(Steigung) = 2,195 ram (0,635 itim

breite Leitungen mit einem Abstand von jeweils 1,524 mm.

Die sich daraus ergebenden geometrischen Abmessungen sind X = O_f6731 mm und B = 3_r2O mm.

Bei einer dem Beispiel 2 entsprechenden geradlinigen Ausführung des Richtkopplers war die Abmessung B 16,637 mm. Die hier erzielte Verringerung auf 3,2 mm ist im Vergleich zur 16,637 mm beachtlich. Diese Beispiele zeigen klar, daß eine spiralförmige Anordnung von Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen nicht nur eine Verringerung des Volumens wegen dieser spiralförmigen Anordnung von Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen liefert, sondern auch eine Verringerung des Abstandes B zwischen den Masseebenen ', ergibt, so daß man einen zweiten Faktor erhält, mit dem sich eine j !Verringerung des Volumens erzielen läßt. Dabei erhält man trotzdem; !die gleichen elektrischen Eigenschaften wie bei einer geradlinig i

i j

!angeordneten Koppelleitung. Es wurde dabe/ im Laboratorium : !festgestellt, daß bei einer Länge des Koppelbereiches von 533,4 mia; bei einer serpentinenartigen Anordnung der Leitungen einander benachbarte Leitungsabschnitte bis auf 6,35 mm einander angenähert werden können, ohne daß sich gegenüber den bei einer geradlinigen Anordnung erzielbaren elektrischen Parametern eine wesentliche änderung ergeben würde. Die Abmessungen der sich dabei ergebenden

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¹ serpentinenartigen Anordnung waren bei einem Gesamtvolumen von j 131,1 can , 76,3 χ 33,782 χ 50,8 mm. Die äquivalente spiralförmige Anordnung ergab eine Packung mit den Abmessungen von 25,4 χ 25,4 χ 25,4 mm mit einem Gesamtvolumen von 1,639 cm . Dies ist eine Volumenverringerung um fast zwei Größenordnungen, wie man aus der Darstellung in Fig. 8 erkennen kann. In der spiralförmigen Anordnung gemäß Fig. 8 läßt sich das Produkt aus den Abmessungen A und C noch weiter verringern. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß man die gesamte Länge der spiraliförmigen Anordnungen halbiert und aus jeder Hälfte eine weitere 'spiralförmige Anordnung aufbaut, die dann miteinander in Reihe geschaltet und, wie in Fig. 9 angedeutet, übereinander angeordnet 'werden können.

j
Dadurch würde man eine weitere Verringerung der Gesamtfläche mit

einer entsprechenden Zunahme der Abmessung B erreichen, ohne daß

|sich auf das elektrische Betriebsverhalten des Kopplers ein nach-Iteiliger Einfluß ergeben würde. Ein weiteres Beispiel der durch Iübereinanderstapeln von spiralförmig angeordneten Abschnitten von IRichtkopplern erzielbaren Verbesserungen ergibt sich aus dem zuvor !beschriebenen Beispiel, bei dem eine Länge des gekoppelten Berei- !ches von 4267 _f2 mm erforderlich ist. Diese Länge entspricht einem j auf 1/4 Wellenlänge bei einer Frequenz von 8 MHz abgestimmten Richij: !koppler. Die Abmessungen eines solchen Kopplers in einer nichtgestapelten spiralförmigen Anordnung betragen 114,3x114,3x3,048 mm Würde die Spirallänge halbiert und die beiden Hälften hineinander geschaltet und übereinander gestapelt, so hätte sich ergebende Packung die Abmessungen 81,28x21,28x6,096 mm. Würde man die Leitungsabschnitte in drei gleichgroße Teile unterteilen und anschließend nach Hintereinanderschaltung übereinander stapeln, so wären die sich dabei ergebenden Abmessungen 68,58x68,58x0,9144 mm. Auch in diesem Beispiel wird das elektrische Betriebsverhalten nicht beeinflußt.

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IDie Auswirkungen von Änderungen in der Abmessung B, d.h. dem Abstand zwischen den Masseebenen läßt sich am leichtesten aus den Diagrammen der Fig. 10 und 11 erkennen, wobei in Fig. 10 der Wellenwiderstand Zo über der Dimension B für einen bei I66 Megabit betriebenen koplanaren Spiral-Richtkoppler darge-

jstellt ist. Wie bereits oben erläutert, ist eine koplanare Spi-

ralanordnung eine solche, bei der die Spirale der Eingangs-'Koppelleitung und die Spirale der Ausgangs-Koppelleitung die !gleichen geometrischen Eigenschaften der Leitung, wie Breite, Dicke und auch dieselbe Steigung aufweisen. Diese Spiralen sind ineinander verschachtelt angeordnet und weisen über die gesamte Länge der koppelnden Leitung im Koppelbereich einen sehr engen Abstand voneinander auf. Die Eingangs-Koppe!leitung und die Ausgangs-Koppelleitung liegen in derselben Ebene. In dem in den Fign. und 11 graphisch dargestellten Beispiel beträgt die Koppelbreite 0,127 mm und der Abstand S ist gleich 0,127 mm. Der Abstand S |ist dabei der Abstand einer Spirale von der anderen über die gesamte Koppellänge. Im Fall eines geradlinigen, koplanaren Kopplers ist S der Abstand zwischen der Kante der Eingangs-Koppe1-jleitung und der Kante der Ausgangs-Koppelleitung. Betrachtet man das Diagramm der Fig. 10, so sieht man, daß sich bei einem geradlinigen Koppler bei großen Änderungen in der Abmessung B nur sehr kleine Änderungen in der Impedanz ergeben. Bei einer koplanaren (Spirale ergeben jedoch kleine Änderungen der Abmessung B große änderungen in der Impedanz des Kopplers, Dies läßt sich am besten anhand eines Beispiels mit einer Impedanz Zo von 115 0hm erläutern. Man sieht beispielsweise, daß im Falle einer koplanaren Spirale für die Abmessung B 2,03 mm erforderlich sind. Will man die gleiche Impedanz von 115 0hm für einen geradlinigen Koppler erzielen, so muß die Abmessung B mindestens 11,43 mm betragen. Daraus sieht man, daß die spiralförmige Anordnung von Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen eine drastische Verringerung der Abmessung B ergibt, so daß insgesamt das Volumen der Packung beträchtlich verringert wird, ohne daß dabei die elektrischen Eigenschaften der Koppelleitung beeinflußt werden.

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In Fig. 11 ist der Koppelfaktor k über der Abmessung B für einen bei 65 Megabit betriebenen koplanaren Spiral-Richtungskoppler mit 0,127 mm breiten Leitungen und einem Abstand S von O_f127 mm aufgetragen. Die Steigung der in diesem Fall verwendeten Spiralen beträgt 0,508 mm. Vergleicht man die Abmessung B des Spiral-Kopplers mit einem geradlinig ausgeführten Koppler für einen Koppelfaktor von ungefähr 0,25, so sieht man, daß der Spiral-Koppler eine Abmessung B von etwa 1,524 mm erfordert, während für einen geradlinigen Koppler eine Abmessung B von ungefähr 11,43 mm erforderlich ist. Für einen gegebenen Koppelfaktor k ergibt sich damit eine beträchtliche Verringerung der Abmessung B.

Es ist also erkennbar, daß die erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer spiralförmigen Anordnung der Koppelleitungen eine außergewöhnlich große Verringerung des Volumens der Gesamtpackung 'für einen Richtkoppler bei relativ niedrigen Frequenzen liefert.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

In Bandleitungstechnik aufgebauter Richtkoppler, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs-Koppelleitung (10) und die Ausgangs-Koppelleitung (12) nach Art einer Spirale mit gleicher Steigung derart angeordnet sind, daß Eingangsund Ausgangs-Koppelleitung (10, 12) über ihre gesamte Länge einen gleichförmig engen Abstand voneinander aufweisen, j daß ferner zu beiden Seiten der beiden spiralförmig ange- ' ordneten Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen (10, 12) mit geringem Abstand je eine Masseebene (16, 18) vorgesehen ist und daß die Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen zwischen den Masseebenen in ein dielektrisches Material eingebettet sind.
2. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmig angeordnete Eingangs-Koppelleitung (10) und die spiralförmige ausgelegte Ausgangs-Koppelleitung (12) mit gleicher Steigung mit geringem Abstand in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei die beiden spiralförmig angeordneten Koppelleitungen über die gesamte Länge der Spirale genau miteinander ausgerichtet sind.
3. Koppelleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Eingangs-Koppelleitung der eingangsseitigen |

Spirale und die Ausgangs-Koppelleitung der ausgangsseiti- ;

gen Spirale eine feststehende Breite in ihren jeweiligen j

Ebenen aufweisen und daß die Breitseiten der Eingangs- und j

Ausgangskoppelleitungen einander gegenüberliegend mitein- j

ι ander ausgerichtet sind,
4. Koppellei tungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs-Koppelleitung (1O) und die Ausgangs-Koppelleitung (12) spiralförmig mit gleicher Steigung in

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einer Ebene liegend ineinander in der Weise angeordnet sind, daß die Koppelleitungen über die gesamte Länge der Spiralen einen gleichmäßigen fest vorgegebenen Abstand voneinander aufweisen.

j
5. Richtkoppler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ' daß die Eingangs- und Ausgangs-Koppelleitungen (10,12)

eine vorgegebene feste Breite (W) und eine vorgegebene Dicke (T) aufweisen, wobei die Breite (W) beider Koppelleitungen in der gleichen Ebene liegt und die Kanten mit der Dicke (T) über die gesamte Länge der Spirale einen gleichförmigen festen Abstand voneinander aufweisen und somit einen koplanaren Koppler bilden.
6. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Masseebene (16,18) von der jeweiligen spiralförmig angeordneten Koppelleitung (10, 12) einen so kleinen Abstand aufweist, daß die gewünschten elektrischen Eigenschaften für die vorgegebenen geometrischen Abmessungen erzielbar sind, wobei eine geringe Zunahme im Abstand zwischen den beiden Masseebenen und den entsprechen·* den spiralförmigen Leitungen eine entsprechende größere Zunahne der elektrischen Eigenschaften für die vorgegebenen ,

geometrischen Eigenschaften liefert.
7. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß der Wellenwiderstand (Zo) des Richtkopplers eine Funktion der geometrischen Abmessungen einschließlich der Steigung der Spirale, der Breite der Koppelleitungen, der Dicke der Koppelleitungen, des Abstandes zwischen der Eingangs-Koppel-■ leitung und der Ausgangs-Koppelleitung, des Abstands zwischen jeder Koppelleitung und der zugehörigen Masseebene, der relativen Dielektrizitätskonstante und der relativen Permeabilität des dielektrischen Materials ist.

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8. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Spiralen der Eingangs- und Ausgangs -Koppel leitung so klein gewählt ist, daß die Selbst-Induktivität durch die Kopplung zwischen benachbarten Segmenten der jeweiligen Spiralen erhöht ist.
9. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs-Koppelleitung und die Ausgangs-Koppelleitung so nahe einander über ihre gesamte Länge angeordnet sind, daß die Eingangs-Koppelleitung auch auf andere Ausgangs-Koppelleitung wie auch auf die unmittelbar benachbarte Koppelleitung koppelt und damit die elektrischen Eigenschaften des Kopplers verbessert.

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