DE3924426C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einen Breitband-3-dB-90°-Koppler entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es aus A.S. Wright, S.K. Indah: "Very broadband flat coupling Hybrid Ring", Electron Letters, vol. 23, no. 1, 2nd Jan. 1987, S. 47-49 bekannt ist, und eignet sich besonders zum Betrieb im Mikro­ wellen- und Millimeterwellenbereich.

Im Prinzip sind 3dB-90°-Koppler allgemein bekannt.

Die bekannten Koppler weisen eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen sind die optimalen Strukturen oftmals für die Mikrowellen- und Milli­ meterwellentechnik nicht realisierbar, zum anderen weisen die breit­ bandigen Lösungen relativ schlechte elektrische Werte auf, vor allem wird die 3dB Bedingung nur mit einem großen Streubereich über ein großes Frequenzband eingehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Breitband-3dB-90°- Koppler zu schaffen, der über einen großen Frequenzbereich die 3dB und 90° Bedingung sehr gut erfüllt, bei gleichzeitiger guter Anpassung der Tore an die Zuleitungen und guter Entkopplung des isolierten Tores, und der so dimensioniert ist, daß er in der Mikrowellen- und Millimeterwellentechnik in einfacher Weise beispielsweise in Mikrostreifenleitungstechnik oder mit konzentrierten Elementen integriert ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Breitband-3dB-90°-Koppler nach dem Patentanspruches 1. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Der Koppler kann so dimensioniert werden, daß er über einen relativ schmalen Frequenzbereich eine sehr flache Kopplung aufweist. Typisch erreichbare theoretische Werte sind eine Leistungsaufteilung von -3,01 dB mit einer maximalen Abweichung von -0,008 dB über eine Bandbreite von 13%. Das Eingangstor ist dabei besser als -30 dB angepaßt. Die Entkopplung des isolierten Tores ist dann ebenfalls besser als -30 dB.

Bei ungünstigerer Leistungsaufteilung sind Bandbreiten bis zu 60% möglich. Theoretisch erreichbare Werte bei 60% Bandbreite sind eine Leistungsaufteilung von -3 dB mit einer maximalen Abweichung bis zu -1 dB. Die Anpassung und Isolation ist dabei besser als -12 dB.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Bandmittenfrequenz wird dabei mit f₀ bezeichnet. Entsprechend wird die Wellenlänge bei f₀ mit λ₀ bezeichnet.

Alle Ausführungsbeispiele sind für 50 Ω Anschlußleitungen ausgelegt. Die Streuparameter sind dann wie üblich auf 50 Ω normiert und dem internationalen Brauch folgend in dB angegeben. Bei den Beträgen der Streuparameter |S 13|, |S 14| ist zu beachten, daß für eine Leistungsaufteilung von 0,5 die Beziehung 10 · log 0,5 dB = -3,0103 dB gilt. Die S-Parameter Diagramme wurden mit einem handelsüblichen Netzwerkanalyseprogramm ermittelt.

Bild 1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Kopplers gemäß Patentanspruch 1. Für die Wellenwiderstände ergaben sich die Werte Z 1 = 52,03 Ω, Z 2 = Z 1/ = 36,79 Ω und für die zweiten λ₀/2-langen Wellenleiterstücke Z 3 = 87,39 Ω bei einer Bandbreite von 13%. Durch die doppelte Symmetrie ist das Viertor durch Angabe dieser drei Wellenwiderstände vollständig bestimmt. Die 90°-Bedingung wird durch die allseitige Anpassung automatisch eingehalten. Bei Verwendung jeweils nur eines Λ₀/2-langen Wellenleiterstücks mit dem Wellenwiderstand Z 3 pro Anschlußtor ergeben sich bei vorgegebener Fehlanpassung a des Eingangstores in Bandmitte folgende Werte:

Die Bandbreite B ist so definiert, daß innerhalb eines Frequenzbereichs von f/f₀ ± B/2 die Fehlanpassung nicht über den vorgegebenen Wert ansteigt.

Bild 1b zeigt die Beträge der S-Parameter |S 13| und |S 14| bei einer Dimensionierung gemäß Bild 1a.

Wird vom Verhältnis Z 1/Z 2 = abgewichen, wie beispielsweise bei einer Dimensionierung gemäß Bild 1c, läßt sich eine gleichmäßigere Leistungsaufteilung auf die Tore 3 und 4, wie in Bild 1d dargestellt, erreichen.

Auf diese Weise kann bei einer industriellen Serienfertigung ein automatischer Abgleich erfolgen.

Bild 1e zeigt die Anpassung des Eingangstores |S 11|, die Entkoppelung des isolierten Tores |S 12| sowie im gleichen Maßstab die Leistungsaufteilung |S 13| und |S 14| bei einer Dimensionierung gemäß Bild 1a oder Bild 1c.

Bild 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel sowie das Ergebnis einer Netzwerkanalyse des Kopplers. Im oberen Teil der Zeichnung sind sämtliche Beträge der S-Parameter im gleichen Maßstab angegeben, im unteren Teil nur die Beträge von |S 13| und |S 14| in einem günstigeren Maßstab.

Bild 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel sowie das Ergebnis einer Netzwerkanalyse des Kopplers in der Ausgestaltung nach Patentanspruch 2. Es wurden dabei sämtliche Leitungsstücke durch konzentrierte Elemente ersetzt. Die λ₀/4-langen, einen Ring bildenden Leitungsstücke wurden dabei durch ihr π-Ersatzschaltbild ersetzt, die λ₀/2-langen Leitungsstücke durch einen Reihenschwingkreis. Die Dimensionierung ist mit in die Zeichnung eingetragen und gilt für den angegebenen Frequenzbereich von 8 GHz -12 GHz. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Kopplers mit konzentrierten Elementen hat den Vorteil des geringeren Platzbedarfs bei Verwendung innerhalb einer integrierten Mikrowellenschaltung (sog. MMICs = microwave monolithic integrated circuits).

Bild 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel sowie das Ergebnis einer Netzwerkanalyse des Kopplers in der Ausgestaltung nach Patentanspruch 2. Hierbei wurden jedoch nur die λ₀/4-langen Leitungsstücke durch konzentrierte Elemente ersetzt, unter Erhalt der λ₀/2-langen Leitungsstücke.

Bild 5a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel und das Ergebnis einer Netzwerkanalyse des erfindungsgemäßen Kopplers nach Patentanspruch 1. Im oberen Teil der Zeichnung sind die Beträge aller S-Parameter im gleichen Maßstab sowie die Dimensionierung angegeben. Im unteren Teil der Zeichnung ist die Leistungsaufteilung, das heißt die Beträge der S-Parameter |S 13| und |S 14| in einem günstigeren Maßstab dargestellt. Es ergibt sich eine Leistungsaufteilung von -3 dB bei einer maximalen Abweichung von -0,1 dB über eine Bandbreite von nahezu 40%. Diese Werte sind mit den bekannten aus Leitungsstücken bestehenden Koppler nicht erreichbar.

Bild 5b zeigt ein praktisch hergestelltes Ausführungsbeispiel des Kopplers in Mikrostreifenleitungstechnik entsprechend der Dimensionierung nach Bild 5a für einen Frequenzbereich von 8 GHz-12 GHz. Als Träger wurde dabei ein auf beiden Seiten mit 17 µm Kupfer beschichtetes Teflonsubstrat der Dicke 0,254 mm und der relativen Dielektrizitätszahl von 2,2 verwendet. Die Zeichnung zeigt maßstäblich die Oberseite des geätzten Substrates. Das Substrat wurde in ein Messinggehäuse eingebaut und die Tore (1, 2, 3, 4) mit Koaxialkabelsteckern versehen. Die in Kupfer geätzten Kreise (17) dienen nur zur Kennzeichnung für Bohrungen zur Befestigung des Trägers, ebenso dienen die in Kupfer geätzten Ecken (18) nur zur Einpassung des Substrates in das Gehäuse und haben für die Funktion keine Bedeutung.

Bild 6a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kopplers gemäß Patentanspruch 1. Die λ₀/4-langen einen Ring bildenden ersten Leitungsstücke wurden an den vier Verbindungspunkten über drei in Kaskade geschaltete, λ₀/2-lange zweite Leitungsstücke mit verschiedenen Wellenwiderständen, mit den Toren (1, 2, 3, 4) verbunden. Durch diese Maßnahme kann eine noch flachere Kopplung als in Bild 1b angegeben erreicht werden.

Das Ergebnis einer Netzwerkanalyse bei einer Dimensionierung des Kopplers gemäß Bild 6a zeigt Bild 6b.

Bild 7a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kopplers mit derselben Struktur wie der Koppler in Bild 6a, jedoch mit einer Dimensionierung für sehr große Bandbreite. Das Ergebnis einer Netzwerkanalyse dafür zeigt Bild 7b.

Claims (2)

1. Breitband-3dB-90°-Koppler, der als doppelt symmetrisches allseitig angepaßtes Viertor eine Signalleistung, welche durch ein erstes Tor eingespeist wird, je zur Hälfte auf ein zweites und drittes Tor mit einem Phasenunterschied von 90° aufteilt, während aus dem verbleibenden vierten Tor keine Leistung austritt, es also entkoppelt ist, bestehend aus, vier einen Ring bildenden ersten λ₀/4-langen Leitungsstücken (5, 6, 7, 8) mit abwechselnden Wellenwiderständen Z 1 und Z 2, die an den vier Verbindungspunkten über jeweils ein zweites Leitungsstück oder über jeweils mehrere kaskadierte zweite Leistungsstücke (9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16) mit Wellenwiderständen, von denen mindestens einer vom Wellenwiderstand der Zuleitung verschieden ist, mit den Toren (1, 2, 3, 4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Leitungsstücke die Länge λ₀/2 aufweisen.

2. Breitband-3dB-90°-Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Leitungsstücke oder alle Leitungsstücke durch konzentrierte Elemente ersetzt werden.