DE4321411C1

DE4321411C1 - Symmetrierschaltung

Info

Publication number: DE4321411C1
Application number: DE19934321411
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Ing Maier
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-06-26
Filing date: 1993-06-26
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2013-06-27

Description

Die Erfindung geht aus von einer Symmetrierschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Symmetrierschaltung dieser Art, mit einer ersten und mit zwei weiteren streifenförmigen Leitungen, ist aus der US 4,739,289 bekannt. Die streifenförmigen Leitungen sind auf einer Seite einer Trägerplatte ausgebildet, wobei die erste zwischen den beiden weiteren angeordnet ist. Auf der anderen Seite der Trägerplatte befindet sich eine Massefläche. Um die elektrischen Eigenschaften der Symmetrierschaltung zu verbessern, ist die Massefläche in dem den streifenförmigen Leitungen gegenüberliegenden Bereich mit einer Aussparung versehen. Die erste streifenförmige Leitung wird durch die beiden weiteren gegen die Massefläche abgeschirmt.

Eine weitere Symmetrierschaltung ist aus der EP 0 213 864 A2 bekannt. Hier sind zwei streifenförmige Leitungen, die durch einen Schlitz voneinander getrennt und im wesentlichen parallel sind, auf einer dielektrischen Trägerplatte angeordnet. Die eine Leitung dient als Eingang für das Eingangssignal und die andere Leitung ist an der Eingangsseite mit einem Referenz-Potential verbunden. Die beiden Leitungen sind miteinander magnetisch gekoppelt, und durch gegenseitige Induktion entstehen zwei asymmetrische Ausgangsspannungen an ihren Ausgängen.

In der DE-OS 24 49 999 ist eine Schaltungsanordnung in Streifenleitungstechnik für ein breitbandiges Symmetrierglied angegeben. Diese besteht aus einem Hybridring mit einem Eingang und zwei Ausgängen, die durch eine Teilringbahn miteinander verbunden sind. An dieser Teilringbahn sind zwei nach außen geführte Ausgangstore angeordnet. Diese Schaltungsanordnung liefert an den beiden Ausgangstoren zwei Hochfrequenzwellen mit gleichen Amplituden und 180° Phasenunterschied.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Symmetrierschaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die mit geringem Aufwand herstellbar ist und eine möglichst große Übertragungsbandbreite ermöglicht. Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Symmetrierschaltung wandelt ein unsymmetrisches Eingangssignal in zwei symmetrische Ausgangssignale mit 180° Phasenverschiebung um bei gleichzeitiger Impedanztransformation. Sie ist für einen großen kontinuierlichen Wertebereich der Last- und Eingangsimpedanzen dimensionierbar. Ihre Funktionsweise und weitere Vorteile werden anhand der Ausführungsbeispiele, die in den Zeichnungen dargestellt sind, erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Symmetrierschaltung mit zwei streifenförmigen Leitungen in einer perspektivischen Ansicht, geschnitten an der Eingangsseite,

Fig. 2 eine Symmetrierschaltung entsprechend der Schaltung aus Fig. 1 mit weiteren streifenförmigen Leitungen auf der Oberseite der Trägerplatte,

Fig. 3a eine Symmetrierschaltung, angeordnet in einem Gehäuse, im Schnitt,

Fig. 3b die Oberseite der Trägerplatte der Symmetrierschaltung aus Fig. 3a in der Draufsicht,

Fig. 3c die Unterseite der Trägerplatte der Symmetrierschaltung aus Fig. 3a in der Draufsicht, und

Fig. 4 eine Symmetrierschaltung in Triplate-Technik in einer perspektivischen Ansicht, geschnitten an der Eingangsseite.

In der Fig. 1 ist eine Symmetrierschaltung für Hochfrequenzwellen mit einer ersten streifenförmigen Leitung 2 auf der Oberseite einer Trägerplatte 1 dargestellt. Auf der Unterseite befindet sich eine zweite streifenförmige Leitung 3, die durch Schlitze 5 von Masseflächen 4 getrennt ist, und die an der Eingangsseite 6, als Schnittebene dargestellt, eine Massefläche kontaktiert. Die zweite Leitung 3 kann an der Eingangsseite 6 auch mit einem Referenzpotential anstatt mit einer Massefläche verbunden sein.

Durch ein Eingangssignal, das am Eingang der ersten streifenförmigen Leitung 2 anliegt, werden auf den Leitungen 2 und 3 Gleichtakt- und Gegentakt-Wellen mit im Idealfall gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit angeregt. Die Gleichtaktwelle der ersten streifenförmigen Leitung 2 wird unterdrückt, indem Leitung 2 durch die zweite streifenförmige Leitung 3 wenigstens zum überwiegenden Teil gegen Masse abgeschirmt wird. Durch diese Abschirmung werden der Gleichtakt-Kapazitätsbelag und -Induktivitätsbelag sehr klein, und im Idealfall geht der Gleichtaktwellenwiderstand der ersten Leitung 2 gegen unendlich (Z_1e → ∞). An der Ausgangsseite bilden diese beiden Leitungen 2, 3 die Ausgänge der Symmetrierschaltung. Beide Ausgänge sollen mit je einer Impedanz Z_A gegen Masse abgeschlossen sein.

Der Gleichtaktwellenwiderstand der zweiten streifenförmigen Leitung 3 (Z_2e) spielt bei der Mittenfrequenz keine Rolle, er begrenzt aber die Bandbreite um so stärker, je kleiner sein Wert ist.

Der Eingangswellenwiderstand Z_E, der im allgemeinen gleich dem Systemwellenwiderstand Z₀ gewählt wird, der Wellenwiderstand zwischen den Streifenleitern (Leitung 2 und 3) Z_L und die beiden Lastwiderstände Z_A genügen dabei folgender Bedingung:

Die Symmetrierschaltung kann also im realisierbaren Wertebereich kontinuierlich variiert und an einen beliebigen Lastwiderstand Z_A angepaßt werden. Dies beinhaltet aber eine Reduzierung der Bandbreite entsprechend einer Viertel- Wellenlängen-Transformation. Der Gegentaktwellenwiderstand der ersten streifenförmigen Leitung Z_1d beträgt

Z_1d = Z_L/²

Die Symmetrierschaltung ist auf einer Trägerplatte 1, beispielsweise einem dielektrischen Substrat oder einem Halbleitermaterial, aufgebaut. Sie benötigt zur Realisierung nur streifenförmige Leitungselemente, auf diskrete Bauelemente kann verzichtet werden. Bei der Verwendung von kupferkaschierten dielektrischen Substraten kann so beispielsweise die Leiterplattentechnik zur Herstellung angewendet werden.

Die effektive Länge der Symmetrierschaltung beträgt ein Viertel der Wellenlänge, bezogen auf die Mittenfrequenz des Übertragungsbandes. Ausführungsbeispiele können in gewissen Grenzen von diesem Wert abweichen.

Nichtideale Eigenschaften der Symmetrierschaltung können kompensiert werden, z. B. durch eine vom theoretischen Wert abweichende Länge der Symmetrierschaltung oder durch weitere Schaltungselemente, vorzugsweise streifenförmige Stichleitungen oder serielle Leitungen, die an jedem der vier Enden der streifenförmigen Leitungen 2 und 3 angeordnet sein können.

Die erste und die zweite streifenförmige Leitung 2, 3 werden zweckmäßigerweise in etwa parallel zueinander geführt, die zweite auf der Unterseite der Trägerplatte 1. Der Verlauf kann Bögen oder Winkel beinhalten, so können sie z. B. auch eng gefaltet sein für einen kompakten Aufbau.

Das Eingangssignal wird vorteilhafterweise durch eine Mikrostreifenleitung der ersten streifenförmigen Leitung 2 zugeführt. Die zweite streifenformige Leitung 3 ist durch Schlitze, Aussparungen in der Metallisierung, galvanisch von den Masseflächen 4 getrennt.

Die Symmetrierschaltung kann z. B. für die Speisung einer Antenne mit zwei symmetrischen Eingängen oder für die Ansteuerung von zwei Hochfrequenz-Transistoren, die im Gegentaktbetrieb arbeiten, verwendet werden. Insbesondere durch die direkte Impedanztransformation auf kleinere Impedanzwerte, wobei die Ausgangsimpedanzen in einem weiten Bereich wählbar sind, lassen sich sehr breitbandige Hochfrequenz-Leistungsverstärker, die im Gegentaktbetrieb arbeiten, herstellen.

Bei Verwendung der Leiterplattentechnik läßt sich die Symmetrierschaltung mit niedrigem Aufwand bei hoher Zuverlässigkeit fertigen. Sie kann auch invertiert betrieben werden zur Addition von zwei gegenphasigen, symmetrischen Signalen. Die Schaltung kann beispielsweise für Hochfrequenz- Wellen im MHz- oder GHz-Frequenzbereich verwendet werden.

In Fig. 2 ist eine weitere Symmetrierschaltung gezeigt, die zusätzlich zu den Elementen aus Fig. 1 noch zwei weitere streifenförmige Leitungen 10, 11 enthält, die auf der Oberseite der Trägerplatte 14 parallel zu beiden Seiten der ersten streifenförmigen Leitung 15 geführt werden. Diese sind mittels Durchkontaktierungen 12 elektrisch mit der zweiten streifenförmigen Leitung 16 auf der Unterseite verbunden. Durch diese Maßnahmen ist der erste streifenförmige Leiter 15 besser gegen die Masseflächen 18 abgeschirmt als in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1.

Diese Schaltung wurde mit einem Netzwerkanalyseprogramm optimiert. Für die Impedanzen wurden folgende Werte angesetzt

Z_E = Z₀ = 50 Ω
Z_A = 25 Ω
Z_L = 50 Ω.

Zur Kompensation der nichtidealen Eigenschaften der streifenförmigen Leitungen 15 und 16, verursacht durch verbleibende kapazitive Kopplungen der streifenförmigen Leitung 15 mit den Masseflächen 18 und mit dem Gehäuse einschließlich Deckel und ungleiche Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Teilwellen, sind weitere streifenförmige Leitungsstücke in der Schaltung eingesetzt. Für die Trägerplatte 14 ist ein glasfaserverstärktes Teflonmaterial mit einer Dielektrizitätskonstanten von 2,33 und einer Materialstärke von 0,508 mm verwendet. Als Frequenzbereich der Optimierung wurde 700 MHz bis 1,4 GHz gewählt, in diesem Bereich ergibt die Symmetrierschaltung eine berechnete Anpassung (Rückflußdämpfung) von besser als 16 dB. Die Gehäusestruktur ist in die Optimierung mit einbezogen.

Mit einem Feldberechnungsprogramm lassen sich alle Kapazitäts- und Induktivitätsbeläge, die die beiden streifenförmigen Leitungen 15, 16 betreffen, ermitteln. Die Abschirmung des ersten streifenförmigen Leiters 15 gegen Masse läßt sich anhand des Kapazitätsbelags C_1e (der Kapazitätsbelag der Gleichtaktwelle dieser Leitung) kontrollieren.

Fig. 3a zeigt in einem Schnitt eine weitere Symmetrierschaltung in einem Gehäuse 20 mit einer ersten streifenförmigen Leitung 21 auf der Oberseite und mit einer zweiten streifenförmigen Leitung 22 und Masseflächen 23 auf der Unterseite einer Trägerplatte 24. Diese Schaltung wird anhand der Fig. 3b und 3c näher erläutert.

Fig. 3b zeigt in einer Draufsicht auf die Oberseite der Trägerplatte 24 die erste streifenförmige Leitung 21. Der Anfang der Symmetrierschaltung ist mit A, das Ende mit E gekennzeichnet, die Länge ist kleiner als ein Viertel der Wellenlänge (0,16 λ), bezogen auf die Mittenfrequenz des Übertragungsfrequenzbandes. Das Eingangssignal wird durch die Mikrostreifenleitung 25 zugeführt, 26 zeigt einen Ausgang der Symmetrierschaltung und 26a ein relativ hochohmiges Leitungsstück zur Verbesserung der Phasenbedingung (180°) an den Ausgängen. Das streifenförmige Leitungsstück 27 ist eine Stichleitung zur Kompensation von nichtidealen Eigenschaften, die an ihrem Ende mit einer Durchkontaktierung 28 nach Masse 23 versehen ist.

Die Fig. 3c zeigt die Unterseite der Trägerplatte 24. Die zweite Streifenleitung 22 ist durch Schlitze 29 von den Masseflächen 23 getrennt, sie führt über ein hochohmiges Leitungsstück 30a am Ende E der Symmetrierschaltung zum zweiten Ausgang 30. Weitere, an sie anschließende Schaltungskomponenten können auf der Unterseite realisiert werden, mittels einer Durchkontaktierung kann die Leitung 30 aber auch auf die Oberseite der Trägerplatte 24 geführt werden.

Diese Symmetrierschaltung (Fig. 3a, 3b, 3c) ist für eine Impedanztransformation von zwei mal 6,25 Ohm (Z_A) auf Z_E = Z₀ = 50 Ohm ausgelegt, sie wurde mit dem Netzwerkanalyseprogramm mit zusätzlichen Schaltungselementen (27, 26a, 30a) optimiert für den Frequenzbereich 900 MHz bis 1000 MHz und auf einer Trägerplatte mit einer Materialstärke von 0,508 mm und einer Dielektrizitätskonstanten von 2,33 aufgebaut. Nach Gleichung (1) ergibt sich für die Impedanz zwischen den beiden streifenförmigen Leitungen 21 und 22 (Z_L) 25 Ohm. Der durch die Optimierung gefundene Wert ist Z_L = 17 Ohm. Durch die großen Breiten von der ersten streifenförmigen Leitung 21 (7,0 mm) und der zweiten streifenförmigen Leitung 22 (9,0 mm) ist die elektromagnetische Welle im wesentlichen zwischen diesen beiden Leitungen 21, 22 konzentriert und die Kopplung des ersten streifenförmigen Leiters 21 nach Masse 23 ist relativ gering. Im obengenannten Frequenzbereich ist die Rückflußdämpfung (Anpassung) der Schaltung besser als 20 dB.

Das Prinzip der Symmetrierschaltung ist auch bei anderen Streifenleitungstechniken anwendbar. Die Fig. 4 zeigt eine Symmetrierschaltung, die in Triplate-Technik ausgeführt ist. 41 zeigt eine erste streifenförmige Leitung in der mittleren Ebene 45, 42 und 43 eine zweite und eine dritte streifenförmige Leitung auf den Masseseiten, die an der Eingangsseite mit Masse verbunden sind, und 40 Masseflächen. Die zweite und die dritte streifenförmige Leitung 42, 43 sind mittels Durchkontaktierungen 44 elektrisch miteinander verbunden. Durch diese Anordnung kann die erste streifenförmige Leitung 41 sehr wirksam gegen die Masseflächen 40 abgeschirmt werden.

Claims

1. Symmetrierschaltung mit einer ersten streifenförmigen Leitung (2; 15), deren Enden einen Eingang und einen Ausgang darstellen, und mit mindestens einer zweiten streifenförmigen Leitung (3; 16), die an der Eingangsseite mit Masse verbunden ist, wobei die zweite streifenförmige Leitung die erste streifenförmige Leitung gegen Masse abschirmt, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite streifenförmige Leitung (3; 16) auf der der ersten streifenförmigen Leitung (2; 15) gegenüberliegenden Seite einer Trägerplatte (1; 14) ausgebildet ist.

2. Symmetrierschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre elektrische Länge etwa ein Viertel der Wellenlänge, bezogen auf die Mittenfrequenz des Übertragungsfrequenzbandes, beträgt.

3. Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite streifenförmige Leitung (3; 16) in etwa parallel zu der ersten streifenförmigen Leitung (2; 15) geführt ist.

4. Symmetrierschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Triplate-Technik ausgebildet ist mit der ersten streifenförmigen Leitung (41) in der mittleren Ebene (45), und mit mindestens einer zweiten und einer dritten streifenförmigen Leitung (42, 43) auf jeder äußeren Ebene, die an der Eingangsseite mit Masse verbunden sind und die die erste streifenförmige Leitung (41) gegen Masse (40) abschirmen.

5. Symmetrierschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Leitungen auf den beiden äußeren Ebenen (42, 43) mittels Durchkontaktierungen (44) miteinander elektrisch verbunden sind.

6. Symmetrierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß streifenförmige Leitungen (3; 16), welche die erste streifenförmige Leitung (2; 15) gegen Masse abschirmen, durch Schlitze (5) von sich auf der gleichen Trägerplattenseite befindenden Masse (4; 18) galvanisch abgetrennt sind.

7. Symmetrierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weitere streifenförmige Leitungen (10, 11) auf der Trägerplattenseite der ersten streifenförmigen Leitung (2; 15) zur Abschirmung der ersten streifenförmigen Leitung (2; 15) gegen Masse ausgebildet sind, und daß die weiteren streifenförmigen Leitungen (10, 11) mit der zweiten streifenförmigen Leitung (3; 16) elektrisch verbunden sind.

8. Symmetrierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parasitäre Blindwiderstände der Symmetrierschaltung durch weitere streifenförmige Leitungsstücke (27) oder durch eine von der Viertelwellenlänge abweichende elektrische Länge kompensiert werden.