EP1224708B1 - Coupler for electromagnetic waves - Google Patents

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EP1224708B1
EP1224708B1 EP00964275A EP00964275A EP1224708B1 EP 1224708 B1 EP1224708 B1 EP 1224708B1 EP 00964275 A EP00964275 A EP 00964275A EP 00964275 A EP00964275 A EP 00964275A EP 1224708 B1 EP1224708 B1 EP 1224708B1
Authority
EP
European Patent Office
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coupler
path
coupling
arms
groups
Prior art date
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Application number
EP00964275A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP1224708A1 (en
Inventor
Wulu Chang
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Airbus DS GmbH
Original Assignee
Astrium GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1224708A1 publication Critical patent/EP1224708A1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/183—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers at least one of the guides being a coaxial line

Definitions

  • the present invention relates to a coupler for electromagnetic waves, the one Coupling path and three decoupling paths, which are interconnected by coupling branches are connected.
  • a first decoupling path is through a first longitudinal branch with the Coupling path connected and a second coupling path is connected by a second longitudinal branch a third decoupling path is connected, the first longitudinal branch in turn connected to the second longitudinal branch is connected by transverse branches.
  • the couplers can either be inner conductors, which form the longitudinal and transverse branches, and outer conductors surrounding the inner conductors respectively. Such couplers are referred to in the following simply as coaxial couplers become.
  • the couplers can also be designed as a waveguide coupler, which in the essentially only have outer conductors, in particular, however, no continuous, interconnected inner conductor structures.
  • Couplers described which are designed as a waveguide coupler. These have none continuous inner conductor structures, but nevertheless have certain insulated ones Internal structures in the form of sweeping outer conductors, so that in turn effectively one Waveguide structure is present.
  • the wave resistance behaves correspondingly in the coaxial couplers described above.
  • the wave resistance is therefore inversely proportional to the diameter of the inner conductor. With a constant diameter of the outer conductor, narrow inner conductors have a high-resistance and wide inner conductors have a low-resistance effect.
  • GB 2 218 853 describes a microwave coupler for strip lines in which for example five identical conductors which act capacitively as longitudinal lines are connected and so corresponding capacitive cross branches between the strip lines be formed.
  • Claim 1 includes a directional coupler for electromagnetic waves with outer conductors and Inner conductors, as defined above as a coaxial coupler. Form the inner conductor Longitudinal branches and transverse branches within the outer conductor.
  • the coupler has a coupling path and three decoupling paths, which are interconnected by coupling branches. A first one The coupling-out path is connected to the coupling-in path by a first longitudinal branch second decoupling path is through a second longitudinal branch with a third decoupling path connected is. In addition, the first longitudinal branch is through with the second longitudinal branch Cross branches connected.
  • the transverse branches start from the coupling-in path at least in five successive groups of transverse branches are divided into at least one transverse branch, alternating as the first groups with fewer Width of the inner conductor and second groups with larger compared to the first groups Width of the inner conductor are formed.
  • the group closest to the coupling path is formed as the first group with a smaller width of the inner conductor.
  • Such constructions according to the invention enable strong coupling from the coupling path (Infeed gate) towards the second decoupling path (coupling gate).
  • An inventive directional coupler according to claim 1 or 2 thus offers an improved, namely higher coupling effect, which by an advantageous improvement from the prior art Technology known directional coupler structures can be achieved, in addition to improved effect a space-saving arrangement is made possible.
  • Such an arrangement according to the invention is used in particular when the second decoupling path does not form the geometric extension of the coupling path and is not directly adjacent to the coupling path, but is arranged opposite one another. Of the first and third decoupling paths are arranged directly adjacent to the coupling path.
  • the invention can thus also be used in particular as an intersection of lines.
  • the strength of the coupling can also be determined by the geometry of the longitudinal branches and the number the distance and geometry of the transverse branches can be varied. It can thus be designed in this way be that starting from the coupling path, a coupling predominantly in the direction of the second Decoupling path takes place. For example, the number of coupling branches can be increased, in order to achieve a stronger coupling in the direction of the second coupling-out path (coupling gate), without at the same time unnecessarily worsening the input adaptation of the directional coupler.
  • the decoupling path acts as an isolation gate, i.e. there should be practically none Power to be decoupled.
  • the cross-sectional area of the longitudinal branches in Longitudinal direction varies.
  • the longitudinal branches do not have a constant width but the width changes in the longitudinal direction of the longitudinal branches, e.g. in the form of steps.
  • the length of the transverse branches is chosen in particular to be the same for all transverse branches. It can also the distance between the individual transverse branches can be varied, the distance between two of the branches can also go to zero, i.e. that these branches join together in the borderline case be merged into a single transverse branch. Finally, even in the course of an individual Cross branches vary the cross-sectional area in the longitudinal direction of the cross branch.
  • the cross branch can in the simplest case also change the width, e.g. in step form, which gives another degree of freedom to vary and optimize the strength of the coupling and the quality of the adaptation or isolation is given.
  • the individual coupling branches are preferably arranged in one plane and point in this Level in particular symmetry with respect to at least one axis.
  • the coupler can be specially designed so that there is a coupling between the coupling path and the second decoupling path (coupling gate) in the range between -3 dB and 0 dB will, i.e. that, on the other hand, a between the coupling-in path and the first coupling-out path Coupling is achieved, which can be significantly smaller than -3 dB. A coupling is thus achieved towards the second decoupling path, which is between 50% of the coupled power and an almost complete coupling of the coupled power.
  • the coupler can be designed as a waveguide coupler, i.e. as a coupler, at least in essentially only has outer conductors. Certain internal structures such as be provided in the prior art mentioned above, but so that effectively again Waveguide structures arise. But it can also be used as a coaxial coupler with inner conductor and Be outer conductors. Inner conductor and outer conductor of the directional coupler can basically have any suitable shape. For example, it can be provided that the Coupler is formed by rectangular outer conductors and rectangular inner conductors (barline). On Cross section through such a coupler is e.g. in W.
  • the coupler can also be a have a different geometry, e.g. round inner conductor and / or outer conductor. Besides, can For example, it can be provided that the outer conductor and / or inner conductor in that Spatial direction that is perpendicular to the level of the coupler or the coupling branches, one have a constant height.
  • Such a directional coupler is preferred as a microwave coupler for microwave circuits used. This can be used in antenna systems as used in the Telecommunications are common. For example, such a coupler can be part of a Distribution network of transmitting and receiving antennas, as in modern Communication satellites or similar microwave communications circuits can occur.
  • Fig. 1 shows a special embodiment for a directional coupler according to the invention, the has an inner conductor 1 and an outer conductor 2, with a coaxial Coupling path 3 (feed gate) and three coaxial coupling paths 4, 5, 11 are provided.
  • the Coupler has a double symmetry with respect to a first central axis 9 and one second central axis 10.
  • the first decoupling path 4 (through gate) represents the geometric extension of the Coupling path 3 and this is directly adjacent in terms of circuit technology and by one first longitudinal branch 6 connected to the coupling path 3.
  • the second decoupling path 5 (Coupling gate) is arranged geometrically opposite the coupling-in path 3 and through the special design of the directional coupler is a strong coupling from the coupling path 3 in Direction towards this second decoupling path 5 achieved. The remaining power is directed through the first longitudinal branch 6 towards the first decoupling path 4.
  • first longitudinal branch 6 and the second longitudinal branch 16 there are several groups of Cross branches 7a to 7e arranged. These transverse branches 7a to 7e and the longitudinal branches 6 and 16 together form the inner conductor 1 of the coaxial coupler.
  • Groups of transverse branches 7a to 7e are shown, which are parallel to the first central axis 9 of the Directional coupler run. It is provided here: a first, high-resistance group 7a, one second, low-resistance group 7b, a third, high-resistance group 7c, a fourth, low-resistance group Group 7d and a fifth, high-resistance group 7e.
  • the high-resistance or low-resistance effect the transverse branches 7a to 7e are due to the smaller or larger width of the transverse branches achieved.
  • transverse branches 7a to 7e can, depending on the strength of the desired coupling can be varied.
  • the Coupling branches of the third group 7c, that of the first central axis 9 of the arrangement according to FIG. 1 are directly adjacent to be merged into a single coupling branch.
  • the present arrangement only five groups of transverse branches 7a to 7e, each with one Have cross branches per group.
  • An optimization of the coupler can, for example, in addition to the number, the distance and he Width of the transverse branches in groups 7a to 7e or between groups 7a to 7e also on the shape of the longitudinal branches 6, 16 and the distance between the Longitudinal branches are made.
  • Each individual transverse branch of a group 7a to 7e or each longitudinal branch 6, 16 a variation of the cross-sectional area, especially several Have changes in width 12, 13, 14, 15, 17, as shown by way of example in FIG. 2. This allows good adaptation or isolation to be achieved.
  • the height of the inner conductor 1 and possibly also the height of the outer conductor 2, that is the dimension of the coupler in the spatial direction perpendicular to the cross section according to FIG. 1 or 2, are preferably constant.
  • the longitudinal branches 6, 16 also have a stepped structure, i.e. it here, too, the cross-sectional area is used for optimization purposes and for setting the coupling the branches vary in their longitudinal direction due to changes in width.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Waveguides (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Koppler für elektromagnetische Wellen, der einen Einkoppelpfad und drei Auskoppelpfade besitzt, die durch Koppelzweige untereinander verbunden sind. Ein erster Auskoppelpfad ist dabei durch einen ersten Längszweig mit dem Einkoppelpfad verbunden und ein zweiter Auskoppelpfad ist durch einen zweiten Längszweig mit einem dritten Auskoppelpfad verbunden ist, wobei der erste Längszweig wiederum mit dem zweiten Längszweig durch Querzweige verbunden ist. Die Koppler können entweder Innenleiter, welche die Längs- und Querzweige bilden, und die Innenleiter umgebende Außenleiter aufweisen. Solche Koppler sollen im folgenden vereinfacht als Koaxialkoppler bezeichnet werden. Die Koppler können aber auch als Hohlleiterkoppler ausgebildet sein, die im wesentlichen lediglich Außenleiter aufweisen, insbesondere jedoch keine durchgehenden, miteinander verbundenen Innenleiterstrukturen.The present invention relates to a coupler for electromagnetic waves, the one Coupling path and three decoupling paths, which are interconnected by coupling branches are connected. A first decoupling path is through a first longitudinal branch with the Coupling path connected and a second coupling path is connected by a second longitudinal branch a third decoupling path is connected, the first longitudinal branch in turn connected to the second longitudinal branch is connected by transverse branches. The couplers can either be inner conductors, which form the longitudinal and transverse branches, and outer conductors surrounding the inner conductors respectively. Such couplers are referred to in the following simply as coaxial couplers become. The couplers can also be designed as a waveguide coupler, which in the essentially only have outer conductors, in particular, however, no continuous, interconnected inner conductor structures.

Solche Koppler sind aus dem Stand der Technik beispielsweise aus folgenden Schriften bekannt:Such couplers are known from the prior art, for example from the following documents:

W. Chang: "Accurate Analysis Method for Rectangular-Coaxial Line Components", FREQUENZ Band 43, Oktober 1989, Seite 271 bis 276 beschreibt Analysen von Mikrowellenkomponenten aus rechteck-koaxialen Wellenleitern, speziell von Branch-Line-Kopplern.W. Chang: "Accurate Analysis Method for Rectangular-Coaxial Line Components", FREQUENCY Volume 43, October 1989, pages 271 to 276 describes analyzes of microwave components from rectangular-coaxial waveguides, especially from branch line couplers.

W. Chang: "Exakte Berechnung von rechteckigen Koaxial- und Hohlleiterstrukturen mit Hilfe der Orthogonalentwicklung", FREQUENZ Band 47, Januar/Februar 1993, Seite 17 bis 23 beschreibt ebenfalls Branchline-Koppler als spezielles Beispiel für koaxiale Koppler, die in diesem Dokument als Rechteck-Koppler (barline coupler) beschrieben werden. Dort werden jedoch auch alternative Koppler beschrieben, die als Hohlleiterkoppler ausgebildet sind. Diese weisen keine durchgehenden Innenleiterstrukturen auf, besiten aber trotzdem gewisse isolierte Innenstrukturen in Form von durchgreifenden Außenleitem, so dass wiederum effektiv eine Hohlleiterstruktur vorliegt.W. Chang: "Precise calculation of rectangular coaxial and waveguide structures using the Orthogonalentwicklung ", FREQUENZ Volume 47, January / February 1993, pages 17 to 23 also branchline couplers as a special example for coaxial couplers that are described in this document can be described as a rectangular coupler (barline coupler). However, there are also alternatives Couplers described, which are designed as a waveguide coupler. These have none continuous inner conductor structures, but nevertheless have certain insulated ones Internal structures in the form of sweeping outer conductors, so that in turn effectively one Waveguide structure is present.

Der Wellenwiderstandes ZL der TEM-Welle einer Koaxialleitung ist in H.H. Meinke: "Einführung in die Elektrotechnik höherer Frequenzen", Bd. 1, S. 171 gegeben durch Z L =60 ε r ln D d mit D=Durchmesser des Außenleiters und d=Durchmesser des Innenleiters. Entsprechend verhält sich der Wellenwiderstand in vorstehend beschriebenen koaxialen Kopplern. Der Wellenwiderstand ist also umgekehrt proportional zum Durchmesser des Innenleiters. Damit zeigen bei konstantem Durchmesser des Außenleiters schmale Innenleiter eine hochohmige und breite Innenleiter eine niederohmige Wirkung.The wave resistance Z L of the TEM wave of a coaxial line is given in HH Meinke: "Introduction to electrical engineering of higher frequencies", Vol. 1, p. 171 Z L = 60 ε r ln D d with D = diameter of the outer conductor and d = diameter of the inner conductor. The wave resistance behaves correspondingly in the coaxial couplers described above. The wave resistance is therefore inversely proportional to the diameter of the inner conductor. With a constant diameter of the outer conductor, narrow inner conductors have a high-resistance and wide inner conductors have a low-resistance effect.

Die in dem genannten Stand der Technik beschriebenen Koppler sind insbesondere so ausgebildet, daß zwischen zwei Längszweigen drei Gruppen von Querzweigen angeordnet sind, wobei jede Gruppe von Querzweigen einen oder mehrere einzelne Querzweige umfaßt. Die dem Einkoppelpfad am nächsten liegende Gruppe von Querzweigen ist dabei als hochohmige Gruppe ausgebildet, d.h. sie umfaßt entweder einen einzigen, hochohmigen Querzweig oder mehrere, ebenfalls hochohmige Querzweige, die so zusammenwirken, daß die ganze Gruppe wieder als hochohmige Koppelstrecke zwischen den Längszweigen wirkt. So ist beispielsweise in W. Chang: "Exakte Berechnung von rechteckigen Koaxial- und Hohlleiterstrukturen mit Hilfe der Orthogonalentwicklung", FREQUENZ Band 47, Januar/Februar 1993, Seite 17 bis 23 in Bild 3 ein Koaxialkoppler mit einem Innenleiter dargestellt, der einen schmalen Querzweig mit hochohmiger Wirkung aufweist, welcher dem Einkoppelpfad am nächsten liegt. Bild 7 zeigt dagegen einen Hohlleiterkoppler, bei dem zwei schmale Hohlleiterwege als Querzweige eine hochohmige Gruppe bilden und dem Einkoppelpfad am nächsten liegen.The couplers described in the cited prior art are particularly so formed that three groups of transverse branches are arranged between two longitudinal branches, wherein each group of cross branches comprises one or more individual cross branches. The one The coupling path closest to the group of shunt branches is a high-resistance group trained, i.e. it comprises either a single, high-resistance shunt arm or several, also high-resistance cross branches that work together so that the whole group again as high-resistance coupling link between the longitudinal branches. For example, in W. Chang: "Exact calculation of rectangular coaxial and waveguide structures using the Orthogonal Development ", FREQUENCY Volume 47, January / February 1993, pages 17 to 23 in Figure 3 Coaxial coupler shown with an inner conductor that has a narrow transverse branch has a high-resistance effect which is closest to the coupling path. Figure 7 shows on the other hand, a waveguide coupler in which two narrow waveguide paths act as cross branches form a high-resistance group and lie closest to the coupling path.

Es ist noch folgender weiterer Stand der Technik zu Richtkopplem bekannt:The following further prior art relating to directional couplers is also known:

GB 2 218 853 beschreibt einen Mikrowellenkoppler für Streifenleitungen, bei dem beispielsweise fünf identische Leiter kapazitiv als Längszweigen wirkenden Streifenleitungen verbunden sind und so entsprechende kapazitive Querzweige zwischen den Streifenleitungen gebildet werden.GB 2 218 853 describes a microwave coupler for strip lines in which for example five identical conductors which act capacitively as longitudinal lines are connected and so corresponding capacitive cross branches between the strip lines be formed.

DE 197 16 290 offenbart einen Hohlleiter-Richtkoppler, bei dem zwischen den Ein- und Auskoppelpfaden ein Koppelraum vorgesehen ist, der eine abgestufte Ausdehnung aufweist und bei dem zwischen dem Koppelraum und den Hohlleitern der Ein- und Auskoppelpfade Koppelblenden vorgesehen sind.DE 197 16 290 discloses a waveguide directional coupler in which between the inputs and Auskoppelpfaden a coupling space is provided which has a graded extent and in the coupling and decoupling paths between the coupling space and the waveguides Coupling panels are provided.

Problematisch bei diesen Strukturen aus dem Stand der Technik ist es, wenn für den Koppler eine relativ hohe Kopplung vom Einkoppelpfad zu einem Auskoppelpfad erreicht werden soll, der nicht die direkte geometrische Verlängerung des Einkoppelpfades bildet oder dem Einkoppelpfad schaltungstechnisch nicht direkt benachbart ist. Der Koppler soll in diesem Fall als Richtkoppler (directional coupler) wirken. Durch die aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen für Koppler kann eine breitbandige Kopplung mit guter Anpassung und Isolation nur unzureichend erzielt werden. Der Stand der Technik, wie beispielsweise der Artikel aus FREQUENZ 1993, offenbart lediglich die Möglichkeit einer Richtungskopplung zu einem dem Einkoppelpfad gegenüberliegenden Auskoppelpfad mit Koppelwerten von maximal -1,5 dB, jedoch nicht die Möglichkeit einer höheren Richtungskopplung.The problem with these structures from the prior art is when for the coupler a relatively high coupling from the coupling path to an coupling path is to be achieved does not form the direct geometric extension of the coupling path or the In terms of circuitry, the coupling path is not directly adjacent. In this case the coupler should act as a directional coupler. By the known from the prior art Arrangements for couplers can be a broadband coupling with good matching and isolation can only be achieved insufficiently. The state of the art, such as the article from FREQUENCY 1993, only reveals the possibility of a directional coupling to one Coupling path opposite coupling path with coupling values of maximum -1.5 dB, but not the possibility of a higher directional coupling.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen kompakten Koppler für elektromagnetische Wellen bereitzustellen, der eine höhere Richtungskopplung gestattet, insbesondere im Bereich zwischen -1,5 dB und 0 dB.The object of the present invention is therefore to provide a compact coupler for to provide electromagnetic waves that allow a higher directional coupling, especially in the range between -1.5 dB and 0 dB.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des vorliegenden Anspruchs 1 und 2.This object is achieved by the features of the present claims 1 and 2.

Anspruch 1 umfaßt einen Richtkoppler für elektromagnetische Wellen mit Außenleitern und Innenleitern, wie er vorstehend als Koaxialkoppler definiert wurde. Die Innenleiter bilden Längszweige und Querzweige innerhalb der Außenleiter. Der Koppler weist einen Einkoppelpfad und drei Auskoppelpfade auf, die durch Koppelzweige untereinander verbunden sind. Ein erster Auskoppelpfad ist dabei durch einen ersten Längszweig mit dem Einkoppelpfad verbunden, ein zweiter Auskoppelpfad ist durch einen zweiten Längszweig mit einem dritten Auskoppelpfad verbunden ist. Außerdem ist der erste Längszweig mit dem zweiten Längszweig durch Querzweige verbunden. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß die Querzweige ausgehend vom Einkoppelpfad zumindest in fünf aufeinanderfolgende Gruppen von Querzweigen aus mindestens je einem Querzweig unterteilt sind, die altemierend als erste Gruppen mit geringerer Breite des Innenleiters und zweite Gruppen mit im Vergleich zu den ersten Gruppen größerer Breite des Innenleiters ausgebildet sind. Die dem Einkoppelpfad am nächsten liegende Gruppe ist dabei als erste Gruppe mit geringerer Breite des Innenleiters ausgebildet.Claim 1 includes a directional coupler for electromagnetic waves with outer conductors and Inner conductors, as defined above as a coaxial coupler. Form the inner conductor Longitudinal branches and transverse branches within the outer conductor. The coupler has a coupling path and three decoupling paths, which are interconnected by coupling branches. A first one The coupling-out path is connected to the coupling-in path by a first longitudinal branch second decoupling path is through a second longitudinal branch with a third decoupling path connected is. In addition, the first longitudinal branch is through with the second longitudinal branch Cross branches connected. According to the invention it is now provided that the transverse branches start from the coupling-in path at least in five successive groups of transverse branches are divided into at least one transverse branch, alternating as the first groups with fewer Width of the inner conductor and second groups with larger compared to the first groups Width of the inner conductor are formed. The group closest to the coupling path is formed as the first group with a smaller width of the inner conductor.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Richtkoppler für elektromagnetische Wellen nach Anspruch 2 mit einem Einkoppelpfad und drei Auskoppelpfaden, die durch Koppelzweige untereinander verbunden sind, wobei ein erster Auskoppelpfad durch einen ersten Längszweig mit dem Einkoppelpfad verbunden ist, ein zweiter Auskoppelpfad durch einen zweiten Längszweig mit einem dritten Auskoppelpfad verbunden ist, und der erste Längszweig mit dem zweiten Längszweig durch Querzweige verbunden ist. Erfindungsgemäß sind die Querzweige, durch die die Längszweige des Kopplers verbunden sind, ausgehend vom Einkoppelpfad in zumindest fünf aufeinanderfolgende Gruppen von Querzweigen aus mindestens je einem Querzweig unterteilt. Diese Gruppen sind alternierend als hochohmige Gruppen und niederohmige Gruppen ausgebildet, wobei die dem Einkoppelpfad am nächsten liegende Gruppe als hochohmige Gruppe ausgebildet ist.Another object of the invention is a directional coupler for electromagnetic waves Claim 2 with a coupling-in path and three coupling-out paths through coupling branches are interconnected, with a first decoupling path through a first longitudinal branch is connected to the coupling-in path, a second coupling-out path through a second Longitudinal branch is connected to a third coupling-out path, and the first longitudinal branch to the second longitudinal branch is connected by transverse branches. According to the invention, the transverse branches through which the longitudinal branches of the coupler are connected, starting from the coupling path in at least five successive groups of transverse branches from at least one each Cross branch divided. These groups are alternating as high-resistance groups and low-resistance groups are formed, the group closest to the coupling path is designed as a high-resistance group.

Durch solche erfindungsgemäße Konstruktionen kann eine starke Kopplung vom Einkoppelpfad (Einspeisetor) in Richtung zum zweiten Auskoppelpfad (Kopplungstor) erreicht werden.Such constructions according to the invention enable strong coupling from the coupling path (Infeed gate) towards the second decoupling path (coupling gate).

Ein erfindungsgemäßer Richtkoppler nach Anspruch 1 oder 2 bietet damit eine verbesserte, nämlich höhere Koppelwirkung, die durch eine vorteilhafte Verbesserung von aus dem Stand der Technik bekannten Richtkopplerstrukturen erzielt werden kann, wobei zusätzlich zu der verbesserten Wirkung eine raumsparende Anordnung ermöglicht wird.An inventive directional coupler according to claim 1 or 2 thus offers an improved, namely higher coupling effect, which by an advantageous improvement from the prior art Technology known directional coupler structures can be achieved, in addition to improved effect a space-saving arrangement is made possible.

Eine solche erfindungsgemäße Anordnung findet insbesondere dann Anwendung finden, wenn der zweite Auskoppelpfad nicht die geometrische Verlängerung des Einkoppelpfades bildet und dem Einkoppelpfad nicht direkt benachbart, sondern gegenüberliegend angeordnet ist. Der erste und dritte Auskoppelpfad sind dabei dem Einkoppelpfad direkt benachbart angeordnet. Die Erfindung läßt sich damit insbesondere auch als Kreuzung von Leitungen einsetzen.Such an arrangement according to the invention is used in particular when the second decoupling path does not form the geometric extension of the coupling path and is not directly adjacent to the coupling path, but is arranged opposite one another. Of the first and third decoupling paths are arranged directly adjacent to the coupling path. The The invention can thus also be used in particular as an intersection of lines.

Es werden nun weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 2 beschrieben.There are now further developments of the present invention according to claim 2 described.

Insbesondere weisen die Querzweige untereinander eine unterschiedliche Breite auf. Dabei besitzen die niederohmigen Querzweige eine größere Breite als die hochohmigen. Durch eine geeignete Wahl und Variation der Breite der Querzweige kann die Stärke der Kopplung des Richtkopplers beeinflußt und optimiert werden.In particular, the transverse branches have a different width from one another. there the low-resistance cross branches have a greater width than the high-resistance ones. By a Appropriate choice and variation of the width of the cross branches can be the strength of the coupling of the Directional coupler can be influenced and optimized.

Die Stärke der Kopplung kann weiterhin über die Geometrie der Längszweige und die Anzahl, den Abstand und Geometrie der Querzweige variiert werden. Sie kann somit derart ausgelegt werden, daß ausgehend vom Einkoppelpfad eine Kopplung überwiegend in Richtung des zweiten Auskoppelpfades erfolgt. So kann beispielsweise die Anzahl der Koppelzweige erhöht werden, um eine stärkere Kopplung in Richtung des zweiten Auskoppelpfades (Kopplungstor) zu erzielen, ohne gleichzeitig die Eingangsanpassung des Richtkopplers unnötig zu verschlechtern. Der dritte Auskoppelpfad wirkt in einem solchen Fall als Isolationstor, d.h. es soll dort praktisch keine Leistung ausgekoppelt werden.The strength of the coupling can also be determined by the geometry of the longitudinal branches and the number the distance and geometry of the transverse branches can be varied. It can thus be designed in this way be that starting from the coupling path, a coupling predominantly in the direction of the second Decoupling path takes place. For example, the number of coupling branches can be increased, in order to achieve a stronger coupling in the direction of the second coupling-out path (coupling gate), without at the same time unnecessarily worsening the input adaptation of the directional coupler. The third In such a case, the decoupling path acts as an isolation gate, i.e. there should be practically none Power to be decoupled.

Es kann dabei insbesondere vorgesehen werden, daß die Querschnittsfläche der Längszweige in Längsrichtung variiert. Damit weisen die Längszweige im einfachsten Fall keine konstante Breite auf, sondern die Breite ändert sich in Längsrichtung der Längszweige, z.B. in Form von Stufen.In particular, it can be provided that the cross-sectional area of the longitudinal branches in Longitudinal direction varies. In the simplest case, the longitudinal branches do not have a constant width but the width changes in the longitudinal direction of the longitudinal branches, e.g. in the form of steps.

Die Länge der Querzweige wird insbesondere für alle Querzweige gleich gewählt. Es kann auch der Abstand der einzelnen Querzweige voneinander variiert werden, wobei der Abstand zwischen zwei der Zweige auch gegen Null gehen kann, d.h. daß diese Zweige im Grenzfall miteinander zu einem einzigen Querzweig zusammengeführt werden. Schließlich kann auch im Verlauf einzelner Querzweige die Querschnittsfläche in Längsrichtung des Querzweiges variieren. Der Querzweig kann damit im einfachsten Fall ebenfalls Breitenänderungen, z.B. in Stufenform, aufweisen, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad zur Variation und Optimierung der Stärke der Kopplung und der Güte der Anpassung bzw. der Isolation gegeben ist.The length of the transverse branches is chosen in particular to be the same for all transverse branches. It can also the distance between the individual transverse branches can be varied, the distance between two of the branches can also go to zero, i.e. that these branches join together in the borderline case be merged into a single transverse branch. Finally, even in the course of an individual Cross branches vary the cross-sectional area in the longitudinal direction of the cross branch. The cross branch can in the simplest case also change the width, e.g. in step form, which gives another degree of freedom to vary and optimize the strength of the coupling and the quality of the adaptation or isolation is given.

Die einzelnen Koppelzweige sind bevorzugt in einer Ebene angeordnet und weisen in dieser Ebene insbesondere eine Symmetrie bezüglich mindestens einer Achse auf.The individual coupling branches are preferably arranged in one plane and point in this Level in particular symmetry with respect to at least one axis.

Der Koppler kann speziell so ausgelegt werden, daß eine Kopplung zwischen dem Einkoppelpfad und dem zweiten Auskoppelpfad (Kopplungstor) im Bereich zwischen -3 dB und 0 dB erreicht wird, d.h. daß andererseits zwischen dem Einkoppelpfad und dem ersten Auskoppelpfad eine Kopplung erzielt wird, die deutlich kleiner sein kann als- 3 dB. Man erreicht somit eine Kopplung in Richtung zum zweiten Auskoppelpfad, die zwischen 50 % der eingekoppelten Leistung und einer nahezu vollständigen Kopplung der eingekoppelten Leistung liegt.The coupler can be specially designed so that there is a coupling between the coupling path and the second decoupling path (coupling gate) in the range between -3 dB and 0 dB will, i.e. that, on the other hand, a between the coupling-in path and the first coupling-out path Coupling is achieved, which can be significantly smaller than -3 dB. A coupling is thus achieved towards the second decoupling path, which is between 50% of the coupled power and an almost complete coupling of the coupled power.

Der Koppler kann als Hohlleiterkoppler ausgebildet sein, d.h. als Koppler, der zumindest im wesentlichen lediglich Außenleiter aufweist. Es können dabei zwar gewisse Innenstrukturen wie im eingangs genannten Stand der Technik vorgesehen werden, jedoch so, dass effektiv wieder Hohlleiterstrukturen entstehen. Er kann aber auch als Koaxialkoppler mit Innenleitem und Außenleitern ausgebildet sein. Innenleiter und Außenleiter des Richtkopplers können grundsätzlich jede geeignete Form aufweisen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß der Koppler durch rechteckige Außenleiter und rechteckige Innenleiter (barline) gebildet wird. Ein Querschnitt durch einen solchen Koppler ist z.B. in W. Chang: "Exakte Berechnung von rechteckigen Koaxial- und Hohlleiterstrukturen mit Hilfe der Orthogonalentwicklung", FREQUENZ Band 47, Januar/Februar 1993, Seite 17 bis 23 dargestellt. Der Koppler kann aber auch eine andere Geometrie aufweisen, z.B. runde Innenleiter und/oder Außenleiter. Außerdem kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Außenleiter und/oder Innenleiter in derjenigen Raumrichtung, die senkrecht auf der Ebene des Kopplers bzw. der Koppelzweige steht, eine konstante Höhe aufweisen.The coupler can be designed as a waveguide coupler, i.e. as a coupler, at least in essentially only has outer conductors. Certain internal structures such as be provided in the prior art mentioned above, but so that effectively again Waveguide structures arise. But it can also be used as a coaxial coupler with inner conductor and Be outer conductors. Inner conductor and outer conductor of the directional coupler can basically have any suitable shape. For example, it can be provided that the Coupler is formed by rectangular outer conductors and rectangular inner conductors (barline). On Cross section through such a coupler is e.g. in W. Chang: "Exact calculation of rectangular coaxial and waveguide structures with the help of orthogonal development ", FREQUENCY Volume 47, January / February 1993, pages 17 to 23. The coupler can also be a have a different geometry, e.g. round inner conductor and / or outer conductor. Besides, can For example, it can be provided that the outer conductor and / or inner conductor in that Spatial direction that is perpendicular to the level of the coupler or the coupling branches, one have a constant height.

Bevorzugt wird ein solcher Richtkoppler als Mikrowellenkoppler für Mikrowellenschaltungen eingesetzt. Dieser kann in Antennensystemen Anwendung finden, wie sie in der Nachrichtentechnik üblich sind. So kann ein solcher Koppler beispielsweise ein Teil eines Verteilnetzwerkes von Sende- und Empfangsantennen sein, wie sie in modernen Kommunikationssatelliten oder ähnlichen nachrichtentechnischen Mikrowellenschaltungen vorkommen können.Such a directional coupler is preferred as a microwave coupler for microwave circuits used. This can be used in antenna systems as used in the Telecommunications are common. For example, such a coupler can be part of a Distribution network of transmitting and receiving antennas, as in modern Communication satellites or similar microwave communications circuits can occur.

Nachfolgend werden spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.Special exemplary embodiments of the present invention are described below with reference to FIG. 1 and 2 explained.

Es zeigen:

Fig. 1
Querschnitt in Draufsicht auf einen Richtkoppler mit drei Auskoppelpfaden und zweifacher Symmetrie,
Fig. 2
wie Fig. 1, aber mit variierendem Leiterquerschnitt im Bereich der Querzweige.
Show it:
Fig. 1
Cross-section in top view of a directional coupler with three decoupling paths and double symmetry,
Fig. 2
as Fig. 1, but with a varying conductor cross-section in the region of the cross branches.

Fig. 1 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Richtkoppler, der einen Innenleiter 1 und einen Außenleiter 2 aufweist, wobei weiterhin ein koaxialer Einkoppelpfad 3 (Einspeisetor) und drei koaxiale Auskoppelpfade 4, 5, 11 vorgesehen sind. Der Koppler weist dabei eine zweifache Symmetrie bezüglich einer ersten Mittelachse 9 und einer zweiten Mittelachse 10 auf.Fig. 1 shows a special embodiment for a directional coupler according to the invention, the has an inner conductor 1 and an outer conductor 2, with a coaxial Coupling path 3 (feed gate) and three coaxial coupling paths 4, 5, 11 are provided. Of the Coupler has a double symmetry with respect to a first central axis 9 and one second central axis 10.

Der erste Auskoppelpfad 4 (Durchgangstor) stellt die geometrische Verlängerung des Einkoppelpfades 3 dar und ist diesem schaltungstechnisch direkt benachbart und durch einen ersten Längszweig 6 mit dem Einkoppelpfad 3 verbunden. Der zweite Auskoppetpfad 5 (Kopplungstor) ist dem Einkoppelpfad 3 geometrisch gegenüberliegend angeordnet und durch die spezielle Gestaltung des Richtkopplers wird eine starke Kopplung vom Einkoppelpfad 3 in Richtung auf diesen zweiten Auskoppelpfad 5 hin erzielt. Die noch verbleibende Restleistung wird durch den ersten Längszweig 6 zum ersten Auskoppelpfad 4 hin gerichtet.The first decoupling path 4 (through gate) represents the geometric extension of the Coupling path 3 and this is directly adjacent in terms of circuit technology and by one first longitudinal branch 6 connected to the coupling path 3. The second decoupling path 5 (Coupling gate) is arranged geometrically opposite the coupling-in path 3 and through the special design of the directional coupler is a strong coupling from the coupling path 3 in Direction towards this second decoupling path 5 achieved. The remaining power is directed through the first longitudinal branch 6 towards the first decoupling path 4.

Die vorliegenden Anordnungen nach den Fig. 1 und 2 weisen außerdem noch einen dritten Auskoppelpfad 11 (Isolationstor) auf, der dem Einkoppelpfad 3 schaltungstechnisch und geometrisch benachbart und mit dem zweiten Auskoppelpfad 5 durch einen zweiten Längszweig 16 verbunden ist, der im vorliegenden Beispiel parallel zum ersten Längszweig 6 angeordnet ist. Der Anteil der in den dritten Auskoppelpfad 11 ausgekoppelten Leistung ist praktisch Null.The present arrangements according to FIGS. 1 and 2 also have a third Auskoppelpfad 11 (isolation gate) on the Einkoppelpfad 3 circuitry and geometrically adjacent and with the second decoupling path 5 through a second longitudinal branch 16 is connected, which in the present example is arranged parallel to the first longitudinal branch 6. The proportion of the power decoupled into the third decoupling path 11 is practically zero.

Zwischen dem ersten Längszweig 6 und dem zweiten Längszweig 16 sind mehrere Gruppen von Querzweigen 7a bis 7e angeordnet. Diese Querzweige 7a bis 7e und die Längszweige 6 und 16 bilden zusammen den Innenleiter 1 des Koaxialkopplers. Im vorliegendem Beispiel sind fünf Gruppen von Querzweigen 7a bis 7e dargestellt, die parallel zur ersten Mittelachse 9 des Richtkopplers verlaufen. Es ist dabei vorgesehen: eine erste, hochohmige Gruppe 7a, eine zweite, niederohmige Gruppe 7b, eine dritte, hochohmige Gruppe 7c, eine vierte, niederohmige Gruppe 7d und eine fünfte, hochohmige Gruppe 7e. Die hochohmige bzw. niederohmige Wirkung der Querzweige 7a bis 7e wird dabei durch die geringere bzw. größere Breite der Querzweige erzielt. Es wird im speziellen Beispiel lediglich die dritte Gruppe 7c durch zwei einzelne, eng benachbarte Querzweige gebildet, die übrigen Gruppen 7a, 7b, 7d, 7e bestehen jeweils nur aus einem einzigen Querzweig. Es kann aber auch für die anderen Gruppen 7a, 7b, 7d, 7e je nach Bedarf mehr als nur ein Querzweig pro Gruppe vorgesehen werden.Between the first longitudinal branch 6 and the second longitudinal branch 16 there are several groups of Cross branches 7a to 7e arranged. These transverse branches 7a to 7e and the longitudinal branches 6 and 16 together form the inner conductor 1 of the coaxial coupler. In the present example there are five Groups of transverse branches 7a to 7e are shown, which are parallel to the first central axis 9 of the Directional coupler run. It is provided here: a first, high-resistance group 7a, one second, low-resistance group 7b, a third, high-resistance group 7c, a fourth, low-resistance group Group 7d and a fifth, high-resistance group 7e. The high-resistance or low-resistance effect the transverse branches 7a to 7e are due to the smaller or larger width of the transverse branches achieved. In the specific example, only the third group 7c becomes narrow by two individual ones Neighboring transverse branches are formed, the remaining groups 7a, 7b, 7d, 7e each consist only of a single cross branch. However, it can also depend on the other groups 7a, 7b, 7d, 7e If more than one cross branch per group is required.

Die Anzahl oder die Abstände dieser Querzweige 7a bis 7e können je nach Stärke der gewünschten Kopplung variiert werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Koppelzweige der dritten Gruppe 7c, die der ersten Mittelachse 9 der Anordnung nach Fig. 1 direkt benachbart sind, zu einem einzigen Koppelzweig verschmolzen werden. Somit würde die vorliegende Anordnung nur noch fünf Gruppen von Querzweigen 7a bis 7e mit jeweils einem Querzweig pro Gruppe aufweisen.The number or the distances of these transverse branches 7a to 7e can, depending on the strength of the desired coupling can be varied. For example, it can be provided that the Coupling branches of the third group 7c, that of the first central axis 9 of the arrangement according to FIG. 1 are directly adjacent to be merged into a single coupling branch. Thus, the present arrangement only five groups of transverse branches 7a to 7e, each with one Have cross branches per group.

Betrachtet man die Struktur des vorliegenden Kopplers, so erkennt man, daß im Vergleich zum Stand der Technik deutliche Unterschiede und Vorteile bestehen. Es kann durch diese Struktur eine starke, breitbandige Kopplung in Richtung auf den zweiten Auskoppelpfad 5 erzielt werden, wobei gleichzeitig eine kompakte Struktur der Koppleranordnung garantiert ist und weitgehende Variationsmöglichkeiten der Geometrie zur Einstellung und Optimierung der Stärke der gewünschten Kopplung gegeben sind. Durch die Koppler aus dem Stand der Technik allein wäre eine solch starke und gleichzeitig auch breitbandige Kopplung nicht möglich.If you look at the structure of the present coupler, you can see that compared to the State of the art there are clear differences and advantages. It can through this structure a strong, broadband coupling in the direction of the second coupling-out path 5 can be achieved, at the same time a compact structure of the coupler arrangement is guaranteed and extensive Variations in geometry to adjust and optimize the strength of the desired coupling are given. The couplers from the prior art alone would be such a strong and at the same time broadband coupling is not possible.

Eine Optimierung des Kopplers kann beispielsweise neben der Anzahl, dem Abstand und er Breite der Querzweige in den Gruppen 7a bis 7e oder auch zwischen den Gruppen 7a bis 7e auch über die Formgestaltung der Längszweige 6, 16 und den Abstand zwischen den Längszweigen erfolgen. Es kann auch jeder einzelnen Querzweig einer Gruppe 7a bis 7e oder jeder Längszweig 6, 16 eine Variation der Querschnittsfläche, speziell mehrere Breitenänderungen 12, 13, 14, 15, 17 aufweisen, wie beispielhaft in Fig. 2 dargestellt ist. Dadurch läßt sich eine gute Anpassung bzw. Isolation erzielen. Die Höhe der Innenleiter 1 und ggf. auch die Höhe der Außenleiter 2, also die Dimension des Kopplers in der Raumrichtung senkrecht zum Querschnitt nach Fig. 1 oder 2, sind bevorzugt konstant.An optimization of the coupler can, for example, in addition to the number, the distance and he Width of the transverse branches in groups 7a to 7e or between groups 7a to 7e also on the shape of the longitudinal branches 6, 16 and the distance between the Longitudinal branches are made. Each individual transverse branch of a group 7a to 7e or each longitudinal branch 6, 16 a variation of the cross-sectional area, especially several Have changes in width 12, 13, 14, 15, 17, as shown by way of example in FIG. 2. This allows good adaptation or isolation to be achieved. The height of the inner conductor 1 and possibly also the height of the outer conductor 2, that is the dimension of the coupler in the spatial direction perpendicular to the cross section according to FIG. 1 or 2, are preferably constant.

Die Längszweige 6, 16 weisen im übrigen ebenfalls eine stufenförmige Struktur mit auf, d.h. es wird auch hier zu Optimierungszwecken und zum Einstellen der Kopplung die Querschnittsfläche der Zweige durch Breitenänderungen in ihrer Längsrichtung variiert.The longitudinal branches 6, 16 also have a stepped structure, i.e. it here, too, the cross-sectional area is used for optimization purposes and for setting the coupling the branches vary in their longitudinal direction due to changes in width.

Als eine spezielle Anwendung einer Anordnung nach den Fig. 1 und 2 ist deren Verwendung in einem Verteilnetzwerk einer Antennenanordnung vorgesehen, wie sie beispielsweise in Satelliten vorkommen.As a special application of an arrangement according to FIGS. 1 and 2, its use in a distribution network of an antenna arrangement is provided, such as in satellites occurrence.

Claims (12)

  1. Directional coupler for electromagnetic waves, having external conductors (2) and internal conductors (1) that form series arms (6, 16) and shunt arms (7a to 7e) within the external conductors, having an injection path (3) and three decoupling paths (4, 5, 11), which are interconnected by coupling arms (6, 16, 7a to 7e), wherein
    a first decoupling path (4) is connected to the injection path by a first series arm (6),
    a second decoupling path (5) is connected to a third decoupling path (11) by a second series arm (16), and
    the first series arm (6) is connected with the second series arm (16) by means of shunt arms (7a to 7e),
    characterised in that
    the shunt arms (7a to 7e), starting from the injection path (3), are divided into at least five consecutive groups of shunt arms (7a to 7e) each comprising at least one shunt arm, the groups being alternately in the form of first groups (7a, 7c, 7e) having a relatively small width of the internal conductor (1) and second groups (7b, 7d) having in comparison with the first groups a relatively large width of the internal conductor (1), wherein the group (7a) lying closest to the injection path (3) is in the form of a first group having a relatively small width of the internal conductor (1).
  2. Directional coupler for electromagnetic waves, having an injection path (3) and three decoupling paths (4, 5, 11) which are interconnected by coupling arms (6, 16, 7a to 7e), wherein
    a first decoupling path (4) is connected to the injection path by a first series arm (6),
    a second decoupling path (5) is connected to a third decoupling path (11) by a second series arm (16), and
    the first series arm (6) is connected with the second series arm (16) by means of shunt arms (7a to 7e),
    characterised in that
    the shunt arms (7a to 7e), starting from the injection path (3), are divided into at least five consecutive groups of shunt arms (7a to 7e) each comprising at least one shunt arm, the groups being alternately in the form of high-impedance groups (7a, 7c, 7e) and low-impedance groups (7b, 7d), wherein the group (7a) lying closest to the injection path (3) is in the form of a high-impedance group.
  3. Coupler according to claim 2, characterised in that the low-impedance shunt arms (7a) have a greater width than the high-impedance shunt arms (7b).
  4. Coupler according to one of claims 2 and 3, characterised in that the cross-sectional area of the series arms (6, 16) varies in the longitudinal direction.
  5. Coupler according to claim 4, characterised in that the series arms (6, 16) have at least a double change in width in the longitudinal direction.
  6. Coupler according to any one of claims 2 to 5, characterised in that the shunt arms (7a, 7b) have a uniform length (8).
  7. Coupler according to any one of claims 2 to 6, characterised in that the cross-sectional area of at least some of the high-impedance shunt arms (7a) varies in the longitudinal direction.
  8. Coupler according to claim 7, characterised in that the portion of the high-impedance shunt arms (7a) in the longitudinal direction has at least a double change in width.
  9. Coupler according to any one of claims 2 to 8, characterised in that the coupling arms (6, 7a. 7b) are arranged in one plane and in that plane have a symmetry in respect of at least one axis (9, 10).
  10. Coupler according to any one of claims 2 to 9, characterised in that the coupler is designed as a waveguide coupler with external conductors (2).
  11. Coupler according to any one of claims 2 to 9, characterised in that the coupler is designed as a coaxial coupler with external conductors (2) and internal conductors (1).
  12. Coupler according to claim 11, characterised in that it is formed by rectangular extemal conductors (2) and rectangular internal conductors (1).
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