EP1867003B1 - HOCHFREQUENZKOPPLER ODER LEISTUNGSTEILER, INSBESONDERE SCHMALBANDIGER UND/ODER 3dB-KOPPLER ODER LEISTUNGSTEILER - Google Patents

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EP1867003B1
EP1867003B1 EP06707501A EP06707501A EP1867003B1 EP 1867003 B1 EP1867003 B1 EP 1867003B1 EP 06707501 A EP06707501 A EP 06707501A EP 06707501 A EP06707501 A EP 06707501A EP 1867003 B1 EP1867003 B1 EP 1867003B1
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EP
European Patent Office
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coupling
coupler
coupling zone
power splitter
substrate
Prior art date
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EP06707501A
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EP1867003B9 (de
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Franz Rottmoser
Joachim Herold
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Kathrein SE
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Kathrein Werke KG
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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
    • H01P5/184—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being strip lines or microstrips
    • H01P5/187—Broadside coupled lines

Definitions

  • the invention relates to an RF coupler or RF power divider, in particular narrow-band RF coupler or RF power divider according to the preamble of claim 1, known from the US 2005/0017821 A1 ,
  • Ring couplers are often used for this purpose.
  • Such ring couplers are for example from prong Brunswig " High Frequency Technology ", Springer-Verlag, 6th edition, 2000 known, from page 192.
  • ring couplers are often implemented in microstrip technology.
  • high-frequency couplers are also known in which the degree of coupling is generally set via front-end or longitudinally coupled lines. For higher coupling levels, as necessary for a power divider, these distances are often very low or even too low to be economically manufactured.
  • a directional coupler for example is constructed in suspended substrate technology.
  • a coupling path in stripline technology is provided on a substrate on one side, which are connected to two also in stripline technology formed first and second terminals on the substrate in combination.
  • a second coupling path is arranged, which lead to a third and fourth output or connection.
  • the two coupling paths are arranged at least partially overlapping.
  • EP 1 291 959 A1 can also be connected at the two opposite ends of the two coupling paths also each capacitors, the second connection point is in each case to ground.
  • the coupler is constructed in Koplanartechnik.
  • the two coupling lines are each arranged with their two connection points on a common side of the substrate, wherein the coupling paths extend in the smallest possible distance parallel to each other.
  • a directional coupler has become known, which in turn is also constructed in suspended substrate technology. It is in this prior art directional coupler to a broadband directional coupler with at least two coupled in cascade coupling sections of different coupling loss, in which the coupling sections with loose coupling of frontally coupled strip conductors and the Coupling sections with fixed coupling consist of broadside coupled strip conductors.
  • couplers known from the prior art are often designed in microstrip technology. Due to the relatively high attenuation of the microstrip line and their sensitivity to variations in the dielectric constant, the disadvantages of these couplers are the high space requirements and the relatively large electrical losses and the high cost of high-quality printed circuit board material.
  • the main disadvantages of the directional coupler in coplanar technology are ultimately in the required minimum distances between the longitudinally coupled interconnects and the extent also limited coupling factor. Furthermore, the coupling factor is highly tolerance-dependent (etching tolerances and variations in the dielectric constants of the substrate material exert an adverse influence). Furthermore, a coplanar coupler is not optimal in terms of electrical losses.
  • a high-frequency coupler or power divider which comprises on a substrate on one side two formed coupling links. Both coupling lines are provided at the beginning and at the end with connecting conductors, which lead to staggered terminals. In addition, capacitors for coupling both coupling paths are provided and formed between the two coupling paths.
  • this directional coupler is formed on a substrate so that the one coupling path on one side of the substrate and the coupled therewith second coupling path is formed on the opposite side of the substrate.
  • a through connection through the substrate is provided in each case on one side of the coupling path in order to produce an electrical-galvanic connection of a connecting line to an opposite coupling surface.
  • a microwave coupler which also has four ports and two coupling links, between the two coupling links - which are kept relatively short - from the beginning to the end capacitors are provided for coupling between the coupling links.
  • a disadvantage of all types of couplers mentioned above is that, in particular when used for a modern telecommunications system, they do not have the requisite required properties of a high-frequency coupler, for example with sufficient coupling factor, sufficient directivity or symmetry or can not be realized or only with considerable development effort.
  • a generic coupler or power divider is from the US 2005/0017821 A1 known.
  • two first connecting lines are provided, which lead to a beginning and to an end of a first coupling path.
  • a second, coupled to the first coupling path coupling path is provided, leading to the beginning and the end of two further connection lines.
  • the aforementioned two coupling paths are formed on the substrate on two opposite sides, wherein the entire arrangement rests with the lower coupling path on a lower substrate.
  • a further coupler is known to be known, for example, includes grounded interdigital capacitors, which serve to improve the electrical property.
  • the RF coupler or power divider according to the invention has a number of positive advantages that offset conventional solutions.
  • the high-frequency coupler according to the invention has a narrowband design.
  • the coupler according to the invention or power divider has at the respective opposite end or connection areas to the respective coupling path capacitors, as in principle also from the EP 1 291 959 A1 are known. In deviation, however, are not discrete Reactants or capacitors used, but so-called interdigital capacitors. Although reveals the US 2004/0113717 A1 a coupler with grounded interdigital capacitors, but here a second substrate is provided without vias.
  • a power divider or coupler is realized with very little space, the electrical parameters are relatively freely adjustable or preselected within wide limits. Above all, it has low electrical losses.
  • the power divider or coupler according to the invention is also characterized by its high directivity. Above all, the fact that the coupler or power divider according to the invention - which is usually installed in a housing - also in the region of the lower coupling path a distance from the housing, i. has a housing wall, in this case no fixed dielectric is provided immediately adjacent, can be realized and achieve a lower ⁇ , which has a positive impact on the electrical properties of the coupler or power divider reflected. As a result, the coupler or power divider according to the invention has further advantages over the generic state of the art.
  • the coupler or power divider according to the invention is also comparatively robust with respect to housing tolerances. This is especially evident in the choice of different cover distances. This robustness to housing tolerances also opens the possibility to reuse individual designs in other applications.
  • the coupler according to the invention is also comparatively robust to etching tolerances as well as to fluctuations in the Dielectric constant of the substrate material. Furthermore, basically no further wiring or concentrated components are necessary, although they could basically be used if necessary. Finally, all leads are provided on the same side of the substrate side, which is to be regarded as advantageous.
  • FIG. 1 the plan view of a first embodiment of a coupler according to the invention or power divider 1 is shown, which is constructed on a substrate 3 in the form of a printed circuit board.
  • FIG. 1 Visible top surface 3a of the substrate four surface regions 5 visible, which are electrically-electrically isolated from recesses 7 from each other.
  • This surface area 5 is a ground area 5.
  • a first coupling path 9 is formed in stripline technique, which extends in a first direction or longitudinal direction on the substrate 3.
  • a first and second connection line 13a and 13b is provided transversely, which lead to connections 15a and 15b on the one substrate edge 3 '.
  • the non-conductive recessed area 7 is in plan view in the embodiment according to FIG. 1 H-shaped. In the immediate extension of the connecting line 13a and 13b but separated from these, two more connecting lines 17a and 17b are seen, leading to the opposite substrate edge 3 "and there form connections 19a and 19b.
  • connection lines 17a, 17b which are opposite to the connections 19a and 19b, these are provided adjacent to the first coupling path 9 with plated-through holes 21, which extend through bores 21 'through the substrate 3.
  • a second coupling path 25 is provided on the reproduced there underside 3b, which runs parallel to the first coupling path 9 and in plan view itself preferably with this completely or at least partially overlapped.
  • the length and / or width of both coupling paths is at least approximately the same in the embodiment shown.
  • the second connection lines 17a and 17b are electrically-galvanically connected to the second coupling path 25 via the aforementioned two plated-through holes.
  • the length of the coupling lines corresponds to approximately ⁇ / 4.
  • the four supply or connecting lines 13a, 13b and 17a, 17b are implemented in coplanar conductor technology and connect the coupler 1 with further in the present embodiment, not shown in detail high-frequency modules.
  • capacitors C are also provided in the illustrated embodiment, which in each case in the input and output area, ie at the beginning 11a and at the end 12b of the first coupling path 9 or at the beginning 11'a and at the end of the 12th 'b the second coupling path 25 are located.
  • the capacitors C-9a and C-9b are arranged at one end and the corresponding capacitors C-9c and C-9d at the other end of the first coupling path 9.
  • Corresponding capacitors are also provided at the beginning and end of the second coupling path 25, namely the capacitors C-25a and C-25b and at the opposite end of the coupling path 25, the capacitors C-25c and C-25d.
  • FIGS. 1 and 2 it is also apparent that in the illustrated embodiment, preferably in the middle region, ie halfway along the respective coupling path 9 or 25 is still provided in each case a further capacitor pair C, which in the embodiment shown as C-9e and C-9f as well C-25e and C-25f.
  • each capacitor surface or half is conductively connected to the respective coupling path 9 or 25 and the respective electrically-galvanically separated capacitor surface or half interacting therewith has the associated ground surface.
  • the substrate 3 is provided with a circumferentially closed ground surface 31, in the central region of a non-conductive recess 36 is provided within which the longitudinal direction of the second coupling path 2 thereof is galvanically separated.
  • the dimensioning of the interdigital capacitors can be carried out in such a way that specific coupling properties are set or preselected.
  • the aforementioned ground planes are necessary in order to ensure defined mass ratios on the one hand and to form a ground potential for the interdigital capacitors on the other hand.
  • the actual coupling takes place through the formed on the two sides of the substrate 3 lines 9 and 25 (suspended substrate).
  • a recess 37 is formed in a housing 29 below the coupling region, ie a distance 37 to a corresponding housing wall 29 is provided.
  • the extent of the depression that is the degree of the distance between the substrate and the housing or the housing wall 29 and the distance between the substrate and the associated lid 41 can be freely selected within certain limits.
  • the capacitors provided preferably in the middle in the coupling paths may also be provided, starting from the center, between the capacitors provided at the beginning and at the end of the respective coupling path. If appropriate, additional capacitors may also be provided between the capacitors provided at the beginning and at the end region of the respective coupling path, that is, more than in the exemplary embodiments shown.
  • the input and output capacitors C-9a, C-9b and C-9c, C-9d and on the opposite Side the capacitors C-25a, C-25b or C-25c, C-25d are also more offset to the center.
  • the distance from the beginning and end regions may well be up to 30% of the total length of the coupling path, but preferably less, in particular less as 25%, 20%, 15% and 10% of the total length of the coupling path. It should be noted that the positioning of the capacitors at the beginning and at the end of the coupler have the greatest effect.
  • FIGS. 4 and 5 corresponds largely to that after the FIGS. 1 to 3 ,
  • the lying on one side of the substrate coupling path 9 is not provided with two leading to the same edge boundary 3 'of the substrate connection lines, but the in FIG. 4 right lying connection line 15b, which is electrically-galvanically connected to the coupling path 9, leads to the opposite side 3 "of the substrate to the connection 17b formed there FIG. 4 top right connection line 17 b provided with a through-connection 21, so that the in FIG. 4 top right terminal 19b with the in FIG. 4 bottom left terminal 19a is electrically-galvanically connected.
  • the ground areas have recesses 7 on both sides of the substrate in the area of the connection lines as well as the coupling sections 9 and 25.
  • the distance between the coupler paths 9 and 25 and the ground planes is preferably 1.5 to 4 times the width of the line.
  • the distance of the connection lines to the adjacent ground planes is approximately 1.5 to 4 times the width of these connecting lines.
  • both coupling lines 9, 25 should either lie one above the other or have a lateral offset, which is preferably smaller than the width of the coupling line.
  • the coupling lines are not adjacent to each other in plan view, but overlap.
  • the lateral offset is greater than half the width of the coupling conductor track 9 or 25, so that cover both lines at preferably the same width to fifty percent.
  • the coverage should preferably be more than 0%, in particular more than 10%, more than 20%, more than 30% and preferably more than 50%, in particular based on the width of the coupling tracks 9 and 25.
  • connection lines 13a, 13b and 17a, 17b are formed in coplanar technology.
  • the two coupling paths 9 and 25 are formed in suspended substrate technology.

Landscapes

  • Waveguides (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen HF-Koppler oder HF-Leistungsteiler, insbesondere schmalbandigen HF-Koppler oder HF-Leistungsteiler nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, bekannt aus der US 2005/0017821 A1 .
  • In hochfrequenztechnischen Anlagen ist es oft notwendig, ein Signal beispielsweise mit einer Leistung P auf zwei Signale mit einer Leistung von jeweils P/2 aufzuteilen. Hierzu werden häufig Ringkoppler verwendet. Derartige Ringkoppler sind beispielsweise aus Zinke Brunswig "Hochfrequenztechnik", Springer-Verlag, 6. Auflage, 2000 bekannt, und zwar dort aus Seite 192.
  • Diese Ringkoppler werden häufig in Mikrostreifenleitertechnik ausgeführt.
  • Darüber hinaus sind aber auch Hochfrequenzkoppler bekannt, bei denen das Maß der Verkopplung in der Regel über stirn- oder längsseitig gekoppelte Leitungen eingestellt wird. Für höhere Koppelgrade, wie für einen Leistungsteiler notwendig, werden diese Abstände oft sehr gering oder sogar zu gering, um noch wirtschaftlich gefertigt werden zu können.
  • So ist beispielsweise auch aus der EP 1 291 959 A1 ein direktionaler Koppler bekannt geworden, der beispielsweise in Suspended-Substrat-Technik aufgebaut ist. In anderen Worten ist auf einem Substrat auf der einen Seite eine Koppelstrecke in Streifenleitungstechnik vorgesehen, die mit zwei ebenfalls in Streifenleitungstechnik ausgebildeten ersten und zweiten Anschlüssen auf dem Substrat in Verbindung stehen. Auf der gegenüberliegenden Seite ist dann eine zweite Koppelstrecke angeordnet, die zu einem dritten und vierten Ausgang oder Anschluss führen. In Draufsicht sind die beiden Koppelstrecken zumindest teilweise überlappend angeordnet.
  • Gemäß der vorstehend genannten Vorveröffentlichung EP 1 291 959 A1 können dabei ferner auch noch an den beiden gegenüberliegenden Enden der beiden Koppelstrecken jeweils Kondensatoren angeschlossen sein, deren zweite Anschlussstelle jeweils auf Masse liegt.
  • Aus der gleichen Vorveröffentlichung sind aber auch andere Ausführungsbeispiele zu ersehen, bei welchen der Koppler in Koplanartechnik aufgebaut ist. In diesem Fall sind die beiden Koppelleitungen jeweils mit ihren beiden Anschlussstellen auf einer gemeinsamen Seite des Substrates angeordnet, wobei die Koppelstrecken in möglichst geringem Abstand parallel zueinander verlaufen.
  • Schließlich ist aber auch beispielsweise aus der EP 1 014 472 B1 ein direktionaler Koppler bekannt geworden, der wiederum ebenfalls in Suspended-Substrat-Technik aufgebaut ist. Es handelt sich bei diesem vorbekannten Richtkoppler um einen Breitbandrichtkoppler mit zumindest zwei in Kaskade geschalteten Koppelabschnitten unterschiedlicher Koppeldämpfung, bei dem die Koppelabschnitte mit loser Kopplung aus stirnseitig verkoppelten Streifenleitern und die Koppelabschnitte mit fester Kopplung aus breitseitig verkoppelten Streifenleitern bestehen.
  • Um die entsprechende Koppelstrecke mit fester Kopplung zu realisieren sind in diesem Ausführungsbeispiel Durchkontaktierungen im Substrat vorgesehen. Alle Zuleitungen sind jedoch auf einer Seite des Substrates angeordnet.
  • Bezüglich der aus dem Stand der Technik vorbekannten Koppler kann also festgehalten werden, dass diese häufig in Mikrostreifenleitertechnik ausgeführt sind. Bedingt durch die relativ hohe Dämpfung der Mikrostreifenleitung und deren Sensibilität bezüglich Schwankungen der Dielektrizitätskonstanten liegen die Nachteile dieser Koppler im hohen Platzbedarf sowie den relativ großen elektrischen Verlusten und den hohen Kosten für hochwertiges Leiterplattenmaterial.
  • Die Nachteile der Richtkoppler in Suspended-Substrat-Technik sind einerseits hohe Anforderungen an die Positionierung des Substrates zwischen den beiden Masseflächen (Probleme bestehen hier bei der richtigen Positionierung in der Horizontalen aber auch bezüglich der exakten Berücksichtigung der Abstände zwischen Deckel und Boden). Diese Anforderungen an eine richtige oder optimale Positionierung verursachen hohe Kosten für die mechanische Bearbeitung und Montage. Andererseits wird dadurch beim Entwurf eines Kopplers bereits die Gehäusegeometrie festgelegt. Dies ist in Bezug auf eine Wiederverwendbarkeit bzw. Erzielung einer ausreichenden Flexibilität bezüglich der Realisierung und Umsetzung eines gewählten Konzeptes für einen Koppler sowie für den Einsatz für weitere Anwendungsfälle oft von Nachteil.
  • Zudem ist es aus elektrischer Sicht in dieser Technik nur schwer möglich, die unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten der Gleich- und Gegentaktwelle auszugleichen.
  • Die Hauptnachteile der Richtkoppler in Koplanar-Technik liegen schließlich in den geforderten Mindestabständen zwischen den längsseitig gekoppelten Leiterbahnen und dem insoweit auch begrenzten Koppelfaktor. Weiterhin ist der Koppelfaktor stark toleranzabhängig (Ätztoleranzen und Schwankungen der Dielektrizitätskonstanten des Substratmaterials üben einen nachteiligen Einfluss aus). Weiterhin ist ein Koppler in Koplanar-Technik bezüglich der elektrischen Verluste nicht optimal.
  • Nachteilig an allen drei Typen von Kopplern ist, wie vorstehend erläutert, dass sie insbesondere bei Verwendung für ein modernes nachrichtentechnisches System nicht die hierfür notwendigen geforderten Eigenschaften eines Hochfrequenzkopplers wie z.B. mit ausreichend geeignetem Koppelfaktor, Richtschärfe oder Symmetrie aufweisen oder bzw. nicht realisierbar sind oder nur unter erheblichem Entwicklungsaufwand.
  • Aus der GB 2 218 853 A ist ferner ein Hochfrequenzkoppler oder Leistungsteiler als bekannt zu entnehmen, der auf einem Substrat auf einer Seite zwei ausgebildete Koppelstrecken umfasst. Beide Koppelstrecken sind jeweils am Anfang und am Ende mit Anschlussleitern versehen, die zu versetzt liegenden Anschlüssen führen. Zwischen den beiden Koppelstrecken sind zudem Kondensatoren zur Verkopplung beider Koppelstrecken vorgesehen und ausgebildet.
  • Aus der EP 1 014 472 B1 ist ferner ein Richtkoppler als bekannt zu entnehmen. In Abweichung zum gattungsbildenden Stand der Technik ist dieser Richtkoppler auf einem Substrat so ausgebildet, dass die eine Koppelstrecke auf der einen Substratseite und die damit verkoppelte zweite Koppelstrecke auf der gegenüberliegenden Substratseite ausgebildet ist. Dabei ist jeweils an einer Seite der Koppelstrecke eine Durchverbindung durch das Substrat hindurch vorgesehen, um eine elektrisch-galvanische Verbindung einer Anschlussleitung zu einer gegenüberliegenden Koppelfläche herzustellen.
  • Aus der US 4,376,921 ist ferner ein Mikrowellenkoppler als bekannt zu entnehmen, der ebenfalls vier Anschlüsse und zwei Koppelstrecken aufweist, wobei zwischen den beiden Koppelstrecken - die vergleichsweise kurz gehalten sind - vom Anfang bis zum Ende Kondensatoren zur Verkopplung zwischen den Koppelstrecken vorgesehen sind.
  • Nachteilig an allen vorstehend genannten Typen von Kopplern ist, dass sie insbesondere bei Verwendung für ein modernes nachrichtentechnisches System nicht die hierfür notwendigen geforderten Eigenschaften eines Hochfrequenzkopplers z.B. mit ausreichendem Koppelfaktor, ausreichender Richtschärfe oder Symmetrie aufweisen oder nicht oder nur unter erheblichem Entwicklungsaufwand realisierbar sind. Ein gattungsbildender Koppler oder Leistungsteiler ist aus der US 2005/0017821 A1 bekanntgeworden. Auf dem Substrat sind zwei erste Anschlussleitungen vorgesehen, die zu einem Anfang und zu einem Ende einer ersten Koppelstrecke führen. Ferner ist eine zweite, mit der erste Koppelstrecke verkoppelte Koppelstrecke vorgesehen, zu deren Anfang und deren Ende zwei weitere Anschlussleitungen führen.
  • Die erwähnten beiden Koppelstrecken sind auf dem Substrat auf zwei gegenüberliegenden Seiten ausgebildet, wobei die gesamte Anordnung mit der unteren Koppelstrecke auf einem unteren Substrat aufliegt.
  • Aus der US 2004/0113717 A1 ist ein weiterer Koppler als bekannt zu entnehmen, der beispielsweise geerdete Interdigital-Kondensatoren umfasst, die der Verbesserung der elektrischen Eigenschaft dienen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher ausgehend von dem gattungsbildenden Stand der Technik, einen verbesserten Koppler oder Leistungsteiler zu schaffen, insbesondere einen schmalbandigen, vorzugsweise 3dB-Koppler zu schaffen, der bezüglich Kosten, Baugröße, Verlusten und Fertigungstoleranzen gegenüber herkömmlichen Lösungen optimiert ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Der erfindungsgemäße HF-Koppler oder Leistungsteiler weist eine Reihe positiver, sich von herkömmlichen Lösungen absetzende Vorteile auf. Der erfindungsgemäße Hochfrequenzkoppler ist schmalbandig aufgebaut.
  • Der erfindungsgemäße Koppler oder Leistungsteiler weist an den jeweils gegenüberliegenden End- oder Anschlussbereichen zu der jeweiligen Koppelstrecke Kondensatoren auf, wie sie grundsätzlich auch aus der EP 1 291 959 A1 bekannt sind. In Abweichung dazu werden jedoch keine diskreten Reaktanzen oder Kondensatoren verwendet, sondern sogenannte interdigitale Kondensatoren. Zwar offenbart die US 2004/0113717 A1 einen Koppler mit geerdeten Interdigital-Kondensatoren, wobei hier allerdings ein zweites Substrat ohne Durchkontaktierungen vorgesehen ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Leistungsteiler oder Koppler mit höchst geringem Platzbedarf realisiert, dessen elektrische Parameter in weiten Grenzen vergleichsweise frei einstell- oder vorwählbar sind. Er weist vor allem niedrige elektrische Verluste auf. Zudem ist der erfindungsgemäße Leistungsteiler oder Koppler auch durch seine hohe Richtschärfe gekennzeichnet. Vor allem auch dadurch, dass der erfindungsgemäße Koppler oder Leistungsteiler - der üblicherweise in einem Gehäuse eingebaut ist - im Bereich der unteren Koppelstrecke ebenfalls einen Abstand zu dem Gehäuse, d.h. einer Gehäusewand aufweist, hier also kein festes Dielektrikum unmittelbar benachbart vorgesehen ist, lässt sich ein niedrigeres ε realisieren und erzielen, was sich positiv auf die elektrischen Eigenschaften des Kopplers bzw. Leistungsteilers niederschlägt. Dadurch weist der erfindungsgemäße Koppler oder Leistungsteiler weitere Vorteile gegenüber dem gattungsbildenden Stand der Technik auf.
  • Der erfindungsgemäße Koppler oder Leistungsteiler ist auch vergleichsweise robust gegenüber Gehäusetoleranzen. Dies zeigt sich vor allem bei der Wahl unterschiedlicher Deckelabstände. Diese Robustheit gegenüber Gehäusetoleranzen eröffnet auch die Möglichkeit, einzelne Entwürfe in weiteren Einsatzfällen wieder zu verwenden. Zudem ist der erfindungsgemäße Koppler auch vergleichsweise robust gegenüber Ätztoleranzen sowie gegenüber Schwankungen der Dielektrizitätskonstanten des Substratmaterials. Ferner sind grundsätzlich keine weiteren Bedrahtungen oder konzentrierte Bauelemente notwendig, obgleich sie grundsätzlich bei Bedarf mit eingesetzt werden könnten. Schließlich sind sämtliche Zuleitungen auf der selben Seite der Substratseite vorgesehen, was als vorteilhaft zu werten ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im einzelnen:
    • Figur 1:
    eine schematische Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kopplers;
    Figur 2:
    eine rückseitige Ansicht des in Figur 1 wiedergegebenen erfindungsgemäßen Kopplers;
    Figur 3:
    einen Schnitt längs Figur 1;
    Figur 4:
    eine zu Figur 1 entsprechende Darstellung bezüglich eines gegenüber Figur 1 leicht abgewandelten Ausführungsbeispieles;
    Figur 5:
    eine rückwärtige Ansicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4.
  • In Figur 1 ist die Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kopplers oder Leistungsteilers 1 gezeigt, der auf einem Substrat 3 in Form einer Leiterplatine aufgebaut ist.
  • Auf dem Substrat 3 sind auf der in Figur 1 sichtbaren Oberseite 3a des Substrats vier Flächenbereiche 5 sichtbar, die von Ausnehmungen 7 voneinander elektrisch-galvanisch getrennt sind. Bei diesem Flächenbereich 5 handelt es sich um Masseflächen 5.
  • In den Ausnehmungen 7 ist eine erste Koppelstrecke 9 in Streifenleitungstechnik ausgebildet, die in einer ersten Richtung oder Längsrichtung auf dem Substrat 3 verläuft.
  • Am Anfang 11a und am Ende 11b dieser Koppelstrecke 9 ist quer verlaufend eine erste und zweite Anschlussleitung 13a und 13b vorgesehen, die zu Anschlüssen 15a und 15b an dem einen Substratrand 3' führen.
  • Der nicht leitende ausgenommene Bereich 7 ist in Draufsicht in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 H-förmig gebildet. In unmittelbarer Verlängerung der Anschlussleitung 13a und 13b aber von diesen getrennt, sind zwei weitere Anschlussleitungen 17a und 17b zu sehen, die zum gegenüberliegenden Substratrand 3" führen und dort Anschlüsse 19a und 19b bilden.
  • An den zu den Anschlüssen 19a und 19b gegenüberliegenden Enden der Anschlussleitungen 17a, 17b sind diese benachbart zur ersten Koppelstrecke 9 mit Durchkontaktierungen 21 versehen, die durch Bohrungen 21' durch das Substrat 3 hindurch verlaufen.
  • Wie insbesondere aus der Unteransicht aus Figur 2 zu ersehen ist, ist auf der dort wiedergegebenen Unterseite 3b eine zweite Koppelstrecke 25 vorgesehen, die parallel zur ersten Koppelstrecke 9 verläuft und in Draufsicht sich bevorzugt mit dieser ganz oder zumindest teilweise überlappt. Die Länge und/oder Breite beider Koppelstrecken ist im gezeigten Ausführungsbeispiel auch zumindest näherungsweise gleich.
  • Wie aus der Unteransicht der Unterseite 3b des Substrates 3 gemäß Figur 2 zu ersehen ist, sind am Anfang 27a und am Ende 27b der zweiten Koppelstrecke 25 entsprechende mit der zweiten Koppelstrecke zwei elektrisch verbundene und in Streifenleitungstechnik ausgebildete Leitungserweiterungen 25' vorgesehen, in deren Mitte die Bohrungen 21' der Durchkontaktierung 21 enden. Von daher sind die zweiten Anschlussleitungen 17a und 17b über die erwähnten beiden Durchkontaktierungen mit der zweiten Koppelstrecke 25 elektrisch-galvanisch verbunden.
  • Die Länge der Koppelstrecken entspricht etwa λ/4. Die vier Zu- oder Anschlussleitungen 13a, 13b und 17a, 17b sind in Koplanar-Leitertechnik ausgeführt und verbinden den Koppler 1 mit weiteren im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Einzelnen nicht gezeigten Hochfrequenzbaugruppen.
  • Zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften sind zudem im gezeigten Ausführungsbeispiel noch insgesamt zwölf Kondensatoren C vorgesehen, welche sich jeweils im Eingangs- und Ausgangsbereich, d.h. am jeweiligen Anfang 11a und am Ende 12b der ersten Koppelstrecke 9 bzw. am Anfang 11'a und am Ende 12'b der zweiten Koppelstrecke 25 befinden. Dort sind also die Kondensatoren C-9a und C-9b am einen Ende sowie die entsprechenden Kondensatoren C-9c und C-9d am anderen Ende der ersten Koppelstrecke 9 angeordnet. Entsprechende Kondensatoren sind auch am Anfang und Ende der zweiten Koppelstrecke 25 vorgesehen, nämlich die Kondensatoren C-25a und C-25b sowie am gegenüberliegenden Ende der Koppelstrecke 25 die Kondensatoren C-25c und C-25d. Diese Kondensatoren sind nicht unter Verwendung von diskreten Bauteilen aufgebaut, sondern in Form von Interdigital-Kondensatoren.
  • Aus Figuren 1 und 2 ist aber auch ersichtlich, dass im gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise auch im mittleren Bereich, also auf halber Länge der jeweiligen Koppelstrecke 9 bzw. 25 noch jeweils ein weiteres Kondensator-Paar C vorgesehen ist, das im gezeigten Ausführungsbeispiel als C-9e und C-9f sowie C-25e und C-25f bezeichnet ist.
  • Bei den Kondensatoren ist jeweils die eine Kondensatorfläche oder -hälfte leitend mit der jeweiligen Koppelstrecke 9 bzw. 25 verbunden und die jeweils damit zusammenwirkende elektrisch-galvanisch getrennte Kondensatorfläche oder - hälfte mit der zugehörigen Massefläche.
  • Dazu ist auch auf der Unterseite gemäß Figur 2 das Substrat 3 mit einer umlaufend geschlossenen Massefläche 31 versehen, in deren mittleren Bereich eine nicht leitende Ausnehmung 36 vorgesehen ist, innerhalb derer Längsrichtung die zweite Koppelstrecke 2 davon galvanisch getrennt verläuft.
  • Die Dimensionierung der Interdigital-Kondensatoren kann so erfolgen, dass hierüber bestimmte Koppeleigenschaften eingestellt bzw. vorgewählt werden. Die erwähnten Masseflächen sind aber notwendig, um einerseits für definierte Masseverhältnisse zu sorgen und zum anderen ein Massepotential für die Interdigital-Kondensatoren zu bilden. Die eigentliche Verkopplung erfolgt also durch die auf den beiden Seiten des Substrates 3 ausgebildeten Leitungen 9 und 25 (Suspended-Substrat).
  • Wie sich aus der Querschnittsdarstellung gemäß Figur 3 ergibt, ist unterhalb des Koppelbereiches eine Vertiefung 37 in einem Gehäuse 29 ausgebildet, also ein Abstand 37 zu einer entsprechenden Gehäusewand 29 vorgesehen. Das Maß der Vertiefung, also das Maß des Abstandes zwischen dem Substrat und dem Gehäuse bzw. der Gehäusewand 29 sowie der Abstand zwischen dem Substrat und dem zugehörigen Deckel 41 kann innerhalb gewisser Grenzen frei gewählt werden.
  • Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel können auch die in den Koppelstrecken bevorzugt in der Mitte vorgesehenen Kondensatoren auch von der Mitte abweichend eher zwischen den am Anfang und am Ende der jeweiligen Koppelstrecke vorgesehenen Kondensatoren vorgesehen sein. Gegebenenfalls können auch zwischen dem am Anfangs- und am Endbereich der jeweiligen Koppelstrecke vorgesehenen Kondensatoren auch noch weitere zusätzliche Kondensatoren vorgesehen sein, also mehr als in den gezeigten Ausführungsbeispielen.
  • Bezogen auf die gesamte Koppellänge vom Anfangsbereich 11a bis 12b bzw. vom Anfangsbereich 11'a bis zum Endbereich 12'b können die eingangs- wie ausgangsseitigen Kondensatoren C-9a, C-9b bzw. C-9c, C-9d und auf der gegenüberliegenden Seite die Kondensatoren C-25a, C-25b bzw. C-25c, C-25d auch eher zur Mitte hin versetzt liegen. Der Abstand vom Anfangs- und Endbereich kann dabei beispielsweise durchaus bis zu 30% der gesamten Länge der Koppelstrecke betragen, vorzugsweise aber weniger, insbesondere weniger als 25%, 20%, 15% bzw. 10% der gesamten Länge der Koppelstrecke. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Positionierung der Kondensatoren am Anfang und am Ende des Kopplers.die größte Wirkung entfalten.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 4 und 5 entspricht weitgehend jenem nach den Figuren 1 bis 3.
  • Unterschiedlich ist lediglich, dass beispielsweise bei der Draufsicht auf das Substrat vergleichbar dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 die auf der einen Seite des Substrats liegende Koppelstrecke 9 nicht mit zwei zur gleichen Randbegrenzung 3' des Substrates führenden Anschlussleitungen versehen ist, sondern die in Figur 4 rechts liegende Anschlussleitung 15b, die mit der Koppelstrecke 9 elektrisch-galvanisch verbunden ist, zur gegenüberliegenden Seite 3" des Substrates zu dem dort ausgebildeten Anschluss 17b führt. Entsprechend ist die in Figur 4 oben liegende rechte Anschlussleitung 17b mit einer Durchkontaktierung 21 versehen, so dass der in Figur 4 oben rechts liegende Anschluss 19b mit dem in Figur 4 unten links liegenden Anschluss 19a elektrisch-galvanisch verbunden ist.
  • Aus den erläuterten Ausführungsbeispielen ergibt sich also, dass die Masseflächen auf beiden Seiten des Substrats im Bereich der Anschlussleitungen wie aber auch der Koppelabschnitte 9 und 25 Aussparungen 7 aufweisen. Der Abstand zwischen den Kopplerwegen 9 und 25 und den Masseflächen beträgt vorzugsweise das 1,5 bis 4-fache der Breite der Leitung. Ebenso beträgt der Abstand der Anschlussleitungen zu den angrenzenden Masseflächen etwa das 1,5 bis 4-fache der Breite dieser Anschlussleitungen.
  • Wie ebenfalls erwähnt wurde, sind die koplanaren Koppelleitungen 9 und 25 in geeigneter Weise zur Erzielung der erwünschten Kopplung angeordnet. In Draufsicht auf das Substrat, also senkrecht zur Substratebene, sollen von daher beide Koppelleitungen 9, 25 entweder übereinander licgen oder einen Seitenversatz aufweisen, der vorzugsweise kleiner als die Breite der Koppelleitung ist. Somit liegen die Koppelleitungen in Draufsicht nicht nebeneinander, sondern überlappen sich. Bevorzugt ist der Seitenversatz größer als die halbe Breite der Koppelleiterbahn 9 bzw. 25, so dass sich also beide Leitungen bei bevorzugt gleicher Breite zu fünfzig Prozent überdecken. Mit anderen Worten soll die Überdeckung vorzugsweise mehr als 0%, insbesondere mehr als 10%, mehr als 20%, mehr als 30% und vorzugsweise mehr als 50%, insbesondere bezogen auf die Breite der Koppelbahnen 9 und 25 betragen.
  • Aus dem geschilderten Aufbau des Kopplers oder Leistungsteilers ergibt sich, dass die vier Anschlussleiten 13a, 13b sowie 17a, 17b in Koplanar-Technik ausgebildet sind. Ebenso ergibt sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, dass die beiden Koppelstrecken 9 und 25 in Suspended-Substrat-Technik ausgebildet sind.

Claims (15)

  1. HF-Koppler oder HF-Leistungsteiler mit folgenden Merkmalen:
    - einem Substrat (3),
    - auf dem Substrat (3) sind zwei erste Anschlussleitungen (13a, 13b) vorgesehen, die zu einem Anfang (11a) und zu einem Ende (11b) einer ersten Koppelstrecke (9) führen,
    - es ist eine zweite, mit der ersten Koppelstrecke (9) verkoppelte Koppelstrecke (25) vorgesehen, zu deren Anfang (27a) und deren Ende (27b) zwei weitere Anschlussleitungen (17a, 17b) führen,
    - die vier Anschlussleitungen (13a, 13b; 17a, 17b) führen von der jeweiligen Koppelstrecke weg zu versetzt zueinander liegenden Anschlüssen (15a, 15b; 19a, 19b),
    - die vier Anschlussleitungen (13a, 13b; 17a, 17b) sind auf der gleichen Seite (3a) des Substrats (3) angeordnet,
    - die beiden Koppelstrecken (9; 25) sind auf dem Substrat auf zwei gegenüberliegenden Seiten (3a, 3b) ausgebildet,
    - die beiden Anschlussleitungen (13a, 13b) sind mit der ersten Koppelstrecke (9) elektrisch-galvanisch verbunden und sind dabei auf der gleichen Seite des Substrats (3) angeordnet wie die erste Koppelstrecke (9),
    - die zweite Koppelstrecke (25) ist an ihrem Anfang und Ende (27a, 27b) über jeweils zumindest eine Durchkontaktierung (21) mit den zugehörigen weiteren Anschlussleitungen (17a, 17b) elektrisch-galvanisch verbunden, die auf der zur zweiten Koppelstrecke (25) gegenüberliegenden Seite (3a) des Substrats (3) liegen,
    gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale
    - unterhalb des Koppelbereiches der zweiten Koppelstrecke (25) ist eine Vertiefung in einer Gehäusewandung (29) vorgesehen,
    - in Längsrichtung der beiden Koppelstrecken (9; 25) sind Interdigital-Kondensatoren (C) vorgesehen, die jeweils verkoppelt sind zwischen einer Koppelstrecke und Masse.
  2. Koppler oder Leistungsteiler, insbesondere HF-Koppler oder HF-Leistungsteiler oder Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bezüglich einer Koppelstrecke (9, 25) zwischen dem Anfangs- bzw. Endbereich (11a, 11b; 18a, 18b) zumindest jeweils ein weiterer Interdigital-Kondensator (C-9e, C-9f; C-25e, C-25f) vorgesehen ist.
  3. Koppler oder Leistungsteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Kondensatoren (C-9e, C-9f; C-25e, C-25f) im mittleren Bereich der jeweiligen Koppelstrecke (9, 25) angeordnet sind.
  4. Koppler oder Leistungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Koppelstrecke (9) mit den zugehörigen Anschlussleitungen (13a, 13b) in Draufsicht so angeordnet sind, dass die Anschlussleitungen (13a, 13b) bezogen auf die Koppelstrecke (9) zum gleichen Substratrand (3') führen und vorzugsweise in Draufsicht zumindest näherungsweise einen U-förmigen Leitungsweg bilden.
  5. Koppler oder Leistungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auch die mit der zweiten Koppelstrecke (25) elektrisch-galvanisch über die Durchkontaktierung (21) verbundene Anschlussleitung (17a, 17b) in Draufsicht so angeordnet ist, dass die Anschlussleitungen (17a, 17b) bezogen auf die Koppelstrecke (25) zum gleichen Substratrand (3") führen und vorzugsweise in Draufsicht näherungsweise einen U-förmigen Leitungsweg bilden.
  6. Koppler oder Leistungsteiler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der einen Koppelstrecke (9) verbundene Anschlussleitung (13a, 13b) zu dem einen Substratrand (3') führt, wohingegen die mit der zweiten Koppelstrecke (25) elektrisch-galvanisch verbundene Anschlussleitung (17a, 17b) zu dem gegenüberliegenden Substratrand (3") führt.
  7. Koppler oder Leistungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Koppelstrecke (9) mit den zugehörigen Anschlussleitungen (13a, 13b) in Draufsicht so angeordnet sind, dass die eine Anschlussleitung (13a) bezogen auf die Koppelstrecke (9) zumindest mit einer Komponente in einer Richtung weg von der Koppelstrecke (9) vorzugsweise zu einem Substratrand (3') führt, wohingegen die zweite Anschlussleitung (13b) mit entgegengesetzt gerichteter Komponente von der Koppelstrecke (9) weg führt, vorzugsweise zu dem gegenüberliegenden Substratrand (3").
  8. Koppler oder Leistungsteiler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden mit der Koppelstrecke (9) am Anfang (11a) und am Ende (11b) verbundenen Anschlussleitungen (13a, 13b) mit entgegengesetzter Komponente vorzugsweise in entgegengesetzter Richtung von der Koppelstrecke (9) weg führen, so dass bevorzugt in Draufsicht zumindest näherungsweise ein Z-förmiger Leitungsweg gebildet ist.
  9. Koppler oder Leistungsteiler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auch die mit der gegenüberliegenden Koppelstrecke (25) über die Durchkontaktierung (21) elektrisch-galvanisch verbundenen Anschlussleitungen (17a, 17b) am Anfang (27a) und am Ende (27b) dieser Koppelstrecke (25) mit entgegengesetzter Komponente und vorzugsweise in entgegengesetzter Richtung von der Koppelstrecke (25) weg führen, so dass bevorzugt in Draufsicht zumindest näherungsweise ein Z-förmiger Leitungsweg gebildet ist.
  10. Koppler oder Leistungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Koppelstrecke (9, 25) und/oder im Bereich der Anschlussleitungen (13a, 13b; 17a, 17b) die auf der Ober- oder Unterseite des Substrats (3) ausgebildeten Masseflächen (5, 31) Ausnehmungen (7) aufweisen, in denen die Anschlussleitungen (13a, 13b; 17a, 17b) sowie die Koppelstrecken (9, 25) angeordnet sind.
  11. Koppler oder Leistungsteiler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Koppelstrecken (9, 25) und/oder den Anschlussleitungen (13a, 13b; 17a, 17b) und den Masseflächen (5, 31) zwischen 1,5 bis 4 mal der Breite der Koppelstrecke (9, 25) bzw. der Breite der Anschlussleitungen (13a, 13b; 17a, 17b) entspricht.
  12. Koppler oder Leistungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Koppelstrecken (9, 25) in Draufsicht senkrecht zur Fläche des Substrats (3) überlappen und der Überlappungsbereich bezogen auf die Breite der beiden Koppelstrecken (9, 25) zumindest 10%, vorzugsweise mehr als 40% oder insbesondere mehr als 70% beträgt.
  13. Koppler oder Leistungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Anschlussleitungen (13a, 13b; 17a, 17b) in Koplanar-Technik ausgebildet sind.
  14. Koppler oder Leistungsteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Koppelstrecken (9; 25) in Suspended-Substrat-Technik ausgebildet sind.
  15. Koppler oder Leistungsverteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (37) oder die Vertiefung (37) unterhalb des Koppelbereiches der zweiten Koppelstrecke (25) in einem Gehäuse (29) ausgebildet ist.
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