FI121516B - Suuntakytkin - Google Patents

Description

Suuntakytkin

Keksintö koskee radiotaajuuspiireissä käytettävän suuntakytkimen toteutustapaa.

Suuntakytkin on mittalaite, joka antaa siirtotiellä määrättyyn suuntaan etenevän sähkömagneettisen kentän voimakkuuteen verrannollisen signaalin. Siirtotiellä 5 vastakkaiseen suuntaan etenevä kenttä ei periaatteessa vaikuta mainitun signaalin suuruuteen. Suuntakytkimessä on ainakin kolme porttia: Tuloporttiin saapuva energia ohjataan lähes kokonaan kytkimen läpi lähtöporttiin, ja kolmanteen porttiin eli mittaporttiin siirtyy tästä energiasta pieni osa. Tulo- ja lähtöportin välinen osa suuntakytkintä on samalla osa radiolaitteen siirtotietä, joka jatkuu esimerkiksi lä-10 hettimen antennille. Tällöin mittaportista saadaan antenniin päin etenevän kentän todelliseen voimakkuuteen verrannollinen mittaussignaali, jota voidaan käyttää lähettimen säätötarkoituksiin. Jos suuntakytkin on kytketty siirtotielle toisin päin, mittaportista saadaan antennista heijastuneen kentän voimakkuuteen verrannollinen mittaussignaali, jota niinikään voidaan käyttää lähettimen säätötarkoituksiin. Sää-15 töjen tarkkuus riippuu osaltaan suuntakytkimen hyvyydestä, ts. siitä, miten tarkoin mitattavaan kenttään nähden vastakkaissuuntaan etenevän kentän vaikutus tulee eliminoiduksi.

Yksinkertainen suuntakytkin voidaan muodostaa piirilevylle johdeliuskojen avulla. Kuvassa 1 on esimerkki tällaisesta tunnetusta suuntakytkimestä. Piirilevyn PCB 20 alapinta on johtava toimien signaalimaana GND. Levyn yläpinnalla on suora en-;J simmäinen johdeliuska 110, jonka alkupää yhdessä signaalimaahan kytketyn joh- detäplän kanssa muodostaa suuntakytkimen tuloportin P1. Vastaavasti ensimmäisen johdeliuskan loppupää yhdessä signaalimaan kanssa muodostaa suuntakytkimen lähtöportin P2. Levyn PCB yläpinnalla on lisäksi ensimmäisen johdeliuskan 25 suuntainen toinen johdeliuska 120, jonka pituus on aallonpituuden λ neljäsosa suuntakytkimen käyttötaajuuksilla. Johdeliuskojen 110 ja 120 välimatka on esimerkiksi kymmenesosa niiden etäisyydestä maasta. Toinen johdeliuska 120 jatkuu päistään poispäin ensimmäisestä johdeliuskasta. Ensimmäinen jatke 121 päättyy mittaporttiin P3. Suuntakytkimen ollessa käytössä mittaporttiin on kytketty piiri, 30 jonka impedanssi Z on sama kuin suuntakytkimen johdeliuskojen yhdessä signaalimaan ja väliaineen kanssa muodostamien siirtojohtojen ominaisimpedanssi Z0. Toisen johdeliuskan toinen jatke 122 päättyy neljänteen porttiin P4. Esimerkin suuntakytkimellä on siis neljä porttia, kuten useimmilla muillakin suuntakytkimillä.

Ensimmäisen ja toisen johdeliuskan välisen sähkömagneettisen kytkennän vuoksi 35 osa tuloporttiin syötetystä energiasta siirtyy toisen johdeliuskan piiriin, porttien P3 2 ja P4 kuormitusimpedansseihin. Kun tulevan kentän taajuus on sellainen, että edellä mainittu ja kuvaan 1 merkitty λ/4-ehto täyttyy, mittaporttiin P3 siirtyvä energia on suurimmillaan ja neljänteen porttiin P4 eli eristysporttiin siirtyvä energia pienimmillään. Jälkimmäinen energia on ideaalisessa kytkimessä nolla, koska kytki-5 messä esiintyvät parillinen ja pariton aaltomuoto kumoavat toisensa toiseen johde-liuskaan 120 perustuvan siirtojohdon eristysportin puoleisessa päässä. Tähän seikkaan perustuu kyseisen kytkimen suuntaerotus. Jos nimittäin lähtöportista tu-loporttiin päin etenee samantaajuinen kenttä, niin symmetrisen rakenteen vuoksi sen energiaa ei siirry juuri lainkaan mittaporttiin P3. Suuntaerotuksen hyvyys il-10 maistaan mittaportin signaalitason suhteena eristysportin signaalitasoon. Tämä on sama asia kuin tuloportista lähtöporttiin etenevän kentän mittaporttiin aiheuttaman signaalin tason suhde lähtöportista tuloporttiin etenevän kentän mittaporttiin aiheuttaman signaalin tasoon, kun vastakkaisiin suuntiin etenevät kentät ovat saman-taajuiset ja yhtä voimakkaat.

15 Kuvan 1 mukaisten rakenteiden haittana on suhteellisen huono suuntaerotus. Tämä johtuu siitä, että parillinen ja pariton aaltomuoto eivät kokonaan kumoa toisiaan eristysportin puolella, koska pariton aaltomuoto etenee dielektrisen väliaineen lisäksi suuremmassa määrin myös ilmassa, jolloin sen nopeus on suurempi. Suun-taerotukseltaan parempi rakenne saadaan, jos molemmat johdeliuskat järjestetään 20 dielektrisen levyn sisälle, jonka levyn molemmilla puolilla on maataso. Eräs toinen, patenttijulkaisusta US 6549089 tunnettu parannuskeino on lisätä sopivasti induk-"I tanssia sekä ensimmäisen että toisen johdeliuskan ja maan välille. Tämä voidaan tehdä esimerkiksi neljännesaaltoa lyhyemmillä oikosuljetuilla siirtojohtohaaroilla. Kaikilla johdeliuskoihin perustuvilla suuntakytkimillä on kuitenkin haittana kapea 25 kaista, ts. ne toimivat tyydyttävästi vain suhteellisen pienellä taajuusalueella. Tästä on esimerkki kuvassa 2, jossa on kahden läpäisykertoimen kuvaajat taajuuden funktiona. Kuvaaja 21 näyttää mittaportin signaalitason muuttumisen suhteessa tu-losignaalin tasoon ja kuvaaja 22 eristysportin signaalitason muuttumisen suhteessa tulosignaalin tasoon. Desibeleissä lausuttujen kertoimien erotus ilmaisee suun-30 taerotuksen arvon. Kuvaajista ilmenee, että suuntaerotus on suurimmillaan noin 20 dB, joka arvo pätee kuitenkin vain suhteellisen kapealla taajuusalueella. Arvon 10 dB suuntaerotus ylittää alueella 1,8 - 2,45 GHz, jonka suhteellinen leveys on 30%. Kuvaajasta 21 ilmenee lisäksi, että suuntakytkimen toiminta-alueelle signaa-litaso mittaportissa on noin 25 dB alempi kuin kytkimen läpi kulkevan signaalin ta-35 so. Tämä merkitsee, että kytkin aiheuttaa läpi kulkevaan signaaliin 0,014 dB:n vaimennuksen.

3

Kuvassa 3 on tunnettu suuntakytkinrakenne, jossa kytkeytyminen signaalin siirtotielle tapahtuu pistemäisesti mittapäiden avulla. Siirtotienä on koaksiaalijohto, johon kuuluu sisäjohdin 311 ja vaippamainen ulkojohdin 312. Ulkojohdin on kuvassa leikattu auki suuntakytkinjärjestelyn kohdalta. Mittapäitä on kaksi, ensimmäinen 5 321 ja toinen 322 mittapää. Ne ulottuvat koaksiaalijohdon ulkojohtimen 312 läpi ui ko- ja sisäjohtimen väliseen tilaan, jossa signaalin energian sisältävä sähkömagneettinen kenttä etenee. Mittapäiden välimatka on kentän aallonpituuden neljäsosa suuntakytkimen käyttötaajuuksilla. Ensimmäinen mittapää 321 on kytketty väli-johtoon 330 ja toinen mittapää 322 toiseen välijohtoon 340. Käytetään tällaisista 10 mittapäästä lähtevistä välijohdoista tässä selostuksessa ja patenttivaatimuksissa nimitystä "mittajohto". Mittajohdot liittyvät loppupäästään galvaanisesti yhteen, ja liittymäkohta muodostaa mittaportin P3. Eristysporttia ei tässä rakenteessa ole. Ensimmäinen mittajohto 330 on tässä rakenteessa puoliaallon pituinen ja toinen mittajohto 340 neljännesaallon pituinen. Toinen mittajohto on päätetty mittapään 15 puoleisesta päästä 50 ohmin vastuksella. Ensimmäinen mittajohto ei häiritse tätä sovitusta, koska se näkyy mittaporttiin rinnakkaisresonanssipiirinä, ts, hyvin suurena impedanssina. Signaalin suunta on kuvassa 3 merkitty niin, että se edetessään saavuttaa ensin ensimmäisen mittapään 321 ja sitten toisen mittapään 322. Tällöin mittapäiden ja mittajohtojen kautta etenevät kentät ovat mittaportissa sa-20 manvaiheiset ja vahvistavat siten toisiaan. Jos koaksiaalijohdossa esiintyy vastakkaiseen suuntaan etenevä kenttä, siitä mittapäihin haarautuvat osat ovat mittaportissa vastakkaisvaiheiset kumoten siten teoriassa toisensa. Tällä tavalla rakenne toimii suuntakytkimenä. Senkin haittana kuitenkin on, että hyvä suuntaerotus vallitsee vain suhteellisen kapealla taajuusalueella. Samoin hyvä heijastusvaimennus 25 signaalin tulopuolelta katsottuna vallitsee vain suhteellisen kapealla taajuusalueella.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja. Keksinnön mukaiselle suuntakytkimelle on tunnusomaista, mitä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1. Keksinnön eräitä edullisia suoritusmuotoja on esi-30 tetty muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön perusajatus on seuraava: Mitattavan signaalin siirtotiehen kytkeydytään mittajohdon kautta yhdessä kohtaa. Mittajohdon päätevastus sijoitetaan mitattavan signaalin kenttään niin, että se toimii kentänvoimakkuutta tunnustelevan mittapään osana. Lisäksi mittapäässä on johdepintaa, joka kuuluu mittajohdon toiseen johti-35 meen ja sijaitsee vastukseen nähden mitattavan signaalin tulosuunnan puolella. Suuntaerotus perustuu tällaiseen epäsymmetriseen mittapäärakenteeseen. Mittajohdon siirtotiestä katsottuna ulompi pää toimii näin muodostetun 4 johdon siirtotiestä katsottuna ulompi pää toimii näin muodostetun suuntakytkimen mittaporttina.

Keksinnön etuna on, että sen mukaisen suuntakytkimen taajuusriippuvuus on pieni: Hyvä suuntaerotus saavutetaan ja mittaussignaalin taso suhteessa mitattavan 5 signaalin tasoon on suhteellisen vakio erittäin laajalla taajuusalueella. Myös suuntakytkimen tuloportin heijastusvaimennus on suuri erittäin laajalla taajuusalueella. Edelleen keksinnön etuna on, että sen mukainen suuntakytkin on pienikokoinen ja voidaan toteuttaa suhteellisen vähin kustannuksin jonkin muun rakenneosan yhteydessä.

10 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta suuntakytkimestä, kuva 2 esittää esimerkkiä tekniikan tason mukaisen suuntakytkimen ominaisuuksista, 15 kuva 3 esittää toista esimerkkiä tekniikan tason mukaisesta suuntakytkimestä, kuva 4 esittää keksinnön mukaisen suuntakytkimen periaatetta, kuva 5 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta suuntakytkimestä, kuva 6 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta suuntakytkimestä, kuva 7 esittää esimerkkiä signaalin siirtotiehen kuuluvasta koaksiaalisesta ra-20 kenneosasta, joka sisältää keksinnön mukaisen suuntakytkimen, kuva 8 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta suuntakytkimestä kuvan 7 näyttämässä rakenteessa, kuva 9 esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta suuntakytkimestä kuvan 7 näyttämässä rakenteessa, 25 kuva 10 esittää kolmatta esimerkkiä keksinnön mukaisesta suuntakytkimestä kuvan 7 näyttämässä rakenteessa, kuva 11 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisten suuntakytkimien suunta-erotuksesta, ja kuva 12 esittää esimerkkiä keksinnön vaikutuksesta suuntakytkimen heijas-30 tuskertoimeen,

Kuvat 1, 2 ja 3 selostettiin jo tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

5

Kuvassa 4 on keksinnön mukaisen suuntakytkimen periaate-esitys. Siinä näkyy siirtotie, joka määräytyy johtimista 411 ja 412. Nimitetään edellistä johdinta 411 keski-johtimeksi ja jälkimmäistä johdinta 412 maajohtimeksi yleisesti käytetyn rakenteen mukaan. "Keskijohtimen" ei kuitenkaan tarvitse sijaita juuri jonkin siirtotierakenteen 5 keskellä. "Maajohdin" nimitys tulee luonnollisesti siitä, että kyseinen johdin on tavallisesti kytketty signaalimaahan eli maahan GND, kuten kuvassa 3. Mitattavan signaalin sähkömagneettinen kenttä EMF etenee keskijohtimen 411 ja maajohti-men 412 välisessä tilassa tuloportista P1 lähtöporttiin P2. Rakenteeseen kuuluu lisäksi siirtotiehen ulottuva mittajohto, joka käsittää ensimmäisen 421 ja toisen 422 10 mittajohtimen. Mittajohdon ulompi pää toimii suuntakytkimen mittaporttina P3. Mit-tajohdon siirtotien puoleiseeen päähän on kytketty vastus 425, vastuksen ensimmäinen pää ensimmäiseen mittajohtimeen 421 ja toinen pää toiseen mittajohti-meen 422. Nämä kytkennät ovat kuvassa 4 galvaanisia, mutta voivat olla myös kapasitiivisia, jos galvaanista erotusta tarvitaan. Vastuksen resistanssi R on sa-15 mansuuruinen kuin mittajohdon ominaisimpedanssi Z0, esimerkiksi 50Ω. Vastus toimii siten mittajohdon päätevastuksena sinänsä tunnetulla tavalla. Keksinnön mukaisesti vastus 425 sijaitsee siirtotiellä kentän EMF vaikutuspiirissä, jolloin se toimii myös signaalin kentänvoimakkuutta tunnustelevan mittapään osana. Mitta-päähän kuuluu lisäksi tuntojohde 424, joka on kytketty vastuksen 425 ensimmäi-20 seen päähän ja ensimmäiseen mittajohtimeen 421. Tuntojohde kuuluu siten rakenteellisesti ensimmäiseen mittajohtimeen. Mittapään kokonaisulottuvuus missä tahansa suunnassa on vähintään kertaluokkaa pienempi kuin mitattavan kentän aallonpituuden neljännes.

Tuntojohteella 424 on siirtotielle päin tietty johdepinta, jollaista ei ole vastuksen 25 toisesta päästä lähtevässä toisessa mittajohtimessa. Johdepinta sijaitsee vastuksen vieressä lähempänä tuloporttia P1 kuin vastus. Olennaista on, että tuntojoh-teen painopiste eli edellämainitun johdepinnan painopiste sijaitsee lähempänä tuloporttia kuin vastuksen painopiste. Tällaiseen epäsymmetriaan perustuu suunta-erotus keksinnön mukaisessa suuntakytkimessä. Tuloportista lähtöporttiin etenevä 30 TEM-muotoinen (Transverse ElectroMagnetie wave) kenttä aiheuttaa mittaporttiin P3 kentänvoimakkuuteen verrannollisen vaihtojännitteen, ja mittaporttia kuormittavaan impedanssiin siirtyy energiaa. Sen sijaan vastakkaiseen suuntaan eli lähtö-portista tuloporttiin etenevästä kentästä siirtyy energiaa kylläkin vastuksen 425 re-sistiiviseen massaan, mutta ei juurikaan mittaporttiin päin. Saavutettava suunta-35 erotus on hyvä, eikä se edes edellytä tiettyä taajuutta, kuten tunnetuissa suunta-kytkimissä.

6

Kuvassa 5 on esimerkki keksinnön mukaisesta käytännön suuntakytkimestä. Suuntakytkin on muodostettu piirilevylle, kuten kuvan 1 kytkin. Piirilevy PCB on tässä esimerkissä monikerroslevy. Sen eräässä välikerroksessa on suora ensimmäinen johdeliuska 511 eli siirtotien keskijohdin ja tämän rinnalla signaalimaahan GND 5 kuuluva maaliuska 512. Keskijohtimen rinnalla sen toisella puolella voisi hyvin kulkea toinen maaliuska. Siirtotien maajohdin käsittää maaliuskan 512 lisäksi piirilevyn johtavan alapinnan eli maatason. Suuntakytkimen tuloportin P1 ja lähtöportin P2 välinen siirtotie muodostuu siten ensimmäisestä johdeliuskasta 511, sitä edellä selostetun mukaisesti osittain ympäröivästä maasta ja piirilevyn dielektrisestä ma-10 teriaalista. Levyn PCB yläpinnalla on ensimmäisen johdeliuskan 511 ja maaliuskan 512 yläpuolella palavastus 525 siirtotien suuntaisesti. Tuloportin P1 puoleinen vastuksen ensimmäinen pää on kytketty liuskamaiseen ensimmäiseen mittajohtimeen 521 ja lähtöportin puoleinen vastuksen toinen pää liuskamaiseen toiseen mittajohtimeen 522. Mittajohtimien muodostama mittajohto johtaa suuntakytkimen 15 mittaporttiin P3. Siirtotien päällä oleva vastus 525 toimii mittajohdon päätevastuksena sekä siirtotiellä etenevän sähkömagneettisen kentän voimakkuutta tunnustelevan mittapään osana. Mittapään toinen olennainen osa muodostuu tuntojohteesta 524, joka on ensimmäisen mittajohtimen laajennus vastuksen ensimmäisen pään vieressä.

20 Kuvassa 6 on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta käytännön suuntakytkimestä. Suuntakytkin on muodostettu monikerrospiirilevylle PCB samalla tavalla kuin kuvassa 5. Erona kuvan 5 kytkimeen on, että mittapään osana toimiva vastus 625 on nyt poikittain siirtotiehen nähden, tämän päällä. Mittapään toinen olennainen osa eli tuntojohde 624 on suurimmalta osin vastuksen vieressä, tuloportin P1 puolella. 25 Tuntojohde on kytketty keksinnön mukaisesti vastuksen ensimmäiseen päähän, joten se ulottuu siirtotien suunnassa vastuksen tasalle. Kuitenkin tuntojohteen painopiste on selvästi lähempänä tuloporttia kuin vastuksen painopiste. Toinen ero kuvan 5 kytkimeen verrattuna on, että vastuksen 625 toinen pää on kytketty läpiviennillä suoraan maatasoon. Tällöin toisena mittajohtimena toimii piirilevyn ala-30 pinnalla oleva signaalimaa.

Kuvien 5 ja 6 mukaisissa rakenteissa piirilevy voi luonnollisesti olla myös yksikerroksinen. Tällöin mittapää voidaan nostaa piirilevyn yläpinnan yläpuolelle esimerkiksi pienen dielektrisen lisälevyn avulla.

Kuvassa 7 on esimerkki signaalin siirtotiehen kuuluvasta rakenneosasta, joka sisäl-35 tää keksinnön mukaisen suuntakytkimen. Rakenneosa on lieriömäinen kappale, esimerkiksi koaksiaaliliitin. Siinä on keskijohdin, joka ei näy tässä kuvassa, ja suhteel- 7 lisen paksuseinäinen ulkojohdin 712. Ulkojohdin on siirtotien maajohdin. Siinä on suuntakytkinjärjestelyä varten syvennys, johon menee suuntakytkimen mittajohto 720. Syvennyksen peittää sen kansi 750, jossa on läpivienti mittajohtoa varten. Kansi tukee mittajohtoa ja toimii samalla ulkojohtimen osana. Mitattava signaali tuodaan ky-5 seiseen rakenneosaan koaksiaalijohdolla 705, jonka johdevaippa liittyy ulkojohtimeen 712 ja sisäjohdin mainittuun keskijohtimeen. Kuvassa 7 näkyy lisäksi ulkojohtimen laajennettu jatke 713, joka on valmiissa tuotteessa esimerkiksi jotain tasopintaa vasten.

Kuvassa 8 on esimerkki keksinnön mukaisesta suuntakytkimestä kuvassa 7 esite-10 tyn kaltaisessa koaksiaalirakenteessa. Rakenne on esitetty halkileikkauksena, jolloin siinä näkyy signaalin siirtotiestä ulkojohtimen 812 lisäksi myös keskijohdin 811. Suuntakytkimen kannalta rakenteen vasen pää kuvassa 8 toimii tuloporttina P1 ja oikea pää lähtöporttina P2. Ulkojohtimessa olevan syvennyksen 830 pohjalla on pieni piirilevy 860. Tämän piirilevyn ulommalla pinnalla on keksinnön mukainen mittapää, jonka 15 olennaiset osat ovat vastus 825 ja tuntojohde 824. Syvennyksen pohjassa on siirtotien onteloon avautuva aukko 831, joka ontelosta katsottuna paljastaa vastuksen ja tuntojohteen signaalitaajuuksilla. Ontelossa etenevä sähkömagneettinen kenttä pääsee siten vaikuttamaan mittapäähän. Koaksiaalinen mittajohto 820 ulottuu syvennykseen tämän kannessa 850 olevan läpiviennin kautta. Mittajohdon sisäjohdin 821 eli 20 ensimmäinen mittajohdin on kytketty tuntojohteen 824 kautta vastuksen ensimmäiseen eli tuloportin puoleiseen päähän ja johdevaippa 822 eli toinen mittajohdin vastuksen toiseen päähän. Nämä kytkennät näkyvät oheiskuvassa, joka esittää piirilevyä 860 päältäpäin. Tuntojohde 824 on sopivanlaajuinen johdeliuska vastuksen ensimmäisen pään vieressä. Vastuksen toinen pää taas on kytketty toiseen johdeliuskaan 25 861, johon mittajohdon vaippa liittyy. Toinen johdeliuska 861 on ontelosta katsottuna suurimmaksi osaksi "pimennossa" eli aukon 831 ulkopuolella suuntaerotuksen vuoksi.

Kuvan 8 mukaista mittapäätä voidaan muunnella esimerkiksi seuraavasti: Johdelius-kasta 824 tehdään läpivienti piirilevyn 860 alapinnalle, jonne muodostetaan läpiviennin jatkeeksi siirtotien onteloon rajautuvaa, tuntojohteena toimivaa johdepintaa. Ylä-30 pinnan puolella oleva tuntojohteen osa voi tällöin olla vastaavasti pienempi.

Kuvassa 9 on toinen esimerkki keksinnön mukaisesta suuntakytkimestä kuvassa 7 esitetyn kaltaisessa koaksiaalirakenteessa. Rakenne on esitetty halkileikkauksena mittajohtoa 920 lukuunottamatta. Siirtotiehen kuuluu ulkojohdin 912 ja keskijohdin 911. Rakenne on samanlainen kuin kuvassa 8 sillä erolla, että mittapäänä toimiva 35 vastus 925 on nyt piirilevyn 960 alapinnalla, ts. koaksiaaliseen siirtotiehen nähden si-semmällä pinnalla. Vastus sijaitsee tällöin ulkojohtimen syvennyksen 930 pohjassa 8 olevassa aukossa 931. Piirilevyn 960 alapinnalla on myös tuntojohteena toimiva joh-deliuska 924. Tämä on kytketty vastuksen 925 ensimmäiseen eli tuloportin P1 puoleiseen päähän ja piirilevyn 830 läpiviennin kautta mittajohdon sisäjohtimeen 821. Vastuksen toinen pää taas on kytketty toiseen johdeliuskaan 961, joka on tässä esimer-5 kissä kytketty ulkojohtimeen 912 ruuvilla, joka puristaa piirilevyä 960 syvennyksen 930 pohjaa vasten.

Toinen ero kuvien 9 ja 8 rakenteiden välillä on, että kuvassa 9 mittajohdon johdevaip-pa on kytketty siirtotien ulkojohtimeen hoikin 951 ja kannen 950 kautta.

Kuvassa 10 on kolmas esimerkki keksinnön mukaisesta suuntakytkimestä kuvassa 10 7 esitetyn kaltaisessa koaksiaalirakenteessa. Ulkojohtimen A12 syvennys A30 on tässä tapauksessa lieriömäinen reikä ulkojohtimen ulkopinnasta sisäpintaan asti. Reiän keskellä on siirtotien onteloon ulottuva mittapinni A21, jonka alapää A24 toimii mit-tapään tuntojohteena. Mittapinniä ympäröi ja tukee reiän A30 täyttävä dielektrinen massa. Mittapäähän kuuluva vastus A25 on siirtotien ontelossa ensimmäinen pää 15 kytkettynä mittapinniin ja toinen pää kytkettynä ulkojohtimen A12 sisäpintaan. Vastus sijaitsee siirtotien suuntaisesti toinen pää mittapinnistä katsottuna suuntakytkimen läh-töportin P2 puolella. Reikä A30 on peitetty mittajohtimen läpivientiä lukuunottamatta johtavalla kannella A50 suurtaajuisen sähkömagneettisen kentän vuotamisen välttämiseksi. Pieni osa siirtotiellä etenevän kentän energiasta viedään tietenkin tarkoituk-20 sella suuntakytkimen mittaporttiin P3 mittajohdolla A20, johon kuuluu mittapinnin A21 jatkojohdin ja siirtotien ulkojohtimeen kytketty toinen mittajohdin. Mittajohto voi olla koaksiaalijohto siten, että mittapinni on osa sen sisäjohdinta ja reiän A30 täyttävä dielektrinen massa on osa mittajohdon sisäjohtimen ja vaipan välistä eristemassaa. Tällöin myös vaippa voi ulottua reiän alareunan tasolle, ja vastuksen A25 toinen pää voi 25 olla kytketty vaippaan siirtotien maajohtimen sijasta.

Kuvassa 11 on esimerkki keksinnön mukaisten suuntakytkimien ominaisuuksista. Kuvaaja B1 näyttää taajuuden funktiona mittaportin signaalitason muuttumisen suhteessa tulosignaalin tasoon kuvien 8 ja 10 mukaisissa suuntakytkimissä; molemmat antavat kutakuinkin saman tuloksen. Kuvaaja B2 näyttää taajuuden funk-30 tiona mittaportin signaalitason muuttumisen suhteessa lähtöportista tuloporttiin päin etenevän signaalin tasoon kuvan 8 mukaisessa suuntakytkimessä ja kuvaaja B3 mittaportin signaalitason muuttumisen suhteessa lähtöportista tuloporttiin päin etenevän signaalin tasoon kuvan 10 mukaisessa suuntakytkimessä. (Kuvaajien B2 ja B3 harmailla alueilla esiintyy suhteellisen tiheää vaihtelua taajuuden funktiona.) 35 Kuvaaja B1 vastaa kuvan 2 kuvaajaa 21, ja kuvaajat B2 ja B3 kuvan 2 kuvaajaa 9 22. Desibeleissä lausuttujen kertoimien erotus ilmaisee siis suuntaerotuksen arvon.

Kuvaajista ilmenee, että suuntaerotus on hyvä erittäin suurella taajuusalueella. Parannus kuvan 2 esittämään tunnettuun tekniikkaan verrattuna on hyvin huomatta-5 va. Kuvan 8 suuntakytkimellä suuntaerotus ylittää arvon 20 dB alueella noin 1-4 GHz. Kuvan 10 suuntakytkimellä vastaava alue on noin 0,2-3 GHz. Esimerkiksi alueella 1,8-1,9 GHz suuntaerotus on noin 28 dB kuvan 8 kytkimellä ja noin 23 dB kuvan 10 kytkimellä.

Kuvaajasta B1 ilmenee lisäksi, että esimerkiksi 2GHz:n paikkeilla signaalitaso mit-10 taportissa on noin 40 dB alempi kuin kytkimen läpi kulkevan signaalin taso. Tämä merkitsee, että mittasignaali aiheuttaa läpi kulkevaan signaaliin vain 0,0003 dB:n vaimennuksen.

Kuvassa 12 on toinen esimerkki keksinnön mukaisen suuntakytkimen ominaisuuksista. Kuvaaja C1 näyttää taajuuden funktiona tuloportin heijastuskertoimen kuvan 15 10 mukaisessa suuntakytkimessä. Kuvan 8 kytkin antaa olennaisesti samanlaisen tuloksen, alueilla 0,5-1,5 GHz ja 3-3,5 GHz sen heijastuskerroin on tosin noin 10 dB huonompi. Kuvaaja C2 näyttää vertailun vuoksi tuloportin heijastuskertoimen tunnetussa neljännesaaltosuuntakytkimessä. Havaitaan, että keksinnön mukaisessa suuntakytkimessä saavutetaan myös hyvä heijastusvaimennus erittäin suu-20 rella taajuusalueella. Heijastuskerroin on noin -30 dB tai pienempi nollataajuudesta taajuuteen 3 GHz asti, jonka jälkeen kerroin huononee noin arvoon -20 dB taajuuteen 5 GHz mennessä. Tunnetun tekniikan suuntakytkimessä heijastuskerroin on parhaimmillaan lähes -30 dB. Arvon -20 dB se kuitenkin alittaa vain taajuusalueella 1 ,95-2,2 GHz, mikä on suhteellisena kaistanleveytenä 12%.

25 Määreet "ala-"ja "ylä" viittaavat patenttivaatimuksissa kuvissa 5-10 esitettyyn suuntakytkimen asentoon, eikä niillä ole tekemistä laitteiden käyttöasennon kanssa.

Edellä on selostettu keksinnön mukaisia suuntakytkinrakenteita. Näiden toteutustapa voi yksityiskohdissaan poiketa esitetyistä. Mittapäässä käytettävä vastus voi 30 olla paitsi palavastus, myös esimerkiksi hiilikalvovastus, ohutkalvovastus tai paksu kalvovastus, ja sen resistanssi voi vaihdella. Keksinnöllistä ajatusta voidaan so-, : veltaa eri tavoin itsenäisen patenttivaatimuksen 1 asettamissa rajoissa.

Claims (15)

1. Suuntakytkin, jossa on tuioportti (P1), lähtöportti (P2), mittaportti (P3), keski-johtimen (411; 511; 611; 811; 911; A11) ja maajohtimen (412; 512; 612; 712; 812; 912; A12) käsittävä siirtotie mitattavan signaalin johtamiseksi tuloportista lähtöport- 5 tiin sekä siirtotiehen liittyvä, ensimmäisen (421; 521; 621; 821; 921; A21) ja toisen (422; 522) mittajohtimen käsittävä mittajohto (620; 720; 820; 920) mittasignaalin johtamiseksi mittaporttiin, joka mittajohto on päätetty siirtotien puoleisesta päästään vastuksella (425; 525; 625; 825; 925; A25) niin, että ensimmäinen mittajohdin on kytketty vastuksen ensimmäiseen päähän ja toinen mittajohdin vastuksen toi-10 seen päähän, tunnettu siitä, että siirtotiehen kytkeydytään mittausta varten vain yhdessä kohtaa mittapäällä, joka käsittää mitattavan signaalin kentän etenemisti-laan rajautuvina mainitun vastuksen ja tuntojohteen (424; 524; 624; 824; 924; A24), joka tuntojohde kuuluu ensimmäiseen mittajohtimeen ja sen painopiste sijaitsee lähempänä tuloporttia (P1) kuin vastuksen painopiste suuntaerotuksen to-15 teuttamiseksi.

2. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 1, kännetecknad av att dess överfö-ringsväg är koaxial, vars jordledare (712; 812; 912; A12) innefattar en nisch (830; 930; A30), som börjar pä yttre ytan och som öppnar sig i häligheten av överfö- 15 ringsvägen, för placering av sensorledningen (824; 924; A24) och resistorn (825; 925; A25) pä överföringsvägen sä, att elektromagnetiska fältet som utbreder i häligheten riktas mot dem.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että sen siirtotie on koaksiaalinen, jonka maajohtimessa (712; 812; 912; A12) on ulkopinnalta alkava ja siirtotien onteloon avautuva syvennys (830; 930; A30) tuntojohteen (824; 924; A24) ja vastuksen (825; 925; A25) sijoittamiseksi siirtotielle niin, että ontelos- 20 sa etenevä sähkömagneettinen kenttä kohdistuu niihin.

3. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 2, kännetecknad av att dess nämnd nisch innefattar ett litet kretskort (860; 960), pä vilket resistorn är installerad och 20 ledande band pä ytan av vilket kretskort bildar sensorledningen ätminstone delvis.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että se käsittää mainitussa syvennyksessä pienen piirilevyn (860; 960), jolle vastus on asennettu ja jonka pinnalla oleva johdeliuska muodostaa tuntojohteen ainakin osittain.

4. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 3, kännetecknad av att sensorledningen (824) och resistorn (825) är pä Övre ytan av det nämnda kretskortet (860), vid öppningen (831) i nischens (830) botten.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että tuntojohde 25 (824) ja vastus (825) ovat mainitun piirilevyn (860) yläpinnalla, syvennyksen (830) pohjassa olevan aukon (831) kohdalla.

5. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 3, kännetecknad av att sensorled-25 ningen (924) och resistorn (925) är pä nedre ytan av det nämnda kretskortet (960), i öppningen (931) i nischens (930) botten.

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että tuntojohde (924) ja vastus (925) ovat mainitun piirilevyn (960) alapinnalla, syvennyksen (930) pohjassa olevassa aukossa (931).

6. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 2, kännetecknad av att i mitten av ^ den nämnda nischen (A30) finns en mätningspin (A21), som sträcker sig i överfö- ringsvägens hälighet, och som är en del av första mätningsledningen och är fäst i 30 första ändan av den nämnda resistorn (A25) frän sin nedre ända.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että mainitun syvennyksen (A30) keskellä on siirtotien onteloon ulottuva mittapinni (A21), joka on osa ensimmäistä mittajohdinta ja on alapäästään kytketty mainitun vastuksen (A25) ensimmäiseen päähän.

7. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 6, kännetecknad av att nedre ändan (A24) av mätningspinnen bildar den nämnda sensorledningen.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että mittapinnin alapää (A24) muodostaa mainitun tuntojohteen,

8. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 6, kännetecknad av att andra ändan av resistorn (A25) är kopplad i jordledaren (A12) av överföringsvägen.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että vastuksen (A25) toinen pää on kytketty siirtotien maajohtimeen (A12).

9. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 6, i vilken mätningsledningen är koax-ial och dess mantel sträcker sig till nivan av den nämnda nischens nedre kant, 5 kännetecknad av att andra ändan av resistorn är kopplad i mäntein av mätningsledningen.

9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suuntakytkin, jossa mittajohto on koaksiaa- linen ja sen vaippa ulottuu mainitun syvennyksen alareunan tasolle, tunnettu siitä, että vastuksen toinen pää on kytketty mittajohdon vaippaan.

10. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 6, kännetecknad av att utrymmet av nischen (A30) som omger mätningspinnen (A21) är ätminstone delvis fylld med dielektriskt stödämne.

10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että mittapinniä (A21) ympäröivä syvennyksen (A30) tila on ainakin osittain täytetty dielektrisellä 10 tukiaineella.

11. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 2, kännetecknad av att den nämnda nischen täcks av ett ledande lock (750; 850; 950; A50).

11. Patenttivaatimuksen 2 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että mainittua syvennystä peittää johtava kansi (750; 850; 950; A50).

12. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 1, kännetecknad av att mellanleda-ren av dess överföringsväg är ett ledande band (511; 611), som hör i kretskortet (PCB) och jordledaren innefattar ätminstone kretskortets jordplan (GND), och de 15 nämnda sensorledning (524; 624) och resistor (525; 625) ligger ovanpä överföringsvägen.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että sen siirtotien keskijohdin on piirilevyyn (PCB) kuuluva johdeliuska (511; 611) ja maajohdin 15 käsittää ainakin piirilevyn maatason (GND), ja mainitut tuntojohde (524; 624) ja vastus (525; 625) ovat siirtotien yläpuolella.

13. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 12, kännetecknad av att mellanleda-ren av överföringsvägen ligger i mellanlagret av kretskortet, och sensorledningen och resistorn ligger pä Övre ytan av kretskortet.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että siirtotien keskijohdin on piirilevyn välikerroksessa, ja tuntojohde ja vastus ovat piirilevyn yläpinnalla.

14. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 12, kännetecknad av att mellanleda- ren av överföringsvägen ligger pä Övre ytan av kretskortet och sensorledningen och resistorn ligger ovanpä kretskortets övre yta, separerade frän övre ytan med ett dielektriskt lager.

14. Patenttivaatimuksen 12 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että siirtotien keskijohdin on piirilevyn yläpinnalla, ja tuntojohde ja vastus ovat piirilevyn yläpin-4 nan yläpuolella dielektrisellä kerroksella yläpinnasta erotettuina. % 15. Patenttivaatimuksen 1 mukainen suuntakytkin, tunnettu siitä, että mainittu vastus on jokin seuraavista: palavastus, ohutkalvovastus, paksukalvovastus, hiili-25 kalvovastus. > 1. Riktkopplare, som innefattar en ingängsport (P1), en utgängsport (P2), en mätningsport (P3), en överföringsväg som innefattar en mellanledare (411; 511; 611; 811; 911; A11) och jordledare (412; 512; 612; 712; 812; 912; A12), för led-30 ning av signalen som mätäs frän ingängsporten tili utgängsporten, samt en mät-ningsledning (620; 720; 820; 920), som kopplas i överföringsvägen och som inne- fattar en första mätningsledning (421; 521; 621; 821; 921; A21) och en andra mät-ningsledning (422; 522), för ledning av mätningssignalen i mätningsporten, vilken mätningsledning änds med en resistor (425; 525; 625; 825; 925; A25) i sin ända mot överföringsvägen sä, att första mätningsledning är kopplad i första ändan av 5 resistorn och andra mätningsledning i andra ändan av resistorn, kännetecknad av att för mätning kopplas i överföringsvägen enbart genom en punkt med ett mäthu-vud, som innefattar den nämnda resistorn och en sensorledning (424; 524; 624; 824; 924; A24), som begränsas i utbredningsutrymmet av fältet av mätad signal, vilken sensorledning hör i första mätningsledningen och dess tyngdpunkt ligger 10 närmare ingängsporten (P1) än resistorns tyngdpunkt, för realisering av riktnings-diskriminering.

15. Riktkopplare i enlighet med patentkrav 1, kännetecknad av att nämnd resis-25 tor är en av följande: hybridmotständ, tunnfilmsresistor, tjockfilmsresistor, kolfilms-resistor.