FI98418C

FI98418C - Ohitettava Wilkinsonin tehojakaja

Info

Publication number: FI98418C
Application number: FI952796A
Authority: FI
Inventors: Andr Dekker
Original assignee: Nokia Telecommunications Oy
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1997-06-10
Also published as: NO970558L; AU706738B2; ATE204405T1; NO970558D0; FI98418B; US5789997A; AU5823496A; DE69614484T2; EP0774171B1; FI952796A; DE69614484D1; WO1996041396A1; EP0774171A1; FI952796A0; JPH10504161A

Description

98418

Ohitettava Wilkinsonin tehojakaja

Keksintö liittyy suurtaajuustekniikkaan, tarkemmin sanottuna mikroaaltoja radiotekniikassa käytettäviin tehonjakajajiin.

Suurtaajuuksilla, erityisesti mikroaalto- ja radiotekniikassa joudutaan 5 usein jakamaan signaali kahteen tai useampaan antoporttiin tai yhdistämään useita signaaleita yhteen antoporttiin. Joissakin sovelluksissa joudutaan kulloisenkin tarpeen mukaan käyttämään samaa kytkentäelintä joko tehonjakajana yhdestä ottoportista kahteen antoporttiin tai häviöttömänä siirtojohtona yhdestä ottoportista yhteen antoporttiin. Tämä on perinteisesti toteutettu piirikortille sijoi-10 tettujen valintaelimien, esimerkiksi siltausten avulla. Teolliseen sarjavalmistukseen soveltuvana siltauskomponenttina voi toimia esim. nollaohminen pintalii-tosvastus. Myös tavallisia liitosjohtoja voidaan käyttää.

Eräs yleisesti käytetty passiivinen kytkentäelin on nk. Wilkinsonin jakaja. Tavallisen Wilkinsonin jakajan toiminta ilmenee kuviosta 1A. Kuvio esittää tilan-15 netta, jossa signaali jakaantuu yhdestä ottoportista kahteen antoporttiin. Esillä olevan keksinnön suhteen jakajaa voidaan käytää myös toisinpäin, yhdistämään signaali kahdesta ottoportista yhteen antoporttiin.

Tehojakajana toimiessaan Wilkinsonin jakajaan kuuluu ottoportti IN, anto-portit OUTI ja OUT2, T-liitos 1, siirtojohto 2, joka yhdistää ottoportin IN ja anto-20 portin OUTI sekä siirtojohto 3, joka yhdistää ottoportin IN ja antoportin OUT2. Lisäksi antoportit OUTI ja OUT2 on yhdistetty vastuksella R. Siirtojohtojen pituus on aallonpituuden neljännes.

Ottoportin IN ominaisimpedanssi on Zq. Antoporttien OUTI ja OUT2 omi-naisimpedanssit ovat vastaavasti Z1 ja Z2. Yksinkertaisessa tapauksessa, jolloin 25 20=2^2, siirtojohtojen ominaisimpedanssi on ZqV2 ja vastuksen R impedanssi on 2Z0.

Yleisessä tapauksessa, jolloin ei välttämättä päde 2^2^2, siirtojohdon 2 ominaisimpedanssi on V2ZoZi ja siirtojohdon 3 ominaisimpedanssi vastaavasti V2Z0Z2. Vastuksen R impedanssi on tällöin 2VZ1Z2.

30 Tunnettu menetelmä Wilkinsonin jakajan muuntamiseen häviöttömäksi siirtojohdoksi ilmenee kuvioista 1A, 2A ja 2B. Kuvion 1B esittämä piiri sisältää kuvioon 1A nähden siirtojohdon 5 ja sekä siltauselimet B1-B5. Kuvio 2A näyttää, kuinka näin muunnettu Wilkinsonin jakaja muunnetaan kuvion 1A mukaiseksi Wilkinsonin jakajaksi. Tässä tapauksessa asennetaan vastus R ja sillat B1, B4 35 ja B5, mutta siltoja B2 ja B3 ei asenneta. Siirtojohdolla 5 ei tässä tapauksessa ole vaikutusta jakajan toimintaan.

2 98418

Vastaavasti kuvio 2B näyttää, kuinka Wilkinsonin jakaja ohitetaan, ts. muunnetaan häviöttömäksi siirtojohdoksi. Tässä tapauksessa vastusta R ei asenneta, ei myöskään siltoja B1, B4 ja B5. Kun vain sillat B2 ja B3 asennetaan, kuvion 2B esittämä piiri on häviötön siirtojohto ottoportin IN ja antoportin OUTI 5 välillä.

Kuvion 1B mukaisen piirin haittoja ovat mm. valintaeliminä toimivien sil-tauspaikkojen suuri määrä (tässä toteutuksessa 5) sekä asennettujen siltojen suuri määrä (jakajakäytössä 3, siirtotienä 2). Edelleen tunnetun piirin haittana on se, että siirtotienä toimimiseen vaadittavia siltoja B2 ja B3 ei voida helposti val-10 mistaa pienin hajaimpedanssein, koska ne yhdistävät leveitä johtimia. Vielä eräs tunnetun piirin haitta ilmenee silloin kun ottoportti IN ja antoportit OUTI, OUT2 eivät ole vastapäätä toisiaan, erityisesti silloin, kun Wilkinsonin jakaja on laskostettu sen koon pienentämiseksi. Useilla alustoilla on paljon hankalampaa toteuttaa pieni-impedanssista siirtojohtoa kuin suuri-impedanssista. Etenkin tällaisissa 15 tapauksissa on vaikeaa tai jopa mahdotonta asentaa jakajan sisään leveää siirtojohtoa. Lisäksi menetelmää ei voida lainkaan käyttää silloin, kun jakajaa käytetään samalla impedanssisovittimena, eli Ζλ * Zq.

Keksinnön tavoitteena on kehittää tehojakaja, joka on joustavasti, pienin muutostöin asennettavissa joko jakajaksi tai häviöttömäksi siirtojohdoksi, ja jolla 20 ei ole ylläkuvatun tunnetun menetelmän ongelmia. Tavoite saavutetaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosan mukaisella järjestelyllä, jossa tehonjakajan konfiguroiminen häviöttömäksi siirtotieksi toteutetaan kytkemällä rinnan kaksi epäsymmetristä siirtojohtoa, jotka yleensä ovat impedanssiltaan erilaiset. Siirto-johdoista toinen on Wilkinsonin jakajan olemassa oleva haara 2 ja toinen on ja-25 kajan sisään muodostettu ylimääräinen haara 4.

Keksinnön edullista suoritusmuotoa selostetaan kuvioiden avulla, joista:

Kuvio 1A esittää tavallista Wilkinsonin jakajaa.

Kuvio 1B esittää tekniikan tason mukaista tapaa muuntaa Wilkinsonin jakaja häviöttömäksi siirtotieksi.

30 Kuvio 2A esittää kuvion 1B esittämää kytkentäelintä asennettuna Wilkin sonin jakajaksi.

Kuvio 2B esittää kuvion 1B esittämää kytkentäelintä asennettuna häviöttömäksi siirtotieksi.

Kuvio 3A esittää keksinnön mukaista Wilkinsonin jakajan muunnosta.

35 Kuvio 3B esittää keksinnön mukaista Wilkinsonin jakajan muunnosta las kostettuna mahdollisimman pieneen tilaan.

Il 3 98418

Kuvio 4A esittää keksinnön mukaista kytkentäelintä asennettuna Wilkin-sonin jakajaksi.

Kuvio 4B esittää keksinnön mukaista kytkentäelintä asennettuna häviöt-tömäksi siirtotieksi.

5 Keksinnön mukainen ratkaisu esitetään kuviossa 3A. Tarkastelussa olete taan, että Z1 = Zq, mutta piiri toimii samoin, jos Z1 φ Zq.

Keksinnön ajatuksena on toteuttaa siirtojohto, jonka ominaisimpedanssi on Zq, kytkemällä rinnakkain kaksi kapeaa suuri-impedanssista siirtojohtoa: yksi, impedanssiltaan Z0V2 oleva siirtojohto 2, joka on jo olemassa tavallisessa Wil-10 kinsonin jakajassa sekä toinen siirtojohto 4, jonka impedanssi on2Zo/(2-V2).

Silloin kun Ζο=50Ω, tulee siirtojohdon 2 impedanssin olla n. 70Ω ja siirtojohdon 4 impedanssin n. 170Ω. Viimemainittua impedanssia ei useimmilla alustoilla voida toteuttaa ilman erikoistoimenpiteitä. Yksi sellainen toimenpide on esimerkiksi maatason syövyttäminen 170Ω:η johdon 4 alta. Toinen keino on sijoittaa 170Ω:η 15 johto 4 hyvin lähelle 70Ω:η johtoa 2, jolloin johtojen 2 ja 4 vuorovaikutus nostaa johdon 4 impedanssia. Suurta haittaa ei synny, vaikka impedanssi ei olisikaan täsmälleen ihannearvossaan. Esimerkiksi 1,6 mm:n FR-4 -alustalla tai 0,76 mm:n teflon-alustalla suurin saavutettavissa oleva ominaisimpedanssi on 140-150Ω. Tällä impedanssilla seisovan aallon suhteeksi (VSWR) tulee n. 1,1.

20 Keksinnön toimintaa tarkastellaan edelleen kuvion 4A pohjalta. Jakajana toimimista varten asennetaan vain silta B1 ja vastus R. Koska sillat B2 ja B3 puuttuvat, signaalin kulkuteinä ovat Wilkinsonin jakajan molemmat haarat 2 ja 3.

Piiri toimii nyt tavallisena Wilkinsonin jakajana.

Ei-jakajana toimimista varten tarkastellaan kuviota 4B. Siltaa B1 ja vas-25 tusta R ei asenneta, mutta sillat B2 ja B3 asennetaan. Tässä tapauksessa signaali kohtaa rinnankytketyt, aallonpituuden neljänneksen pituiset siirtojohdot 2 ja 4, joiden impedanssit ovat vastaavasti Zq/V2 ja 2Zq/(2-V2). Impedanssien rinnankytkennästä syntyy neljännesaallon pituinen siirtojohto, jonka impedanssi on Z0.

30 Kuvio 3B esittää, kuinka keksinnön mukainen Wilkinsonin jakajan muun nelma voidaan laskostaa sen piirilevyltä viemän pinta-alan minimoimiseksi.

Keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on se, että samalla piirikortilla olevaa Wilkinsonin jakajaa voidaan käyttää kulloisenkin tarpeen mukaan sekä jakajana että ei-jakajana, mikä vähentää erilaisten piirikorttien tarvittavaa määrää.

35 Keksinnön mukaisessa ratkaisussa siltoja ja paikkoja silloille tarvitaan myös vähemmän kuin tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa.

4 98418

Edelleen keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on se, että hajaimpedans-sien syntyminen on vähäistä, sillä siltoja tarvitaan vain suuri-impedanssisissa johtimissa. Vielä eräs etu on se, Wilkinsonin jakajaan tarvittava lisäjohdin on helppo sijoittaa rajoitettuun tilaan, koska lisäjohdin on hyvin kapea. Lisäjohdin 4 5 voi myös kulkea läheltä Wilkinsonin jakajan haaraa 2, kunhan kytkeytyminen otetaan huomioon suunnittelussa. Ks. esim. Matthaei, Young and Jones: ’’Microwave filters, impedance-matching networks and coupling structures”, Ar-tech House Books, 1980, kuva 5.09-1, s. 219. Mutkittelun avulla voidaan neljän-nesaallon pituinen johto sijoittaa käytettävissä olevaan tilaan.

10 Keksinnön mukaisella järjestelyllä voidaan tehojakaja, esimerkiksi Wilkin sonin jakaja konfiguroida siten, että samaa komponenttialustaa, esim. piirikorttia voidaan käyttää sekä tehonjakajana yhdestä ottoportista kahteen antoporttiin tai häviöttömänä siirtotienä yhdestä ottoportista yhteen antoporttiin. Toimintatavan muutoksen aiheuttamat muutokset piiriin ovat pienemmät kuin perinteisissä rat-15 kaisuissa.

Alan ammattimiehelle on ilmeistä, että keksinnön mukaista tekniikkaa voidaan käyttää muunkinlaisten siirtojohtojen yhteydessä, esimerkiksi mikrolius-kojen, korotettujen mikroliuskojen, liuskajohtojen, koaksiaalijohtojen, koplanaari-johtojen tai edellämainittujen yhdistelmien yhteydessä. Siirtojohtojen ja sil-20 tauselimien valmistus ei rajoitu ylläkuvattuun esimerkkiin, vaan keksinnön soveltamisala voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

il

Claims

98418 Pate ntti vaati m u kset

1. Suurtaajuuksilla käytettävä kytkentäelin, johon kuuluu: ensimmäinen portti (IN), toinen portti (OUTI), ja kolmas portti (OUT2); ensimmäinen neljännesaallon siirtojohto (2), joka kytkettynä ensimmäisen 5 portin (IN) ja toisen portin (OUTI) väliin yhdistää mainitut portit toisiinsa; toinen neljännesaallon siirtojohto (3), joka kytkettynä ensimmäisen portin (IN) ja kolmannen portin (OUT2) väliin yhdistää mainitut portit toisiinsa; ensimmäiset asennettavat valintaelimet (R) ja toiset asennettavat valin-taelimet (B1) siten, että vain silloin, kun ensimmäiset ja toiset valintaelimet (R,

10 B1) ovat asennettuna, ne kytkevät ainakin toisen siirtojohdoista (2, 3) vaikuttamaan porttien (IN) ja (OUTI, OUT2) välillä; tunnettu siitä, että siihen lisäksi kuuluu kolmas neljännesaallon siirtojohto (4); ja kolmannet asennettavat valintaelimet (B2, B3), jotka asennettuina olles- 15 saan kytkevät kolmannen siirtojohdon (4) ensimmäisen siirtojohdon (2) rinnalle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentäelin, jossa ensimmäisellä portilla (IN) on ensimmäinen ominaisimpedanssi Z0, toisella portilla (OUTI) on toinen ominaisimpedanssi Z, ja kolmannella portilla (OUT2) on kolmas ominaisimpedanssi Z2, tunnettu siitä, että kolmannen neljännesaallon siirtojohdon (4) 20 ominaisimpedanssi on mitoitettu siten, että ensimmäisen siirtojohdon (2) ja kolmannen siirtojohdon (4) rinnankytkennästä muodostuva impedanssi on olennaisesti sama kuin VZoZi

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentäelin, tunnettu siitä, että ensimmäisten, toisten ja kolmansien valintaelimien lukumäärien summa on pie- 25 nempi kuin 6.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentäelin, tunnettu siitä, että ensimmäisten, toisten ja kolmansien valintaelimien lukumäärien summa on 4.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kytkentäelin, tunnettu siitä, että ensimmäinen valintaelin (R) on vastus, jonka resistanssi on olennaisesti yhtä 30 suuri kuin 2VZ1Z2, ja että toisten sekä kolmansien valintaelinten (B1-B3) resistanssi on olennaisesti nolla.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kytkentäelin, tunnettu siitä, että kolmas siirtojohto (4) on muodostettu syövyttämällä maatasoa kolmannen siirto-johdon (4) alta.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kytkentäelin, tunnettu siitä, että kolmas siirtojohto (4) on sijoitettu erityisen lähelle ensimmäistä siirtojohtoa (2), jolloin siirtojohtojen (2) ja (4) vuorovaikutus nostaa johdon (4) impedanssia. 98418

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentäelin, tunnettu siitä, että kytkentäelin on laskostettu sijoittamalla siirtojohtoihin (2, 3, 4) sekä kuperia että koveria mutkia.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentäelin, tunnettu siitä, että 5 kytkentäelin on laskostettu siten, että siirtojohdot (2, 3, 4) eivät sijaitse samassa tasossa.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentäelin, tunnettu siitä, että kytkentäelin on toteutettu piirilevyn pinnalle sijoitetulla liuskajohdolla. 7 98418