Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler für hochfrequente Signale.
Richtkoppler werden in der Hochfrequenztechnik dazu ben²tigt, einen Teil der in einer Leitung geführten Hochfrequenzleistung auszukoppeln, insbesondere für Mess- und Regelungszwecke. Dafür werden ausschliesslich miteinander gekoppelte Leitungen verwendet, beispielsweise Koaxialleitungen, planare Leitungen oder Hohlleiter. Eine ausführliche Beschreibung dieser bekannten Richtkoppler findet sich in Meinke-Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 4. Auflage, Springer-Verlag 1986, insbesondere Seiten L27 bis L35.
Um eine in dem jeweils interessierenden Frequenzbereich weitgehend frequenzunabhängige Kopplung zu erzielen, ist eine elektrische Länge von einem Viertel der Wellenlänge erforderlich. Selbst bei einer Verkürzung der Leitung durch 2ROOT epsilon , bei einer Frequenz von 80 MHz und bei einem Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante von epsilon = 5 ist eine Länge von 40 cm erforderlich. Dadurch werden die bekannten Richtkoppler einerseits recht aufwändig in der Herstellung und brauchen andererseits im eingebauten Zustand viel Platz.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Richtkoppler anzugeben, der einfach und preiswert in der Herstellung ist und einen geringen Platzbedarf aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gel²st, dass zur Kopplung Spulen und Kondensatoren vorgesehen sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Richtkopplers besteht darin, dass ein erstes mit einem zweiten Tor und ein drittes mit einem vierten Tor über je eine Spule verbunden sind, wobei die Spulen magnetisch miteinander gekoppelt sind. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Tore über je einen Kondensator mit Masse verbunden sind und dass zwischen das erste und das dritte Tor und das zweite und das vierte Tor je ein weiterer Kondensator geschaltet ist.
Diese Ausgestaltung weist einen Tiefpasscharakter auf, was ein zusätzlicher Vorteil ist, da der erfindungsgemässe Richtkoppler dann als Teil des antennenseitigen Sendetiefpassfilters verwendet werden kann. Dadurch vermindert sich der ohnehin schon geringe zusätzliche Platzbedarf für den erfindungsgemässen Richtkoppler um die Hälfte.
Der Preisvorteil des erfindungsgemässen Richtkopplers wird insbesondere dadurch deutlich, dass Richtkoppler auf keramischen Trägermaterialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten, die auch für die bekannten Streifenleiterrichtkoppler verwendet werden, durch ihren aufwändigen Herstellungsprozess teuer sind, zumal die bei hoher Dielektrizitätskonstanten schmalen Leiterbahnen eine hohe Stromdichte aushalten müssen.
Ausführungsformen des erfindungsgemässen Richtkopplers unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Anordnung und den Aufbau der Spulen im Einzelnen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Spulen auf einem Ringkern aus verlustarmem ferromagnetischem Werkstoff angeordnet sind oder dass die Spulen Luftspulen sind.
Eine besonders preiswerte M²glichkeit zum Aufbau der Spulen besteht darin, dass die Spulen von Leiterbahnen auf einer geeigneten Leiterplatte gebildet sind, wobei vorzugsweise die Spulen von Leiterbahnen in mehreren Lagen von Mehrlagenschaltungen gebildet sind.
Je nach erforderlichem Kopplungsgrad zwischen den Spulen kann vorgesehen sein, dass die Spulen nebeneinander angeordnet sind oder dass die Leiterbahnen beider Spulen in mehreren Lagen übereinander liegend angeordnet sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 eine erste Realisierung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, bei welchem die Kopplung zwischen den Spulen mit einem Ringkern erfolgt,
Fig. 3 eine Realisierung der Spulen durch Leiterbahnen in vier Lagen,
Fig. 4 eine weitere Realisierung der Spulen durch Leiterbahnen in vier Lagen und
Fig. 5 eine Realisierung der Spulen in Form von Luftspulen.
Die Anschlüsse, welche die Tore des Richtkopplers bilden, sind in den Figuren gleichlautend mit 1, 2, 3, 4 bezeichnet. In den Fig. 2 bis 5 ist die Leiterplatte selbst nicht dargestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind das Tor 1 und das Tor 2 durch eine Spule 5 miteinander verbunden, während zwischen dem Tor 3 und dem Tor 4 eine zweite Spule 6 angeordnet ist. Jedes der Tore 1 bis 4 ist über einen Kondensator 7, 8, 9, 10 mit Massepotential verbunden. Zwischen die Tore 1 und 3 und zwischen die Tore 2 und 4 ist jeweils ein weiterer Kondensator 11, 12 geschaltet.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Spulen 5, 6 mithilfe eines Ringkerns 13 aus einem ferromagnetischen Werkstoff mit geringen Verlusten miteinander gekoppelt.
Die gemäss Fig. 3 realisierten Spulen bestehen aus jeweils vier Lagen von Leiterbahnen, welche jeweils eine Windung darstellen. Die Lagen sind aus zeichnerischen Gründen nebeneinander statt übereinander dargestellt. Jeweils eine erste Windung 5.1, 6.1 der Spule 5, 6 befindet sich in einer ersten Lage und ist über eine Durchkontaktierung 14, 15 an die zweite Windung 5.2 bzw. 6.2 angeschlossen, die wiederum über jeweils eine weitere Durchkontaktierung 16, 17 mit einer Windung 5.3 bzw. 6.3 angeschlossen ist. Eine letzte Durchkontaktierung 18 bzw. 19 leitet zur vierten Windung 5.4 bzw. 6.4 über, die sich in der vierten Lage befindet und an das Tor 2 bzw. 4 angeschlossen ist.
Mit der in Fig. 3 gezeigten Anordnung der Spulen wird eine verhältnismässig schwache Kopplung zwischen den Spulen 5, 6 erreicht mit einem relativ grossen Streufeld. Eine engere Kopplung liegt bei der in Fig. 4 dargestellten Realisierung der Spulen vor, da diese praktisch auf der gleichen Fläche untereinander angeordnet sind. Jede der Spulen weist zwei Windungen 5.1 min , 5.4 min bzw. 6.2 min und 6.3 min auf, wobei in Anlehnung an das in Fig. 3 dargestellte Realisierungsbeispiel die Ziffern hinter dem Punkt die jeweilige Lage kennzeichnen. Die erste Windung 5.1 min der Spule 5 liegt in der ersten Lage und verbindet die Durchkontaktierung, die das Tor 1 bildet mit einer Durchkontaktierung 20, an die in der vierten Lage die zweite Windung 5.4 min der Spule 5 angeschlossen ist.
Die Spule 6 wird von zwei Windungen 6.2 min und 6.3 min in der zweiten und dritten Lage gebildet, die miteinander über eine Durchkontaktierung 21 verbunden sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die Spulen 5 min min , 6 min min als Luftspulen ausgeführt, die auf einer Leiterplatte, welche die Kondensatoren und Anschlüsse und Verbindungsleitungen trägt, aufgelegt sind.
The invention relates to a directional coupler for high-frequency signals.
Directional couplers are required in high-frequency technology to decouple part of the high-frequency power carried in a line, in particular for measurement and control purposes. For this purpose, only interconnected lines are used, for example coaxial lines, planar lines or waveguides. A detailed description of these known directional couplers can be found in Meinke-Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 4th edition, Springer-Verlag 1986, in particular pages L27 to L35.
In order to achieve a largely frequency-independent coupling in the frequency range of interest, an electrical length of a quarter of the wavelength is required. Even if the line is shortened by 2ROOT epsilon, at a frequency of 80 MHz and with a dielectric with a dielectric constant of epsilon = 5, a length of 40 cm is required. As a result, the known directional couplers are on the one hand very complex to manufacture and on the other hand require a lot of space when installed.
The object of the invention is to provide a directional coupler that is simple and inexpensive to manufacture and requires little space.
This object is achieved according to the invention in that coils and capacitors are provided for coupling.
An advantageous embodiment of the directional coupler according to the invention consists in that a first to a second gate and a third to a fourth gate are each connected via a coil, the coils being magnetically coupled to one another. It is preferably provided that the gates are each connected to ground via a capacitor and that a further capacitor is connected between the first and third gates and the second and fourth gates.
This embodiment has a low-pass character, which is an additional advantage, since the directional coupler according to the invention can then be used as part of the antenna-side transmission low-pass filter. This reduces the already small additional space requirement for the directional coupler according to the invention by half.
The price advantage of the directional coupler according to the invention is particularly clear from the fact that directional couplers on ceramic carrier materials with a high dielectric constant, which are also used for the known stripline directional couplers, are expensive due to their complex manufacturing process, especially since the narrow conductor tracks with a high dielectric constant have to withstand a high current density.
Embodiments of the directional coupler according to the invention essentially differ in the arrangement and structure of the coils in detail. For example, it can be provided that the coils are arranged on a toroidal core made of low-loss ferromagnetic material or that the coils are air coils.
A particularly inexpensive way of constructing the coils is that the coils are formed by conductor tracks on a suitable printed circuit board, the coils being preferably formed by conductor tracks in multiple layers of multilayer circuits.
Depending on the required degree of coupling between the coils, it can be provided that the coils are arranged next to one another or that the conductor tracks of both coils are arranged one above the other in several layers.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing using several figures and are explained in more detail in the following description. It shows:
1 is a circuit diagram of an embodiment,
2 shows a first realization of the embodiment according to FIG. 1, in which the coupling between the coils takes place with a ring core,
3 is a realization of the coils by conductor tracks in four layers,
Fig. 4 shows another implementation of the coils by conductor tracks in four layers and
5 shows a realization of the coils in the form of air coils.
The connections which form the gates of the directional coupler are identified in the figures with the same name 1, 2, 3, 4. 2 to 5, the circuit board itself is not shown.
In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the gate 1 and the gate 2 are connected to one another by a coil 5, while a second coil 6 is arranged between the gate 3 and the gate 4. Each of the gates 1 to 4 is connected to ground potential via a capacitor 7, 8, 9, 10. A further capacitor 11, 12 is connected between gates 1 and 3 and between gates 2 and 4.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the coils 5, 6 are coupled to one another with little loss using a ring core 13 made of a ferromagnetic material.
The coils realized according to FIG. 3 each consist of four layers of conductor tracks, each of which represents one turn. For reasons of drawing, the layers are shown side by side instead of one above the other. In each case a first turn 5.1, 6.1 of the coil 5, 6 is in a first position and is connected via a via 14, 15 to the second turn 5.2 or 6.2, which in turn has a further via 16, 17 with a turn 5.3 or 6.3 is connected. A last via 18 or 19 leads to the fourth turn 5.4 or 6.4, which is in the fourth position and is connected to the gate 2 or 4.
With the arrangement of the coils shown in FIG. 3, a relatively weak coupling between the coils 5, 6 is achieved with a relatively large stray field. There is a closer coupling in the realization of the coils shown in FIG. 4, since these are arranged practically on the same surface with one another. Each of the coils has two turns 5.1 min, 5.4 min or 6.2 min and 6.3 min, with reference to the implementation example shown in FIG. 3, the numbers behind the point indicate the respective position. The first turn 5.1 min of the coil 5 is in the first position and connects the through-contacting which forms the gate 1 with a through-contact 20 to which the second turn 5.4 min of the coil 5 is connected in the fourth position.
The coil 6 is formed by two turns 6.2 min and 6.3 min in the second and third position, which are connected to one another via a via 21.
In the exemplary embodiment according to FIG. 5, the coils are designed as air coils for 5 min, 6 min, which are placed on a printed circuit board which carries the capacitors and connections and connecting lines.