CN101213705A - 高频耦合器或功率分配器,尤其是窄带和/或3dB耦合器或功率分配器 - Google Patents

高频耦合器或功率分配器,尤其是窄带和/或3dB耦合器或功率分配器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改进的耦合器或功率分配器;尤其是高频耦合器或高频功率分配器,具有以下特征:4个连接线(13a,13b;17a,17b)设置在基片(3)的同一侧(3a)上,两个耦合段(9;25)设置在基片的两个相对的侧面(3a,3b)上,第二个耦合段(25)通过两个穿孔连接(21)与相应的连接线(17a,17b)电路连接,这些连接线位于基片(3)的背对耦合段(25)的侧面(3a)上,在相应耦合段(9,25)的起始端(11a;18a)及相应末端(11b;18b)上的电容器(C-9a,C-9b,C-9c,C-9d;C-25a,C-25b,C-25c,C-25d)分别被构造成交叉指型电容器,并且电容(C-9a,C-9b,C-9c,C-9d;C-25a,C-25b,C-25c,C-25d)分别与地耦合。

Description

高频耦合器或功率分配器,尤其是窄带和/或3dB耦合器或功率分配器
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的高频耦合器或功率分配器,尤其是窄带高频耦合器或功率分配器。
在高频技术设备中经常需要将一个例如具有功率P的信号分成两个功率分别为P/2的信号。为此通常采用环形耦合器。这种环形耦合器例如已由Zinke Brunswig在“Hochfrequenztechnik(高频技术)”第6版,2000年(Springer出版社)公开,参见该书第192页。
这种环形耦合器通常通过微带导体技术来实现。
此外还已知了下面这种高频耦合器,其中耦合程度通常通过端侧或纵向侧耦合的导线来调整。对于功率分配器所需的更高耦合度,其间隔常常很小或者甚至是太小了,以至于不能经济地生产。
例如EP 1291959 A1公开了一种有方向性的耦合器,它例如以悬浮基片工艺来构造。换言之,在一个基片上在其一侧上以微带线工艺设置一个耦合段,它与基片上的两个同样以微带线工艺构造的第一和第二连接端子相连接。然后在相对的一侧上设置第二个耦合段,它被引到第三和第四输出端或连接端。在顶视图中这两个耦合段至少部分地重叠。
按照前述公开文献EP 1291959 A1,也可以在两个耦合段的相对的两端上分别连接电容,这些电容的第二连接端分别接地。
由上述公开文献也可有其它的实施例,其中耦合器以共面工艺被构造。在此情况下两个耦合线及它们的两个连接端分别设置在基片的同一侧面上,其中耦合段以尽可能小的间距相互平行地前进。
最后,例如EP 1014472 B1也公开了一种有方向性的耦合器,它同样以悬浮基片工艺被构造。这种已知的定向耦合器是一个具有至少两个级联的耦合段的宽带定向耦合器,这两个耦合段有不同的耦合衰减,其中具有弱耦合的耦合段由端侧耦合的带状导体构成,具有紧密耦合的耦合段由宽侧耦合的带状导体构成。
在这个实施例中为了实现具有紧密耦合的相应耦合段,在基片中设置穿孔连接。所有引线被设置在基片的一侧上。
现有技术已知的耦合器通常以微带导体工艺来实现。由于微带线的衰减很高并且对介电常数的波动比较敏感,这种耦合器的缺点在于有高的空间需求以及相对高的电气损耗和对于优质电路板材料的高成本。
悬浮基片工艺的定向耦合器的缺点一方面是对于基片在两个接地面之间定位有很高的要求(这里问题在于,在水平方向正确定位时还要精确考虑到盖和底之间的间距)。这些对正确或最佳定位的要求导致用于机械加工和装配的高成本。另一方面缺点还在于,在设计耦合器时就规定了外壳的几何尺寸。这对于重复可用性和对于一个耦合器及对于在其它应用情况下的应用涉及一个所选方案的实现和转换的足够灵活性来说是有缺点的。
此外从电气的角度看,在此工艺中均衡同相波和反相波不同的相速度是困难的。
共面工艺的定向耦合器的主要缺点在于,所要求的纵向侧耦合印刷线路之间的间距极小,并且耦合系数受到限制。此外耦合系数还在很大程度上取决于容差(腐蚀容差和基片材料介电常数的波动产生不利的影响)。此外共面工艺耦合器在电气损耗方面不是最佳的。
如上所述,所有这三种类型耦合器的缺点在于它们尤其是在应用于现代信息技术系统时不具有所需的高频耦合器性能,例如足够的适当耦合系数、定向性或对称性,或者它们是不可实现的,或者需要很高的开发费用才能实现。
GB 2218853 A公开了一种高频耦合器或功率分配器,它在基片一侧上有两个耦合段。这两个耦合段在起始端和末端分别具有连接导体,它们被引至错开设置的连接端。在两个耦合段之间设置并形成电容器,用于两个耦合段的耦合。
EP 1014472 B1公开了另一种定向耦合器,与现有技术的不同的是,这种定向耦合器被如此构造在基片上:一个耦合段被构造在一个基片侧面上,与其耦合的第二个耦合段被构造在相对的基片侧面上。其中分别在耦合段的一侧上设置一个穿过基片的穿孔连接,以形成一个至背面耦合面的连接导线的电路连接。
US 4376921公开了一种微波耦合器,它也具有4个连接端和两个耦合段,其中在两个相对较短的耦合段之间,从起始端到末端设置了用于在耦合段之间进行耦合的电容器。
所有上述类型耦合器的缺点是,它们特别是在应用于现代信息技术系统时不具有所需的高频耦合器性能,例如足够的耦合系数、足够的定向性或对称性,或者它们是不可实现的或者需要很高的开发成本才能实现。
因此本发明的目的在于给出一种改进的耦合器或功率分配器,尤其是给出一种窄带耦合器,最好是3分贝耦合器,它在成本上、结构尺寸上、损耗上和制造公差上都优于传统的方案。
上述任务由权利要求1所述特征完成。在从属权利要求中给出了本发明具有优点的实施例。
根据本发明的高频耦合器或功率分配器具有一系列积极的、传统方案所没有的优点。根据本发明的高频耦合器被构造成窄带的。
耦合段本身被构造在一个基片的两个相对的侧面上。但在一个耦合段的两个相对末端上或者在所述耦合段中的一个或两个耦合段的两个相对末端上设置了一个穿孔连接,通过它可以使所有四个外部连接导线(在一个连接导线被连接时也是如此)被设置在基片的一个侧面上。这也使得在基片的一个侧面上(只要需要的话)以通常的焊接工艺设置并连接电气元件和部件成为可能。
此外,根据本发明的耦合器或功率分配器在各个耦合段的相对末端或连接区上具有电容器,就像原理上已由EP 1291959 A1所公开的那样。与上述已知方案不同的是,这里不是采用分立的电抗或电容器,而是使用所谓的交叉指型电容器。这种电容器至今为止没有被用在这种功率分配器或耦合器中,即使是它的原理在由Rannee Simons的以下公开时也没有提到这种应用,此公开文献为“Coplaner WaveguideCircuits,Components and Systems(共面波导电路、部件和系统)”第1版,New York,Chichester,Weinheim等,John Wiley&Sons出版社,2001年。
通过本发明的解决方案实现了具有最小空间要求的功率分配器或耦合器,其电参数可在宽的范围内相对自由地调节或预选。首先它具有低的电损耗。此外根据本发明的功率分配器或耦合器还具有定向性很高的特性。
根据本发明的耦合器或功率分配器对于外壳容差也比较可靠。这主要反映在不同顶盖间距的选择上。这种对于外壳容差的可靠性使得单一的设计可以应用于其它应用情况中。此外根据本发明的耦合器对于腐蚀容差及对于基片材料介电常数的波动也比较可靠。此外,原则上不需要其它的布线或集中元件,虽然原则上在需要时也可以应用它们。最后,所有连线都位于基片的同一侧上,这也是一个优点。
下面借助附图所示实施例详细说明本发明的其它优点、特征和特点。附图中:
图1是本发明所述耦合器的第一实施例的简化正视图;
图2是图1所示根据本发明的耦合器的后视图;
图3是沿图1中直线III-III的剖面图;
图4是对应于图1的示图,该实施例相对于图1有微小的改变;
图5是图4所示实施例的后视图。
图1示出本发明所述耦合器或功率分配器的第一实施例的正视图,它以印刷线路板的形式构造在基片3上。
在基片3上,在图1中可见的上侧面3a上可看到4个表面区5,它们相互间由空隙7电气隔离。此表面区5是接地面5。
在空隙7中以微带线工艺构造第一个耦合段9,它以第一方向或纵向方向在基片3上前进。
在这个耦合段9的起始端11a和末端11b上设置第一和第二连接线13a和13b,它们引至基片边缘3′处的连接端15a和15b。
在图1的实施例的正视图中不导电的空隙区域7被设计成H形。在连接线13a和13b的直接延长线上、但与它们隔开地可以看到另外两个连接线17a和17b,它们引至相对的基片边缘3″并在那里形成连接端19a和19b。
在连接线17a,17b与连接端19a和19b相对的末端处靠近第一耦合段9设置有穿孔连接21,它通过穿孔21′穿过基片3。
特别由图2的底视图可见,在其所示的下侧面3b上设置有第二个耦合段25,它平行于第一耦合段9前进,并且在正视图中最好与耦合段9完全或至少部分地重叠。两个耦合段的长度和/或宽度在所示实施例中至少近似相同。
由图2所示基片3的下侧面3b的底视图可见,在第二耦合段25的起始端27a和末端27b上对应地设置有两个与第二耦合线路电气连接并以微带线工艺构造的导线延伸部分25,穿孔连接21的穿孔21′在其中心处结束。通过所述两个穿孔连接,两个连接线17a,17b与第二耦合线路25电路连接。
耦合段的长度约为λ/4。4个引线或连接线13a,13b和17a,17b以共面导体工艺来实现,并且使耦合器1与其它在本实施例中未示出的高频元件组连接起来。
为了优化电气性能,在所示实施例中还设置了总共12个电容器C,它们分别位于第一耦合段9的输入区和输出区,即相应的起始端11a和末端12b上,或者位于第二耦合段25的起始端11′a和终端12′b上。在第一耦合段9的一端设置有电容器C-9a和C-9b,在其另一端设置有相应的电容器C-9c和C-9d。在第二耦合段25的起始端和末端也设置有相应的电容器,即在耦合段25的一端有电容器C-25a和C-25b,而在其相对的另一端有电容器C-25c和C-25d。这些电容器不是采用分立的元件,而是构造成交叉指型电容器的形式。
由图1和图2也可看出,在所示实施例中最好在中心区域,即相应耦合段9或25的一半长度处也分别设置一对电容器C,在图示实施例中它们是C-9e和C-9f以及C-25e和C-25f。
在电容器中一个电容面或电容器半部分别与相应的耦合段9或25导电连接,而相应的与其一起工作并电气隔离的电容面或电容器半部与相应接地面导电连接。
为此在图2所示底视图上基片3也具有一个环绕闭合的接地面31,在其中心区域有一个不导电的空隙33,在其中第二耦合段2在纵向方向上与其电气隔离地前进。
交叉指型电容器的尺寸确定可如此实现:使得某些特定耦合性能被调整或预选。所述的接地面是必要的,它一方面用于规定的接地关系,另一方面形成用于交叉指电容器的地电位。实际的耦合也通过构造在基片3两侧上的导线9和25(悬浮基片)来实现。
如图3的剖面图所示,最好在外壳29中的耦合区下方构造一个凹槽37。凹槽的尺寸和基片与相应顶盖41的距离可以在一定界限范围内自由选择。
与所示实施例不同的是,在耦合段中最好在中心处的电容器也可以位于相应耦合段的起始端电容器与末端电容器之间偏离中心的地方。必要时在相应耦合段的起始端电容器与末端电容器之间的电容器也可以设置其它附加的电容器,即比所示实施例有更多的电容器。
相对于从起始端区域11a至末端区域12b或从起始端区域11′a至末端区域12′b的整个耦合长度,输入侧及输出侧电容器C-9a,C-9b或C-9c,C-9d以及背面的电容器C-25a,C-25b或C-25c,C-25d的位置也可向中心移动。起始区域与末端区域的间距例如可以直至耦合段整个长度的30%,然而最好更小,尤其是小于耦合段整个长度的25%,20%,15%或10%。这里应考虑到使耦合段起始端和末端的电容器的定位发挥最大的作用。
图4和图5的实施例对应于图1至3所示实施例。
不同之处仅在于,例如在类似于图1所示实施例的基片正视图中在基片的一侧上的耦合段9不再具有两个引至基片的同一边缘3′的连接线,而是使图4右边的连接线15b(它与耦合段9电路连接)向着基片的相对一侧3″被引至在那里形成的连接端17b。相应地,在图4右上方的连接线17b具有一个穿孔连接21,使得在图4右上方的连接端19b与图4左下方的连接端19a电路连接。
由所述实施例可见,在基片两侧上的接地面在连接线以及耦合段9和25的区域内具有间隙7。耦合段9和25与接地面之间的间距最好是导线宽度的1.5至4倍。同样连接线与邻近接地面的距离约为连接线宽度的1.5至4倍。
如前所述,共面耦合线9和25以适当方式被设置,以获得所需的耦合。在基片正视图上,即垂直于基片平面看去,两个耦合段9,25应是重叠放置或者具有一个侧向错位,此错位最好小于耦合线的宽度。这样这两个耦合线在正视图上不是相邻放置,而是相互重叠的。侧向错位最好大于耦合印刷线路9或25宽度的一半,使得两个导线在最好宽度相等时重叠50%。换言之,尤其是相对于耦合段9和25的宽度,重叠最好大于0%,尤其是大于10%,大于20%,大于30%和最好大于50%。
由所示耦合器或功率分配器结构可见,4个连接线13a,13b以及17a,17b以共面工艺被构造。同样由对本发明实施例的说明可见,两个耦合段9和25以悬浮基片工艺被构造。

Claims (14)

1.一种耦合器或功率分配器,尤其是高频耦合器或高频功率分配器,具有以下特征:
-一个基片(3),
-在基片(3)上有两个第一连接线(13a,13b),它们引至第一耦合段(9)的起始端(11a)和末端(11b),
-设置了一个与第一耦合段(9)相耦合的第二耦合段(25),另外的两个连接线(17a,17b)引至其起始端(27a)和末端(27b),
-这4个连接线(13a,13b;17a,17b)从相应的耦合段出发引至相互错开设置的连接端(15a,15b;19a,19b),
-这4个连接线(13a,13b;17a,17b)设置在基片(3)的同一侧(3a)上,以及
-在这两个耦合段(9;25)的纵向方向上设置了错开的电容器(C),所述电容器最好在这两个耦合段(9;25)的起始端区域(11a;27a)或者最好在它们的末端区域(11b;27b)上,
其特征在于以下的其它特征:
-这两个耦合段(9;25)被构造在基片的两个相对的侧面(3a,3b)上,
-第一耦合段(9)与两个相应的连接线(13a,13b)导电地构造在耦合段(9)所在的同一侧上,
-第二耦合段(25)在其起始端区域和末端区域(27a,27b)中分别通过至少一个穿孔连接(21)与相应的连接线(17a,17b)电路连接,这些连接线位于基片(3)的背对耦合段(25)的侧面(3a)上,
-在两个耦合段(9;25)的纵向方向上错开位置的电容器(C),最好是在相应耦合段(9;25)的起始端(11a;18a)及相应末端(11b;18b)上的电容器(C-9a,C-9b,C-9c,C-9d;C-25a,C-25b,C-25c,C-25d)分别被构造成交叉指型电容器;以及
-电容器(C-9a,C-9b,C-9c,C-9d;C-25a,C-25b,C-25c,C-25d)分别与地耦合。
2.一种耦合器或功率分配器,尤其是高频耦合器或高频功率分配器或如权利要求1所述的耦合器,其特征在于,至少对于一个耦合段(9,25)并最好对于两个耦合段(9,25),在起始端区域和末端区域(11a,11b;18a,18b)之间至少分别设置一个另外的电容器(C-9e,C-9f;C-25e,C-25f)。
3.如权利要求2所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,附加的电容器(C-9e,C-9f,C-25e,C-25f)被设置在相应耦合段(9,25)的中心区域中。
4.如权利要求1至3中任一项所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,耦合段(9)与相应的连接线(13a,13b)在正视图中如此设置,使得属于耦合段(9)的连接线(13a,13b)引至同一个基片边缘(3′),并且最好在正视图中至少近似形成一个U形线路。
5.如权利要求1至4中任一项所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,通过穿孔连接(21)与第二耦合段(25)电路连接的连接线(17a,17b)在正视图中也被如此设置,使得属于耦合段(25)的连接线(17a,17b)引至同一个基片边缘(3″),并且最好在正视图中近似形成一个U形线路。
6.如权利要求4或5所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,与一个耦合段(9)相连接的连接线(13a,13b)引至一个基片边缘(3′),而与另一个耦合段(25)电路连接的连接线(17a,17b)引至相对的基片边缘(3″)。
7.如权利要求1至3中任一项所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,耦合段(9)与相应的连接线(13a,13b)在正视图中被如此设置,使得属于耦合段(9)的连接线(13a)至少将在一个方向上离开耦合段(9)的元件最好引到一个基片边缘(3′),而第二个连接线(13b)将在相反方向上离开耦合段(9)的元件最好引至相对的基片边缘(3″)。
8.如权利要求6或7所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,两个与耦合段(9)在起始端(11a)和末端(11b)相连接的连接线(13a,13b)和相对的元件最好在相反方向上离开耦合段(9),从而最好在正视图中至少近似地形成一个Z形线路。
9.如权利要求6至8中任一项所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,通过穿孔连接(21)在耦合段(25)的起始端(27a)和末端(27b)与相对的耦合段(25)电路连接的连接线(17a,17b)和相对的元件最好在相反方向上离开耦合段(25),从而最好在正视图中至少近似地形成一个Z形线路。
10.如权利要求1至9中任一项所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,构造在基片(3)的上侧面或下侧面上的接地面(5,31)在耦合段(9,25)的区域和/或在连接线(13a,13b;17a,17b)的区域内具有空隙(7),在其中设置连接线(13a,13b;17a,17b)及耦合段(9,25)。
11.如权利要求10所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,耦合段(9,25)和/或连接线(13a,13b;17a,17b)与接地面(5,31)之间的距离对应于在耦合段(9,25)的宽度或连接线(13a,13b;17a,17b)的宽度的1.5倍至4倍之间。
12.如权利要求1至11中任一项所述的耦合器或功率分配器,其特征在于,耦合段(9,25)在垂直于基片(3)的表面看去的正视图中重叠,并且重叠区域相对两个耦合段(9,25)的宽度至少为10%,最好大于40%,或者特别是大于70%。
13.如权利要求1至12中任一项所述的耦合器和功率分配器,其特征在于,4个连接线(13a,13b;17a,17b)以共面工艺被构造。
14.如权利要求1至13中任一项所述的耦合器和功率分配器,其特征在于,两个耦合段(9,25)以悬浮基片工艺被构造。
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