CZ20033210A3

CZ20033210A3 - Power divider with differential outputs

Info

Publication number: CZ20033210A3
Application number: CZ20033210A
Authority: CZ
Inventors: Karel Prof. Ing. Csc. Hoffmann; Vratislav Ing. Sokol
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze Fakulta Elekt
Priority date: 2003-11-24
Filing date: 2003-11-24
Publication date: 2005-06-15
Also published as: CZ295297B6

Abstract

In the present invention, there is disclosed a power divider with differential outputs intended for measuring differential circuits and differential applications wherein the power divider consists of at least one pair of conductors, i.e. a first conductor (1) and a second conductor (2) that are supported on a dielectric substrate (3) and are located opposite to each another, on either side of this dielectric substrate (3), and which are located in a box (4) having electrically conducting walls. Both the first conductor (1) and the second conductor (2) are connected on one side with an input port (5) that is electrically unsymmetrical relative to ground, whereby one of the conductors (1) and (2) is connected with ground by a ground terminal of the input port (5) while the second of the conductors (1) and (2) is connected with a live conductor of the input port (5). On the other side, there is at least one first conductor (1) and at least one second conductor (2) connected with a live conductor of a corresponding first output line (6), respectively a second output line (7) that are unsymmetrical relative to ground and terminated by a first, respectively a second output port (8) and (9). The electrically conducting walls of the box (4) are connected with ground electrodes of the input port (5), the first output port (8) and the second output port (9). Said box (4) is provided with means for damping electromagnetic field accordant mode.

Description

Vynález se týká děliče výkonu s diferenčními, tedy protifázovými, výstupy, zejména pro oblast radiofrekvenčních a mikrovlnných obvodů.The invention relates to a power divider with differential, i.e., anti-phase, outputs, in particular for the field of radio frequency and microwave circuits.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Dosud známé děliče výkonu s diferenčními výstupy používají pro vytvoření dvou výstupních protifázových signálů transformátor nebo využívají čtvrtvlnné či půlvlnné úseky vedení.The previously known differential output power dividers use a transformer to produce two output anti-phase signals, or use quarter- or half-wave line sections.

V prvním případě je z materiálových a technologických důvodů jejich kmitočtové pásmo použití omezeno shora kmitočtem o velikosti zhruba 2*3 GHz.In the first case, for material and technological reasons, their frequency range of use is limited from above by a frequency of about 2 * 3 GHz.

Děliče výkonu využívající k získání dvou protifázových signálů čtvrtvlnné či půlvlnné úseky vedení mohou sice pracovat na kmitočtech až desítek GHz, šířka jejich frekvenčního pásma je však vzhledem ke kmitočtové závislosti elektrické délky použitých úseků vedení omezena na rozsah zhruba jedné oktávy.Although power splitters using two-phase or half-waveguide line sections can operate at frequencies up to tens of GHz to obtain two anti-phase signals, their frequency bandwidth is limited to approximately one octave due to the frequency dependence of the electrical length of the line sections used.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny děličem výkonu s diferenčními výstupy podle vynálezu pro měření diferenčních obvodů i obvodové aplikace. Jeho podstatou je, že sestává z úseku vázaného vedení tvořeného alespoň jedním párem vodičů, a to prvním vodičem a druhým vodičem, které jsou neseny dielektrickým substrátem. Vodiče jednoho páru jsou na dielektrickém substrátu umístěny proti sobě, každý zjedné strany tohoto dielektrického substrátu, a jsou umístěny ve schránce s elektricky vodivými stěnami. Vodiče jsou spojené na jedné straně se vstupní bránou, která je vůči zemi elektricky nesymetrická. Jeden z vodičů je spojen se zemní svorkou vstupní brány a druhý je spojen se živým vodičem vstupní brány. Na druhé straně je alespoň jeden první vodič a alespoň jeden druhý vodič spojen s živým vodičem, vůči zemi elektricky nesymetrického, příslušného prvního respektive druhého výstupního vedení zakončeného první respektive druhou výstupní bránou. Elektricky vodivé stěny schránky jsou spojeny se zemními elektrodami vstupní brány a první a druhé výstupní brány a tato schránka je opatřena prostředkem pro tlumení souhlasného vidu elektromagnetického pole. Tento prostředek pro tlumení souhlasného vidu může být tvořen útlumovým materiálem, který vyplňuje alespoň část objemu schránky nebo řadou diskrétních součástek.The above drawbacks are overcome by the power divider with differential outputs according to the invention for measuring both differential circuits and circuit applications. Its essence is that it consists of a wired section consisting of at least one pair of conductors, the first conductor and the second conductor, which are supported by a dielectric substrate. The conductors of one pair are located opposite each other on the dielectric substrate, each side of the dielectric substrate, and are housed in a receptacle with electrically conductive walls. The wires are connected on one side to the entrance gate, which is electrically unbalanced to the ground. One of the wires is connected to the input gate ground terminal and the other is connected to the live input gate wire. On the other hand, the at least one first conductor and the at least one second conductor are connected to a live conductor, electrically unsymmetrical to the ground, respectively of the first and second output lines respectively, terminated by the first and second output gates respectively. The electrically conductive walls of the receptacle are connected to the ground electrodes of the entrance gate and the first and second exit gateways, and the receptacle is provided with means for attenuating the common mode electromagnetic field. The common mode attenuation means may be comprised of attenuation material that fills at least a portion of the volume of the receptacle or a series of discrete components.

Ve výhodném provedení jsou výstupní vedení mikropásková vedení a vodiče jsou na ně připojeny prostřednictvím kolmého přechodu ve tvaru Τ. V jedné možné variantě se vodiče ve směru od vstupní brány zužují.In a preferred embodiment, the output lines are microstrip lines and the wires are connected thereto by a přechodu-shaped perpendicular transition. In one possible variant, the conductors taper in the direction away from the entrance gate.

V praxi budou vodiče k vstupní bráně a k první a druhé výstupní bráně s výhodou připojeny koaxiálními konektory.In practice, the wires to the input gate and to the first and second output gate will preferably be connected by coaxial connectors.

Výhodné rovněž je, jsou-li výstupní vedení identická a jsou umístěna symetricky vzhledem k rovině symetrie vodičů tvořících úsek vázaného vedení.It is also advantageous if the output lines are identical and located symmetrically with respect to the symmetry plane of the conductors forming the section of the coupled line.

Sestává-li se dělič z více než jednoho páru prvního a druhého vodiče, jsou na vstupní straně konce prvních vodičů a konce druhých vodičů sloučeny vždy do jednoho společného vodiče, kterým jsou připojeny na zemní svorku respektive na živý vodič vstupní brány. V tomto případě na výstupu je alespoň jeden z vodičů druhého a dalších párů vodičů buď bezodrazově zakončen, nebo připojen na další výstupní brány.If the divider consists of more than one pair of the first and second conductors, at the inlet side the ends of the first conductors and the ends of the second conductors are each combined into one common conductor by which they are connected to the ground terminal or the live conductor of the entrance gate. In this case, at the output, at least one of the conductors of the second and other pairs of conductors is either non-reflective terminated or connected to other output gates.

Hlavní předností děliče výkonu s diferenčními výstupy podle vynálezu je, že jeho součástí není žádný rezonanční prvek jehož rozměry by byly odvozeny od vlnových délek elektromagnetických vln šířících se uvnitř struktury. To znamená, že jeho vlastnosti nejsou v principu limitovány směrem k vyšším kmitočtům.The main advantage of the power divider with differential outputs according to the invention is that it does not include any resonant element whose dimensions would be derived from the wavelengths of the electromagnetic waves propagating within the structure. This means that its properties are in principle not limited to higher frequencies.

Přehled obrázků,/7«? výkrexaci)Picture overview, / 7 «? vykrexaci)

Dělič výkonu s diferenčním výstupem podle vynálezu je blíže popsán pomocí přiloženého obrázku.A power divider with a differential output according to the invention is described in more detail by means of the attached figure.

Příklad/provedení vynálezuExample / Embodiment of the Invention

Dělič výkonu s diferenčními výstupy podle uváděného příkladu sestává pro jednoduchost pouze z úseku vázaného vedení tvořeného prvním vodičem 1 a druhým vodičem 2 a je realizován v kovové schránce 4, v tomto případě s rozměry 34x21x74 mm. První vodič 1_ a druhý vodič 2 vázaného vedení jsou neseny dielektrickým substrátem 3, zde tloušťky 0,254 mm s relativní permitivitou 2,33 a jsou umístěny proti sobě, každý z jedné strany tohoto dielektrického substrátu 3. Stejný dielektrický s ubstrát 3 je použit i pro obě výstupní vedení, tedy pro první výstupní vedení 6 a druhé výstupní vedení 7, vedoucí k první výstupní bráně 8 a ke druhé výstupní bráně 9. První výstupní vedení 6 a druhé výstupní vedení 7 jsou s výhodou mikropásková a jsou, jakož i vstupní brána 5, vůči zemí elektricky nesymetrická. V uváděném příkladě mají první vodič i a druhý vodič 2 tvar pásku, jehož šířka se směrem od vstupní brány 5 zužuje. Vstupní brána 5, první výstupní brána 8 a druhá výstupní brána 9 jsou v uvedeném příkladě opatřeny třemi koaxiálními konektory typu SMA 50Ω. Vnitřní stěny kovové schránky 4 jsou pokryty útlumovým materiálem 10, například materiálem ARC-LS-10211 firmy ARC Technologies. První výstupní vedení 6 a druhé výstupní vedení 7 jsou s vázaným vedením propojena kolmým přechodem 11 ve tvaru T.For simplicity, the power divider with the differential outputs according to the present example consists only of a section of the coupled line formed by the first conductor 1 and the second conductor 2 and is realized in a metal box 4, in this case with dimensions 34x21x74 mm. The first conductor 7 and the second conductor 2 of the stranded conductor are carried by a dielectric substrate 3, here a thickness of 0.254 mm with a relative permittivity of 2.33 and placed opposite each other on each side of this dielectric substrate 3. The same dielectric with the substrate 3 is used for both an output line, i.e. for the first output line 6 and the second output line 7, leading to the first output gate 8 and to the second output gate 9. The first output line 6 and the second output line 7 are preferably microstrip and are as well as the input gate 5, electrically unsymmetrical to the ground. In the present example, the first conductor 1 and the second conductor 2 are in the form of a strip whose width narrows away from the entrance gate 5. The gateway 5, the first gateway 8 and the second gateway 9 are provided with three SMA 50Ω coaxial connectors in the example. The inner walls of the metal box 4 are covered with attenuation material 10, such as ARC-LS-10211 of ARC Technologies. The first output line 6 and the second output line 7 are connected to the coupled line by a T-shaped perpendicular transition 11.

Princip činnosti děliče výkonu s diferenčními výstupy podle vynálezu je následující.The principle of operation of a power divider with differential outputs according to the invention is as follows.

Přenosová struktura vázaného vedení umožňuje přenášet elektromagnetické pole pomocí dvou vidů, tzv. souhlasného vidu, neboli common mode, a diferenčního vidu, neboli differential mode. V případě děliče výkonu s diferenčními výstupy podle uváděného řešení jsou oba vidy prostorově odděleny. V prostoru mezi prvním vodičem 1 a druhým vodičem 2 vázaného vedení v dielektrickém substrátu 3 se dominantně šíří diferenční vid. Souhlasný vid se pak dominantně šíří mezi prvním vodičem 1 a druhým vodičem 2 a stěnami kovové schránky 4 a je silně tlumen vloženým útlumovým materiálem 10. Vázané vedení je navrženo tak, aby mělo impedanci diferenčního vidu v místě připojení na SMA konektor rovnou impedanci tohoto konektoru, zde tedy 5^i. Tato podmínka se zabezpečuje výpočtem s přihlédnutí k příčným rozměrům jednotlivých prvků děliče, tedy pásků, tvořících vázané vedení a dielektrického substrátu 3, a k permitivitě tohoto dielektrického substrátu 3. Impedance souhlasného vidu by měla být co největší. Tato volba impedancí zajišťuje, že energie vstupující vstupní branou 5 se do vázaného vedení přetransformuje dominantně v podobě diferenčního vidu. Pouze menší část vstupního energie je přetransformována do souhlasného vidu a ta je pohlcena v útlumovém materiálu 10. Na výstupu vázaného vedení je tak pouze diferenční vid, který je kolmým přechodem 11 ve tvaru T, kde tento kolmý přechod 11 je symetrický, rozdělen na dvě stejné části do mikropáskových výstupních vedení, tedy do prvního výstupního vedení 6 a do druhého výstupního vedení 7. Kolmý přechod 11 tvaru T zároveň zajišťuje vybuzení signálů na prvním výstupním vedení 6 a na druhém výstupním vedení 7 v protifázi. Impedance diferenčního vidu 100|ω na výstupu vázaného vedení zajišťuje bezodrazové připojení vázaného vedení na první výstupní vedení 6 a na druhé výstupní vedení 7 se shodnou impedancí 5CÍjp.The transmission structure of the coupled line allows the transmission of the electromagnetic field by means of two modes, the so-called common mode, or differential mode. In the case of a power divider with differential outputs according to the present solution, the two modes are spatially separated. In the space between the first conductor 1 and the second conductor 2 of the coupled line in the dielectric substrate 3, the differential mode propagates predominantly. The common mode then predominantly propagates between the first conductor 1 and the second conductor 2 and the walls of the metal box 4 and is strongly damped by the insertion damping material 10. The bound line is designed to have a differential mode impedance at the point of connection to the SMA connector equal to the impedance of this connector. here 5 ^ i. This condition is ensured by calculation taking into account the transverse dimensions of the individual elements of the divider, i.e. the strips forming the coupled line and the dielectric substrate 3, and the permittivity of this dielectric substrate 3. The impedance of the common mode should be as high as possible. This impedance selection ensures that the energy entering through the gate 5 is transformed into the coupled line dominantly in the form of a differential mode. Only a minor part of the input energy is transformed into a common mode and it is absorbed in the attenuation material 10. The output of the coupled line is thus only a differential mode, which is a T-shaped perpendicular transition 11, where this perpendicular transition 11 is symmetrical, divided into two equal. The T-shaped perpendicular transition 11 also provides an excitation of the signals on the first output line 6 and on the second output line 7 in counter-phase. The impedance of the differential mode 100 ω at the output of the coupled line provides an anechoic connection of the coupled line to the first output line 6 and to the second output line 7 with the same impedance 5CIjp.

Navržený způsob konstrukce děliče výkonu s diferenčním výstupem byl ověřen realizací. V kmitočtovém pásmu 5 až 26 GHz bylo dosaženo amplitudově identických výstupních signálů s odchylkou nepřesahujících 0,8 dB, přičemž fázová odchylka nepřesahoval^: 5^ od požadovaných 180°. Průchozí útlum mezi vstupní branou 5 a jednou výstupní branou, tedy první výstupní branou 8 nebo druhou výstupní branou 9, byl v rozsahu 4 až 6 dB. Koeficient odrazu na všech bránách byl menší než -16 dB. Kmitočtové omezení na 26 GHz nebylo způsobeno vlastnostmi samotného děliče výkonu podle vynálezu, ale mezním kmitočtem použitých SMA konektorů.The proposed method of construction of power divider with differential output was verified by realization. In the 5 to 26 GHz frequency band, amplitude-identical output signals were obtained with a deviation not exceeding 0.8 dB, with a phase deviation not exceeding:: 5 od from the desired 180 °. The pass-through attenuation between the entrance gate 5 and one exit gate, i.e. the first exit gate 8 or the second exit gate 9, was in the range of 4 to 6 dB. The reflection coefficient at all gates was less than -16 dB. The frequency limitation to 26 GHz was not due to the characteristics of the power divider according to the invention, but to the cut-off frequency of the SMA connectors used.

Pokud je střední část děliče složena z více jak jednoho páru prvního vodiče 1 a druhého vodiče 2, musí být na vstupu nějakým způsobem, například pomocí neselektivního děliče/rozbočovače, sloučeny do dvou vodičů a posléze připojeny na živý a zemní vodič vstupního brány 5. Na výstupní straně se použijí v případě, že se jedná o dělič 1:2, pouze dva vodiče 1 a 2, které leží na opačných stranách dielektrického substrátu 3. Ostatní vodiče 1 a 2 jsou buď bezodrazově zakokončeny, nebo vhodným způsobem zkombinovány, popř. se využívá obou těchto možností. Není však vyloučeno, že se použijí všechny vodiče i a 2 na výstupní straně a dělič se změní na n+1 bran, přičemž n je počet výstupních bran, kde každé dvě dvojice poskytují diferenční signály. Výhodná kombinace je zejména pro čtyři vodiče, neboť zde nedochází k impedanční transformaci a je tedy ještě možné rozšířit kmitočtové pracovní pásmo.If the central part of the divider consists of more than one pair of the first conductor 1 and the second conductor 2, they must be combined at the input in some way, for example by a non-selective divider / splitter, into two conductors In the case of a 1: 2 divider, only two conductors 1 and 2, which lie on opposite sides of the dielectric substrate 3, are used. The other conductors 1 and 2 are either terminated without reflection or combined in a suitable manner, respectively. using both of these options. However, it is not excluded that all wires i and 2 on the output side are used and the divider is changed to n + 1 gates, where n is the number of output gates, where every two pairs provide differential signals. The combination is particularly advantageous for four conductors, as there is no impedance transformation and it is therefore possible to extend the frequency bandwidth.

Prostor mezi prvním vodičem 1 a druhým vodičem 2 vázaného vedení a elektricky vodivými stěnami schránky 4 je vdaném příkladě alespoň částečně vyplněn útlumovým materiálem 10 tlumícím souhlasný vid elektromagnetické pole. Tlumení souhlasného vidu lze však zajistit i řadou diskrétních součástek, např. čipových rezistorů.In the example, the space between the first conductor 1 and the second conductor 2 of the coupled line and the electrically conductive walls of the box 4 is at least partially filled with attenuation material 10 attenuating the common mode electromagnetic field. However, common mode damping can also be provided by a number of discrete components, such as chip resistors.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Dělič výkonu s diferenčními výstupy lze průmyslově využít v měřicí technice např. pro měření vysokofrekvenčních a mikrovlnných diferenčních obvodů. Dále je dělič výkonu použitelný např. v širokopásmových směšovačích, frekvenčních násobičích, zesilovačích, při napájení anténních řad.The power divider with differential outputs can be used industrially in measuring technology, eg for measuring high frequency and microwave differential circuits. Furthermore, the power divider can be used, for example, in broadband mixers, frequency multipliers, amplifiers, in the supply of antenna series.

Claims

A power divider with differential outputs for measuring both differential circuits and circuit applications, characterized in that it consists of a wired section comprising at least one pair of conductors, a first conductor (1) and a second conductor (2) carried by a dielectric substrate (3) and located opposite to each other of said dielectric substrate (3) and located in a housing (4) with electrically conductive walls, said conductors (1) and (2) being connected on one side to the inlet a gate (5) which is electrically unbalanced to the ground, one of the conductors (1) and (2) being connected to the ground terminal of the entrance gate (5) and the other of the conductors (1) and (2) being connected to the live input conductor and, on the other hand, the at least one first conductor (1) and the at least one second conductor (2) are connected to a live conductor, corresponding to the electrically unsymmetrical ground, of the respective first output line (6) and d respectively. a conductor outlet line (7) terminated by a first outlet gate (8) and a second outlet gate (9), the electrically conductive walls of the receptacle (4) being connected to the ground electrodes of the entrance gate (5), the first outlet gate (8) and the second outlet gate (9) and said receptacle (4) is provided with means for attenuating the electromagnetic field common mode.

Divider according to claim 1, characterized in that the means for attenuating the common mode is constituted by the attenuating material (10) which fills at least a part of the volume of the receptacle (4).

3. A divider according to claim 1, wherein the means for attenuating the common mode is a series of discrete components.

Splitter according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the first output line (6) and the second output line (7) are microstrip lines and the first conductor (1) and the second conductor (2) are connected thereto by a perpendicular T-shaped transition (II)

Divider according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the first conductor (1) and the second conductor (2) taper in the direction away from the entrance gate (5).

A divider according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the first conductor (1) and the second conductor (2) are to the entrance gate (5), to the first exit gate (8) and to the second exit gate (9) connected with coaxial connectors.

A divider according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the first output conduit (6) and the second output conduit (7) are identical and located symmetrically with respect to the scrub symmetry of the first conductor (1) and the second conductor (2) forming wiring section.

A divider according to any one of claims 1 to 7, characterized in that if there are more than one pair of the first and second conductors (1) and (2), the ends of the first conductors (1) and the ends of the second conductors (1) are 2) they are combined into one common conductor, by which they are connected to the ground terminal or to the live conductor of the entrance gate (5).

A splitter according to claim 8, characterized in that at the outlet at least one of the conductors (1, 2) of the second and further pairs of conductors is terminated without reflection.

A divider according to claims 8 or 9 _; characterized in that at the outlet at least one of the conductors (1, 2) of the second and further pairs of conductors is connected via a further output conduit to another output port.