DD226698A1 - Doppelrichtkoppler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die reflexionsarme richtungsabhaengige Auskopplung von Mikrowellensignalen in Systemen, die hauptsaechlich aus antipodalen Finleitungen oder Rechteckhohlleitern aufgebaut sind. Ziel der Erfindung ist es, den Einsatz von Doppelrichtkopplern mit niedrigen Uebertragungsverlusten in Rechteckhohlleitersystemen mit geringerem technischen Aufwand als bisher zu ermoeglichen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelrichtkoppler in Finleitungstechnik zu entwickeln, der eine geringe Anzahl von wesentlich vereinfachten Uebergaengen zwischen Rechteckhohlleiter und Microstrip-Leitung aufweist. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass eine ueberlappende antipodale Finleitung (1) zwischen Rechteckhohlleiterflansche ausgebildet ist und dass jeder Metallisierung der Finleitung (1) auf der Substratplatte als Koppelsektion ein Microstrip-Leitungsabschnitt (2) zugeordnet ist. Die Koppelsektionen gehen an ihren Enden in Microstrip-Leitungen (4, 5) ueber, die zur jeweiligen Hohlleiterwand fuehren. Die Erfindung kann zur getrennten Messung der vor- und ruecklaufenden Welle in der Hauptleitung, als Leistungsteiler zur Pegelregelung und zur Auskopplung von Mikrowellenenergie in den Buckinzweig von Homodynanordnungen angewendet werden. Fig. 1

Description

Doppelrichtkoppler

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur reflexionsarmen richtungsabhängigen Auskopplung von Mikrowellensignalen in Systemen, die hauptsächlich aus antipodalen Einleitungen oder Rechteckhohlleitern aufgebaut sind, sie kann angewendet werden zur getrennten Messung der vor- und rücklaufenden Wellen in der Hauptleitung (Ref1ektometeranordnung), als Leistungsteiler zur Pegelregelung und zur Auskopplung von Mikrowellenenergie in den Buckinzweig von Homodynanordnungen, wie z· B. in EPR-Spektrometern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind in Microstrip-Technik aufgebaute Riehtkoppler bekannt (Rarekar, R. and Pande, M.: MIC coupler with improved directivity using thin-film Bi₂O, overlay, IEEE Trans on Microwave Theory and Tech. Vol. MTT-25, 1977, p. 74-75). Hier lassen sich jedoch wegen der nicht symmetrischen Übertragungsstruktur Doppelrichtkoppler nicht herstel!en.

Es sind Doppelrichtkoppler in Rechteckhohlleitertechnik bekannt, z. B. in (Harvey, A.: Microwave Engineering, Academic Press, London and Uew York, 1963, Cap. 3.3), bei denen sowohl der Haupt zweig als auch der Hebenzweig als Recht-

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eckhohlleiter gestaltet sind· Zunehmend werden auch integrierte.. Mikrowellenschaltungen eingesetzt, die in Microstrip-Technik aufgebaut sind. Vielfach besteht bei vielen schon existierenden Rechteckhohlleitersystemen die Hotwendigkeit, die ausgekoppelte Mikrowellenenergie im Nebenzweig in einer Schaltung, die in Microstrip-Technik aufgebaut ist, weiter zu bearbeiten. Dafür verwendet man zwei Übergänge vom Rechteckhohlleiter auf Koaxialleitung und von Koaxialleitung auf Microstrip-Leitung. Das verteuert wesentlich die Konstruktion und führt zu zusätzlichen Verlusten der Hikrowellenenergie. Außerdem erfordert der Aufbau von Doppelrichtkopplera in Rechteckhohlleitertechnik einen hohen mechanischen Aufwand. Derartige Richtkoppler weisen große Abmessungen auf.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Einsatz von Doppelrichtkopplern mit niedrigen Übertragungsverlusten in Rechteckhohlleitersystemen mit geringerem technischen Aufwand als bisher zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelrichtkoppler in Pinieitungstechnik zu entwickeln, der eine geringe Anzahl von wesentlich vereinfachten Übergängen zwischen Rechteckhohlleiter und Microstrip-Leitung aufweist.

Erfindungsgemäß wird das bei einem Doppelrichtkoppler mit zwei als Rechteckhohlleiterflansche ausgebildeten Anschlüssen sowie Microstrip-Leitungen im Uebenzweig dadurch erreicht, daß eine überlappende antipodale Einleitung mit Übergängen auf Rechteckhohlleiter zwischen den Rechteckhohlleiterflanschen ausgebildet ist, daß jeder Metallisierung der antipodalen Pinleitung im Bereich ihrer größten Ausdehnung senkrecht zur Hohlleiterlängsachse auf der Substratplatte als Koppelsektion ein Microstrip-Leitungsabschnitt

zugeordnet ist, so daß !seide Koppelsektionen parallel zueinander, jedoch auf entgegengesetzten Seiten der Substratplatte jeweils in geringem Abstand parallel zur Kante, der sich auf der gleichen Seite der Substratplatte befindenden Metallisierung, ausgebildet sind, wobei jeweils eine der Microstrip-Leitungen über Absorber angepaßt abgeschlossen ist. Die Koppelsektionen gehen an ihren Enden in Microstrip-Leitungen über, die zur jeweiligen Hohlleiterwand führen. Der Abstand zwischen der Kante der Metallisierung und dem Microstrip-Leitungsabschnitt beträgt vorzugsweise weniger als 1 mm· Die Enden der Koppelsektionen können als Stichleitungen oder als Kondensatoren ausgebildet sein oder es können über den Koppelsektionen dielektrische Materialien angeordnet werden· Wenn nur eine Koppelsektion ausgebildet ist, kann der Doppelrichtkoppler als einzelner Richtkoppler verwendet werden· Der erfindungsgemäße Doppelrichtkoppler besitzt nur zwei Übergänge von Rechteckhohlleiter auf antipodale Einleitung, die niedrige ToIeranzanforderungen stellen und schnell und billig herzustellen sind. Die ausgekoppelten Leistungsanteile der hinlaufenden und der rücklaufenden Welle werden unmittelbar auf Microstrip-Leitungen weitergeführt. Somit sind im Uebenzweig keine weiteren Übergänge von Hohlleiter über Koaxial,- auf Microstrip-Leitung wie bisher erforderlich. Damit werden die Herstellungskosten verringert und durch den Wegfall der Übergänge gleichzeitig die elektrischen Eigenschaften verbessert. Dabei können die nachfolgenden Microstrip-Baugruppen noch im Hohlleiter angeordnet werden, womit der Aufbau verkleinert, die Übertragungseigenschaften noch zusätzlich verbessert und die Herstellungskosten weiter verringert werden.

Ausführungsbeispiel

Anhand des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.

Die Anordnung kann, wie hier im Bild gezeigt, an beiden Seiten der antipodalen Pinleitung mit Übergängen auf Rechteckhohlleiter versehen werden, so daß eine abgeschlossene Baugruppe gebildet wird. Der Richtkoppler hat folgende Eigenschaften: Eine in das Tor 1 einlaufende Welle wird mittels des Überganges 9 in eine symmetrische Pinleitungsmode transformiert und liefert Energie an die Tore 2, 4 und 6; es soll dabei jedoch keine Energie an die Tore 3 und 5 gelangen. Dabei ist vorausgesetzt, daß in die Tore 2, 4 und 6 keine Welle einläuft, d. h., daß diese Tore angepaßt abgeschlossen sind. Damit sind die Tore 3 und 5 von der einfallenden Welle entkoppelt. In gleicher Weise sind die Tore 4 und 6 von einer Welle entkoppelt, die in Tor 2 eingespeist wird. Zweckmäßigerweise werden die Tore 3 und 6 mit Absorbern angepaßt abgeschlossen. Da, der Pinieitungs-Doppelrichtkoppler vollkommen symmetrisch aufgebaut ist, erscheinen an den Toren 4 und 5 immer die gleichen Leistungsanteile entsprechend der hinlaufenden und rücklaufenden Welle auf der Hauptleitung.

Die Richtwirkung der Koppelsektionen, bestehend aus antipodaler Pinleitung und Microstrip-Leitung, wird durch die Theorie der gekoppelten Leitungen erklärt. Das elektromagnetische PeId der gekoppelten Leitungen kann durch zwei spezielle Zustände charakterisiert werden, indem die Welle auf der gekoppelten Leitung in eine Gleichtaktwelle (even-Mode) und eine Gegentaktwelle (odd-Mode) zerlegt wird. Im Bild 2a ist der Peldlinienverlauf der elektrischen Feldstärke für den Gleichtaktbetrieb mit gleichem Potential der Microstrip-Leitungen und der ihnen zugeordneten .Metallisierung der antipodalen Pinleitung dargestellt. Bild 2 b zeigt den Gegentaktbetrieb, bei dem die Microstrip-Leitungen und die ihnen zugeordneten Metallisierungen der antipodalen Pinleitung entgegengesetztes Potential aufweisen. Sind die Phasengeschwindigkeiten der beiden Moden gleich, ergibt sich bei einer Länge der Koppelsektion von Λ/4 im Tor 3 eine

4 Hierin zeigen:

Pig. 1 Einen Finleitungs-Doppelrichtkoppler (Vorder-, seite) mit Rechteckhohlleiteranschlüssen, teilweise im Schnitt,

Pig. 2 Querschnitt der Koppelsektion

a.) Feldbild der elektrischen Feldstärke des geraden Wellentyps

b) Peldbild der elektrischen Feldstärke des ungeraden Wellentyps

Die Fig. 1 zeigt im Prinzip eine zweckmäßige Konstruktion eines Finleitungs-Doppelrichtkopplers entsprechend der Erfindungsoffenbarung· Der Finleitungs-Doppelrichtkoppler besteht aus zwei Koppelsektionen, die parallel zueinander angeordnet sind. Die erste Koppelsektion dient zur Auskopplung eines Anteils der hinlaufenden Welle, die in Tor 1 eingespeist wird. Sie befindet sich auf der Substratoberseite. Mit der zweiten Koppelsektion wird ein Anteil der rücklaufenden, d. h. der in Tor 2 eingespeisten Welle ausgekoppelt. Diese Koppelsektion befindet sich auf der Substratunterseite. Da beide Koppelsektionen den gleichen Aufbau haben, wird im folgenden nur die Anordnung auf der Substratoberseite näher erläutert. Die Koppelsektion besteht aus einem etwa. J)/4 langen Microstrip-Leitungsstreifen 2,

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der in geringem Abstand parallel zur oberen Metallisierung 3 der überlappenden Finleitung 1 verläuft. Λ ist die Leitungswellenlänge der Mittenfrequenz des zu übertragenden Frequenzbandes. Die beiden Enden dieses Abschnittes werden weiter ausgebildet als Microstrip-Leitungen 4 und 5, die zu den Microstrip-Baugruppen zur Weiterverarbeitung der Signale führen können, oder, wie im vorliegenden Beispiel gezeigt, Mikrowellenenergie an den koaxialen Stecker 6 und den Absorber 7 liefern· Die untere Metallisierung 8 der überlappenden antipodalen Finleitung 1 dient gleichzeitig als Massemetallisierung der Microstrip-Leitungen 4 und 5.

Auslösclrung aller von Tor 1 eingespeisten Leistungsanteile· Entsprechend sind auch Tor 5 und Tor 2 voneinander entkoppelt· Beim Vergleich der Bilder 2 a und 2 b ist jedoch zu erkennen, daß im Pail des ungeraden Wellentyps ein größerer Energieanteil des elektromagnetischen Peldes im Luftbereich gespeichert wird als im Pail des geraden Wellentyps, d. h· die Phasengeschwindigkeiten, mit denen sich die Wellen des geraden und ungeraden Wellentyps ausbreiten, sind unterschiedlich und verschlechtern das Verhalten des Richtkopplers. Eine Verbesserung läßt sich durch verschiedene Kompensationsmaßnahmen erzielen· So bewirken die leerlaufenden gekoppelten Leitungsstücke 11 (Bild T) eine Verlängerung der Hauptkoppelstrecke sowohl für den geraden als auch für den ungeraden Wellentyp. Durch die geeignete Wahl der Wellenwiderstände dieser zusätzlichen Leitungsstücke wird der ungerade Wellentyp jedoch stärker beeinflußt als der gerade. Somit wird die Richtwirkung der Richtkoppler etwas verbessert. Ebenso läßt sich durch Aufbringen einer zusätzlichen dielektrischen Schicht auf die Koppelsektion oder durch kapazitive Belastung der Enden der Koppelsektion gleichfalls eine Verbesserung des Richtkopplerverhaltens erzielen.

Aus Pig. 2 b wird ersichtlich, daß die antipodale Pinleitung einen symmetrischen Leitungstyp darstellt. Die elektrische Wand verläuft in der Mitte des Substrates, wodurch der Aufbau des symmetrischen Doppelrichtkopplers praktisch möglich wird. Dabei haben beide Metallisierungen entgegengesetzte Potentiale. In Richtung zur Hohlleiterwand aber, kurz hinter dem Überlappungsbereich nimmt das elektrische PeId schnell ab und beide Metallisierungen liegen HP-mäßig auf Hullpotential, d. h. die Metallisierungen werden zur Massefläche für die Microstrip-Leitungen·

Claims (4)

Erfindungsanspruch

1. Doppelrichtkoppler mit zwei als Rechteckhohlleiterflansche ausgebildeten Anschlüssen sowie Microstrip-Leitungen im Uebenzweig, gekennzeichnet dadurch, daß eine überlappende antipodale Pinleitung (1) mit Übergängen auf Rechteckhohlleiter (9,10) zwischen den Rechteckhohlleiterflanschen ausgebildet ist, daß jeder Metallisierung der antipodalen Einleitung (1) im Bereich ihrer größten Ausdehnung senkrecht zur Hohlleiterlängsachse auf der Substratplatte als Koppelsektion ein Microstrip-Leitungsabschnitt (2 ) zugeordnet ist, so daß beide Koppelsektionen parallel zueinander, jedoch auf entgegengesetzten Seiten der Substratplatte jeweils in geringem Abstand parallel zur Kante der sich auf der gleichen Seite der Substratplatte befindenden Metallisierung ausgebildet sind und daß die Koppelsektionen an ihren Enden in Microstrip-Leitungen (4,5) übergehen, die zur jeweiligen Hohlleiterwand führen, wobei jeweils eine der Microstrip-Leitungen über Absorber angepaßt abgeschlossen ist und die andere zu einem Anschlußstecker führt.

2. Doppelrichtkoppler nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand zwischen der Kante der Metallisierung und dem Microstrip-Leitungsabschnitt jeweils weniger als 1 mm beträgt·

3· Doppelrichtkoppler nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Enden der Koppelsektionen als Stichleitungen (11) oder als Kondensatoren ausgebildet sind, bzw. dielektrische Materialien über den Koppelsektionen ausgebildet sind.

4· Doppelrichtkoppler nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß nur eine Koppelsektion ausgebildet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen