DE102010046746B4

DE102010046746B4 - Elektrisches Dämpfungsglied

Info

Publication number: DE102010046746B4
Application number: DE102010046746.4A
Authority: DE
Inventors: Maik Schäfer; Christoph Schwörer; Libo Huang
Original assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: DE102010046746A1

Abstract

Elektrisches Dämpfungsglied (10) mit
einer Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur, die ein Eingangstor (12) und zwei Ausgangstore (14, 16) aufweist,
einem Abschlusswiderstand (18) und
einem Anpassnetzwerk (20),
wobei das Anpassnetzwerk (20) zwischen ein erstes Ausgangstor (14) der Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur und einen ersten Anschluss (22) des Abschlusswiderstands (18) geschaltet ist, so dass das erste Ausgangstor (14) im Wesentlichen reflexionsfrei abgeschlossen ist,
und wobei das Eingangstor (12) als Eingang für hochfrequente elektrische Signale und das zweite Ausgangstor (16) als Ausgang für die gedämpften hochfrequenten elektrischen Signale vorgesehen sind und das Anpassnetzwerk (20) zum Kompensieren von parasitäten Elementen des Abschlusswiderstands (18) ausgebildet ist, wobei
das Anpassnetzwerk (20) eine oder mehrere Leitungen aufweist, wobei die eine oder mehreren Leitungen als Mikrostreifenleitungen ausgebildet sind, und
der Abschlusswiderstand (18) und ein Widerstand (26) der Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur SMD-Widerstände sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Dämpfungsglied gemäß Anspruch 1.
Elektrische Dämpfungsglieder sind aus Widerständen aufgebaute Schaltungsstrukturen, die zum Abschwächen von Signalpegeln verwendet werden. Ein einfaches Beispiel eines elektrischen Dämpfungsglieds ist ein Spannungsteiler. Bei hohen Signalfrequenzen muss bei elektrischen Dämpfungsgliedern auf eine Impedanzanpassung geachtet werden. Bekannte Schaltungsstrukturen für Dämpfungsglieder mit gleicher Ein- und Ausgangsimpedanz sind Pi- und T-Strukturen. Bei Frequenzen ab einigen Gigahertz sind jedoch konventionelle resistive Dämpfungsglieder wie mit SMD (Surface Mounted-Device)-Bauteilen aufgebaute Pi- oder T-Strukturen immer schwieriger zu realisieren. Alternativ können (ungehäuste) Chip-Bauelemente verwendet werden. „Konzentrierte“ Bauelemente in SMD-Technik sind aufgrund parasitärer Effekte bei hohen Frequenzen nicht mehr sinnvoll einsetzbar. Chip-Bauelemente hingegen sind teuer und müssen auf die HF (Hochfrequenz)-Leiterplatte gebondet werden. Dies erfordert besondere Leiterplattenoberflächen, beispielsweise Gold, und einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt.
In der US 7 276 989 B2 wird der grundlegende Einsatz von Leistungsteilern mit Streifenleitungselementen und Widerständen als Dämpfungsglied beschrieben. Ein nach dem darin beschriebenen Prinzip aufgebautes Dämpfungsglied wird aber bei Frequenzen oberhalb von 15 (20) GHz nicht mehr ausreichend gut funktionieren.
DE 27 33 888 C2 zeigt einen Wilkinson-Teiler zum Aufteilen und Zusammenführen von Hochfrequenzleistung. Die Leistungsanpassung der Schaltung wird dabei durch ein Lambda/4 langes Leistungsstück vor dem Summationspunkt erreicht, das als gemeinsame Leistungstransformationsstufe für alle Ausgänge wirkt.
US 5 650 756 A ziegt eine Hochfrequenzteilungs- oder -kopplungsschaltung, die auf einem dielektrischen Material laminiert ist. Durch die laminierte Struktur kann der Einfluss der kapazitiven Effekte verringert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektrisches Dämpfungsglied für hohe Signalfrequenzen, insbesondere für Frequenzen oberhalb von 15 (20) GHz vorzuschlagen, das zudem kostengünstig zu realisieren ist.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Dämpfungsglied mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, einen Wilkinson-Teiler als elektrisches Dämpfungsglied zu verwenden und ein Tor des Wilkinson-Teilers reflexionsfrei abzuschließen. Um in der Praxis dem reflexionsfreien Abschluss möglichst nahe zu kommen, ist zwischen einem Abschlusswiderstand und einem Tor des Wilkinson-Teilers ein Anpassnetzwerk einzusetzen. Der Wilkinson-Teiler ist in der US 3 091 743 A beschrieben. Die Verwendung eines Wilkinson-Teilers als Dämpfungsglied mit einem Anpassnetzwerk, das beispielsweise durch mindestens eine zusätzliche und vor dem Widerstand des Wilkinson-Teilers eingefügte Leitung gebildet sein kann, lässt sich mit konventionellen SMD-Widerständen realisieren, die sehr preiswert sind. Die Performance in Bezug auf Eingangsanpassung und Frequenzgang ist bei hohen Frequenzen wesentlich besser als bei herkömmlichen Pi- oder T-Dämpfungsgliedern. Insbesondere kann mit der Erfindung ein auch bei Frequenzen oberhalb von 15 (20) GHz gut funktionierendes Dämpfungsglied mit kostengünstigen SMD-Widerständen geschaffen werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein elektrisches Dämpfungsglied mit einer Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur, die ein Eingangstor und zwei Ausgangstore aufweist, einem Abschlusswiderstand und einem Anpassnetzwerk. Das Anpassnetzwerk ist zwischen ein erstes Ausgangstor der Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur und einen ersten Anschluss des Abschlusswiderstands geschaltet, so dass das erste Ausgangstor im Wesentlichen reflexionsfrei abgeschlossen ist. Der zweite Anschluss des Abschlusswiderstands kann im Betrieb des Dämpfungsglieds beispielsweise auf einem Bezugspotential liegen. Das Eingangstor ist als Eingang für hochfrequente elektrische Signale und das zweite Ausgangstor ist als Ausgang für die gedämpften hochfrequenten elektrischen Signale vorgesehen, und das Anpassnetzwerk ist zum Kompensieren von parasitären Elementen des Abschlusswiderstands ausgebildet. Hierdurch kann auch bei hohen Frequenzen oberhalb von 15 (20) GHz, insbesondere bei 25 GHz, ein gut funktionierendes Dämpfungsglied erhalten werden. Vor allem bei derart hohen Frequenzen treten Effekte parasitärer Elemente wie beispielsweise des Abschlusswiderstands in den Vordergrund und können die Wirkung des Dämpfungsglieds verschlechtern. Durch das Anpassnetzwerk lassen sich die Effekte solcher parasitären Elemente insbesondere des Abschlusswiderstands kompensieren. Das Ein- und Ausgangstor des erfindungsgemäßen elektrischen Dämpfungsglieds können auch reziprok verwendet werden, so dass der Ein- zum Ausgang und umgekehrt wird. Hierbei bleiben Funktion und Eigenschaften des Dämpfungsglieds nahezu unberührt.
Das Anpassnetzwerk weist eine oder mehrere Leitungen auf, die als Mikrostreifenleitungen ausgebildet sind. Bei den hohen Frequenzen, mit den das erfindungsgemäße Dämpfungsglied typischerweise betrieben wird, können (eine) Leitung(en) ausreichen, um die Effekte der parasitären Elemente des Abschlusswiderstands kompensieren zu können.
Insbesondere sind der Abschlusswiderstand und ein Widerstand der Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur SMD-Widerstände. SMD-Widerstände besitzen gegenüber konventionellen Widerständen den Vorteil, dass sie wesentlich kostengünstiger und kleiner sind. Allerdings zeigen sie bei den hohen Betriebsfrequenzen des erfindungsgemäßen Dämpfungsglieds aufgrund ihrer parasitären Elemente negative Effekte, die nun mit der Erfindung durch das Anpassnetzwerk kompensiert werden können. Solche parasitären Elemente sind z.B. in der Veröffentlichung „Frequency Response of Thin Film Chip Resistors", Robert S Johnson, Charles Wakeman und William Cuviello, vom 4. Februar 2009 (abrufbar im Internet unter http://www.vishay.com/docs/60107/freqresp.pdf) beschrieben (siehe insbesondere 3 in dieser Veröffentlichung).
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem/den in der/den Zeichnung(en) dargestellten Ausführungsbeispiel(en).
In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in der/den Zeichnung(en) werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
Die Zeichnung(en) zeigt/zeigen in

1 einen Wilkinson-Teiler nach dem Stand der Technik;
2 ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Dämpfungsglieds mit Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur gemäß der Erfindung; und
3 ein Ausführungsbeispiel eines Anpassnetzwerks gemäß der Erfindung.

Im Folgenden können gleiche und/oder funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Im Folgenden angegebene absolute Werte und Maßangaben sind nur beispielhafte Werte und stellen keine Einschränkung der Erfindung auf derartige Dimensionen dar.
Ein Wilkinson-Teiler nach dem Stand der Technik ist im einfachsten Fall symmetrisch und einstufig ausgeführt, wie der in 1 gezeigte Teiler, der aus Leitungselementen mit bestimmter Impedanz Z_L und einem Widerstand R₁ besteht. Bei der Funktion als symmetrischer Teiler wird die Leistung von Tor 1 auf die Tore 2 und 3 aufgeteilt (je - 3 dB). In der Praxis werden 3.5 ... 4 dB aufgrund von Leitungsdämpfungen und parasitären Elementen des Widerstandes R₁ erhalten.
Wird der Wilkinson-Teiler erfindungsgemäß wie anhand eines in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels als Dämpfungsglied 10 in einem 50 Ω-System eingesetzt, ist das Ausgangstor 14 des Wilkinson-Teilers mit einer entsprechend angepassten Impedanz 18, beispielsweise R₂ = 50 Ω, abzuschließen. Hierzu wird das Ausgangstor 14 reflexionsarm bei der Betriebsfrequenz des Teilers abgeschlossen. Dies kann beispielsweise über die Impedanz 18 auf ein Bezugspotential, typischerweise Masse GND, geschehen. Hochfrequente und zu dämpfende Signale werden dem Eingangstor 12 zugeführt. Die gedämpften Signale stehen am Ausgangstor 16 zur Verfügung.
Ein- und Ausgangstor können auch reziprok verwendet werden. Dabei wird der Ein- zum Ausgang und umgekehrt. Die Funktion und Eigenschaften bleiben davon unberührt.
Je nach Größe der parasitären Elemente des Abschlusswiderstandes 18 wird ein entsprechend angepasstes Anpassnetzwerk 20 zwischen das Ausgangstor 14 und die Abschlussimpedanz 18 geschaltet, um die Eigenschaften in Bezug auf Eingangsanpassung am Eingangstor 12 und am Ausgangstor 16 zu verbessern. Das Anpassnetzwerk 20 ist so ausgebildet, dass es die Effekte der parasitären Elemente der Abschlussimpedanz 18 bei den Betriebsfrequenzen des Dämpfungsglieds 10 kompensiert.
Eine typische Ausführungsform eines Anpassnetzwerkes zeigt 3. Die parasitären Elemente des Widerstandes sowie die parasitäre Impedanz zum Bezugspotenzial (Ls und R₂) werden durch eine Parallelkapazität C₁ und eine Serieninduktivität L₁ bei der Betriebsfrequenz kompensiert.
Typischerweise sind die Induktivitäten und Kapazitäten als Mikrostreifenleitungen ausgebildet.
Alle Leitungen des Wilkinson-Teilers und das Anpassnetzwerk 20 sind typischerweise als Mikrostreifenleitungen (planare Strukturen auf einer HF-Leiterplatte) ausgeführt. Ist eine höhere Dämpfung notwendig, können auch mehrere Wilkinson-Teiler mit entsprechenden reflexionsarmen Abschlüssen seriell hintereinander geschaltet werden. Andererseits ist auch ein unsymmetrischer Teiler verwendbar.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Dämpfungsglied für hohe Betriebsfrequenzen, insbesondere oberhalb von 15 (20) GHz, vor allem für 25 GHz, das mit kostengünstigen SMD-Bauteilen und Mikrostreifenleitungen aufgebaut werden kann. Ein solches Dämpfungsglied kann vorteilhaft in einem Radarsystem für Fahrzeuganwendungen eingesetzt werden, beispielsweise einem Radarsystem eines Umgebungsüberwachungs- und Fahrerassistenzsystems.

Claims

Elektrisches Dämpfungsglied (10) mit einer Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur, die ein Eingangstor (12) und zwei Ausgangstore (14, 16) aufweist, einem Abschlusswiderstand (18) und einem Anpassnetzwerk (20), wobei das Anpassnetzwerk (20) zwischen ein erstes Ausgangstor (14) der Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur und einen ersten Anschluss (22) des Abschlusswiderstands (18) geschaltet ist, so dass das erste Ausgangstor (14) im Wesentlichen reflexionsfrei abgeschlossen ist, und wobei das Eingangstor (12) als Eingang für hochfrequente elektrische Signale und das zweite Ausgangstor (16) als Ausgang für die gedämpften hochfrequenten elektrischen Signale vorgesehen sind und das Anpassnetzwerk (20) zum Kompensieren von parasitäten Elementen des Abschlusswiderstands (18) ausgebildet ist, wobei das Anpassnetzwerk (20) eine oder mehrere Leitungen aufweist, wobei die eine oder mehreren Leitungen als Mikrostreifenleitungen ausgebildet sind, und der Abschlusswiderstand (18) und ein Widerstand (26) der Wilkinson-Teiler-Schaltungsstruktur SMD-Widerstände sind.
Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (24) des Abschlusswiderstands im Betrieb des Dämpfungsglieds auf einem Bezugspotential (26) liegt.