DE10316047B4 - Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik - Google Patents

Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik Download PDF

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Abstract

Richtkoppler (1) in koplanarer Wellenleitertechnik aus zumindest einer ersten Richtkopplereinheit (100) mit einem ersten Anschluss (103) zum Einspeisen oder Ausspeisen einer Welle, einem zweiten Anschluss (104) zum Einspeisen oder Ausspeisen einer vom oder zum ersten Anschluss (103) direkt zugeführten Welle, einem Auskoppelanschluss (106) zum Auskoppeln einer gekoppelten Welle, einem Abschluss (105), einem den ersten Anschluss (103) und den zweiten Anschluss (104) verbindenden ersten Innenleiter (107), einem den Auskoppelanschluss (106) und den Abschluss (105) verbindenden zweiten Innenleiter (108) und jeweils die Innenleiter (107, 108) außenseitig berandende Masseleiter (110, 112), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden Innenleitern (107, 108) sich an einer Koppelstrecke (102) entlang der Längserstreckung der Innenleiter (107, 108) ändert.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik.
  • Richtkoppler werden sehr vielfältig in schaltungstechnischen Anwendungen verwendet. Als richtungsabhängige, entkoppelte Leistungsteiler kommen sie in Phasenschiebern, Mischern und Verstärken zum Einsatz. Im Bereich der Messtechnik kommen Richtkoppler zur getrennten Messung der hin- und rücklaufenden Welle von und zu einem Messobjekt (DUT), beispielsweise bei Netzwerkanalysatoren, zur Anwendung.
  • Um einen Koppler mit guten Hochfrequenzeigenschaften bei vergleichsweise kompakter Bauweise und günstigen Herstellungskosten zu realisieren, werden Richtkoppler bevorzugt in monolithisch integrierter Bauweise hergestellt. Neben der konventionellen Mikrostreifenleitertechnik werden Richtkoppler bei monolithisch integrierter Bauweise auch in Koplanartechnik realisiert. Der Vorteil eines Richtkopplers in Koplanartechnik gegenüber einer Realisierung in Mikrostreifenleitertechnik ist einerseits in der Anbringung sämtlicher Leitungen (Innenleiter, Masseleiter) auf einer Seite des Substrats zu sehen. Somit entfallen bei zusätzlicher Beschaltung der Mikrowellenschaltung mit Bauelementen (z.B. Kapazitäten, Induktivitäten) nötige Bohrungen und Durchkontaktierungen im Substrat. Ein weiterer ganz wesentlicher Vorteil eines Richtkopplers in Koplanartechnik gegenüber einer Realisierung in Mikrostreifenleitertechnik liegt darin, die Phasengeschwindigkeit der Gleichtaktwelle v(e) annähernd identisch zur Phasengeschwindigkeit der Gegentaktwelle v(o) gestalten zu können und somit die Richtdämpfung (Direktivität) aD zu maximieren. Dies ist in 1 schematisch dargestellt, wobei die dort angegebenen Werte nur beispielhaft zu verstehen sind. Bei einer hohen Direktivität aD ist die Leistung einer im Kopplungspfad ausgekoppelten Welle in Relation zur Leistung einer im Isolationspfad eines Richtkopplers ausgekoppelten Welle deutlich höher. Hierzu ist in 2 die grundsätzliche Funktionsweise und Beschaltung des Richtkopplers schematisch dargestellt.
  • In der EP 0 511 728 B1 ist ein Richtkoppler in Koplanartechnik vorgestellt. Während bei Richtkopplern in Koplanartechnik, die zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieser Druckschrift realisiert wurden, der Kopplungsfaktor vergleichsweise niedrig war, da fertigungstechnisch der Abstand zwischen den an der Kopplung beteiligten Innenleitern einer integrierten Mikrowellenschaltung nicht beliebig klein ausgeführt werden konnte, weist der in der EP 0 511 728 B1 vorgestellte Interdigitalkoppler (Lange-Koppler) einen deutlich höheren Kopplungsfaktor auf. Dies wird durch Parallelschaltung mehrerer Innenleiter auf dem Substrat erreicht.
  • Während bei Richtkopplern in Streifenleitertechnik gemäß der US 3,581,243 , JP 07-283 621 A, JP 61-274 401 A und DE 198 37 025 A1 die Bandbreite des Richtkopplers durch verkoppelte Leitungen mit mehreren Sektoren, die sich im Abstand, in der Beite und in anderen, die Kopplung beeinflussenden Leitungs-Parametern unterscheiden, erhöht wird, weist ein in koplanarer Technik realisierter Richtkoppler nachteilig eine geringe Bandbreite auf.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen in der Messtechnik und insbesondere in der Netzwerkanalyse notwendigen ultrabreitbandigen Richtkoppler in koplanarer Technik zu realisieren.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik entsprechend den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1, 3 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Um die Koppeldämpfung aK (aK = –20·log(k) mit k = |b2/a1|, siehe hierzu 2) über einen größeren Frequenzbereich nahezu konstant zu halten (Breitbandkoppler), werden mehrere Koppelabschnitte unterschiedlicher Koppeldämpfung hintereinander geschaltet. Hierzu wurden im ersten Entwurfschritt des Richtkopplers z.B. insgesamt 40 Koppelsegmente gleicher Länge definiert, innerhalb derer der Abstand zwischen den beiden Innenleitern sowie zwischen jeweils einem Innenleiter und einem Masseleiter konstant gehalten wird, während diese Abstände bei verschiedenen Koppelsegmenten zur Realisierung eines unterschiedlichen Koppelkoeffizienten variieren. Im Hinblick auf eine kontinuierlichere Veränderung des Koppelkoeffizienten entlang der Längsrichtung der einzelnen Leiter wurde in einem zweiten Entwurfschritt der treppenförmige Verlauf der Innen- und Masseleiter bzw. der zugehörigen Spalte durch lineare Verläufe bzw. kubische Splinefunktions-Verläufe interpoliert.
  • Durch die Überlagerung der einzelnen Phasenkonstanten bzw. -geschwindigkeiten von Gleichtakt- und Gegentaktwelle in den einzelnen Koppelsegmenten entsteht in den einzelnen Koppelsegmenten eine resultierende Phasenkonstante bzw. -geschwindigkeit von Gleichtakt- und Gegentaktwelle. Diese resultierenden Phasenkonstanten bzw. -geschwindigkeiten von Gleichtakt- und Gegentaktwelle können unabhängig voneinander eingestellt werden, da über die Festlegung der Spaltgeometrie zwischen Innen- und Masseleiter und der Spaltgeometrie zwischen den Innenleitern in allen Koppelsegmenten mehrfache Rechenfreiheitsgrade zur weitestgehend entkoppelten Bestimmungen dieser Größen über den gesamten Verlauf von Innen- und Masseleitern vorhanden sind.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm zur grafischen Darstellung des Zusammenhangs zwischen Richtdämpfung aD und Phasengeschwindigkeiten v(e) und v(o) der Gleichtakt- und Gegentaktwelle bei unterschiedlichen Koppeldämpfungen ak;
  • 2 ein prinzipielles schematisches Blockschaltbild eines Richtkopplers;
  • 3 eine Topologie einer Richtkopplereinheit eines erfindungsgemäßen Richtkopplers in koplanarer Wellenleitertechnik, als Ausschnitt III von 4;
  • 4 eine Topologie des erfindungsgemäßen Richtkopplers in koplanarer Wellenleitertechnik, in der Gesamtdarstellung;
  • 5 ein vergrößerter Topologieausschnitt des erfindungsgemäßen Richtkopplers in koplanarer Wellenleitertechnik im Bereich V von 4;
  • 6 ein vergrößerter Topologieausschnitt des erfindungsgemäßen Richtkopplers in koplanarer Wellenleitertechnik im Bereich VI von 4 und
  • 7 eine Querschnittsdarstellung eines koplanaren Richtkopplers in koplanaren Wellenleitertechnik mit den Feldlinienverläufen für Gleichtakt- und Gegentaktwelle.
  • Der erfindungsgemäße Richtkoppler in koplanaren Wellenleitertechnik wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 bis 7 beschrieben.
  • In 3 ist eine Richtkopplereinheit 100 eines erfindungsgemäßen Richtkopplers in koplanarer Wellenleitertechnik dargestellt. Die Richtkopplereinheit 100 ist auf einem Substrat 101 aus beispielsweise einer Aluminiumoxid-Keramik realisiert. Die Richtkopplereinheit 100 weist auf dem Substrat 101 eine Koppelstrecke 102 mit einem ersten Anschluss 103 zum Ein- und Ausspeisen einer elektromagnetischen Welle, einem zweiten Anschluss 104 zum Ein- und Ausspeisen einer elektromagnetischen Welle, einem Auskopplungsanschluss 106 zum Auskoppeln einer elektromagnetischen Welle und einem Abschluss 105 auf.
  • Der erste Anschluss 103 ist mit dem zweiten Anschluss 104 über einen ersten Innenleiter 107 verbunden. Der Auskopplungsanschluss 105 ist mit dem Abschluss 106 über einen zweiten Innenleiter 108 verbunden, der entlang der Koppelstrecke 102 im wesentlichen parallel zu dem ersten Innenleiter 107 verläuft. Zwischen dem ersten Innenleiter 107 und dem zweiten Innenleiter 108 befindet sich ein Spalt 109. Dieser Spalt 109 vergrößert sich exponentiell vom ersten Anschluss 103 bzw. Auskopplungsanschluss 106 in Richtung des zweiten Anschlusses 104 bzw. Abschlusses 105.
  • Für die Optimierung der Koppelstrecke 102 kann die Koppelstrecke in 40 gleich lange Koppelabschnitte zerlegt werden. Somit werden auch die Innenleiter 107 und 108, die dazugehörigen Masseleiter 110 und 112, der zwischen ersten Innenleiter 107 und dem angrenzenden breitflächigen Masseleiter 110 befindliche Spalt 111, der zwischen zweiten Innenleiter 108 und dem dazugehörigen breitflächigen Masseleiter 112 befindliche Spalt 113 und der zwischen erstem und zweitem Innenleiter 107 und 108 befindliche Spalt 109 in 40 gleich lange Teilabschnitte zerlegt, die nachfolgend Koppelabschnitte genannt werden.
  • Mit einer Optimierung als erster Designschritt werden die Breiten gi der Spalte 111 und 113, die Breiten wi der Innenleiter 107 und 108 sowie die Breiten der Spalte si zwischen den beiden Innenleitern 107 und 108 in den einzelnen Koppelabschnitten i berechnet. Hierbei gelten für gi die in Formel (1) festgelegten Randbedingungen. gmin ≤ gi ≤ gmax (1)
  • Hierbei wird der untere Grenzwert gmin durch die mittels Dünnschichttechnologie realisierbaren Strukturbreiten festgelegt.
  • Der obere Grenzwert gmax ist ein geometrisch sinnvoll gewählter Wert.
  • Die Verläufe der Spaltbreiten gi der Spalte 111 und 113 werden hier zunächst mittels simulationsgestützter Optimierung durch Treppenfunktionen angenähert. In einem weiteren Designschritt können die "Treppenmittelpunkte" dieser Treppenfunktion linear interpoliert werden, so dass ein "Zickzack"-förmiger Verlauf der Spalte 111 und 113 in Längsrichtung der Innenleiter 107 und 108 entsteht.
  • Des weiteren werden die beiden Innenleiter 107 und 108 bezüglich ihrer Leiterbahnbreite vorzugsweise linear getapert. Sie weisen folglich von den Anschlüssen 103 bzw. 106 in Richtung der Anschlüsse 104 bzw. 105 einen linearen Anstieg ihrer Leiterbahnbreite auf. Im Rahmen des Simulationsmodells für die Optimierung der Koppelstrecke 102 mit insgesamt 40 Koppelabschnitten kann für die Berechnung der Leiterbahnbreite wi im Koppelabschnitt i die Optimierungsformel (2) herangezogen werden, wobei w0 und w1 in gewissen Grenzen (z.B. Strukturgenauigkeit) frei wählbare Konstanten sind. wi = w0 + 0,004·(i – 1)·w1 (2)
  • Auch bei der Berechnung des Verlaufs der Leiterbahnbreite der Innenleiter 107 und 108 können aufbauend auf der durch die Optimierungsformel (2) ermittelten Treppenfunktion für die Leiterbahnbreite wi in einem weiteren Designschritt die "Treppemittelpunkte" dieser Treppenfunktion linear interpoliert werden.
  • Ferner wird schließlich die Breite si des Spaltes 109 im Koppelabschnitt i durch die Formel (3) ermittelt, wobei so und sk in gewissen Grenzen frei wählbare und optimierbare Konstanten sind.
  • Figure 00090001
  • Das Ergebnis dieser Optimierungsrechnung ist ein treppenförmiger, näherungsweise exponentieller Verlauf der Spaltbreite von den Anschlüssen 103 bzw. 106 zu den Anschlüssen 104 bzw. 105.
  • Der erste Anschluss 103 ist mit einem am Rande Richtkopplereinheit 100 vorgesehenen ersten externen Anschluss 114 über einen Taper 115 verbunden. Analog ist der Auskopplungsanschluss 106 mit einem zweiten externen Anschluss 116 über einen Taper 117 verbunden. An die ersten und zweiten externen Anschlüsse 114 und 116 können Koaxialleitungen über entsprechend vorgesehene Steckerverbindungen die in 3 nicht eingezeichnet sind, angeschlossen werden.
  • Der Taper 115 besteht aus einem Innenleiter 118, der auf dem Substrat 101 aufgebracht ist und über Spalte 119 beidseitig von breitflächigen Masseleitern 110 und 120 getrennt ist. Die Breite des Innenleiters 108 ist im Bereich des ersten externen Anschlusses 114 konstant und verjüngt sich im Bereich des ersten Anschlusses 103 bis zur Breite des Innenleiters 107 im ersten Koppelabschnitt. Auf diese Weise wird der Feldverlauf der Koaxialleitung unter Beibehaltung des Wellenwiderstandes von üblicherweise 50 Ohm an den Feldverlauf des koplanaren Wellenleitersystems auf dem Substrat 101 kontinuierlich angepaßt.
  • Der Taper 117 besteht analog zum Taper 115 aus einem Innenleiter 121, der auf dem Substrat 101 aufgebracht ist und über Spalte 122 beidseitig von breitflächigen Masseleitern 112 und 120 getrennt ist. Die Breite des Innenleiters 121 ist im Bereich des zweiten externen Anschlusses 116 konstant und verjüngt sich im Bereich des Auskopplungsanschlusses 106 bis zur Breite des Innenleiters 108 im ersten Koppelabschnitt.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind, wie in 4 dargestellt, zwei Richtkopplereinheiten 100 und 200 vorhanden. Dies ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch nicht zwingend.
  • Der zweite Anschluss 104 ist mit dem zweiten Anschluss 204 einer zweiten Richtkopplereinheit 200 verbunden, die auf demselben Substrat 101 des Richtkopplers 1 aufgebracht ist. Diese Verbindung erfolgt über einen Innenleiter 123, der über den vollen Verbindungsverlauf die gleiche Breite wie der mit ihm verbundene Innenleiter 107 im abschliessenden Koppelabschnitt aufweist. Der Innenleiter 123 ist über Spalte 124, die über den vollen Verbindungsverlauf eine gleiche Breite besitzen, von den angrenzenden Masseleitern 110 und 112 abgegrenzt.
  • Der Abschluss 105 ist über einen Innenleiter 125, dessen Leiterbahnbreite sich vergrößert und der über benachbarte Spalte 126, die den Innenleiter 125 zum beidseitig angrenzenden Masseleiter 112 abgrenzen, mit einem im Ausführungsbeispiel trapezförmigen Absorber 127 verbunden. Dieser trapezförmige Absorber 127 besteht z.B. aus Nickelchrom und bildet einen trimmbaren Präzisions-Widerstandsabschluss. Damit ist ein nahezu vollkommen reflexionfreier Abschluss des Abschlusses 105 gewährleistet. Der Präzisions-Widerstand des Absorbers 127 ist aufgrund seiner Trapez-Form symmetrisch zum Innenleiter 125 und dem beidseitigen Masseleiter 112. Durch symmetrisches Abtragen des Absorbers 127 z.B. mittels eines Lasers kann der Abschlusswiderstand hoch präzise auf 50 Ohm zwischen dem Innenleiter 125 und dem beidseitigen Masseleiter 112 getrimmt werden.
  • In 4 ist die Topologie des gesamten Richtkopplers 1 in koplanarer Wellenleitertechnik dargestellt. Sie besteht aus der in 3 dargestellten Richtkopplereinheit 100 und der weiteren Richtkopplereinheit 200. Die Richtkopplereinheit 200 weist die gleiche Struktur mit den gleichen Bestandteilen auf wie die Richtkopplereinheit 100. Ihre topologische Ausrichtung auf dem Substrat 101 ist jedoch spiegelbildlich zur topologischen Ausrichtung der Richtkopplereinheit 100. Die Bezugszeichen der Bestandteile der Richtkopplereinheit 200 werden deshalb aus den Bezugszeichen der korrespondierenden Bestandteile der Richtkopplereinheit 100 abgeleitet, indem in der führenden Ziffer des Bezugszeichens die 1 durch eine 2 ersetzt wird.
  • Der erste externe Anschluss 114 der Richtkopplereinheit 100 entsprechend 3 wird im Richtkoppler 1 in 4 auf dem Substrat 101 über einen Kondensator 130, der ebenfalls auf dem Substrat 101 aufgebracht ist, mit dem ersten Außenanschluss 131 des Richtkopplers 1 verbunden. Der erste Außenanschluss 131 dient zum Ein- und Ausspeisen einer elektromagnetischen Welle. Der Kondensator 103 hat die Aufgabe der galvanischen Gleichstromentkopplung des ersten Außenanschlusses 131. Eine Einspeisung einer Gleichstromkomponente als Überlagerung zur Mikrowellenkomponente der im ersten Außenanschluss 131 eingespeisten elektromagnetischen Welle kann über die Induktivität 132' erfolgen.
  • Der zweite externe Anschluss 116 der Richtkopplereinheit 100 entsprechend 3 wird im Richtkoppler 1 in 4 auf dem Substrat 101 mit einem zweiten Außenanschluss 132 verbunden. Der zweite Außenanschluss 132 dient zum Auskoppeln eines Bruchteils der in die Richtkopplereinheit 100 am externen Anschluss 131 eingespeisten elektromagnetischen Welle.
  • Der erste externe Anschluss 214 der Richtkopplereinheit 200 in 3 wird im Richtkoppler 1 in 4 auf dem Substrat 101 mit einem vierten Außenanschluss 231 verbunden. Der vierte Außenanschluss 231 dient zum Ein- und Ausspeisen einer elektromagnetischen Welle.
  • Analog wird der zweite externe Anschluss 216 der Richtkopplereinheit 200 des Richtkopplers 1 auf dem Substrat 101 mit einem dritten Außenanschluss 232 verbunden. Der dritte Außenanschluss 232 dient zum Auskoppeln eines Bruchteils der in die Richtkopplereinheit 200 am externen Anschluss 231 eingespeisten elektromagnetischen Welle.
  • Wird der Richtkoppler 1 zwischen ein Messobjekt (DUT) und einen Netzwerkanalysator geschaltet, so erfolgt im ersten Außenanschluss 131 die Einspeisung der hochfrequenten elektromagnetischen Welle zur Anregung des vom Netzwerkanalysator zu vermessenden Messobjekts z.B. im Hinblick auf die Bestimmung der S-Parameter des Messobjekts. Am dritten Außenanschluss 231, der mit dem Messobjekt verbunden ist, erfolgt die Ausspeisung der im ersten Außenanschluss 131 eingespeisten und über die beiden Richtkopplereinheiten 100 und 200 zum dritten Außenanschluss 231 direkt übertragenen hochfrequenten elektromagnetischen Welle. Gleichzeitig wird im dritten Außenanschluss 231 die vom Messobjekt reflektierte elektromagnetische Welle eingespeist. Im zweiten Außenanschluss 132 erfolgt die Auskopplung der im ersten Außenanschluss 131 eingespeisten und in der ersten Richtkopplereinheit 100 an den Auskopplungsanschluss 106 ausgekoppelten elektromagnetischen Welle. Im vierten Außenanschluss 232 erfolgt die Auskopplung der vom Messobjekt in den Richtkoppler 1 reflektierten und in der zweiten Richtkopplereinheit 200 am Auskopplungsanschluss 206 ausgekoppelten elektromagnetischen Welle. Hat das Messobjekt mehrere Messtore, so ist an jedem Messtor ein erfindungsgemäßer Richtkoppler 1 vorzusehen.
  • In 5 ist in einem gegenüber 4 vergrößerten Maßstab ein gegenüber 4 leicht modifizierter Ausschnitt der Richtkopplereinheit 200 mit dem zweiten Anschluss 204, der über den Innenleiter 124 mit den benachbarten Spalten 123 mit dem zweiten Anschluss 104 der ersten Richtkopplereinheit 100 verbunden ist, und dem isolierenden Abschluss 205, der mit den Innenleiter 225 mit den benachbarten Spalten 296 mit dem Absorber 227 verbunden ist, im Bereich V in 4 dargestellt. Zu erkennen ist der in Richtung des zweiten Anschlusses 204 beziehungsweise des Abschlusses 205 sich exponentiell erweiternde Spalt 209 mit der Spaltbreite si zwischen den beiden Innenleitern 207 und 208. Ebenfalls ist die sich in Richtung des zweiten Anschlusses 204 bzw. des Abschlusses 205 erweiternde Leiterbahnbreite wi der beiden Innenleiter 207 bzw. 208 ersichtlich. Schließlich ist im Topologieausschnitt der 5 der "Zickzack"-förmige Verlauf des Spaltes 211 mit der Spaltbreite gi zwischen dem Innenleiter 207 und dem breitflächigen Masseleiter 110 und des Spaltes 213 zwischen dem Innenleiter 208 und dem breitflächigen Masseleiter 112 für den i-ten Koppelabschnitt dargestellt.
  • Zur Vermeidung unsymmetrischer Feldverläufe zwischen den beiden aus jeweils einem Innen- und Masseleiter bestehenden Leitungspaar eines koplanaren Leitungssystems werden die beiden Masseleiter über metallische Verbindungen auf gleiches elektrisches Potential gebracht.
  • Hierzu werden, wie in 6 als vergrößerte Darstellung des Bereichs VI in 4 für die Richtkopplereinheit 200 dargestellt, im Bereich enger Abstände zwischen den einzelnen Masseleitern sogenannte "Luftbrücken" 235 verwendet. Diese "Luftbrücken" 235 bestehen aus den Metallschichten 236, die den Bereich zwischen den Innenleitern 207, 208, 218 und 221 und den Spalten 211, 213, 219 und 222 unter Zwischenschaltung einer dünnen Luftschicht isolierend überspannen. Auf Grund der geringen Leitungslänge der Metallschichten 236 ist deren Induktivitätsbelag vergleichsweise gering, so dass das Hochfrequenzverhalten des koplanaren Wellenleiters damit nicht verschlechtert ist. Die Metallschichten 236 sind über Pfosten 237, die in enger Nachbarschaft zu dem isolierenden Spalten 211, 213, 219 und 222 positioniert sind, mit dem breitflächigen Masseleiter 110, 112 und 220 verbunden.
  • Im Bereich größerer Abstände zwischen den einzelnen Masseleitern werden an Stelle der "Luftbrücken" Bonddrähte 140 (für Richtkopplereinheit 100) und 240 (für Richtkopplereinheit 200) verwendet, da diese bei größeren Leitungslängen gegenüber den "Luftbrücken" 135 (für Richtkopplereinheit 100) und 235 (für Richtkopplereinheit 200) einen deutlich geringeren Kapazitätsbelag aufweisen.
  • Die Funktionsweise der Koppelstrecke 102 der Richtkopplereinheit 100 bzw. der Koppelstrecke 202 der Richtkopplereinheit 200 wird unter Zuhilfenahme der Querschnittdarstellung eines koplanaren Wellenleitersystems in 7 im Folgenden erklärt (die Bezugszeichen der einzelnen Leiter beziehen sich auf die Richtkopplereinheit 100):
    Wird die Koppelstrecke 102 der Richtkopplereinheit 100 am ersten Anschluss 103 mit einer elektromagnetischen Welle einer bestimmten Frequenz und Amplitude angeregt, so kommt es in den einzelnen Koppelabschnitten zu Koppelvorgängen zwischen dem Innenleiter 109 und dem Innenleiter 108 des koplanaren Leitungsystems. In 7 sind die zur elektromagnetischen Welle gehörigen elektrischen Feldlinien durch geschlossene Linien sowie die magnetischen Feldlinien durch gestrichelte Linien dargestellt. Das Ausmaß des Koppelvorgangs in den einzelnen Koppelabschnitten wird durch den dortigen Koppelfaktor bestimmt, der wiederum größtenteils durch den Abstand zwischen den beiden Innenleitern 107 und 108 festgelegt ist.
  • Die Überlagerung der in den einzelnen Koppelabschnitten i auf den beiden Leitungspaaren direkt geführten und überkoppelten elektromagnetischen Wellen, die auf Grund des unterschiedlich großen Spaltabstandes si zwischen den beiden Innenleitern 107 und 108 unterschiedlich stark ausgeprägt ist, führt in jedem Koppelabschnitt i zu zwei sich überlagernden elektromagnetischen Eigenwellen (Moden), nämlich einer Gleichtaktwelle (even-mode) und einer Gegentaktwelle (odd-mode). Während die Gleichtaktwelle (even-mode) durch gleiches elektrisches Potential der beiden Innenleiter 107 und 108 gekennzeichnet ist, weist die Gegentaktwelle (odd-mode) entgegengesetztes elektrisches Potential auf.
  • Durch Festlegung der Spaltgeometrie zwischen den beiden Innenleitern 107 und 108 sowie zwischen Innenleiter 107 und Masseleiter 110 bzw. zwischen Innenleiter 108 und Masseleiter 112 wird die Querschnittsaufteilung Dielektrikum/Luft und damit die effektive Permitivitätszahl ε(e)eff und ε(o)eff der beiden Moden bestimmt, womit die Phasengeschwindigkeiten v(e ) und v(o) der Gleichtaktwelle und der Gegentaktwelle determiniert sind. Charakteristisch für einen Richtkoppler in Koplanartechnik mit einer Geometriestruktur, die obig beschrieben ist, ist die Einstellung der Phasengeschwindigkeit v(e ) der Gleichtaktwelle durch die Spaltgeometrie zwischen den beiden Innenleitern weitgehend unabhängig von der Spaltgeometrie zwischen den beiden Innenleitern und ihren benachbarten Masseflächen sowie die Einstellung der Phasengeschwindigkeit v(o) der Gegentaktwelle durch die Spaltgeometrie zwischen den beiden Innenleitern und ihren benachbarten Masseflächen unabhängig von der Spaltgeometrie zwischen den beiden Innenleitern. Auf eine genauere Erklärung dieses Sachverhaltes, der numerisch mit Hilfe des Simulationsmodelles ermittelt wurde, wird im Rahmen dieser Ausführung verzichtet.
  • Die Spaltgeometrien zwischen den beiden Innenleitern sowie zwischen den beiden Innenleitern und ihren benachbarten Masseflächen können mit Hilfe eines Simulationsmodelles derart dimensioniert werden, dass sich am reflexionsfreien Abschluss 105 Gleichtaktwelle und Gegentaktwelle gegenseitig vollständig kompensieren, während sich am Auskopplungsanschluss 106 Gleichtaktwelle und Gegentaktwelle addieren. Damit ist die für einen Richtkoppler erforderliche hohe Richtdämpfung aD (aD = –20·lg(b4/b2), siehe dazu 2) realisiert. Die hohe Richtdämpfung verursacht eine niedrige Dämpfung der resultierenden, überkoppelten elektromagnetischen Welle im Koppelpfad, d. h. am Auskopplungsanschluss 106 und gleichzeitig eine hohe Dämpfung der resultierenden, überkoppelten elektromagnetischen Welle am Isolationspfad, d. h. am Abschluss 105.
  • Die für den Richtkoppler erforderliche Kopplungsdämpfung aK (aK = –20·lg(k), k = |b2/a1|, siehe dazu 2) im Bereich des ersten Anschlusses 103 bzw. des Auskopplungsanschlusses 106 von beispielsweise 10 dB wird durch den Kopplungsfaktor k bestimmt, welcher wiederum vom Wellenwiderstand der Gleittaktwelle Ze und vom Wellenwiderstand der Gegentaktwelle Zo und damit von der gesamten Querschnittsgeometrie im Bereich des ersten Anschlusses 103 bzw. des Auskopplungsanschlusses 106 abhängt.
  • Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich ein ultraleichter Richtkoppler realisieren. Versuche der Anmelderin haben ergeben, dass sich ein Verhältnis von maximaler Übertragungsfrequenz fmax zu minimaler Übertragungsfrequenz fmin von fmax/fmin = 12 erreichen läßt.
  • Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sämtliche beschriebenen Merkmale können beliebig miteinander kombiniert werden.

Claims (16)

  1. Richtkoppler (1) in koplanarer Wellenleitertechnik aus zumindest einer ersten Richtkopplereinheit (100) mit einem ersten Anschluss (103) zum Einspeisen oder Ausspeisen einer Welle, einem zweiten Anschluss (104) zum Einspeisen oder Ausspeisen einer vom oder zum ersten Anschluss (103) direkt zugeführten Welle, einem Auskoppelanschluss (106) zum Auskoppeln einer gekoppelten Welle, einem Abschluss (105), einem den ersten Anschluss (103) und den zweiten Anschluss (104) verbindenden ersten Innenleiter (107), einem den Auskoppelanschluss (106) und den Abschluss (105) verbindenden zweiten Innenleiter (108) und jeweils die Innenleiter (107, 108) außenseitig berandende Masseleiter (110, 112), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden Innenleitern (107, 108) sich an einer Koppelstrecke (102) entlang der Längserstreckung der Innenleiter (107, 108) ändert.
  2. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden Innenleitern (107, 108) in Richtung vom ersten Anschluss (103) bzw. vom Auskoppelanschluss (106) zum zweiten Anschluss (104) bzw. zum Abschluss (105) sich exponentiell vergrößert.
  3. Richtkoppler (1) in koplanarer Wellenleitertechnik aus zumindest einer ersten Richtkopplereinheit (100) mit einem ersten Anschluss (103) zum Einspeisen oder Ausspeisen einer Welle, einem zweiten Anschluss (104) zum Einspeisen oder Ausspeisen einer vom oder zum ersten Anschluss (103) direkt zugeführten Welle, einem Auskoppelanschluss (106) zum Auskoppeln einer gekoppelten Welle, einem Abschluss (105), einem den ersten Anschluss (103) und den zweiten Anschluss (104) verbindenden ersten Innenleiter (107), einem den Auskoppelanschluss (106) und den Abschluss (105) verbindenden zweiten Innenleiter (108) und jeweils die Innenleiter (107, 108) außenseitig berandende Masseleiter (110, 112), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jeweils einem Innenleiter (107; 108) und einem angrenzenden Masseleiter (110; 112) sich an einer Koppelstrecke (102) entlang der Längserstreckung der Innenleiter (107; 108) ändert.
  4. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jeweils einem Innenleiter (107; 108) und einem angrenzenden Masseleiter (110; 112) sich zwischen zwei benachbarten, ursprünglich konstant breiten Koppelabschnitten linear vergrößert oder verkleinert.
  5. Richtkoppler nach koplanarer Wellenleitertechnik nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jeweils einem Innenleiter (107; 108) und einem angrenzenden Masseleiter (110; 112) oberhalb eines vorgegebenen unteren Grenzwertes gMIN und unterhalb eines vorgegebenen oberen Grenzwertes gMAX liegt.
  6. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden Innenleitern (107, 108) sich an der Koppelstrecke (102) entlang der Längserstreckung der Innenleiter (107, 108) ändert.
  7. Richtkoppler (1) in koplanarer Wellenleitertechnik aus zumindest einer ersten Richtkopplereinheit (100) mit einem ersten Anschluss (103) zum Einspeisen oder Ausspeisen einer Welle, einem zweiten Anschluss (104) zum Einspeisen oder Ausspeisen einer vom oder zum ersten Anschluss (103) direkt zugeführten Welle, einem Auskoppelanschluss (106) zum Auskoppeln einer gekoppelten Welle, einem Abschluss (105), einem den ersten Anschluss (103) und den zweiten Anschluss (104) verbindenden ersten Innenleiter (107), einem den Auskoppelanschluss (106) und den Abschluss (105) verbindenden zweiten Innenleiter (108) und jeweils die Innenleiter (107, 108) außenseitig berandende Masseleiter (110, 112), dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnbreite der beiden Innenleitern (107, 108) sich an einer Koppelstrecke (102) entlang der Längserstreckung der Innenleiter (107, 108) ändert.
  8. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leiterbahnbreite der Innenleiter (107, 108) in Richtung vom ersten Anschluss (103) bzw. vom Auskoppelanschluss (106) zum zweiten Anschluss (104) bzw. Abschluss (105) kontinuierlich vergrößert.
  9. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden Innenleitern (107; 108) sich an der Koppelstrecke (102) entlang der Längserstreckung der Innenleiter (107; 108) ändert.
  10. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen jeweils einem Innenleiter (107; 108) und einem angrenzenden Masseleiter (110; 112) sich an der Koppelstrecke (102) entlang der Längsachse der Innenleiter (107; 108) ändert.
  11. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschluss (105) mit einem trapezförmigen Absorber (127) abgeschlossen ist.
  12. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (104) der ersten Richtkopplereinheit (100) über einen Innenleiter (123) mit zwei begrenzenden Masseleitern (124) mit einem zweiten Anschluss (205) einer zweiten Richtkopplereinheit (200) verbunden ist.
  13. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Richtkopplereinheit (100, 200) auf einem gemeinsamen Substrat (101) bei spiegelbildlicher Anordnung monolithisch integriert sind.
  14. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des engsten Abstandes der Masseleiter (110, 112, 120)) die Massenleiter (110, 112, 120) über Luftbrücken (135) und/oder in Bereichen größeren Abstandes zwischen den Masseleitern (110, 112, 120) die Masseleiter (110, 112, 120) über Bonddrähte (140) verbunden sind.
  15. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftbrücken (135) aus metallischen Schichten (136) bestehen, die über eine dünne Luftschicht von den Innenleitern (107, 108, 118, 121, 123, 125) isolierend getrennt sind.
  16. Richtkoppler in koplanarer Wellenleitertechnik nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an Übergangsstellen zwischen koaxialen Zuleitungen und den Innenleitern (107, 108) Taper (115, 117) vorgesehen sind, die zur Minimierung von Dämpfung und Reflexion die Querschnittsgeometrie der koaxialen Zuleitungen an die Querschnittsgeometrie der Innenleiter (107, 108) kontinuierlich anpassen.
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