DE1541728C - Bandleitungsrichtungskoppler - Google Patents

Description

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Die Erfindung geht aus von TEM-Kopplern und ist e_ro und e_re die der Kopplungszone zugeordneten Di-

im einzelnen auf Bandleitungsrichtungskoppler ge- elektrizitätskonstanten der ungeradzahligen

richtet. bzw. geradzahligen Schwingungsart,

Bandleitungsrichtungskoppler haben sich zur Verwendung bei den Eingangs- und Ausgangskoppelele- 5 ^{N die} Impedanz des freien Raums und
menten transistorierter Verstärker für symmetrische _die Dielektrizitätskonstante des freien Bandleitungen als recht brauchbar erwiesen. Eine der- Raums
artige Anordnung ermöglicht es für den Verstärker,
eine flache Verstärkungskennlinie über ein breites

Frequenzband bei niedriger Zwischenmodulationsver- io Ein Vorteil dieser Anordnung ist, daß — bei Einsatz zerrung aufzuzeigen, und zwar in der Hauptsache des- im vorstehenden Verstärkeranwendungsfall—Blockierhalb, weil der Betrieb des Kopplers eine hochgradige kondensatoren und zumindest ein Teil des Vorspann-Impedanzanpassung zwischen aufeinanderfolgenden Filternetzwerks in jeder Verstärkerstufe entfallen kön-Stufen des Verstärkers erlaubt. nen, wodurch die Anzahl der Schaltungskomponenten

Der für eine derartige Anwendung vorgeschlagene 15 jeder Verstärkerstufe bis auf 30% reduziert werden

übliche Bandleitungsrichtungskoppler-Typ weist erste kann. Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der

und zweite leitend getrennte ebene Leiter auf, die sich Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; es

parallel zu und zwischen einem Paar geerdeter Ebenen zeigt

über eine Kopplungszone vorbestimmter Länge hinweg F i g. 1 das Schaltbild einer symmetrischen Transierstrecken. Der erste Leiter ist an seinen jeweiligen 20 storverstärkerstufe, bei der übliche Bandleitungsrich-Enden mit einem ersten bzw. zweiten Anschlußpol ver- tungskoppler als Eingangs- und Ausgangselemente versehen und der zweite Leiter an seinen entsprechenden wendet sind,

Enden mit einem dritten bzw. vierten Anschlußpol. Bei F i g. 2 eine schematische Darstellung eines erfin-

Verwendung beispielsweise als Verstärkerkopplungs- dungsungsgemäß entworfenen Kopplers,

abschnitt sind die Ausgangsanschlüsse einer Stufe an 25 F i g. 3 eine Querschnittansicht einer Ausführungs-

den ersten und dritten Anschlußpol gekoppelt, und die form des erfindungsgemäßen Kopplers,

Basen der Transistoren der nächstfolgenden Stufe an F i g. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Verhält-

den zweiten und vierten Anschlußpol, wobei der dritte nisses der Dielektrizitätskonstanten für die ungerad-

Anschlußpol vom ersten entkoppelt (isolated) ist. zahligen bzw. geradzahligen Schwingungsarten, die der

Die am ersten Anschlußpol eines derartigen Kopplers 30 Kopplungszone in der Anordnung nach F i g. 3 zuge-

ankommende Energie wird in ein Paar je gleiche Ampli- ordnet sind, und

tude besitzender Signale umgesetzt, die gegeneinander F i g. 5 das Schaltbild eines symmetrischen Vereine Phasenverscheibung von 90° besitzen und die dem stärkers, bei dem der Koppler nach den F i g. 2 und 3 zweiten bzw. vierten Anschlußpol zugeführt werden. verwendet ist.

Daher bilden der erste und zweite Anschlußpol das eine 35 Der einfacheren Erläuterung halber der durch die konjugierte Paar des Kopplers und der dritte und vierte Erfindung erreichten Vorteile soll letztere nachfolgend Anschlupßol das zweite konjugierte Paar. Bei einer der- an Hand des Anwendungsfalls in einem transistorierten artigen Anordnung existiert eine Gleichstromverbin- Verstärker einer symmetrischen Bandleitung erläutert dung zwischen den Anschlußpolen jedes konjugierten werden, obgleich ersichtlich ist, daß zahlreiche andere Paares (d. h. zwischen dem ersten und zweiten An- 40 Anwendungsmöglichkeiten gegeben sind,
schlußpol und zwischen dem dritten und vierten). Es ist In F i g. 1 ist zu Vergleichszwecken das Schaltbild daher notwendig, Blockierkondensatoren und Vor- einer einzelnen Verstärkerstufe dargestellt, bei der ein spann-Filternetzwerke vorzusehen, damit eine Gleich- üblicher Eingangsrichtungskoppler 11 vorgesehen ist. Stromnetzentkopplung zwischen den Verstärkerstufen Der Eingangsrichtungskoppler weist einen Signaleinerhalten wird, wenn hierbei derartige Koppler verwen- 45 gangspol 12 und einen Anschlußpol 13 auf, der mit det werden. einer Impedanz 14 (Z₀) abgeschlossen ist. Letztere sorgt

Das Problem, einen Bandleitungsrichtungskoppler für die annähernde Anpassung an die Steuer- oder zu schaffen, bei dem eine Gleichstromentkopplung Quellenimpedanz. Ist die Quelle gleichfalls eine Verzwischen jedem konjugierten Anschlußpolpaar vor- stärkerstufe, so sorgt die Impedanz 14 für die Anhanden ist, ist entsprechend der Erfindung für eine An- 50 passung an die Ausgangsimpedanz dieser Stufe. Der Ordnung gleöst worden, bei der der erste und zweite Richtungskoppler 11 weist ferner ein Paar Ausgangs-Leiter auf gegenüberliegenden Seiten einer Unterlage pole 16 und 17 auf, die mit den Polen 12 bzw. 13 gleichmontiert sind, deren Dielektrizitätskonstante wesent* strommäßig gekoppelt sind. Die Pole 16 und 17 liegen lieh größer ist als die der dielektrischen Füllung des an den Basen 18 bzw. 19 zweier Transistoren 21 bzw. Rests der Bandleitung. Außerdem ist dabei die LängeL 55 22 über die Gleichstrom-Entkopplungskondensatoren der Kopplungszone zwischen dem ersten und zweiten 23 bzw. 24. Die Kondensatoren 23 und 24 sind wegen Leiter entsprechend der Beziehung der zwischen den Polen 16 und 12 und Polen 17 und 14

₁ vorhandenen Gleichstromverbindung notwendig, da

j_, = _; sonst ein Gleichstromweg durch die Verstärkerstufe

Of νΙλ I' ^ero \' ^6o vorhanden sein würde. Damit die Hochfrequenz von

° 11/ ~~e / ^der Vorspannungsquelle entkoppelt bleibt, liegen ein

Paar Mäanderleitungsdrosseln 26 und 27 und Hochgewählt; hierin bedeutet frequenzfilter 28 und 29 zwischen dem Vorspannungseingang 31 und den Basen 18, 19. Die Drosseln 26 und

Z₁ eine Entwurfsfrequenz, bei der der Ent- 65 27 hindern die Eingangssignale daran, daß sie den An-

kopplungsgrad zwischen den entsprechen- schluß 31 erreichen, während die Filter 28 und 29 sämt-

den Anschlußpolen jedes konjugierten liehe noch durchgegangene Rest-Hochfrequenzsignale

Paars ein Maximum ist, nach Erde ableiten. In ähnlicher Weise halten die

L 541 728

Filter 32 und 33 Hochfrequenz vom Emitterspannungs-Einspeisungspunkt 34 fern.

Die Kollektoren 36 und 37 der Transistoren 22 bzw. 21 liegen über Impedanz kompensierende Induktivitäten 38 und 39 und über Blockierkondensatoren 41 und 42 an den Anschlußpolen 43 und 44 eines Ausgangskopplers 46. Der Koppler 46 kombiniert die Ausgangssignale beider Transistoren 21 und 22 zu einem einzigen Ausgangssignal, das am Ausgangspol 47 des Kopplers 46 erscheint. Der andere Ausgangspol 48 des letzteren ist mit einer Anpaßimpedanz 49 (Z₀) abgeschlossen.

Bei der Anordnung nach F i g. 1 wird ein am Eingangspol 12 erscheinendes Signal in ein Paar Signale je gleicher Amplitude aufgeteilt, die gegeneinander eine Phasenverschiebung von 90° haben. Diese letzteren Signale erscheinen an den konjugierten Ausgangspolen 16 und 17 des Kopplers 11. Bei einer bestimmten Entwurfsfrequenz des Kopplers 11 sind die konjugierten Pole 12 und 13 voneinander entkoppelt, so daß keine Signale vom Pol 12 den Pol 13 erreichen, um dort am Widerstand 14 vernichtet zu werden. In ähnlicher Weise kombiniert der Ausgangskoppler 46 die beiden an den Polen 43 und 44 erscheinenden Signale zu einem Signal, das gleich der Summe dieser beiden letzteren Signale ist. Dieses Summensignal erscheint am Ausgangspol 47, während im Idealfall am Ausgangspol 48 keinerlei Verstärkerausgangssignale erscheinen, um am Widerstand 49 vernichtet zu werden.

Es werden die zwischen den Eingangs- und Ausgangspolen jedes Kopplers vorhandenen Gleichstromwege eliminiert, so daß die Blockierkondensatoren sowie der größte Teil des Filternetzwerks entfallen können, in F i g. 2 ist der erfindungsgemäße Koppler schematisch dargestellt, und F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Mitte der Kopplungszone. Der Koppler weist ein Paar Bandleitungen 51 und 52 auf, die beidseitig auf einer harten keramischen Unterlage 53 niedergeschlagen sind. Die Unterlage 53 besteht aus einem Material, z. B. aus Aluminiumoxyd, dessen Dielektrizitätskonstante e_x wesentlich größer ist als die von Luft. Ein Paar geerdeter Ebenen 54, 56 liegen im Abstand von der Unterlage 53, und der Zwischenraum ist mit einem Medium ausgefüllt, z. B. Luft, dessen Dielektrizitätskonstante wesentlich kleiner ist als die der Unterlage 53. Der Leiter 51 ist an seinen Enden durch die Pole 57, 58 abgeschlossen und der Leiter 52 durch die Pole 59 und 61.

Für die nachfolgende Erläuterung sollen die Pole 58, 59 und 61 mit dem Wellenwiderstand Z₀ des Kopplers abgeschlossen sein, während der Pol 57 mit einer Hochfrequenzspannung V angesteuert wird, die von einer Quelle 62 mit einer Impedanz Z₀ herrührt.

Bei einer der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Anordnung entsprechenden Anordnung pflanzt sich ein Eingangssignal am Pol 57 längs der Leitung 51 zwischen den Polen 57 und 58 als eine Welle fort, die sowohl ungeradzahlige als auch geradzahlige Fortpflanzungsschwingungsformen aufweist. Bei der geradzahligen Fortpflanzungsschwingungsform ist das Potential auf den Leitungen 51 und 52 an allen Punkten das gleiche, folglich existiert zwischen den Leitungen, d. h. in der Unterlage 53, kein elektrisches Feld. Andererseits nehmen die Leiter 51 und 52 bei der ungeradzahligen Fortpflanzungsschwingungsform entgegengesetztes Vorzeichen an, es existiert also ein starkes, die Unterlage 53 durchsetzendes elektrisches Feld. Die effektive Dielektrizitätskonstante e_re für die geradzahlige Schwingungsform ist daher kleiner als die effektive Dielektrizitätskonstante e_ro der ungeradzahligen Schwingungsform. Im Ergebnis unterscheiden sich die effektiven Impedanzen Z_oe und Z₀₀ für die geradzahligen bzw. ungeradzahligen Schwingungsformen (wie diese durch die übliche Koppelwellen-Analysis erhalten werden) entsprechend voneinander und von der Abschlußimpedanz Z₀, obgleich hierzwischen folgende Beziehung besteht

Z₀ =

Als Folge dieses Unterschieds im Verhalten der ungeradzahligen und der geradzahligen Schwingungsform und der Fehlanpasssung zwischen deren jeweiligen Impedanzen und der Abschlußimpedanz des Netzwerks erscheinen an beiden Polen 59 und 61 Ausgangssignale, wenn ein Signal beim Pol 57 eingeführt wird. Ferner ist gefunden worden, daß die an den Polen 59 und 61 erscheinenden Ausgangssignale gleich sind und daß der verbleibende Pol 58 vom Eingangspol 47 bei einer Entwurfsfrequenz f_x entkoppelt ist, wenn die Länge L der Kopplungszone so eingestellt ist, daß folgende Beziehung erfüllt ist

L =

ßre

In Gleichung (2) bedeutet N die Impedanz des freien Raums, e₀ die Dielektrizitätskonstante des freien Raums und

einen Ausdruck, der als Funktion von e_x entsprechend der in F i g. 4 dargestellten Kurve bestimmt werden kann.

In diesem Fall umfaßt das eine konjugierte Paar des Netzwerks die Pole 57 und 58 und das andere konjugierte Paar die Pole 59 und 61. Es ist daher eine vollständige Gleichstromentkopplung zwischen den beiden Paaren konjugierter Pole 57, 58 und 59, 61 und damit zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Kopplers vorhanden.

Die verbleibenden Dimensionen des Kopplers, z. B. des Abstandes b zwischen den geerdeten Ebenen, die Dicke s der Unterlage und die Leiterbreite W, werden aus dem Vorhergehenden nicht eindeutig bestimmt. Sie sind durch die Kapazitäten für die geradzahlige und ungeradzahlige Schwingungsform bestimmt, die ihrerseits gegeben sind durch

und

e₀

e_ro

η ist die Impedanz des freien Raums.

Da C₀ und C_e leicht bestimmbar sind, kann es in das Belieben des einschlägigen Fachmanns gestellt bleiben, die Größe b, s und W zum Erhalt der gewünschten Werte zu bestimmen.

In F i g. 5 ist ein Schaltbild des symmetrischen Verstärkers nach F i g. 1 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Kopplers dargestellt. Der Einfachheit halber

sind in F i g. 5 die gleichen Schaltungselemente mit gleichen Bezugszahlen versehen.

Die Verstärkerstufe der F i g. 5 weist einen erfindungsgemäß ausgelegten Eingangskoppler 11 auf, der mit einem Signaleingangspol 12 und einem mit einer Impedanz 14 (Z₀) abgeschlossenen Pol versehen ist. Der Koppler 11 besitzt ferner ein Paar miteinander verbundener Ausgangspole 16 und 17, die gleichstrommäßig von den Polen 12 und 13 entkoppelt sind. Die Pole 16 und 17 liegen an den Basen 18 bzw. 19 der Transistoren 12 bzw. 22. Die Hochfrequenz wird vom Basis-Spannungs-Einspeisungspunkt 73 mit Hilfe einer Mäanderleitungsdrossel 71 und eines Hochfrequenzfilters 72 ferngehalten, die zwischen den Vorspannungseinspeisungspunkt 73 und dem Koppler 11 in der dargestellten Weise geschaltet sind.

Die Kollektoren 36 und 37 der Transistoren 19 bzw. 18 liegen über Impedanz kompensierende Induktivitäten 38 bzw. 39 an den Polen43 und 44 eines Ausgangskopplers. Der Koppler 46 kombiniert die Ausgangssignale der Transistoren 21 und 22 in ein einziges, am Ausgangspol 47 erscheinendes Ausgangssignal. Der andere Ausgangspol 48 ist mit einer Anpaßimpedanz 49 (Z₀) abgeschlossen.

Ein Vergleich der Schaltung nach F i g. 1 mit der nach F i g. 5 zeigt, daß verschiedene Schaltungselemente der F i g. 1 überflüssig geworden sind. So fehlen die Blockierkondensatoren 23,24,41 und 42 der F i g. 1 in der Schaltung nach F i g. 5, und die Drosseln 26, 27 sowie die Filter 28, 29 sind in F i g. 5 durch eine einzige Drossel 71 und ein einziges Filter 72 ersetzt. In jeder Schaltungsanordnung ist es wünschenswert, mit so wenig wie möglich Schaltungskomponenten auszukommen. Bei der Anordnung nach F i g. 5 sind etwa 30% der Schaltungskomponenten der F i g. 1 durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kopplers eingespart.

Bei Anwendung erfindungsgemäßer Richtungskoppler konnten bei Frequenzänderungen über eine Oktave und mehr praktisch (innerhalb 0,5 db) gleiche Ausgänge leicht erhalten werden, und zwar unter Verwendung leicht erhältlicher Materialien. Es wurde gefunden, daß ein Optimum für die meisten Anwendungsfälle erreicht wird, wenn die Beziehung

= 3

erfüllt ist, jedoch liefern aber auch kleinere Abweichungen von diesem Wert immer noch befriedigende Ergebnisse.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Bandleitungsrichtungskoppler mit Gleichstromentkopplung zwischen zwei Paaren konjugierter Anschlußpole, mit zwei im Abstand voneinander liegenden geerdeten Ebenen und zwei leitend getrennten ebenen Leitern, die sich parallel zu und zwischen den geerdeten Ebenen über eine Kopplungszone der Länge L hinweg erstrecken, wobei beide ebene Leiter an ihren Enden je mit einem der Anschlußpole abgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ebenen Leiter (51, 52) auf gegenüberliegenden Seiten einer Unterlage (53) angeordnet sind, deren Dielektrizitätskonstante e_x wesentlich größer ist als die der dielektrischen Füllung des Rests der Bandleitung, daß das eine Paar konjugierter Pole (56, 58) dem einen Leiter (51) und das andere Paar konjugierter Pole (59, 61) dem anderen Leiter (52) zugeordnet sind und daß L entsprechend der Formel

   L =

   -1

   bemessen ist, in der f_x eine Entwurfsfrequenz bedeutet, bei der die gegenseitige Entkopplung zwischen den entsprechenden Polen jedes Paares ein Maximum ist, ferner e_ro und e_re die Dielektrizitätskonstante für die ungeradzahlige bzw. geradzahlige Fortpflanzungsschwingungsform, die der Kopplungszone als eine Funktion von e_x (F i g. 4) zugeordnet sind, N die Impedanz des freien Raums und e₀ die Dielektrizitätskonstante des freien Raums.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen