DE1964412B2

DE1964412B2 - Richtungskoppler in Streifenleitungsausführung

Info

Publication number: DE1964412B2
Application number: DE1964412A
Authority: DE
Inventors: Julius Dallas Tex. Lange (V.St.A.)
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1968-12-30
Filing date: 1969-12-23
Publication date: 1980-09-18
Also published as: FR2032301A1; DE1964412C3; DE1964412A1; NL169938C; GB1276180A; US3516024A; SE353422B; NL6914645A; NL169938B

Description

Die Erfindung betrifft einen Richtungskoppler in Streifenleitungsausführung mit einem Durchgangs- und einem Koppelleiter, die über eine KoppeUänge gleich v> einer Viertelwellenlänge mit geringem Abstand parallel zueinander geführt sind.

Der artige Richtungskoppler in Streifenleitungs-Ausführung (vgl. F i g. 1 der Zeichnung) haben bisher, wenn sie eine ausreichende Bandbreite besitzen sollen, zu t>o große Abmessungen, da angrenzend an einen λ/4-Koppelbereich mit starker Kopplung jeweils ein weiterer λ/4-Koppelbereich mit schwächerer Kopplung vorgesehen ist. Außerdem bieten die bekannten Richtungskoppler fertigungstechnische Schwierig- (Ti keiten.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten, einfach herzustellenden Richtungskoppler in Streifenleitungs-Ausführung anzugeben, der bei ausreichender Bandbreite nur einen Koppelbereich von einer Viertelwellenlänge benötigt

Diese Aufgabe wird bei einem Richtungskoppler der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden zu koppelnden Leiter im Koppelbereich je eine Mehrzahl von parallel geführten und elektrisch einander parallel geschalteten, streifenförmigen Leiterbahnen aufweisen, die in einer derartigen Leiterkonfiguration angeordnet sind, daß Leiterbahnen des Durchgangsleiters und Leiterbahnen des Koppelleiters abwechselnd einander benachbart sind.

Die entscheidenden Vorteile eines Richtungskopplers gemäß der Erfindung bestehen darin, daß bei vergleichsweise großer Bandbreite eine gute Richtungsselektivität erreichbar ist und daß der Koppler bei kleiner Baugröße vergleichsweise einfach hergestellt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Richtungskopplers sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen bekannten Richtungskoppler in Streifenleitungs-Ausführung,

F i g. 2 und F i g. 4 Draufsicht auf zwei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Richtungskoppler und

Fig.3 ein Diagramm zur Verdeutlichung des frequenzabhängigen Dämpfungsverlaufs zwischen den verschiedenen Anschlüssen des Richtungskopplers gemäßFig.2.

Im einzelnen zeigt F i g. 1 der Zeichnung einen bekannten Richtungskoppler in Streifenleitungs-Ausführung mit einem Durchgangsleiter 10 und einem Koppelleiter 12 Die im Bereich von Leiterabschnitten 10a bzw. 12a über eine KoppeUänge von einer Viertelwellenlänge mit geringem Abstand parallel zueinander geführt sind. Angrenzend an den mittleren Leiterabschnitt 10a des Durchgangsleiters 10 sind zu beiden Seiten jeweils ein Leiterabschnitt 10i> bzw. 10c vorgesehen, deren Länge jeweils tiaer Viertelwellenlänge entspricht, wobei die beiden äußeren Leiterabschnitte 106,10c mit entsprechenden Leiterabschnitten 12b, 12c von einer Viertelwellenlänge des Koppelleiters 12 lose gekoppelt sind.

Ein bekannter Richtungskoppler gemäß Fig. 1 ist wegen der jeweils drei In Längsrichtung aufeinanderfolgenden Λ/4-Abschnitte der beiden Leiter 10, 12 im Vergleich zu den mit derartigen Richtungskopplern zusammenwirkenden elektronischen Verstärkern relativ groß und überdies wegen der hohen Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit schwierig herzustellen. Eine lose Kopplung von beispielsweise 17,2 dB zwischen den äußeren λ/4-Abschnitten läßt sich zwar mit Leiterstreifen mit einer Breite von 200 μιη und einem gegenseitigen Abstand von 400 μιη (Kantenkopplung!) auf einem Keramikträger mit einer Dicke von 0,5 mm realisieren; die in diesem Fall zur Erzielung einer Gesamtkopplung von 3 dB erforderliche Kopplung von 1,7 dB für die mittleren λ/4-Abschnitte läßt sich jedoch nur sehr schwer verwirklichen, weil der gegenseitige Abstand und die Breite der mittleren Leiterabschnitte 10a, 12a nur sehr schwer zu errechnen und zu fertigen sind. Auch Versuche, diese Schwierigkeiten durch eine breitseitige Kopplung der mittleren Leiterabschnitte zu überwinden, führten nicht zu dem gewünschten Erfolg, da insbesondere die Erzeugung eines sehr dünnen keramischen Isolators zwischen diesen Leiterabschnitten Schwierigkeiten bereitete.

■31?...

F jg, 2 der Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführongsforro eines RicbtungskOppIers gemftß der Erfindung. Man erkennt, daß der erfindungsgemäße Richtungskoppler gemäß Fig,2 — der in der Zeichnung in größerem Maßstab als der bekannte Richtungskoppler gemäß F i g, 1 dargestellt ist — nur etwa ein Drittel der Fläche des bekannten Richtungskopplers benötigt und außerdem wesentlich leichter herstellbar ist

Im einzelnen weist der Richtungskoppler gemäß Fig. 2 wieder einen Durchgangsleiter 14 und einen Koppelleiter 16 auf, wobei diese beiden Leiter 14,16 auf einem isolierenden Träger 18 angeordnet sind uad einander X-förmig derart kreuzen, daß ihre Anschlüsse 1, 3 und 2, 4 auf entgegengesetzten Seiten einer gedachten Mittelebene senkrecht zum Träger 18 liegen. Die beiden Leiter 14,16 sind über eine Koppellänge von einer Viertelwellenlänge gekoppelt und besitzen in diesem Koppelbereich streifenförmige Leiterbahnen 20, 22 bzw. 24 mit einer Länge von jeweils λ/4, die in einer derartigen Leiterkonfiguration angeordnet sind, daß die Leiterbahnen 20,22 des Durchgangsleiters 14 und eine Leiterbahn 24 des Koppcüeitcrs 15 alternierend aufeinanderfolgen, wobei die streifenförmige.) Leiterbahnen jeweils eine Länge von λ/4 aufweisen. Eine weitere Leiterbahn 26 des Koppelleiters 16, weiche von dessen Anschluß 2 ausgeht, sowie eine weitere Leiterbahn 28 des Koppelleiters 16, welche von dessen Anschluß 4 ausgeht, reichen beide bis zur Mitte des Koppelbereichs und liegen beim Ausführungsbeispiel auf der Außenseite der über den ganzen Koppe'bereich durchgehenden Leiterstreifen 20,22,24. Insgesamt sind also die Leiterbahnen 20, 22 des Durchgangsleiters 14 und die Leiterbahnen 24,26,28 des Koppelleiters 16 so angeordnet, daß sie einander abwechselnd benachbart sind. Weiterhin wird aus Fig.2 deutlich, daß die Anschlüsse 1 und 3 einerseits und die Anschlüsse 2 und 4 andererseits symmetrisch zueinander ausgebildet sind, so daß sich ein symmetrischer dämpfungsarmer Richtungskoppler mit verbesserten Koppeleigenschaften ergibt.

Alle Leite· bahnen stellen ein kammartig verzahntes Muster dar, indem jede Leiterbahn mit der jeweils übernächsten Leiterbahn über Drähtchen 30,32,34, 36 verbunden ist, weiche die dazwischenliegende Leiterbahn vorzugsweise brückenartig überkreuzen. Im einzelnen sind die Leiterbahnen 20 und 22 des Durchgangileiters 14 dabei durch zivei Gruppen von Drähtchen 30, 32 jeweils an den Enden des Koppelbereichs leitend miteinander verbunden, während die kürzeren Leiterbahnen 26 und 28 des Koppelleiters 16 mit der durchgehenden Leiterbahn 24 desselben etwa in der Mitte des Koppelbereichs über Gruppen von Drähtchen 34, 36 leitend miteinander verbunden sind. Die Verwendung von jeweils mehreren Verbindungsdrähtchen für die galvanische Verbindung der genannten Leiterbahnen wird dabei deshalb bevorzugt, weil damit gegenüber der Verwendung von jeweils nur einem Überbrückungsdraht parasitäre Induktivitäten verringert werden.

Bei einem Muster eines Richtungskopplers gemäß Fig.2 wurde als Träger 18 ein Träger aus Tonerde (ÄI2Ö3) mit einer Dicke von etwa 1,07 mm verwendet, dessen in der Zeichnung nicht sichtbare Oberfläche mit einer im Betrieb auf Bezugspotential bzw. an Masse liegenden Leiterschicht bedeckt war. Der einseitig kaschierte, unglasierte Tonerdeträger wurde in eine Vakuumkammer eingebracht, in der auf seiner anderen Seite ein Goldfilm niedergeschlagen wurde. Mittels Fotomaskierung wurde über dem dönnen GoJdfilm eine erste Maske zur geometrischen Festlegung des Leiterstreifenmusters bzw, der Leiterkonfigurötjon erzeugt, woraufhin die unerwünschten Teile des Goldfilms durch Ätzung entfernt würden. Anschließend wurde auf dem Träger eine zweite Maske erzeugt welche den Leiterbahnen und ihren Anschlüssen entsprach. Auf die durch die zweite Maske freigelegten Bereiche des Goldfilms wurde dann Gold bis zu einer bestimmten

ίο Dicke aufgetragen. Bei dem betrachteten Muster des Richtungskopplers mit kammartig verzahnten Leiterbahnen betrug die Breite der Leiterbahnen etwa 115 μπι, während ihr Abstand voneinander etwa 76 um betrug. Dabei ist zu beachten, daß derartige Richtungs koppler mit kammartig verzahnten Leiterbahnenmuster auch für Schaltkreise mit zwei Masseebenen bei ein oder zwei dielektrischen Schichten verwendet werden können.

F i g. 3 zeigt ein Diagramm, in dem die Übertragungs-

größe in dB über der Frequenz in GHz für das oben beschriebene Muster aufgezeichnet :st Im einzelnen erscheint eine am Anschluß 1 eingespeiste Eingangsleistung gemäß Kurve 86 am Anschluß 3 mit einer Abschwächung von etwa 3 dB und am Anschluß 2 gemäß Kurve 88 mit einer Abschwächung von etwa 3,5 dB. Dabei reicht der dargestellte Frequenzbereich von 2 bis 4 GHz. Die vom Anschluß 1 zum Anschluß 4 übertragene Leistung ist dagegen gemäß Kurve 90 sehr klein, da die Abschwächung bzw. Dämpfung in der Größenordnung von 30 dB liegt Dabei ist zu beachten, daß die in F i g. 3 aufgezeichneten Daten auf Messungen an Labormustem beruhen und keineswegs Spitzenwerte darstellen, wie sie erst bei einer sorgfältigen Großfertigung erreichbar sind.

j) Die in Fig.3 graphisch dargestellten Daten sowie zusätzliche Daten über die Einfügungsdämpfung (insertion loss) und Unsymmetrie (output imbalance) sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt, wobei auch diese Daten wieder an Hand eines Labortrusters

■40 erhalten wurden:

Tabelle

Fre	I >3	I -2	I -4	Ein-	Unsym
quenz				fügungs-	metrie
	direkter	gekop	Richt	dämpfung
	Aus	pelter	wirkung
	gang	Aus
		gang
(GIIz)	(dB)	(dB)	(dB)	(dB)	(dB)
2.0	2,6	4,0	31,0	0,32	1,40
*2,1*	2,8	3,8	30,5	0,28	0,97
2,4	2,95	3.45	30,0	0,20	0,50
2,6	3,1	3,5	30,3	0,30	0,45
2,8	3,2	3,4	30,8	0,27	0,23
3,0	3,2	3,3	31,4	0,24	0,08
3,2	3,2	3,2	30,5	0,20	0,05
3,4	3.1	3,3	30,4	0,21	0,22
3,8	2.S	3,5	31.1	0.15	Ö.70
4,0	2.65	3,65	31.9	0.15	0,98

Fig. 4 zeigt ein s.'.veites Alisführungsbeispiel eines Richtungskopplers gemäß der Erfindung mit kammartig verzahnter Konfiguration der Leiterbahnen

Im einzelnen ist wieder ein Durchgangsleiter 14 und ein Koppclleiter 16 mit Anschlüssen 1 und 3 bzw. 2 und 4, die in einem Koppelbereich mit einer Länge von einer Viertelwellenlänge — bezogen auf die Wellenlänge der Bandmittenfrequenz — miteinander gekoppelt sind. Dabei weist der Durchgangsleiter 14, ausgehend von dem Anschluß 1 zwei Leiterbahnen 40,32 auf, während der Koppelleiter 16 ausgehend von dem Anschluß 4 zwei Leiterbahnen 44, 46 aufweist. Alle Leiterbahnen sind kammartig miteinander verzahnt derart, daß die Leiterbahn 46 zwischen den Leiterbahnen 40 und 42 liegt, während die Leiterbahn 42 zwischen den Leiterbahnen 44 und 46 angeordnet ist; die Leiterbahn 40 des Durchgangsleiters 14 ist ferner einstückig mit den von den Anschlüssen 1 und 3 ausgehenden Leiterbahnbereichen verbunden und stellt eine galvanische Verbindung zwischen diesen beiden Anschlüssen dar. Die Leiterbahn 42 ist ferner einstückig mit dem von dem Anschluß 1 ansehenden I.eiterbahnhereich verbunden und über ein Überbrückungsdrähtchen 48 galvanisch mit dem zum Anschluß 3 führenden Leiterbahnbereich gekoppelt. In ähnlicher Weise sind die Leiterbahnen 44 und 46 an ihrem einen Ende einstückig mit dem zum Anschluß 4 führenden Leiterbahnbereich verbunden und an ihren freien Enden miteinander und mit dem Leiterbahnbereich des Anschlusses 2 galvanisch mittels Überbriickungsdrähtchen gekoppelt

Bei dem Ausführungsbeispiel gem. F i g. 4 wurden die kammartig verzahnten Leiterbahnen auf einem etwa 1 mm dicken Träeer aus Tonerde hergestellt, um einen 3-dB-Richtungskoppler zu erhalten, wobei die kammartig ineinandergreifenden Leiterbahnen im Koppelbereich jeweils eine Breite von etwa 115 μιτι und einen Abstand von etwa 76 μπι aufwiesen. Ein Testmuster des Richtungskopplers gemäß F i g. 4 zeigt die im Frequenzbereich zwischen 2 und 4 GHz Dämpfungsverluste von weniger als 0,25 dB. Außerdem betrug die Isolation bei zwei GHz 4OdB und fiel bis zu einer Frequenz von 4 GHz langsam auf 21,5 dB ab.

Richtungskoppler gemäß der Erfindung können mit Vorteil als Ein- und Ausgangskoppler für Verstärkerstufen eingesetzt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit erfindungsgemäße Richtungskoppler in Impedanzbrücken zur Mikrowellenmessung und Leistungsaufzeichnung einzusetzen. Wird beispielsweise bei dem Richtungskoppler gemäß F i g. I an den Anschluß 1 ein Radarsender angeschlossen, an den Anschluß 2 eine Antenne, an den Anschluß 3 ein Mikrowellendetektor und eine angepaßte Last an den Anschluß 4, dann ist die am Anschluß 3 erhaltene Leistung derjenigen Leistung proportional, die vom Sender zur Antenne geht, und zwar nur in dieser einen Richtung. Da eine gegebenenfalls von der Antenne reflektierte Welle nicht zum Anschluß 3 eingekoppelt wird, zeichnet der Detektor tatsächlich die Ausgangsleistung des Senders auf.

Der erfindungsgemäße Richtungskoppler kann auch zur Kopplung eines Zwischenfrequenzoszillators und eines Mischerkreises dienen. Beispielsweise muß für einen Mischerkreis, der aus Leiterbahnen aufgebaut ist und angepaßt werden soll, eine Vorrichtung vorgesehen werden, um den Hilfsoszillator an diesen Mischerkreis anzuschließen. Eine Koaxialleitung oder ein Koppler vom Wellenleitertyp kann offensichtlich dort nicht verwendet werden, wo Streifenleiteranordnungen vorgesehen sind, da in diesem Fall keine Anpassung möglich ist. Andererseits werden Richtungskoppler gemäß Fig. 1 bei Anpassung an einen derartigen Mischer größer als dieser selbst. Wird jedoch ein erfindungsgemäßer Richtungskoppler mit kammartig ineinandergreifenden Leiterbahnen verwende;, dann ergibt sich der Vorteil eines sehr kleinen Aufbaus.

Hierzu 1 Blatt Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche;

1. Richtungskoppler in Streifenleitungsausführung mit einem Durchgangs- und einem Koppelleiter, die Ober eine KoppeUänge gleich einer Viertelwellenlänge mit geringem Abstand parallel zueinander geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu koppelnden Leiter (14, 16) im Koppelbereich je eine Mehrzahl von parallel geführten und elektrisch einander parallel geschalteten, streifenförmigen Leiterbahnen aufweisen, die in einer derartigen Leiterkonfiguration angeordnet sind, daß Leiterbahnen (20, 22; 40, 42) des Durchgangsleiters und Leiterbahnen (24,26,2"··. 44, 46) des Koppelleiters (16) abwechselnd ein*, der benachbart sind.

2. Richtungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen in einer kammartig verzahnten Konfiguration angeordnet sind, wobei <Ee elektrischen Verbindungen der freien Enden zusammengehöriger Leiterbahnen miteinander und mit einem zu einer Anschlußklemme führenden Streifenleiter mitteis Drahtbügeln (30,32, 34,36; 48,50) hergestellt sind, die die dem anderen Leiter des Richtungskopplers zugehörigen benachbarten Leiterbahnen isolierend übergreifen.

3. Richtungskoppler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden zu koppelnden Leiter (14, 16) eine gleiche Anzahl von jo Leiterbahnen (40, 42; 44, 46) gleicher Länge zugeordnet is;'? i g. 4).

4. Richtungskoppler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß einem (16) der beiden zu koppelnden Leiter (14, IS) eine Leiterbahn mehr J5 als dem anderen Leiter (14) zugeordnet ist und daß die beiden außenliegenden Leiterbahnen (26,28) der kammartigen Leiterkonfiguration dieses Leiters (16) nur die halbe Länge aller übrigen, gleich langen Leitungsbahnen (20, 22, 24) des Richtungskopplers -to aufweisen, wobei jeweils das freie Ende der kurzen Leiterbahnen (26, 28) direkt auf der Höhe des Leiterbahnendes mittels Drahtbügeln (34,36), die die dem anderen Leiter (14) des Richtungskopplers zugeordnete benachbarte Leiterbahn (20,22) isolie- <r> rend übergreifen, elektrisch leitend mit der benachbarten Leiterbahn (24) der eigenen Leiterkonfiguration verbunden ist (F i g. 2).