DE1964412C3 - Richtungskoppler in Streifenleitungsausführung - Google Patents
Richtungskoppler in StreifenleitungsausführungInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft einen Richtungskoppler in Streifenleitungsausführung mit einem Durchgangs- und
einem Koppelleiter, die über eine Koppellänge gleich 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 eo
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 Schwierigkeiten.
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 gemäß F i g. 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 Koppellänge 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 10Z> bzw. 10c vorgesehen, deren Länge jeweils einer Viertelwellenlänge
entspricht, wobei die beiden äußeren Leiterabschnitte 106, 10c mit entsprechenden Leiterabschnitten
126,12c von einer Viertelwellenlänge des Koppelleiters
12 lose gekoppelt sind.
Ein bekannter Richtungskoppler gemäß F i g. 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 μπι und einem
gegenseitigen Abstand von 400 μηι (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,
la insbesondere die Erzeugung eines sehr dünnen keramischen Isolators zwischen diesen Leiterabschnitten
Schwierigkeiten bereitete.
F i g. 2 der Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform
eines Richtungskoppler gemäß der Erfindung. Man erkennt, daß der erfindungsgemäße Richtungskoppler
gemäß F i g. 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 und
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 Koppelleiters 16 alternierend
aufeinanderfolgen, wobei die streifenförmigen Leiterbahnen jeweils eine Länge von λ/4 aufweisen. Eine
weitere Leiterbahn 26 des Koppelleiters 16, welche 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 Koppelbereich
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 Leiterbahnen stellen ein kammartig verzahntes Muster dar, indem jede Leiterbahn mit der jeweils
übernächsten Leiterbahn über Drähtchen 30,32, 34,36
verbunden ist, welche die dazwischenliegende Leiterbahn vorzugsweise brückenartig überkreuzen. Im
einzelnen sind die Leiterbahnen 20 und 22 des Durchgangsleiters 14 dabei durch zwei Gruppen von
Drähtchen 30, 3? 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 bo
Fig.2 wurde als Träger 18 ein Träger aus Tonerde (AI2O3) 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 dünnen GoIdfUm eine erste Maske zur geometrischen Festlegung des Leiterstreifenmusters
bzw. der Leiterkonfiguration erzeugt, woraufhin die unerwünschten Teile des Goldfilms durch
Ätzung entfernt wurden. 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 Dicke aufgetragen. Bei dem betrachteten Muster des
Richtungskopplers mit kammartig verzahnten Leiterbahnen betrug die Breite der Leiterbahnen etwa
115 μΐη, während ihr Abstand voneinander etwa 76 um
betrug. Dabei ist zu beachten, daß derartige Richtungskoppler 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 Übertragungsgröße in dB über der Frequenz in GHz für das oben
beschriebene Muster aufgezeichnet ist 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 Labormustern beruhen und keineswegs Spitzenwerte
darstellen, wie sie erst bei einer sorgfältigen Großfertigung erreichbar sind.
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 Labormusters
erhalten wurden:
Fre | 1 -3 - | 1-2 | 1-4 | Ein | Unsym |
quenz | fügungs- | metrie | |||
direkter | gekop | Richt | dämpfung | ||
Aus | pelter | wirkung | |||
gang | Aus | ||||
gang | |||||
(GHz) | (dB) | (dB) | (dB) | (dB) | (dB) |
2,0 | 2,6 | 4,0 | 31,0 | 0,32 | 1,40 |
2,2 | 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 | 2,8 | 3,5 | 31,1 | 0,15 | 0,70 |
4,0 | 2,65 | 3,65 | 31,9 | 0,15 | 0,98 |
Fig.4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Richtungskopplers gemäß der Erfindung mit kammartig
verzahnter Konfiguration der Leiterbahnen.
Im einzelnen ist wieder ein Durchgangsleiter 14 und ein Koppelleiter 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 Koppellei.er 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 ausgehenden Leiterbahnbereich 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
Überbrückungsdrähtchen gekoppelt
Bei dem Ausführungsbeispiel gem. F i g. 4 wurden die
kammartig verzahnten Leiterbahnen auf einem etwa 1 nun dicken Träger aus Tonerde hergestellt, um einen
3-dB-Richtungskoppler zu erhalten, wobei die kammartig ineinandergreifenden Leiterbahnen im Koppelbereich jeweils eine Breite von etwa 115 μίτι und einen
Abstand von etwa 76 μηι aufwiesen. Ein Testmuster des
Richtungskoppler 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
lu bei dem Richtungskoppler gemäß Fig. 1 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 Ausgangslei
stung 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 vor-
jo gesehen sind, da in diesem Fall keine Anpassung
möglich ist Andererseits werden Richtungskoppler gemäß F i g. 1 bei Anpassung an einen derartigen
Mischer größer als dieser selbst Wird jedoch ein erfindungsgemäßer Richtungskoppler mit kammartig
ineinandergreifenden Leiterbahnen verwendet, dann ergibt sich der Vorteil eines sehr kleinen Aufbaus.
Claims (4)
1. Richtungskoppler in Streifenleitungsausführung mit einem Durchgangs- und einem Koppelleiter, die
über eine iCoppellänge 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, 28; 44,
46) des Koppelleiters (16) abwechselnd einander benachbart sind.
2. Richtungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen in einer
kammartig verzahnten Konfiguration angeordnet sind, wobei die elektrischen Verbindungen der freien
Enden zusammengehöriger Leiterbahnen miteinander und mit einem zu einer Anschlußklemme
führenden Streifenleiter mittels Drahtbügeln (30,32, 34, 36; 48, 50) hergestellt sind, die die dem anderen
Leiter des Richtungskoppler 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 ist (F i g. 4).
4. Richtungskoppler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß einem (16) der beiden
zu koppelnden Leiter (14,16) eine Leiterbahn mehr 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 Richtungskoppler
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) isolierend übergreifen, elektrisch leitend mit der benachbarten
Leiterbahn (24) der eigenen Leiterkonfiguration verbunden ist (F i g. 2).
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