DE2041646C3 - Betbandiger Mikrowellen-Richtungskoppler in Streifenleitungsbauweise - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen breitbandigen Mikrowel-Ien-Richtungskoppler in Streifenleitungsbauweise nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mikrowellen-Richtungskoppler mit abgestuften Impedanzwerten sind bekannt und z. B. in folgenden Literaturstellen beschrieben: »Theory and Tables of Optimum Symmetrical TEM-Mode Coupled-Transmission-Line Directional Couplers« von E. G. Cristal and L. ™ Young in »IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques«, Band MTT-13, Nr. 5, Seiten 544 bis 558, September 1965; »Characteristic Impedances of Broadside-Coupled Strip Transmission Lines« von S. B. Cohn in »IRE Transactions on Microwave Theory and v, Techniques«, Band MTT-8, Seiten 633 bis 637, November 1960; und »Impedances of Offset Parallel-Coupled Strip Transmission Lines« von J. P. Shelton, Jr. in »IEEE Transactions on Micowave Theory and Techniques«, Band MTT-H₁Nr. 1, Seiten 7 bis 15, Januar &< > 1966.

Es ist auch bekannt, daß die Form der Übergangsbereiche zwischen den jeweils aufeinanderfolgenden Streifenleiterabschnitten die Kopplung zwischen diesen Abschnitten beeinflußt. Hierzu ist z. B. die Veröffentli- t>^ri chung »The Design and Construction of Broadband, High-Directivity, 90-Degree Couplers Using Nonuniform Line Techniques« von C. P. Tresselt in »IEEE Transactions on j^ifcrowave Theory and Techniques«, , Band ΜΤΓ-14ι^]ΰ/§6>Ιβη·;647 bis 656, Dezember 1966 zu nennen. p.enfgenjäß werden bei bekannten Richtungskoppler. d|r genannten Art die Ränder der Übergangsbereiche im allgemeinen parallel oder sogar kolinear miteinander verlaufend ausgebildet. Im allgemeinen läßt man die Ränder der Übergangsbereiche zwischen aufeinanderfolgenden Streifenleiterabschnitten unter 45° zur Leiterachse verlaufen, wie dies z. B. in »Tandem Couplers und Phase Shifters for Multi-Octave Bandwidth« von J. P. Shelton, J. Wolfe und R. C. Van • Wagoner in »Microwaves«, Seiten 14 bis 19, April 1965, beschrieben' ist. Gemäß einer ebenfalls bekannten Bauart werden die Ränder der Übergangsbereiche häufig zur Leiterachse rechtwinklig verlaufend ausgebildet, wie dies z. B. in »Tables for Asymmetrie Multi-Element Coupled-Transmission-Line Directional Couplers« von R. Levy in »IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques«, Band MTT-12, Seiten 275 bis 279, Mai 1964, beschrieben ist.

Während die Verwendung solcher Übergangsbereiche mit parallelen Rändern eine verbesserte Kopplung zwischen den einzelnen Streifenleiterabschnitten mit sich bringt, ergeben sie im allgemeinen nur eine geringe Verbesserung hinsichtlich der frequenzabhängigen Kopplungsschwankungen des Richtungskopplers.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei einem Richtungskoppler der eingangs genannten Art eine Verringerung der frequenzabhängigen Kopplungsschwankungen zu erzielen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Konstruktion gelöst.

Eine zweckmäßige Bemessungsregel für die Übergangsbereiche ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Es zeigt:

F i g. 1 in Draufsicht einen Richtungskoppler nach der Erfindung,

F i g. 2 in größerem Maßstab einen Schnitt durch den Richtungskoppler längs der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 eine vergrößerte Darstellung der Übertragungsleitungen des Richtungskopplers und

F i g. 4 idealisierte Kopplungsdämpfungskennlinien eines Richtungskopplers nach der Erfindung.

Die F i g. 1 und 2 zeigen einen Mikrowellen-Richtungskoppler 10 in Streifenleitungsbauweise mit kreuzgekoppelten Übertragungsleitungen 11 und 12 mit mehreren hintereinandergeschalteten Streifenleiterabschnitten je einer ViertelweHenlänge.

Die Übertragungsleitungen 11 und 12 sind mit bestimmtem Abstand 5 in zueinander parallelen Ebenen innerhalb des Zwischenraumes b zwischen zwei ebenfalls flachen Masseelementen 13 und 14 angeordnet, wobei die Ebenen der Übertragungsleitungen 11 und 12 parallel zu den Ebenen der Masseelemente 13 und 14 verlaufen.

Zwischen den Masseelementen 13 und 14 und den Übertragungsleitungen 11, 12 sind jeweils Isolierstoffteile 15, 16, 17 angeordnet. Hierbei werden, wie insbesondere aus F i g. 2 hervorgeht, die Übertragungsleitungen 11, 12 von dem flachen mittleren Isolierstoffteil 16 in ihrer Lage gehalten.

In F i g. 2 sind der deutlicheren Darstellung halber die Dickenabmessungen mit Bezug auf die Horizontalausdehnungen übertrieben groß dargestellt. Hierdurch treten die Abstände zwischen den Übertragungsleitungen 11, 12 und den Isolierstoffteilen 15 und 17 übertrieben groß hervor, die jedoch in der Praxis

vernachlässigbar Idein sind. Vorzugsweise sind die Übertragungsleitungen 11,12 als Leiterbahnen auf dem als gedruckte Schaltungsplatte ausgebildeten mittleren Isolierstoffteii 16 angeordnet

Die Enden der den Durchgangsleiter bildenden Übertragungsleitung 12 sind mit Koaxialanschlüssen 18 und 19 verbunden. Die den Koppelleiter bildende Übertragungsleitung 11 ist mit einem Ende an einen Koaxialanschluß 20 angeschlossen, während ihr anderes Ende an den Mittenanschluß 21a eines Abschlußwiderstsandes 21 angeschlossen ist Die Enden der Innenleiter 18a, 19a, 20a der Koaxialanschlüsse 18,19,20 sind den Enden der Übertragungsleitungen 11, 12 entsprechend ausgebildet und an diesen beispielsweise angelötet

In den Isolierstoffteilen 15, 16 und 17 sind zwecks Unterbringung des zylindrischen Abschlußwiderstandes 21 kreisrunde Aussparungen gebildet Zwei ringförmige, wellscheibenartige Leiterelemente ?3 und 24 sitzen zwischen den Stirnflächen des Abschlußwiderstandes 21 und scheibenförmigen Kontaktstücken 25, 26, die in runde Vertiefungen der Masseelemente 13, 14 eingesetzt sind. Hierdurch ergeben sich zwei symmetrische Leiterpfade von der Übertragungsleitung 11 über den Mittenanschluß 21a und die stirnseitigen Endanschlüsse des Abschlußwiderstandes 21 zu den Masseelementen 13,14.

Die genannten Elemente 11 bis 17 sind in einem Gehäuse mit elektrisch leitenden U-förmigen Seitenteilen 27, 28 untergebracht und durch Schrauben 29 zusammengehalten. Weiter weist das Gehäuse ebenfalls U-förmige, elektrisch leitende Stirnteile 31, 32 mit Schenkeln 30 auf, durch weiche Schrauben 29' hindurchverlaufen. Das Gehäuse bildet gleichzeitig eine elektrische Abschirmung.

■ An den Seitenteilen 27 und 28 sind die Koaxialanschlüsse 18,19,20 mittels Schrauben 18' angeschraubt.

Zur Erleichterung des Einsetzens der Elemente 11 bis 17 in das Gehäuse werden diese Elemente von zwei Schrauben 33 mit Muttern 34 zusammengehalten. Zwei weitere Schrauben 35 mit Muttern 36 erlauben die Befestigung des Richtungskopplers 10 an einem Chassis od. dgl.

In F i g. 3 ist der Durchgangsleiter 12 voll ausgezogen über dem gestrichelten Kopplungsleiter 11 dargestellt. Die symmetrischen Übertragungsleitungen des Richtungskopplers 10 weisen jeweils neun Viertelwellenlängeleiterabsrhnitte Zi bis Z9 mit jeweils abgestuften Impedanzwerten auf, wobei die Mittelabschnitte Z 5 der Übertragungsleitungen 11,12 breitseitig gekoppelt und die anderen Leiterabschnitte der Übertragungsleitungen in versetzter Anordnung miteinander gekoppelt sind.

Für eine bestimmte Bandmittenfrequenz fc und eine entsprechende Wellenlänge Ä_c erhält man den Wert

'' als Leiterabschnittlänge. Für ein gegebenes Bandbreitenverhältnis, eine gegebene Mittenfrequenz, einen gewünschten Kopplungsgrad und die zugelassenen Kopplungsschwankungen können die Breiten 51 bis 59 der Leiterabschnitte, die Versatzabmessungen IVC1 bis WC4 und WC6 bis WC9 und die obengenannten Abstände Sund b leicht berechnet werden. Die in Fi g. 3 dargestellte symmetrische Anordnung weist folgende Verhältnisse auf: 51=59, 52=58, 53 = 57, 54=56; 51>52>53>54>55; WCi= WC9, WC2= WC8, WCZ= WC7ur.d WC4= V/C6.

Fig.3 zeigt weiter, daß die Übergangsbereiche zwischen den aufeinanderfolgenden Leiterabschnitten schräge Ränder 37' aufweisen, die zueinander konvergieren.

Die Übergangsbereiche haben jeweils eine Länge von

L=K

4 '

wobei ,Keine Konstante mit dem Wert 0,148±0,025 ist

Die Übergangsabschnitte verlaufen jeweils symmetrisch beiderseits einer zu den Leiterabschnittsachsen senkrechten Versetzungslinie 38 zwischen den betreffenden aufeinanderfolgenden Leiterabschnitten und sind jeweils durch zwei ebenfalls zu den Leiterabschnittsachsen senkrechte, parallele Linien /1 und /2 mit gleich großen Abständen Ul zur Versetzungslinie begrenzt Die schrägen Ränder 37' der Übergangsbereiche verlaufen zwischen den Schnittpunkten dieser Bereichsbegrenzungslinien /1 und /2 mit den Randbegrenzungslinien der einander benachbarten Leiterabschnitte, deren Versetzungen, z. B. Hi und H 2, infolge der Unterschiede der Breitenabmessungen, z. B. S 2 und 53, der Leiterabschnitte nicht gleich groß sind. Infolgedessen verlaufen die schrägen Ränder 37' jeweils unter verschiedenen Winkeln zur Leiterabschnittsachse.

Wie Fig.3 weiter zeigt, weisen die Leiter 11 und 12 jeweils unter 90" abgewinkelte Endteile 39 auf, wobei die Außenecken unter 45° abgeschrägt sind.

In F i g. 4 zeigen die Kurven Ia und Ib den Verlauf der Kopplungsdämpfung bei einer Energieübertragung zwischen Durchgangs- und Koppelleiter bzw. zwischen Eingang und Ausgang des Durchgangsleiters eines erfindungsgemäßen Richtungskopplers. Der jeweilige Toleranzbereich der periodisch frequenzabhängig auftretenden Kopplungsschwankungen ist mit Aa bzw. Ab bezeichnet. Zum Vergleich ist zu beiden Kurven in Form gestrichelter Linien Ha und Ub der Kopplungsdämpfungsverlauf eines entsprechenden Richtungskopplers herkömmlicher Bauart eingezeichnet. Demgemäß ist bei dem herkömmlich ausgebildeten Richtungskoppler die Schwankungsbreite der Kopplungsdämpfung im Frequenzband des Richtungskopplers jeweils wesentlich größer als bei dem erfindungsgemäßen Richtungskoppler.

Bei einem Musterexemplar eines erfindungsgemäßen Richtungskopplers betrug im Frequenzband 2... 12 GHz die Kopplungsdämpfung zwischen Durchgangs- und Koppelleiter 8,7 ±0,7 dB und zwischen Eingang und Ausgang des Durchgangsleiters 1,1 ±0,3 dB.

Hier/u 2 Hliilt Zeichnungen

Claims (2)

K-. it r'2- Patentansprüche:

1. Breitbandiger Mikrowellen-Richtungskoppler in Streifenleitungsbauweise, bei dem die beiden miteinander gekoppelten Slreifenleiter im Kopplungsbereich aus mehreren hintereinandergeschalteten Streifenleiterabschnitten je einer Viertelwellenlänge mit durch Leiterbreitenänderung bewirkten, abgestuften Impedanzwerten bestehen, wobei aufeinanderfolgende LeiteraJDSchnitte jedes der beiden Streifenleiter in ihrer, Aus.dehnungseberie ,achsparallel gegeneinander versetzt angeordnet sind und der Übergang von je einem zum jeweils benachoarten Leiterabschnitt durch stetige Veränderung der Streifenleiterbreite vollzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich (L) für die Veränderung der Leiterbreite (S) in der bzw. den Ausdehnungsebenevn) der Streifenleiter (11,12) jeweils festgelegt ist durch zwei zu den Achsen der Leiterabschnitte senkrechte, parallele Linien (h, h), deren gleichgroße Abstände (L/2) zur Versetzungslinie (38) einen kleinen, festen Bruchteil der Leiterabschnittslänge (λ</4) betragen, und daß die Randbegrenzungen (37') der Streifenleiter in diesem Übergangsbereich festgelegt sind durch die Verbindungslinien der einander entsprechenden Schnittpunkte der beiden Bereichsbegrenzungslinien (l\, h) mit den Randbegrenzungslinien der einander benachbarten Streifenleiterabschnitte.

2. Richtungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (L) der beiden Begrenzungslinien (l\, h) des Übergangsbereiches

voneinander mit L=K- .' gewählt ist, wobei K

eine Konstante vom Wert 0,148 ±0,025 ist und A₁ die Wellenlänge der Mittenfrequenz des Richtungskopplers darstellt.

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