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Ri chtungskoppl er Priorität: 11. Närz 1972; Italien; Aktenzeichen
21736 A/72 Zusammenfassun£ Bei einem Mikrostrip-Richtkoppler wird ein Substrat verwendet,
auf welchem zwei 3eweils eine bestimmte Breite aufweisende Leiterbahnen angeordnet
sind. Ein Abschnitt der einen Leiterbahn ist auf einer Strecke, welche gleich einer
halben Wellenlänge des zu übertragenden und in die Leiterbahnen eingekoppelten Signals
ist, zu einem Abschnitt der anderen Leiterbahn im wesentlichen parallel. Der Kopplungsgrad
wwrd
durch den Abstand und die Breite der Leiterbahnen längs der parallelen Abschnitte
bestimmt.
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Hintergrund der Erfindudng: Die Erfindung betrifft Mikrowellen-Richtkoppler
und insbesondere Mikrostrip-Richtkoppler.
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Bei neuen Integrationstechniken auf dem Gebiet der Mikrowellen ist
zur Verkleinerung der Mikrowellen-Schaltung bereite die Verwendung von als Mikrostrips
bezeichneten Streifenleitern zusammen mit dielektrischen Substraten welche eine
große Dielektrizitätskonstante haben, wie beispielsweise tonerde bzwO Aluminiumoxid,
sorgeschlagen worden.
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Die Ausbreitungsart einer elektromagnetischen Welle in einer Schaltung,
welche gemäß diesen neuen Techniken ausgeführt ist und zwei gekoppelte parallele
Leitungen aufweist, ergibt sich aus der Zusammensetzung einer geraden Ausbreitungsart
(Leitungen gleichphasig erregt) und einer ungeraden Ausbreitungsart (Leitungen gegenphasig
erregt).
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Aufgrund der inhomogenität der Mikrostrip-Anordnung weichen die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten
der geraden und ungeraden Ausbreitungsarten voneinander ab und diese Abweichung
ist umso größer, Je weiter die beiden gekoppelten Leitungen voneinander antfernt
sind. e ist deshalb unmöglich, Viertelwellenlänge-Koppler herzustellen, welche ausreichend
gerichtet und nicht zu fest gekoppelt sind.
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3ie Viertelwellenlänge-Koppler, welche gewöhnlich in Anordzungen vom
TEN-Typ bekannt sind (G.L. Matthaei, L. Young, E.M.T. Jones: "Microwave filters,
impedance matching networks, and coupling structures" (Mikrowellen-Filter, Impedanzanpassungsnetzwerke
und Koppelanordnungen), Mc Graw-Hill book Company, Kapital 13), sind bislang ebenfalls
verwendet
werden. Mit den oben genannvan Mikrosiri@@ für kleine Kopplungsfaktoren (ungsfähr
< 15 dB sind dis Viertelwellenlänge-Koppler nicht mehr gerichtet.
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In diesem Zusammenhang wird auf folgende Aufsätze Bezug ge nommen:
Alfred Schwarzmann: "Microstrip plus equations adds up to fast designs" (Mirkrostrip
plus Gleichungen addieren sich zu schnellen Entwürfen), Electronics, Oktober 1967;
P@ De Vincenti, C@ Misiano: "Uso del calcolatore elettronico per il progetto di
circuiti integrati a micrconde" (Verwendudng des elektronischen Rechners für den
Entwurf von integrierten Mikrowellenschaltungen), Rendiconti delle LXXI Riunione
annuale A.E.I. 1970 (Berichte von der @isten A.E.I. - Jahrestagung 1970), worin
sich die Autoren zwar mit dem Viertelwellenlänge-Mikrostrip-Richtkoppler befassen,
jeoch das Problem des Richtvermögens bzw. der Richtdämpfung außer Acht lassen; R@
Levy: "Transmission line directional couplers for very troad-band operation" (Übertragungsleitungsrichtkoppler
für einen Betrieb mit sehr großer Bandbreite), Pr@@. IgE f Band 112, Nr. 3, März
1965.
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R. Levy bringt in seinem Aufsatz eine theoretische Diskussion der
Folgen, die sich aus der Abweichung zwischen den Fortpflanzungsgeschwindigkeiten
der geraden und ungeraden Ausbreitungsarten in einem Viertelwellenlänge-Koppler
in einer inhomogenen Anordnung ergeben. Um die beiden Geschwindigkeiten einander
anzugleichen und dadurch die kopp lung gerichtet zu machen, schlägt er beispielsweise
vor, daß in Bereiche in der Hähe des äußeren Randes der Kopplungsstreifenleiter
ein dielektrisches Material eingebracht und experimentell derart angeordnet wird
daß zu dem Ausgangsbereich, welcher entkoppelt sein soll, die minimale Energie in
dem einschlägigen Frequenzbersich gelangt
Eine weitere Anwendung
des gleichen Prinzips wird durch Alan Podell vorgeschlagen: "A high directivity
microstrip coupler technique" (Mikrostrip-Koppler-Technik zur Erzielung eines großen
Richtfaktors), G-MTT 1970, International Microwave Symposium. Gemäß Podell's Lösung
werden die einander benachbarten Ränder der Leitungen längs des ga koppelten Abschnittes
derart schlangenlinienförmig ausge fi»irt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der
ungeraden Welle verringert wird 9 ohne daß sich gleichzeitig die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der geraden Welle wesentlich ändert.
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Mit Hilfe des ersten vorgeschlagenen Kriteriums ist es mög lich, wie
durch den Autorselbst festgestellt, in einer Triplate-Anordnung eine Vergrößerung
des Richtfaktors um etwa 7 d3 zu erzielen. In einer Mikrostrip-Anordnung erbringt
dieses Kriterium Jedoch keine Verbesserung, was experimentellnachgewiesen wurde.
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Das zweite, von Podell vorgeschlagene Kriterium erbringt für den Fall,
daß Materialien mit großer Dielektrizitäts konstante9 wie beispielsweise Tonerde
bzwO Aluminiumoxid, als dielektrisches Substrat verwendet werden, für Frequenzen
in der Größenordnung von einigen Hundert MHz und für Kopplungsfaktoren in einem
Bereich von ungefähr - 20dB annehmbare Ergebnisse, was ebenfalls experimentellnachgewiesen
wurden Beide vorgeschlagenen Kriterien erscheinen zwar zum Erhöhen der Richtdämpfung
von Kopplern, welche bereits gerichtet sind, geeignet, sogar dann9 wenn diese nur
Richtdämpfungen in der Größenordnung von wenigen Dezibel aufweisen, sie sind jedoch
ungeeignet, um aus Kopplern, welche überhaupt nicht gerichtet sind, wie Mikrostrip-Kopplernmit
dielektrischem Substrat großer Dielektrizitätskonstante, Richtkoppler zu machen.
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Dus Kriterium gemäß der Erfindung führt auf Mikrostrip-Richt koppler
mit greßer Richtdämpfung für jeden Kopplungsfaktor und bei jeder Frequenz.
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Karze Zusammenfassung der Erfindung: Die Erfindung beinhaltet einen
Mikrostrip-Richtkoppler, welcher durch ein substrat und durch zwei auf diesem in
bestimm tem Abstand voneinander angeordnete und jeweils eine bestimmt ta Breite
aufweisende Leiterbahnen gekennzeichnet ist, welche auf einer Strecke, die gleich
einen Vielfachen einer halben Wellenlänge eines längs der leiterbahnen zu übertragenden
Signals ist, in wesentlichen parallel zueinander-sind und welche außerdem jewils
einen Eingangsbersich sowie einen ausgangsbereich aufweisen und in Abhängigkeit
von einem Signal an dem Eingangsbereioh einer der beiden Leiterbahnen einen Anteil
dieses Eingangssignals zum . Ausgangebereich der anderen Leiterbahn koppeln, wobei
dieser gekoppelte Signalantejl zu der bestinmten Breite und dem bestimmten Abstand
in Beziehung steht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Enfindudng ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird iB folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf einen
Richtkoppler nach der Erfindung Fig. 2 eine Schnittansicht 2-2 des in digo 1 dargestellten
Richtkopplers, und Fig. 3a und 3b Diagramme zur Veranschaulichung des Betriebes
des in Fig. 1 dargestellten Richtkopplern.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung: In den Figuren 1 und 2 sind
eine Draufsicht und eine xeilschnittansicht
einer ausführungsform
eines Mikrostrip-Richtkopplers nach der Erfindung dargestellt0 Der Richtkoppler
weist zwei auf einem Substrat 14 angeordnete Leiterbahnen 10 und 12 auf> beispielsweise
Kupferbahnen auf einem Tonerde-bzw. Aluminiumoxidsubstrat. Die Leiterbahnen 10 und
12 haben jeweils eine bestimmte Breite w und weisen zueinander im wesentlichen parallele
Abschnitte auß, welche einen gegenseitigen Abstand 5 haben. Die Länge Z der parallelen
Abschnitte ist jeweils gleich einer halben Wellenlänge (oder einem Vielfachen davon)
des längs der Leiterbahnen 10 und 12 zu Übertragenden Signals. Insbesondere ist
die Länge l gleich einer halben Wellenlänge bei der Mittenfrequenz des Übertragenen
Signals.
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Ein Signal aus einer nicht dargestellten Signalquelle wird der Leiterbahn
12 in einem Eingangsbereich 1 zugefUhrt, und ein Anteil dieses Signals ist mit einem
Ausgangsbereich 3 der Leiterbahn 10 gekoppelt, während der übrige Teil des Signals
ttber einen Auslaßbereich 4 der Leiterbahn 12 austritt. Uber einen Bereich 2 der
Leiterbahn 10 wird im wesentlichen keine Energie auagekoppelt. Das heißt mit anderen
Worten, wenn P1 das Energiesignal am Eingangsbereich 1 irt und P2, P3 und P4 die
Energiesignale sind, welche jeweils in den Bereichen 2, 3 und 4 erscheinen, dann
ist P2 = 0 und P1 = P3 + P4. Die Kopplungsdämpfung in Dezibel ist gleich 10 log10
P3/P1.
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Als Beispiel zeigen die Figuren 3a und 3b jeweils als eine Funktion
der Frequenz in GEZ die Kopplungsfaktoren (Acc) und Richtfaktoren (Dir) von zwei
auf einen Tonerde- bzw. Aluminiumoxidsubstrat ( E " 9,8g Dicke 0,625 mm) gebildeten
Richtkopplern. Die Abmessungen eines Richtkopplers, dessen Betriebswerte im Fig.
3a dargestellt sind, waren Breite w = 0,63 mm, Abstand s = 1,52 mm und Länge l =
28,20 mm; die Abmessungen des Richtkopplers, dessen Betriebswerte in Fig. 3b dargestellt
sind, betrugen w - 0,6Q n, 9 = 5,5 mm und g g 28,20 mm. In den Figuren 3a und 3b
beziehen sich die gestrichelten Linien auf
Die Richtdämpfung und
die ausgezogenen Linien auf die Kopplungsdämpfung.
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Eine richtdämpfung von mehr als 20 dB ist in einem 10 % - 3and für
einen -20 dB Koppler (Fig. 3a) und in einem 30 % = Band für einen -35 dB koppler
(Fig. 3b) erzielt worden. Größere Bandbreiten mit Richtdämpfungen von mehr als 20
dB werden da durch erzielt, daB die Länge t des gekoppelten Leitungsabschnittes
auf Vielfache einer halben Wellenlänge vergrößert wird.
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Der Kopplungsfaktor ist, wenn einmal die Länge des gekoppel ten leitungsabschnittes
festgelegt ist, eine Funktion des Abstandes 5 zwischen den Leitungen und ändert;
sich mit der Frequenz um 20 dB/Dekade.
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Die Kopplungsdämpfung
wobei L = Selbstinduktivität pro Längeneinheit C = Eigenkapazität pro Längeneinheit
Lm = Gegenseitige Induktivität pro Längeneinheit Cm = Gegenseitige Kapazität pro
Längeneinheit Die Richtdämpfung
wobei
mit f = Frequenz Für das Verhältnis der geraden und ungeraden charakteristischen
Wellenwiderstände Zoe und Z0O gilt
wobei α = Cm/C = Lm/L Durch Verwendung der geraden und ungeraden charakteristischen
Wellenwiderstände können die Breite w und der Abstand s er mittelt werden, indem
beispielsweise die auf Seite 35 des Microwave Handbook, Ausgabe 1970, angegegenen
Diagramme verwendet werden0 Der Mikrostrip-Richtkoppler nach der Erfindung gestattet,
ab gesehen davon9 daß er gerichtet ist, das Erzielen von aus reichend festen Kopplungen
mit einem größeren Abstand s zwischen den gekoppelten Leitungen als der Abstand
der bei dem Viertelwellenlänge-Richtkoppler erforderlich ist. Dieser größere Abstand
5 ermöglicht bei festen Kopplungen die Lösung des technologischen Problems, welches
beim Schicht auftragen dann auftritt, wenn die gekoppelten Leitungen sich zu nahe
beieinander befinden.
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Der Grund für die mit dem Richtkoppler nach der Erfindung erzielten
ausgezeichneten Resultate liegt in den besonderen Eigenschaften der Wellenfortpflanzung
in der Mikrostrip-Anordnung mit einem Substrat großer Dielektrizitätskonstante0
Der Mikrostrip-Koppler verhindert zwar einen guten Richtkoppierbetrieb mit einer
Viertelwellenlan'ge-Kopplung, er ermöglicht Jedooh einen ausgezeichneten Betrieb
mit einer Halbwellenkopplung.
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Im Rahmen der Erfindung bieten sich über das beschriebene Ausgührungsbeispiel
ninaus
selbstverständlick viele Änderungs und Verbesserungsmöglichkeiten.
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- Patentanspruch -