DE2605351A1

DE2605351A1 - Richtkoppler

Info

Publication number: DE2605351A1
Application number: DE19762605351
Authority: DE
Inventors: David John Gunton; Edward George Sydney Paige
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1975-02-11
Filing date: 1976-02-11
Publication date: 1976-08-19
Also published as: NL7601344A; FR2301109B1; JPS51146153A; FR2301109A1; US4027254A; JPS6027201B2

Description

The Secretary of State for Defence in Her

Britannic Majesty's Government of the

United Kingdom of Great Britain and Northern

Ireland

Whitehall, London, S.W. 1 (Großbritannien)

Richtkoppler

Die Erfindung bezieht sich auf als Mikrostreifen oder Mikrostreifenleiter gebildete Richtkoppler. Ein solcher Aufbau erfordert die Verwendung von dünnen Streifenelektroden auf den flachen Seiten einer dielektrischen Unterlage.

Eine MikrostreifenanOrdnung weist eine dielektrische flache Unterlage mit einer die eine Oberfläche bedeckenden ebenen Masseelektrode und einer schmalen Streifenelektrode auf der anderen Oberfläche auf. Ein zwischen der Masseelektrode und der Streifenelektrode angelegtes

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elektromagnetisches Wellensignal wird längs des Streifens übertragen.

Eine bekannte Art des Streifenleiterrichtkopplers trägt zwei Streifen eines Leiters, die parallel zueinander auf derselben Oberfläche einer isolierenden Unterlage angeordnet sind. Vorausgesetzt, daß der Leiterabstand und die Länge des gekoppelten Systems korrekt sind, wird Leistung über einen besonderen Frequenzbereich von einem Streifen zum anderen übertragen. Ein solcher Koppler wird kantengekoppelter Mikrostreifenrichtkoppler genannt.

Ein Nachteil bei diesem kantengekoppelten Mikrostreifenkoppler ist die Genauigkeit, die beim Einstellen des Abstands der parallelen Elektroden und bei der Dimensionierung der Streifen zur Sicherung des gewünschten Kopplungsgrades erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Richtkoppler derart zu gestalten, daß der gewünschte Kopplungsgrad mit einfacheren Genaugigkeitsanforderungen erreichbar ist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Richtkoppler mit einer dielektrischen Unterlage, die an einer Oberfläche eine Masseelektrode und an der anderen Oberfläche zwei Streifenelektroden unter gegenseitigem Abstand trägt, mit dem Kennzeichen, daß die beiden Streifenelektroden kammförmig ausgebildet und voneinander isoliert sind und dem einen Kamm zugeführte Signale zum anderen Kamm koppelbar sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Ausführungsart des Richtkopplers;

Fig. 2, 3, h und 5 Diagramme zur Darstellung der Leistungsübertragung im Koppler; und

Fig. 6 eine schematische Aufsicht einer symmetrischen Mischstufe.

Der in Fig. 1 dargestellte Richtkoppler weist eine flache Unterlage 1 aus einem Polyolefinwerkstoff, z. B. "Polyguide" auf, die an einer Oberfläche mit einer Masseoder Erdelektrode 2 aus Kupferblech bedeckt ist und auf der entgegengesetzten Oberfläche zwei ineinander eingreifende kammartige Kupferelektrodenstreifen 3, 4 trägt. Diese kammartigen Elektroden 3> 4 bestehen jeweils aus einer Sammelschiene 5 bzw. 6 mit senkrecht davon vorspringenden Elektrodenfingern oder -schenkein 7 bow. 8. Man erkennt in Fig. 1, daß die Finger 7, 8 der beiden Kämme 3, 4 ineinander eingreifen und gleiche gegenseitige Abstände aufweisen. Zuführungsstreifen 9> 10, 11, 12 verbinden die Kämme mit Anschlüssen P., Pg, P,, P₂,, so daß ein Eingangs (oder Ausgangs-) Signal zwischen dem Streifen 9 und der Masseelektrode 2 am Anschluß P, usw. angelegt werden kann.

Die beiden Kammelektroden kann man als Vieranschluß-Koppelübertragungsleitungssystem mit zwei Ausbreitungsformen ansehen. Das Verhalten dieser Übertragungsleitung ist von den Abmessungen (und der Impedanz) der beiden Kämme J, 4 abhängig. Man bezeichnet die Länge der Elektro-

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denkämme 3, 4 mit L, die Länge der Elektrodenfinger 7 bei dem einen Kamm 3 mit I₁ und die der Elektrodenfinger beim anderen Kamm 4 mit l_p, die Überlappungslänge der Elektrodenfinger 7, 8 mit t, den Abstand benachbarter Finger mit s und den Abstand zwischen den Elektrodenfingern jedes einzelnen Kammes mit ρ (ρ = 2 s).

Wenn 1, = Ip ist, d. h. symmetrische Kämme vorliegen, und ein Konstantfrequenzsignal bei P zugeführt wird, ergibt sich der Ausgang an den Anschlüssen P^ und P₁. für verschiedene Werte der Kammlänge so, wie in Fig. 2 dargestellt ist, wobei Verluste aufgrund des Strahlungswiderstandes, der Reflektion und der dielektrischen Absorption vernachlässigt sind. An einem mit L markierten Punkt ist dann sämtliche Leistung vom Kamm 4 auf den Kamm 5 übertragen, d. h. daß man bei Pj, einen Nullausgang und bei P-, sämtliche Leistung erhält.

Für eine gegebene Länge L führt eine Änderung der Eingangssignalfrequenz zur Veränderung der zu den Anschlüssen P^,, Pj. übertragenen Leistungsmengen, wie Fig. zeigt. Eine maximale Übertragung von P, zu P^ tritt bei einer mittleren Frequenz f auf.

Die theoretische Grundlage hierbei (bei 1 = I₂) ist folgende. Ein am Anschluß P, zugeführtes allgemeines Signal kann nur in den Begriffen der symmetrischen und der antisymmetrischen Ausbreitungsformen analysiert werden. An irgendeinem Punkt längs der Kämme 3, 4 tritt eine Phasendifferenz zwischen den Ausbreitungsformen unter Berücksichtigung ihrer unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf, und die Energieverteilung zwischen den Kämmen 5, 4 an diesem Punkt wird durch die Beziehung (1 - cos 0)/(l + cos 0) ausgedrückt, worin 0 der Phasen-

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winkel oder -unterschied zwischen den beiden Ausbreitungsformen ist. So ergibt sich eine periodische Übertragung von Energie vom einen Kamm zum anderen, wobei die maximale Übertragung auftritt, wenn 0 ='H ist. Diese Übertragung erfolgt periodisch über die Länge bei einer gegebenen Frequenz (Fig. 2) und für ein dispersionsloses System frequenzperiodisch für eine gegebene Länge L (Fig. 3>).

Für den Fall, daß I₁ 4 Ip ist, werden die Ausbreitungsformen unausgeglichen, und die maximal übertragene Leistung ist geringer (Fig. 4). Durch Wahl von L, I^ und l_o läßt sich die Menge der Leistungsübertragung gleich

i machen, d. h. eine 3dB-Übertragung, in welchem Fall sich die beiden Kurven aus Fig. 4 gerade berühren, wie in Fig. 5 gezeigt ist. So wird bei P, zugeführte Leistung gleichmäßig auf P^ und P₁. aufspalten, wobei (theoretisch) am Anschluß Pp ein Nullsignal auftritt.

Für eine gegebene Länge L und eine Frequenz f ändert sich das Kopplungsausmaß zwischen den Kämmen mit dem Elektrodenfinger-Überlappungsgrad t.

Wie schon bemerkt, hängt das Verhalten der Kopplungsübertragungsleitung von der physikalischen Beschaffenheit der beiden Kämme 3, 4 ab. Die Betriebsfrequenz wird durch die verschiedenen Sperrbereiche beherrscht, die sich aus den periodischen Impedanzfehlanpassungen und Resonanzeffekten aufgrund der Abstände s, ρ und der Länge der Elektrodenfinger 7, 8 ergeben.

So läßt sich z. B. ein Koppler derart auslegen, daß der erste Resonanzbereich auftritt, wenn I₁ = λ/4, d. h. eine geringere Frequenz als die des Sperrbereichs, ist, was der Fall ist.

wenn der Abstand ρ zwischen benachbarten Elektrodenfingern an einem Kamm = Λ/2 ist, wobei Λ die Wellenlänge bedeutet.

Eine Breitbandkopplung wurde bei einem erfindungsgemäßen Koppler gefunden, wenn die Betriebsfrequenz f etwa die Hälfte der Frequenz ist, bei der λ/4-Resonanz in der Länge der Elektrodenfinger auftritt, d. h. wenn 1, angenähert λ /8 ist, wobei X die Wellenlänge bei der Mittenfrequenz f ist. In einem solchen Beispiel läßt sich eine flache Bandbreite von etwa f + 20 % erzielen.

Als Beispiel wurde ein Breitband-3dB-Koppler gebaut, um über den Frequenzbereich von 5*3 bis 6,6 GHz zu arbeiten, und hatte die folgenden Abmessungen: L = 32 mm, I₁ = 5 mm, Ip = 4 mm, Elektrodenfingerüberlappung t = 2 mm, Breite der Samme1schienen = 1 mm, Dicke der Elektroden = 0,035 mm, Dicke der "Polyguide"-Unterlage = 1,6 mm.

Nach einer anderen Ausführungsart kann die Elektrodenanordnung nach Fig. 1 mit einem weiteren dielektrischen Band bedeckt werden, das seinerseits mit einem Masseelektrodenblech hinterlegt ist. Diese Anordnung ist zur Verringerung von Strahlungsverlusten nützlich, was insbesondere für Unterlagen mit niedriger Dielektrizitätskonstante gilt, und stellt einen Dreischicht- oder Streifenleitungsäufbau dar. Für diesen Fall können die genauen Abmessungen der Kammelektroden von denen der offenen oder Mikrostreifenvariante für den gleichen Kopplungswert abweichen.

Als weiteres Beispiel wurde ein 10 GHz-3dB-Koppler in einer Dreischichtausbildung gebaut und hatte folgende Abmessungen: L = 28 mm, 1, = 2,3 mm, I₂ = 0,9 mm, ρ = 2,4

mm, t = 0,6 mm, Breite der Sammelschiene 5 = 0,8 mm, Breite der Sammelschiene 6 = 1,0 mm, Dicke des Dielektrikums 1 = 1,59 mm und Dielektrizitätskonstante = 2,4.

Die verschiedenen bei der Auslegung und Bemessung des Kopplers zu beachtenden Parameter sind daher:

Das Verhältnis li/lp bestimmt die Maximalleistungsübertragung zwischen den Kämmen,

1, bestimmt die erste Grenzfrequenz,

t, s: der Kopplungskoeffizient hängt von t, s ab; der Kopplungskoeffizient seinerseits beeinflußt den Wert von f für eine gegebene Länge L,

L bestimmt die Mittenfrequenz der Anordnung, und

die Breite der Sammelschienen beeinflußt die Eingangsimpedanz und somit die Anpassungsverhältnisse.

Die Elektrodenfingerlängen I₁, Ip können, wie dargestellt, konstant sein oder über die Kopplerlänge variieren. Ebenso können die Elektrodenfingerabstände p, s konstant sein oder variieren. Die Elektrodenfinger-Überlappungslänge t kann, wie dargestellt, positiv, 0 oder negativ sein, wobei die Kammelektrodenfinger nicht mehr ineinander eingreifen, sondern ein Spalt zwischen den beiden Kämmen vorliegt. Die beiden Kämme eines Kopplers können parallel unter einem gleichbleibenden Abstand oder auch mit über die Länge veränderlichem Abstand ausgebildet sein.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist ein Koppler eine Unterlage 1 mit vier Anschlüssen P₁, P₂, P,, P₂^ auf, mit

denen andere Schaltungsteile (z. B. Koaxialleitungen) verbunden werden können. In der Praxis kann der dargestellte Koppler ein Teil eines viel größeren Strei.fenleiterschaltkreises sein. Das Einstimmen zum Koppler von den Eingangs- und Ausgangsleitern erfolgt über abgeschrägte bzw. verjüngte Abschnitte der Übertragungsleitung.

Für einen Koppler mit symmetrischen Kämmen, d. h. 1, = Ip, sind für einen Eingang am Anschluß P, die Ausgänge bei P-,, Pu um 90° phasenverschieden für jede Kammlänge, die nicht gerade L ist. Jedoch ist für nichtsymmetrische Kämme, d. h. I₁ ^ Ip, der Phasenunterschied zwischen den Ausgängen P^, P^ nicht 90°. Wenn eine 90°- Phase benötigt wird, kann eine der Anschlußelektroden, z. B. bei P^. einen Kammleitungsabschnitt umfassen, dessen Dispersions- oder Streueigenschaften derart sind, daß die Phasenänderung zwischen P^ und P^. auf den gewünschten Wert verringert wird.

Bei einem 3dB-Koppler sind die Signale an den Ausgangsanschlüssen P^,, Pj, in Abhängigkeit von dem verwendeten Eingangsanschluß entweder phasenverschieden oder phasengleich. Wenn ein Signal nur am Anschluß P, zugeführt wird, ist die Phasendifferenz zwischen den Signalen bei F-, und Fu l80°.

ein Signal nur am Anschluß Pp zugeführt wird, sind die Signale an den Anschlüssen P^, F₁^ in Phase. Eine solche Phasenbeziehung tritt bei der Mittenfrequenz f auf; bei Frequenzen außerhalb von f ändert sich diese Phasenbeziehung linear mit der Abweichung von f .

Die Anwendungsfälle eines solchen 3dB-Kopplers umfassen phasengleiche Nutzleistungsteiler, d. h. mit Signaleingang bei Ppj phasenverschiedene Nutzleistungsteiler,

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d. h. mit Signaleingang bei P · Leistungsmischer, d. h. von zwei gleichen, phasengleichen Signalen wird eines bei P und das andere bei P zugeführt, und Leistung wird bei P- abgeleitet.

Eine andere Verwendungsart eines 3dB-Kopplers ist schematisch in Fig. 6 dargestellt, wo gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Pig. I versehen sind. Zusätzlich umfaßt diese Koppleranordnung zwei Mikrowellendioden D-, Dp, die mit den Ausgängen P^, P₂, und mit einem gemeinsamen IF-(Zwischenfrequenz)Ausgang verbunden sind, und bildet eine symmetrische Mischstufe. Von einer (nicht dargestellten) Spannungsquelle wird den Dioden eine Gleichstromvorspannung zugeführt. Man führt ein Signal von einem Empfangsüberlagerer am Anschluß P, und ein moduliertes Signal am Anschluß P_p zu.

Im Betrieb spaltet der Koppler die Empfangsüberlagererleistung phasenverschieden und die erhaltene Leistung phasengleich auf. Die Signale werden durch die Dioden gemischt, um ein IF-(Zwischenfrequenz)Signal zu liefern. Das Empfangsüberlagererrauschen verschwindet bei Rekombination an den Diodenausgängen.

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Claims

Patentansprüche

l Richtkoppler mit einer dielektrischen Unterlage, die an einer Oberfläche eine Masseelektrode und an der anderen Oberfläche zwei Streifenelektroden unter gegenseitigem Abstand trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Streifenelektroden (3, 5, 7; K, 6, 8) kammförmig ausgebildet und voneinander isoliert sind und dem einen Kamm zugeführte Signale zum anderen Kamm koppelbar sind.
2. Koppler nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, daß die Elektrodenfinger (7) am einen Kamm (3) mit den Elektrodenfingern (8) am anderen Kamm (4) verzahnt sind.
3. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfinger (7) am einen Kamm (3) länger als die Elektrodenfinger (8) am anderen Kamm (4) sind.
4. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfinger (7, 8) untereinander gleiche Abstände (p, s) aufweisen.
5. Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine zweite dielektrische Unterlage mit einer Masseelektrode an einer Oberfläche und der anderen Oberfläche im Kontakt mit den beiden Kämmen (3* 4) trägt.
6. Koppler nach Anspruch 1.in Anordnung als symmetrische Mischstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden beider Kämme (3, k) Anschlüsse (P₁, Pp, P-,, Pj.) bildeni wovon benachbarte Anschlüsse (P., P„) am einen Ende des Kopplers Eingangsanschlüsse bilden, während die

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benachbarten Anschlüsse (P_, P^) am anderen Ende des Kopplers miteinander über Dioden (Dp, D,) zur Bildung eines (IF-)Ausgangs verbunden sind, und daß die relativen Längen (1,, Ip) der Elektrodenfinger (7, 8) zur Erzielung einer j5dB-Kopplung zwischen den Kämmen (3, ^) bemessen sind.

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Le e rs e ι te