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In Mikrostrip-Technik als Bandsperre aufgebauter Dämpfungsentzerrer
Die Erfindung betrifft einen in Mikrostrip-Technik als Bandsperre aufsbauten Dämpfungsentzerrer
für den Frequenztbereich der Mikrowellen mit einer einseitig mit einem metallischen
Belag vollständig beschichteten Trägerplatte (Substrat) aus dielektrischem Material,
deren Oberseite mit einer durchgehenden streifenförmigen metallischen Leiterbahn
und mit wenigstens zwei von dieser Leiterbahn abzweigenden leerlaufenden Stichleitung
versehen ist, deren Länge und deren gegenseitiger Abstand, bezogen auf die Mittenfrequenz
des Sperrbereichs etwa #/4 beträgt.
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Dämpfungsentzerrer haben die Aufgabe, den unvermeidlichen Amplitudenfrequenzgang
eines Übertragungssystems innerhalb des zu übertragenden Frequenzbandes bis auf
einen tolerierbaren Restfehler zu ebnen. Eine ideale Ebnung ist dann erreicht, wenn
sich die Dämpfungskurve des Entzerrers im Durchlaßbereich mit der Gewinnkurve des
zu entzerrenden übertragungssystems bis auf einen konstanten Wert deckt.
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Der im Mikrowellengebiet am häufigsten angewandte Dämpfungsentzerrer
besteht aus einer Hintereinanderschaltung eines Zirkulators
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eines Bandpasses, welcher mit einem reellen Widerstand abgeschlossen ist. Bei einem
idealen Zirkulator und idealem Quell- und Lastwiderstand wird beidseitig der Reflexionsfaktor
Null erreicht. Die Notwendigkeit eines Zirkulators bedeutet jedoch einen zusätzlichen
Aufwand, der nur für wenige Anwendungsfälle gerechtfertigt erscheint.
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Aus dem Buch "Microwave Filtersl Impedance-Matching Networks, and
Coupling Structures" von G.L. Matthaei, L. Young und E.M.T.
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Jones, erschienen 1964, McGraw-Hill Book Company, sind auf den Seiten
769 bis 771 in Mikrostrip-Technik aufgebaute Bandsperren bekannt, die eine durchgehende
streifenförmigel metallische Leiterbahn und von dieser Leiterbahn abzweigende leerlaufende
Stichleitungen auf der Oberseite eines Substrats enthalten, dessen Rückseite mit
einem metallischen Belag vollständig beschichtet ist. Eine solche in Mikrostrip-Technik
aufgebaute Bandsperre ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt, die eine auf ihrer
Rückseite mit einem metallischen Belag 1 vollständig beschichtete Trägerplatte 2
aus dielektrischem Material zeigt, deren Oberseite mit einer durchgehenden streifenförmigen
metallischen Leiterbahn 3 und mit drei von dieser Leiterbahn abzweigenden leerlaufenden
Stichleitungen 4, 5, 6 versehen ist. Die leerlaufenden #/4-Stichleitungen wirken
bei dieser Anordnung als Saugkreise und ergeben Dämpfungspole, ähnlich einem Cauer-Tiefpaß.
Die hier dargestellte Anordnung kann Jedoch auch als Tiefpaßfilter aufgefaßt werden,
da ein aus Leitungselementen gleicher Längen bestehendes Tiefpaßfilter in Abhängigkeit
von der Frequenz periodisch wiederkehrende Durchlaß- und Sperrbereiche aufweist.
Ein für eine bestimmte Frequenz dimensionierter Tiefpaß zeigt nämlich beispielsweise
bei der doppelten Frequenz wiederum einen Durchlaßbereich.
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Aus der Zeitschrift "Der Fernmelde-Ingenieur", 28. Jahrg.
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Heft 2 vom 15.2.1974, Seite 2, Bild 1 ist weiterhin ein derartiges,
auch als Bandsperre aufzufassendes Tiefpaßfilter aus Leitungselementen
gleicher
Länge bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen mittels einer Bandsperre
aufgebauten Dämpfungsentzerrer der eingangs erwähnten Art unter Vermeidung der Anwendung
eines Zirkulators derart auszubilden, daß sich am Eingang und Ausgang des Dämpfungsentzerrers
im gesamten Entzerrungsbereich ein vernachlässigbar kleiner Reflexionsfaktor ergibt.
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Ausgehend von einem in Mikrostrip-Technik als Bandsperre aufgebauter
Dämpfungsentzerrer für den Frequenzbereich der Mikrowellen mit einer einseitig mit
einem metallischen Belag vollständig beschichteten Trägerplatte (Substrat) aus dielektrischem
Material, deren Oberseite mit einer durchgehenden streifenförmigen metallischen
Leiterbahn und mit wenigstens zwei von dieser Leiterbahn abzweigenden leerlaufenden
Stichleitungen versehen ist, deren Länge und deren gegenseitiger Abstand bezogen
auf die Mittenfrequenz des Sperrberiches etwa #/4 beträgt, wird diese Aufgabe gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, daß drei Stichleitungen vorgesehen sind, daß an den
Abzweigstellen zwischen den Stichleitungen und der durchgehenden Leiterbahn jeweils
ein Widerstand eingefügt ist, daß die den äußeren Stichleitungen vorgeschalteten
Widerstände Jeweils einen auf den Wellenwiderstand Z0 der äußeren Anschlußleitungen
normierten Wert von etwa
aufweisen, wobei amax die maximale Sperrdämpfung in dB des Dämpfungsentzerreres
ist, und daß der der mittleren Stichleitung vorgeschaltete Widerstand einen normierten
Wert R2 von etwa
aufweist, wobei Z12 der normierte Wert des Wellenwiderstandes derjenigen
zwischen den Stichleitungen liegenden Abschnitte der durchgehenden Leiterbahn ist.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist durch den einfachen Schaltungsaufbau
gegeben. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Möglichkeit der nahezu reflexionsfreien
Kettenschaltung mehrerer solcher, beispielsweise mit unterschiedlichen Polfrequenzen,
Dämpfungsmaxima und Bandbreiten, ausgelegter Entzerrer, durch die sich Jeder gewünschte
Dämpfungsverlauf beliebig genau approximieren läßt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch
näher erläutert.
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Es zeigen in der Zeichnung: Fig. 1 eine bereits erläuterte bekannte
Bandsperre Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel Fig. 3 eine Dämpfungskurve eines
Entzerrers gemäß Fig. 2 Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel Fig. 5 u.6 Meßkurven
und theoretische Kurven für Betriebsdämpfung und Rückflußdämpfung Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel
zur Erzeugung von Doppel-Dämpfungsmaxima Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel
zur Erzeugung von Dopel-Dämpfungsmaxima
Fig. 9 ein aus zwei Vierpoleinheiten
aufgebauter vollständiger Entzerrer Fig. 10 eine Entzerreranordnung für sehr hohe
Frequenzen.
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Die Fig. 2 zeigt in der Draufsicht eine Anordnung, die sich von der
Darstellung nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß die Stichleitungen
4 bis 6 nicht unmittelbar, sondern über die Widerstände R1 bis R3 mit der durchgehenden
streifenförmigen Leiterbahn 3 verbunden sind. Es stellen beim Ausführungsbeispiel
die Stichleitungen 4 bis 6 leerlaufende #r/4-Lei tungen dar, wobei Ar die bei der
Resonanz-Frequenz fr dieser Leitungselemente auf dem Substrat 2 sich einstellende
Wellenlänge bedeutet. Es sind also für die Mittenfrequenz fr der Bandsperre die
Stichleitungen #/4 lang. Diese leerlaufenden #/4-Leitungen wirken dann als Saugkreise
und ergeben somit gemeinsam mit den vorgeschalteten Widerständen R1 bis R3 die erwünschte
maximale Sperrdämpfung des Dämpfungsentzerrers.
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In Fig. 3 ist eine Dämpfungskurve eines Dämpfungsentzerrers gemäß
Fig. 2 als Funktion der Frequenz f und des Phasenwinkels Q auf den Stichleitungen
4, 5 und 6 bzw. auf den zwischen diesen liegenden Abschnitten 7 und 8 der durchgehenden
Leiterbahn 3 dargestellt. Die glockenförmige Dämpfungskurve zeigt ein Maximum mit
dem Wert amax bei der Resonanzfrequenz fr der Leitungselemente bzw. bei einem Phasenwinkel
# von 90°. Bei der unteren bzw. oberen Grenzfrequenz fD bzw. f'D, bei der sich ein
Phasenwinkel von #D bzw. #D' ergibt, hat die minimale Dämpfung im Entzerrungsbereich
einen Wert von amin.
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Um nun eine exakte Anpassung des Dämpfungsentzerrers für die Mittenfrequenz
fr zu erhalten, ist es gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung weiterhin erforderlich,
den den äußeren Stichleitungen 4 bzw. 6 vorgeschalteten Widerständen R1 bzw. R3
einen auf den Wellenwiderstand Zn der äußeren Anschlußleitungen
normierten
Wert von etwa
zu geben und außerdem den der mittleren Stichleitung 5 vorgeschalteten Widerstand
R2 entsprechend der folgenden Beziehung
zu dimensionieren. Dabei ist Z12 der auf den Wellenwiderstand Z0 der äußeren Anschlußleitungen
normierte Wert des Wellenwiderstandes der zwischen den Stichleitungen 4 bis 6 liegenden
Abschnitte 7 und 8 der durchgehenden Leiterbahn 3, welche die gleiche Länge wie
die Stichleitungen 4 bis 6 haben.
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Bei einer hinsichtlich des gesamten Entzerrungsbereiches einen minimalen
Reflexionsfaktor aufweisenden Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, den
Wellenwiderstand Z12 der zwischen den Stichleitungen 4 bis 6 gelegenen Abschnitte
7 und 8 der durchgehenden Leiterbahn 3 entsprechend der Bedingung Z12=1/[-F(amax,
amin)#cot#D] (3) zu dimensionieren. Hierbei ist F eine von der maximalen Sperrdämpfung
amax und dem vorgegebenen Dämpfungsunterschied #aB zwischen maximaler Sperrdämpfung
und dem Dämpfungsminimum amin an der Bandgrenze abhängige, frei wählbare Konstante
und der auf der durchgehenden Leitung 3 zwischen zwei Stichleitungen und auf diesen
sich ausbildende Phasenwinkel. Zur Minimierung des Reflexionsfaktors über den gesamten
Entzerrungsbereich ist es weiterhin erforderlich, den Wellenwiderstand Z1 der äußeren
Stichleitungen 4 bzw. 6 gemäß der Bedingung Z1=tan#D/F(amax, amin) (4)
und
den Wellenwiderstand der mittleren Stichleitung 5 gemäß der weiteren Bedingung
zu wählen.
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Für bestimmte Anwendungsfälle, bei denen die Wellenwiderstände der
Stichleitungen gemäß der Anordnung nach Fig. 2 zu hochohmig für eine exakt reproduzierbare
Realisierung werden, ist es in-Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, unter Verwendung
bekannter Äquivalenzen zu elektromagnetisch gekoppelten Leitungselementen überzugehen.
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Die Verwendung elektromagnetisch gekoppelter Leitungselemente in Zusammenhang
mit einer Bandsperre, ist aus dem in Artech-House Dedham, Massachusetts, erschienenen
Buch "Stripline Circuit Design", von H. Howe Jr., Seite 257, Fig. 7-39, bekannt.
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Fig. 4 zeigt eine Struktur eines als Bandsperre aufgebauten Dämpfungsentzerrers,
bei dem die Stichleitungen 4, 5 und 6 der Anordnung nach Fig. 2 als parallel zur
durchgehenden Leitung 3' angeordnete und mit dieser elektromagnetisch gekoppelte
Leitungsabschnitte 4', 5' und 6' ausgebildet sind, die in vorteilhafter Weise wechselseitig
auf beiden Seiten der durchgehenden Leitung 3' unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet
und die über jeweils einen, bezogen auf den Eingang der Anordnung am gleichen Ende
liegenden Widerstand R1', R2, und R3' mit der durchgehenden Metallisierung der Substratrückseite
verbunden sind.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die durchgehende Leitung
3' in drei Bereiche 31 bis 33 unterteilt, deren Länge jeweils etwa #r/4 beträgt
und die Jeweils mit einem der Leitungsabschnitte 4' bis 6' elektromagnetisch verkoppelt
sind. Der
erste Bereich 31 der durchgehenden Leitung weist beim
Ausführungsbeispiel einen Wellenwiderstand Zm1 = Z0 auf, ebenso der mit ihm gekoppelte
Leitungsabschnitt 4'. Die sich anschließenden Bereiche 32 und 33 der durchgehenden
Leitung sind mit einem Wellenwiderstand Zm2 = Z12 entsprechend Gleichung (3) bemessen
und mit den, jeweils den gleichen Wellenwiderstand aufweisenden, an entgegengesetzten
Seiten der durchgehende Leitung angeordneten Leitungsabschnitten 5' und 6' gekoppelt.
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Hierbei sind die Wellenwiderstände Zmv (v=1,2) definiert als Zm=1/2#(ZLe+ZLo),
wobei die Ausdrücke ZLe und ZLo auf Seite 24 der vorstehend zititerten Druckschrift
"Der Fernmelde-Ingenieur" erklärt sind. Die Wahl gleicher Wellenwiderstände der
Jeweils miteinander gekoppelten Leitungen bzw. Leitungsabschnitte hat sich als vorteilhaft
erwiesen. Die Koppelfaktoren k, die auf Seite 24 der vorgenannten Druckschrift definiert
sind, werden wie folgt bemessen:
Die hier angegebenen Formeln gelten für eine Anordnung gemäß Fig. 4, bei der die
Widerstände R1', R2, bzw. R3' jeweils am rechten Ende der Leitungsabschnitte 4',
5' bzw. 6' liegen. Wären die Widerstände am entgegengesetzten Ende dieser Leitungsabschnitte
angeordnet, müßten die Formeln für k1 und k3 vertauscht werden. Weiterhin ist der
dem mittleren Leitungsabschnitt 5' vorgeschaltete und mit der durchgehenden Metallisierung
verbundene Widerstand R2' nach der Vorschrift R2'=k2²#R2 dimensioniert, wobei R2
entsprechend Gleichung (2) gewählt ist. Weiterhin weisen die den ersten bzw. letzten
Leitungsabschnitt 4' bzw. 6' vorgeschalteten Widerstände R1, bzw. R3,
normierte
Werte R1' bzw. R3' entprechend den Vorschriften R1'=k1²#R1 bzw. (6) R3'=k3²#R1 auf,
wobei R1 entsprechend Gleichung (1) gewählt ist. Ein derart realisiertes Entzerrernetzwerk
gemäß Fig. 4 ist äquivalent zu dem Entzerrernetzwerk nach Fig. 2.
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Fig. 5 zeigt die Betriebsdämpfung für eine Anordnung gemäß Fig. 4,
wobei die ausgezogene Kurve aufgrund von theoretisch ermittelten Werten und die
gestrichelt dargestellte Kurve aufgrund von Meßwerten erstellt ist. Der Entzerrungsbereich
des gemessenen Entzerrernetzwerkes geht von 2,9 bis 4,05 GHz. Die Widerstände sind
hierbei durch in die Schaltung eingelötete Chips realisiert.
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Fig. 6 zeigt die Rückflußdämpfung des Entzerrerenetzwerkes gemäß Fig.
4, wobei die ausgezogene Kurve wiederum aufgrund von theoretischen und die gestrichelt
dargestellte Kurve aufgrund von gemessenen Werten erstellt ist.
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Die mit der vorstehend beschriebenen Vierpol-Struktur erzeugte Dämpfungskurve
genügt als Glockenkurve im allgemeinen nur geringeren Entzerrungsforderungen. Für
höhere Ansprüche hinsichtlich des Dämpfungsverlaufes ist im allgemeinen die Kettenschaltung
beispielsweise dreier oder mehrerer solcher Einzel-Vierpole, deren Mittenfrequenzen
fR gegeneinander entsprechend versetzt sind, erforderlich, was aufgrund des beidseitig
geringen Reflexionsfaktors der erfindungsgemäßen Einzelentzerrer ohne die sonst
üblichen Schwierigkeiten möglich ist.
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Der Schaltungsaufwand kann Jedoch weiter verringert werden, wenn ein
vorstehend beschriebener Einzel-Vierpol mit nur einem Dämpfungsmaximum in Kette
geschaltet ist mit einem zwei Dämpfungsmaxima
aufweisenden Vierpol.
In diesem Fall sollen im allgemeinen diese beiden Dämpfungsmaxima symmetrisch zu
dem des ersten Vierpols liegen.
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In der Fig. 7 ist eine erste solche Struktur zur Erzeugung von Doppel-Dämpfungsmaxima
auszugsweise dargestellt, die aus dem Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 4 dadurch
hervorgeht, daß die den einzelnen Leitungsabschnitten 4 bis 6' vorgeschalteten Widerstände
R1' bis R3, der Anordnung nach Fig. 4 Uber Jeweils eine auf der Oberseite des Substrats
aufgebrachte weitere Leitung 4+ bis 6* mit der durchgehenden Metallisierung der
Substratrückseite verbunden sind. In der Fig. 7 ist lediglich die erste Leitung
4 dargestellt, die auf der einen Seite geerdet und auf der anderen Seite mit dem
Widerstand verbunden ist. Die aus Übersichtsgründen nur ausschnittsweise dargestellte
Struktur gemäß Fig. 7 ist sinngemäß analog zur Entzerrerstruktur nach Fig. 4 zur
Gesamtschaltung zu ergänzen.
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Durch die so erhaltene Schaltung ergibt sich gegenüber den einfacheren
Strukturen mit einer Glockenkurve der Dämpfung bei größerer Bandbreite ein wesentlich
steilerer Dämpfungsabfall.
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Eine weitere Möglichkeit einer Anordnung zur Erzeugung von Doppel-Dämpfungsmaxima
ist in der Fig. 8 wiederum ausschnittsweise angegeben. Die Anordnung gemäß Fig.
8 geht aus der Anordnung gemäß Fig. 7 dadurch hervor, daß die auf der Oberseite
des Substrats aufgebrachten, Jeweils mit einem der Widerstände R1* bis R3* verbundenen
weiteren Leitungen 4* bis 6 als leerlaufende Stichleitungen ausgeführt und mit Jeweils
einer parallel zu ihnen verlaufenden und einseitig mit der durchgehenden Metallisierung
der SubstratrUckseite verbundenen letzten Leitung 41 elektromagnetisch gekoppelt
sind.
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In Fig. 9 ist ein zwei Teilvierpole enthaltender vollständiger Entzerrer
für höhere Entzerrungsanforderungen dargestellt, dessen
erster
Teilvierpol I aus einer Anordnung gemäß Fig. 4 zur Erzeugung einer Dämpfungskurve
mit einem Maximum und dessen in Kette zum ersten Teilvierpol geschalteter zweiter
Teilvierpol II aus einer Anordnung gemäß Fig. 7 zur Erzeugung von Doppel-Dämpfungsmaxima
besteht.
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Die vorstehend angegebenen Entzerrerstrukturen sind bis zu sehr hohen
Frequenzen problemlos realisierbar, wobei bei amax von 2 dB ( amax # 10 dB Entzerrungsbandbreiten
von etwa 10% bis zu einer Oktave erreichbar sind.
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Für besonders hohe Frequenzen, bei denen Einschränkungen hinsichtlich
der Realisierbarkeit beliebiger Wiederstandswerte gegeben sind, beispielsweise für
Frequenzen über 12 GHz, ist es zweckmäßig, eine in Fig. 10 dargestellte Schaltungsstruktur
zu wählen, die die Realisierung der Bedämpfung durch externe 50Q-Widerstände zuläßt.
Bei dieser Anordnung sind die den einzelnen Leitungsabschnitten 4' bis 6', von denen
aus Übersichtsgründen nur der Leitungsabschnitt 4' dargestellt ist, zugeordneten
Widerstände R1' bis R3' über zwei weitere gekoppelte Leitungen L1 und L2 an die
Leitungsabschnitte angekoppelt. Dabei ist die Leitung L1 unmittelbar mit dem Widerstand
R1' und die mit der Leitung L1 gekoppelte Leitung L2 unmittelbar mit dem Leitungsabschnitt
4' verbunden.
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8 Patentansprüche 10 Figuren