DE2810194C2

DE2810194C2 - In Streifenleitungsbauweise ausgeführte Einrichtung zur Aufteilung von Hochfrequenzenergie eines bestimmten Frequenzbandes

Info

Publication number: DE2810194C2
Application number: DE2810194A
Authority: DE
Inventors: Zvi Bedford Mass. Galani; Steven James Arlington Mass. Temple
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1977-03-09
Filing date: 1978-03-09
Publication date: 1986-11-20
Also published as: DE2810194A1; GB1573989A; US4129839A; CA1116251A; FR2383552B1; FR2383552A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung geht aus von einer in Streifenieitungsbauweise ausgeführten Einrichtung zur Aufttilung von Hochfrequenzenergie eines bestimmten Frequenzbandes mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1.

Eine solche Leistungsaufteilungseinrichtung ist aus der US-Patentschrift 34 22 377 bekannt Aufgrund der Anpassung des an die Hochfrequenzquelle angeschlossenen Eingangsübertragungsleitungsabschnittes an die Hochfrequenzquelle sowie der Anpassung der mit den einzelnen Verbrauchern verbundener. Zweigübertragungsleitungsabschnitte an die Verbraucher ergeben sich unterschiedliche Wellenwiderstände der mit den Verbrauchern verbundenen Zweigübertragungsleitungsabschnitte einerseits und der zwischen diesen und dem Eingangsübertragungsleitungsabschnitt verlaufenden weiteren Zweigübertragungsleitungsabschnitte, so daß bei der bekannten Leistungsaufteilungseinrichtung die Zweigübertragungsleitungsabschnitte und die weiteren Zweigübertragungsleitungsabschnitte in stark unterschiedlicher Breite ausgeführt sind, wodurch an den Verbindungsstellen Diskontinuitäten entstehen, die zu unerwünschten Reflexionen von ./ikrowellenenergie führen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine in Streifenleitungsbauweise ausgeführte Einrichtung zur Aufteilung von Hochfrequenzenergie mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 so auszugestalten, daß die Breite der jeweils miteinander verbundenen Zweigübertragungsleitungsabschnitte aneinander angepaßt werden kann, um Diskontinuitäten zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung umfaßt auch die Verwendung einer Einrichtung zur Aufteilung von Hochfrequenzenergie der hier angegebenen Art in einem Hochfrequenzverstärker gemäß Anspruch 2.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische Abbildung einer Einrichtung zur Aufteilung von Hochfrequenzenergie auf N Zweige im grundsätzlichen Aufbau als gedruckte Schaltung,

Fig. IA ein schematisches Schaltbild der gedruckten Schaltung nach Fig. 1 und

Fig. 2 eine vereinfachte Aufsicht auf eine Einrichtung zur Kombination von Hochfrequenzleistung in /V Zweigen mit einer Reihe von Feldeffekttransistorverstärkern und einer Einrichtung zur Aufteilung von Hochfre-

quenzenergie der hier angegebenen Art

In Rg. 1 ist eine planare Leistungsaufteilungseinrichtung 10 gezeigt, welche nachfolgend vereinfachend als Aufteiler 10 bezeichnet ist, wobei die Eingangsleistung zwischen sieben Ausgangsanschlüssen gleich aufgeteilt ist, so daß N = 7. Der Aufteiler 10 enthält eine nicht näher bezeichnete Schaltung, weiche auf einem flachen Substrat 12 aus dielektrischem Werkstoff angeordnet ist. Die Schaltung wird durch Ablagerung oder Aufdrukken von Leiterwerkstoff (vorliegend Kupfer) in üblicher Weise auf einem Teil der Oberfläche des dielektrischen Substrates 12 gebildet Bei dem dielektrischen Werkstoff des Substrates 12 kann es sich beispielsweise um ein Material mit einer Dielektrizitätskonstanten von 2,6 handeln. Die Schaltung enthält sieben Zweigübertragungsleitungsabschnitte 14t, 142 - · · 14z und einen einzigen Eingangsübertragungsleitungsabschnitt 16. Die Leitungsabschnitte 14_t bis 147 (von denen jeder vorliegend ein Obertrogungsleitungsabschnitt von 50 Ohm ist), sind jeweils in der dargestellten Weise über einen jeweils zugehörigen Zweigübertragungsleitungsabschnitt 18| bzw. 18j bzw. 18}... bzw. I87 hoher Impedanz mit dem innenliegenden Ende des Eingangsübertragingsieitungsabschnittes 16 verbunden, welcher ebenfalls ein Obertragungsleitungsabschnitt von 50 Ohm ist Die Impedanz der einen hohen Impedanzwert besitzenden Zweigübertragungsleitungsabschnitte 18, bis I87 wird in der nachfolgend beschriebenen Weise bestimmt Es sei hier bemerkt daß, soweit hiev von Impedanz die Rede ist, der Wellenwiderstand angesprochen ist. Der Wellenwiderstand der Zweigübertragungsleitungsabschnitte 14| bis H7 und des Übertragungsleitungsabschnittes 16 ist hier zu 50 Ohm angenommen, so daß eine Anpassung zu den üblichen Koaxialkabeln vorliegt doch weicht der jeweilige Wellenwiderstand von diesem Wert ab, wenn Bauteile mit anderen Wellenwiderständen abzuschließen sind. Außerdem kann, wie sich aus folgendem ergibt auch eine andere Mikrostreifenschaltung an die Schaltung des Aufteilers 10 angeschlossen werden. Isolierwiderstände 2O|, 2O2... 2O5 sind zwischen den Zweigübe-iragungsleitungsabschnitten 14t, 142 · ■ · 14₇ vorgesehen. Diese Isolierwiderstände 20i bis 2O₅ sind mit den Zweigübertragungsleitungsabschnittenl4i, 142... 147 in gebräuchlicher Weise verbunden, im vorliegenden Fall beispielsweise durch Lötung. Die Isolierwiderstände 20| bis 2O5 sind an den innenliegenden Enden der Zwrigübertragungsleitungsat schnitte 14| bis 14? am Verbindungspunkt zu den Zweigübertragungsleitungsabschnitten I81 bis I87 hoher Impedanz vorgesehen, wie aus Flg. 1 ohne weiteres hervorgeht. Es sei noch bemerkt daß die Läi.fje der Zweigübertragungsleitungsabschnitte I81 bis I87 hoher Impedanz bezogen auf die Mitte^frequenz des betreffenden Frequenzbandes gleich einem Viertel der Wellenlänge ist. Die Länge der Übertragungsleitungsabschnitte 14|. 14j... 14? und 16 ist andererseits nicht kritisch und die Länge dieser Zweige kann einfach unter Berücksichtigung des Raumbedarfs gewählt werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß zur Aufrechterhaltung der Phasensymmetrie die Zweigübertragungsleitungsabschnitte 14|, 142... 147 vorzugsweise gleiche Länge haben. Außerdem sei erwähnt, daß zwar die nach außen weisenden Enden der Leitungsabschnitte 14|, 142 ·■■ 147 als Anschlüsse betrachtet werden können, daß praktisch jedoch eine Verbindung zu an sich bekannten Verbinderelementen, beispielsweise Koaxialverbindern vorgesehen sein kann, um die betreffende Einrichtung zur Leisuingsaufteilung leicht in eine Schaltung z'v'vschen eine Leistungsquelle und sieben Verbraucher legen zu können.

Die in den Fig. 1 und tA beispielsweise beschriebene Leistungsaufteilungseinrichtung besitzt sieben Ausgangsansch'ußzweige, d. h. N = 7, um in einfacher Weise die Tatsache deutlich zu machen, daß bei der hier vorgeschlagenen Konstruktion die Anzahl der Eingangsanschlüsse keineswegs einer Potenz von 2 gleich sein muß. Es sei nun auf Fig. IA Bezug genommen, um zu erklären, welche Bedeutung die Symbole Zo, R und Ri haben. Es kann gezeigt werden, daß in einem N: 1-Leistungsaufteiler mit einem optimalen Stehwellenverhältnis der Wert Zq des Wellenwiderstandes jedes Viertelwellenübertragungsleitungsabschnittes hoher Impedanz sich folgendermaßen anschreiben läßt

Z₀ = R Λ"'²-

N ist dabei die Anzahl der Ausgangsanschlußzweige. Man sieht weiter, daß benachbarte Ausgangsanschlußzweige miteinander über Isolierwiderstände Rj gleicher Größe verbunden sind. Die Werte des Wellenwiderstandes Za jedes der Viertelwcllenübertragungsleitungsabschnitte hoher Impedanz und des Isolierwiderstandes /?, werden entsprechend einem Kompror*jß zwischen der Forderung eines optimalen Stehwellenverliältnisses von Eingang und Ausgang und der Forderung der Gleichförmigkeit der Isolation zwischen den N Ausgangsanschlußzweigen gewählt Es hat sich gezeigt, daß die Werte vtn Zq und R„ welche das niedrigste Eingangs-Ausgangs-Stehwellenverhältnis (weniger als 1,05 bei der Mittenfrequenz des betreffenden Frequenzbandes) erzeugen, eine Variation der Isolation zwischen den verschiedenen Ausgangsanschlußzweigen in weiten Grenzen verursachen, wobei diese Isolationswerte von 10 dB bis 28 dB schwanken. Die Verteilung der Isolation zwischen den Ausgangsanschlußzweigen kann dadurch gleichförmiger gemacht werden, daß eine entsprechende Auswahl von Zo und R, unter Inkaufnahme einer entsprechenden Erhöhung des Eingangs-/Ausgangs-Stehwellenverhäitnisses getroffen wird. In der nachfolgenden Tabelle sind Werte von Z₀ und R, für N = 2 bis N = 10 zusammengestellt, welche ein minimales Ein-

gangsVAusgangs-Stehwellenverhältnis ergeben.

N	Z₀ (Ohm)	Ri (Ohm)
2	70.7	100,0
3	86,6	150,0
4	100,0	122,5
5	111.8	111.8
6	122.5	102.7
7	132.3	96.5
8	141.4	92.0
9	150.0	88.8
10	158.1	86,2

Bemerkenswert ist aber, daß die Zweigübertragungsleitungsabschnitte 14| bis 147 und die weiteren Zweigübertragungsleitungsabschnitte I81 bis I87 ungleiche körperliche Streifen'iiterbreite aufweisen, was zu Reflexionen führen kann. Dies wird bei einer Konstruktion der hier angegebenen Art verhindert, wie anhand von Fig. 2 näher erläutert wird.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine breitbandig arbeitende Einrichtung zur Hochfrequenzleistungskombination, welche nnchfolgend mitunter vereinfachend als Kombinator40 bezeichnet ist. Die Einrichtung liefert eine Ausgangsleistung von 5 Watt im A"-Band und enthält eine

Eingangs-Leistungsaufteilungseinrichtung 42, eine Reihe von Feldeffekttransistor-Verstärkern 44 und eine Ausgangs-Leistungskombinationseinrichtung 46. Die Eingangs- Leistungsaufteilungseinrichtung 42 ist hier ein N Zweige (N = 6) aufweisender Hochfrequenzleistungsaufteiler, wie er im wesentlichen zuvor im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 1A beschrieben worden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Eingangs-Leistungsaufteilungsabschnitt 42 nach der Mikrostreifentcchnik hergestellt und besitzt zwei unterschiedliche dielektrische Substrate 48 und 50. Auf dem dielektrischen Substrat 48, welches wie die Ausführungsform nach Fig. 1 aus einem beispielsweise eine Dielektrizitätskonstante von 2,6 aufweisenden Werkstoff besteht, befindet sich ein Eingangsübertragungsleitungsab- is schnitt 52 mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm und außerdem sind sechs hohen Wellenwiderstand besitzende Viertelwellenzweigübertragungsleitungsabschnitte 54, bis 54s vorgesehen. Das aus Aluminiumoxid bestehende dielektrische Substrat 50 trägt sechs einen WeI-lenwiderstand von 50 Ohm aufweisende Ausgangszweigübertragungsleitungsabschnitte 56| bis 56_e. Die SO-Ohm-Ausgangsübertragungsleitungsabschnitte 561 bis Ü6₆ sind auf dem Aluminiumoxid-Substrat gebildet, um die Breite dieser Leitungsabschnitte zu reduzieren und sue an die Breite der hohen Wellenwiderstand besitzenden Viertelwellenlängen-Zweigübertragungsleitungsabschnitte 54i bis 54₆ anzupassen. Die Verbindungen zwischen den Leitungsabschnitten 54, bis 546 des Substrates 48 und den Leitungsabschnitten 56i bis 56₆ des Substrates 50 können in an sich bekannter Weise unter Einsatz eines Thermodruckverfahrens durch entsprechend angeheftete Leiterbänder gebildet sein, weiche nicht näher bezeichnet sind. Nebenbei ist zu bemerken, daß die 50-Ohm-Ausgangs-Zweigübertragungsleitungsabschnitte 562,563,564 und 565 einen Meanderverlauf nehmen, um dieselbe elektrische Länge zu erzielen, wie bei den Ausgangs-Zweigübertragungsleitungsabschnitten S61 und 5t>6. Die isoüenviderstände 661 bis 66;, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel CR-Chip-Widerstände, sind in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise zwischen den 50-Ohm-Ausgangs-Zweigübertragungsleitungsabschnitten 56| bis 56β angeordnet. Der Wert der Isolierwiderstände 661 bis 665 bestimmt sich nach der obigen Tabelle. Um die Anbringung der Isolierwiderstände 661 bis 665 zu erleichtern, sind, was nicht im einzelnen gezeigt ist, an jedem der 50-Ohm-Ausgangs-Zweigübertragungsleitungsabschnitte 56| bis 566 Anschlußvorsprünge vorgesehen. Diese Anschlußvorsprünge haben die Gestalt von Metallzungen, welche von den Leitungsabschnitten 56| bis 56β nach der Seite ragen.

Die Reihe von Feldeffekttransistorverstärkern 44 enthält sechs identische i-Watt-Transistoren 62i bis62e. Die Eingangsanpassungsschaltungen 58t bis 58e und die Ausgangsanpassungsschaltungen 6Ο1 bis 60s jedes der Verstärker sind in Mikrostreifentechnik auf nicht näher bezeichneten Aluminiumoxid-Substraten angeordnet Die Feldeffekttransistoren 62j bis 62e sind beispielsweise in an sich bekannter Weise auf einer Metallschiene 64 so montiert welche sich zwischen den die Eingangsanpassungsschaltungen 58| bis 58₆ bzw. die Ausgangsanpassungsschaltungen 6Ο1 bis 6Oe tragenden Substraten befindet. Die entsprechenden Elektroden der Feldeffekttransistoren 62i bis 62β sind mit den jeweils zugehöngen Eingangsanpassungsschaltungen 58i bis 58β bzw. den zugehöngen Ausgangsanpassungsschaltungen 6Ο1 bis 6Oe in bekannter Weise verbunden, beispielsweise im vorliegenden Falle mittels eines bei niedriger Temperatur fließenden Indiumlotes. Es sei darauf hingewiesen, daß zur Vereinfachung der Darstellung und aus Gründen besserer Übersichtlichkeit die Schaltung zur Erzeugung der notwendigen Vorspannung an den Feldeffekttransistoren 62| bis 62b nicht wiedergegeben ist.

Die Ausgangsleistung der sechs Feldeffekttransistoren 62| bis 62fc wird in der Leistungskombinationseinrichtung 46 kombiniert, welcher bezüglich des Aufbaues mit der Leistungsaufteilungseinrichtung 42 identisch ist, jedoch spiegelbildlich an die Feldeffekttransistoren angeschlossen ist, um die nunmehr verstärkten Anteile der Hochfrequenzenergie an einem einzigen Ausgangsanschluß zu kombinieren. Die 50-Ohm-Eingangs-Zweigübertragungsleitungsabschnitte 72| bis 72e sind demgemäß auf einem Aluminiumoxidsubstrat 74 gebildet, während die Viertelwellen-Zweigübertragungsleitungsabschnitte 76| bis 76β hoher Impedanz ebenso wie der SO-Ohm-Ausgangsübertragungsleitungsabschnitt 78 auf einem Substrat 80 gebildet sind. Die Isolierwiderstände 821 bis 825 sind dieselben, wie sie auch in der Leistungsaufteilungseinrictitung 42 verwendet werden. Es zeigt sich, daß die elektrischen Weglängen von dem 50-Ohm-Eingangsübertragungsleitungsabschnitt 52 bis hin zu dem 50-Ohm-Ausgangsübertragungsleitungsabschnitt 78 jeweils gleich sind, so daß die einzelnen verstärkten Signale an dem 50-Ohm-Ausgangsübertragungsleitungsazschnitt miteinander in Phase bleiben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche

1. In Streifenleitungsbauweise ausgeführte Einrichtung zur Aufteilung von Hochfrequenzenergie eines bestimmten Frequenzbandes, mit einem Eingangsanschluß zur Aufnahme der Hochfrequenzenergie von einer Hochfrequeiizquelle und einer Anzahl von Ausgangsanschlüssen zur Verteilung der Energie auf eine entsprechende Anzahl gleicher Verbraucher, ferner mit einem dielektrischen Substrat (12), welches auf einer Seite einen Leiterbelag (26) aufweist und auf der anderen Seite einen ersten, an einem Ende freien Übertragungsleitungsabschnitt (16), der mit seinem anderen Ende mit dem Eingangsanschluß verbunden ist und einen Wellenwiderstand aufweist welcher an denjenigen der Hochfrequenzquelle angepaßt ist sowie eine Anzahl an einem Ende jeweils freier Zweigübertragungsleitungsabschnitte (14i bis 14?) trägt die mit ihren anderen Enden jeweils Verbindung mit je einem der Ausgangsanschlüsse haben, fernerhin mit einer erusjirechenden Anzahl weiterer Zweigübertragüngslcitungsabschnitte (18> bis ISf), die das freie Ende des ersten Übertragungsleitungsabschnittes jeweils mit den freien Enden der erstgenannten Zweigübertragungsleitungsabschnitte (14, bis 147) verbinden, wobei der Wellenwiderstand der weiteren Zweigübertragi'ngsleitungsabschnitte von dem der erstgenannten Zweigübertragungsieitungsabschnitte verschieden ist und schließlich mit Isolierwiderständen (20, bis 20β) zwischen den freien Enden der erstgenannten Zweigübertragungsleitungsab· "hnitte, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Substrat in demjenigen Teil, auf dem sich der Obertragungsleitungsabschnitt (16) sowie die weiteren Zweigübc-tragungsleitungsabschnitte (I81 bis I87) befinden, aus einem Material mit verhältnismäßig niedriger Dielektrizitätskonstante gebildet ist und in demjenigen Teil, auf welchem sich die erstgenannten Zweigübertragungs-Ieitungsabschnitte (14) bis H7) befinden, aus einem Material mit verhältnismäßig hoher Dielektrizitätskonstante besteht

2. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch I in einem Hochfrequenzverstärker, bei welchem ein Hochfrequenzsignal auf eine bestimmte Anzahl gleicher Kanäle mittels der Einrichtung zur Aufteilung von Hochfrequenzenergie aufgeteilt wird, die Signalanteile in jeweils gesonderten Verstärkern verstärkt und nach Verstärkung an einem gemeinsamen Ausgangs-Übertragungsleitungsabschnitt (78) kombiniert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Ende der Zweigübertragungsleitungsabschnitte (56| bis 56β) der Einrichtung (42) zur Aufteilung der Hochfrequenzenergie mit den Steuerelektroden von in den Verstärkern jeweils vorgesehenen Feldeffekttransistoren (62| bis 62₆) verbunden sind, welche mit einer Ausgangselektrode an je ein freies Ende von Zweigübertragungslei· tungsabschnitten (72[ bis 72e) einer in Streifenleitungsbauweise ausgeführten Einrichtung (46) zur Kombination von Hochfrequenzenergie angeschlossen sind, deren jeweils andere Enden wieder mit jeweils zugehörigen weiteren Zweigübertragungsleitungsabschnitten (76) bis 76β) verbunden sind, welchletztere zu dem Ausgangs-Übertragungsleitungsabschnitt (78) führen und wobei das dielektrische Substrat in demjenigen Teil, auf dem

sich der Ausgangs-Übertragungsleitungsabschnitt (78) und die damit verbundenen Zweigübertragungsleitungsabschnitte (76, bis 76β) befinden, aus einem Material mit verhältnismäßig niedriger Dielektrizitätskonstanten gebildet ist und in demjenigen Teil, auf dem sich die an die Ausgangselektroden der Feldeffekttransistoren (62i bis 62₆) angeschlossenen Zweigübertragungsleitungsabschnitte (72i bis 72β) befinden, aus einem Material mit verhältnismäßig hoher Dielektrizitätskonstanten besteht, derart, daß die Einrichtung (46) zur kombination von Hochfrequenzenergie insgesamt einen zum Aufbau der Einrichtung (42) zur Aufteilung von Hochfrequenzenergie spiegelbildlichen Aufbau hat.