DE2833772A1

DE2833772A1 - Directional coupler with high directional attenuation - has parallel strips on substrate with such thickness and permittivity as to equalise phase velocities of transverse electromagnetic waves

Info

Publication number: DE2833772A1
Application number: DE19782833772
Authority: DE
Inventors: Rolf H Dr Ing Jansen
Original assignee: Jansen rolf H dr-Ing
Current assignee: Jansen rolf H dr-Ing
Priority date: 1978-08-02
Filing date: 1978-08-02
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE2833772C2

Abstract

The coupler is in the form of planar, parallel coupled strip lines (1, 2) and has a slot in the metall coating (3) on the substrate underside (4), and a recess (5) in the supporting plate (6) below the substrate (7). Its cross-section geometry, while retaining advantages of simple micro-strip directional couplers, has such thickness and permittivity of the substrate, and required directional attenuation and frequency, that at a certain frequency (e. g. 3 GHz) the phase velocity of both TEM wave types taking part in the coupling are equal.

Description

In der Mikrostrip-Technik anwendbarer (Mikrostrip-kompatib-Applicable in microstrip technology (microstrip compatible

1er) Richtkoppler hoher Richtdämpfung Die Erfindung betrifft einen in der Mikrostrip-Technik anwendbaren (Wikrostrip-kompatiblen) Richtkoppler hoher Richtdämpfung. Solche Richtkoppler sind Mikrowellen-Viertore (s.1er) Directional coupler with high directional attenuation The invention relates to a directional coupler that can be used in microstrip technology (Wikrostrip-compatible) Directional attenuation. Such directional couplers are microwave four-port (see Sect.

z.B. H. Brand, Schaltungslehre linearer Mikrowellennetze, Hirzel Verlag, Stuttgart 1970), die benötigt werden, um aus einem Schaltungspfad einen genau definierten Bruchteil der Mikrowellenleistung, die diesen Schaltungspfad in einer bestimmten Richtung durchläuft, auszukoppeln, z.B. zu Meßzwecken. Dasjenige Tor, an dem die Leistung definiert ausgekoppelt wird, soll dabei von dem benachbarten Tor, welches eine analoge Funktion übernimmt, wenn die Mikrowellenleistung den Schaltungspfad in umgekehrter Richtung durchläuft, möglichst gut entkoppelt sein. Ein Maß für diese Entkopplung ist die sogenannte Richtdämpfung, die also (in den meisten Anwendungsfällen) möglichst hoch sein soll, möglichst auch über einen größeren Frequenzbereich hinweg. Da heute ca. 90 % aller Mikrowellenschaltungen kleinerer Leistung unter Anwendung der Mikrostrip-Technik hergestellt werden, ist es von Bedeutung, daß solche Richtkoppler Mikrostrip-kompatibel sind. Nachteilig in der Mikrostrip-Technik ist jedoch, daß die Phasengeschwindigkeiten des geraden und des ungeraden Quasi-TEM-Wellentyps (TEM= Transversal-Electro-Magnet) auf gekoppelten Mikrostrip-Leitungen unterschiedlich sind. Daher ist die Realisierung von Mirkostrip-Richtkopplern hoher Richtdämpfung ein technisches Problem (siehe H.-J.Herzog, Microstrip couplers with high isolation, NTG-Fachberichte im VDE-Verlag, Vol. 60 (1977), 191-195). Die verschiedenen Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen, sind in dem zitierten Aufsatz von H.-J. Herzog kurz wiedergegeben und bestehen darin, daß durch verschiedene technische Maßnahmen eine Phasenkompensation herbeigeführt wird.e.g. H. Brand, Circuit theory of linear microwave networks, Hirzel Verlag, Stuttgart 1970), which are required to create a precisely defined circuit path from a circuit path Fraction of the microwave power that this circuit path in a given Direction, decoupling, e.g. for measuring purposes. The gate where the Power is decoupled in a defined manner, should be from the neighboring gate, which takes over an analog function when the microwave power breaks the circuit path runs through in the opposite direction, be decoupled as well as possible. A measure of this Decoupling is the so-called directional attenuation, which means (in most applications) should be as high as possible, if possible over a larger frequency range. Since today about 90% of all microwave circuits with lower power are in use the microstrip technology, it is important that such directional couplers Are microstrip compatible. However, the disadvantage of microstrip technology is that the phase velocities of the even and odd quasi-TEM wave types (TEM = Transversal Electro Magnet) on coupled microstrip lines differently are. Therefore, the realization of Mirkostrip directional couplers is high directional attenuation a technical problem (see H.-J. Herzog, Microstrip couplers with high isolation, NTG technical reports in VDE-Verlag, Vol. 60 (1977), 191-195). The different Options, solving this problem are described in the cited article by H.-J. Duke briefly reproduced and consist in that a phase compensation through various technical measures is brought about.

Dies kann geschehen durch diskrete Kompensation an den Enden der Koppelstrecke (Herzog, Fig. 1 rechte Beispiele) oder durch Angleichung der Phasengeschwindigkeiten (Herzog, Fig.This can be done through discrete compensation at the ends of the coupling path (Herzog, Fig. 1 right examples) or by adjusting the phase velocities (Duke, Fig.

1 linke Beispiele).1 examples on the left).

Diese bekannten Lösungsvorschläge für die Realisierung von Mirkrostrip-Richtkopplern hoher Richtdämpfung weisen jedoch Nachteile technologischer bzw. entwurfstechnischer Art auf, die darin bestehen, daß die Reproduzierbarkeit des Bauelementes verglichen mit der Realisierung in einfacher Mikrostrip-Technik verschlechtert oder die Stabilität der Anordnung verringert bzw. das Entwurf sverfahren komplizierter wird.These known proposed solutions for the implementation of microstrip directional couplers However, high directional attenuation have disadvantages in terms of technology and design Kind on, which consist in that the reproducibility of the component compared with the implementation in simple microstrip technology deteriorates or the stability the arrangement is reduced or the design process becomes more complicated.

Demgegenüber bietet der Lösungsvorschlag von H.-J. Herzog selbst gewisse technologische Vorteile, die darin bestehen, daß sein Koppler rein ätztechnisch hergestellt werden kann.In contrast, the proposed solution by H.-J. Duke himself certain technological advantages that consist in the fact that its coupler is purely etching can be produced.

Die von ihm für die gekoppelten Kompensationsleitungen benötigten Leiterbreiten und -spalte sind jedoch relativ klein (typisch 100 Mikrometer), was in einer Fertigung zu erhöhten Exemplarstreuungen führt Sein 20dB-Richtkoppler erreicht außerdem in der Messung nur relativ schmalbandig mehr als 25 dB-Richtdämpfung (relative Bandbreite ca. 10 %). Schließlich führen die durch die Kompensationsmaßnahme an den Enden der Koppelstrecke vorhandenen Di skontinui täten zu einem breitbandig deutlich erhöhten Reflexionsfaktor verglichen mit dem unkompensierten Fall. Auch dieser Lösungsvorschlag bietet also gewisse Nachteile.The ones he needs for the coupled compensation lines However, conductor widths and gaps are relatively small (typically 100 microns) what Being 20dB directional coupler leads to increased specimen variance in a manufacturing process also in the measurement only relatively narrow band more than 25 dB directional attenuation (relative Bandwidth approx. 10%). Finally, they lead through the compensation measure the ends of the coupling path existing Di skontinui do a broadband significantly increased reflection factor compared to the uncompensated case. Even this proposed solution therefore has certain disadvantages.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher bekannten Richtkoppler weitgehend zu vermeiden und technologische entwurfstechnische und elektrische Vorteile besser als bisher in einem Mikrostrip-kompatiblen Richtkoppler miteinander zu verbinden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.The invention is therefore based on the object of the disadvantages largely to avoid previously known directional couplers and technological design and electrical advantages better than before in a microstrip compatible To connect directional couplers with each other. According to the invention, this object is achieved by the measures characterized in claim 1 solved.

Zur Lösung der Aufgabe wird also ein quasi-planarer Leitungstyp verwendet, der die technologischen Vorteile der Mikrostrip-Technik und deren hohe mechanische Stabilität verbindet mit den elektrischen Vorteilen der "luftgefüllten" Streifenleitung (suspended substrate line). Auf gekoppelten Streifenleitungen dieses Typs (s.R.H.Jansen, Microstrip lines with partially removed ground metallization, theory and applications. To be published in AEU, 32, (1978), existieren bei bestimmter Dimensionierung des Leitungsquerschnitts ein gerader und ein ungerader Quasi-TEM-Wellentyp mit gleicher Phasengeschwindigkeit. Diese Gleichheit der Phasengeschindigkeiten ist bei einer vorgebbaren Frequenz exakt, in einem weiteren Bereich um diese Frequenz herum mit guter Näherung erreichbar. Für die Dimensionierung solcher Richtkoppler ist erfindungsgemäß ein Computer-Programm entwickelt, das den Zusammenhang zwischen der Geometrie des verwendeten Leitungsquerschnitts und den frequenzabhängigen elektrischen Daten (Phasenmaße und Wellenwiderstände) der gekoppelten Leitungen herstellt, also praktisch Entwurfsdiagramme berechnet. Mit Hilfe solcher Diagramme kann der Richtkoppler-Entwurf nach bekannten Regeln (z.B. H.Breuner, #/4-Richtkoppler in inhomogenem Medium mit Abweichungen der Gleich- und Gegentaktparameter vom Idealwert, Frequenz, 6 (1972) S.156-165, s.z.B. H. Howe, Stripline circuit *) Arteck House, Mass., 1974, S. 115) durch Durchschnittsfachsleute erfolgen.To solve the problem, a quasi-planar line type is used, of the technological advantages of microstrip technology and its high mechanical Stability combines with the electrical advantages of the "air-filled" stripline (suspended substrate line). On coupled striplines of this type (see R.H. Jansen, Microstrip lines with partially removed ground metallization, theory and applications. To be published in AEU, 32, (1978), exist with certain dimensions of the Line cross-section an even and an odd quasi-TEM wave type with the same Phase velocity. This equality of the phase velocities is with one specifiable frequency exactly, in a wider range around this frequency with good approximation achievable. According to the invention, such directional couplers are dimensioned a computer program developed that shows the relationship between the geometry of the cross-section used and the frequency-dependent electrical data (phase dimensions and wave resistances) of the coupled lines, so practically design diagrams calculated. With the help of such diagrams, the directional coupler can be designed according to known Rules (e.g. H. Breuner, # / 4 directional coupler in inhomogeneous medium with deviations the same and push-pull parameters of the ideal value, frequency, 6 (1972) p.156-165, s.e.g. H. Howe, Stripline circuit *) Arteck House, Mass., 1974, p. 115) by those of ordinary skill in the art take place.

Dies gilt nicht nur für einfach #/4 Koppler, sondern auch für den Entwurf von mehrstufigen und asymmetrischen Richtkopplern.This applies not only to simple # / 4 couplers, but also to the Design of multi-stage and asymmetrical directional couplers.

Die elektrischen Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Gleichheit der Phasengeschwindigkeit der Quasi-TEM-Wellentypen auf den gekoppelten Leitungen des benutzten, *) design, speziellen Typs. Hiermit sind sehr hohe Richtdämpfungen und Reflexionsdämpfungen zu erreichen, die wegen der geringen Dispersion (Frequenzabhängigkeit der Phasengeschwindigkeit) der beiden Wellentypen auch in einem größeren Bereich um die Entwurfsfrequenz erzielt werden können. Entwurfstechnisch ist der betrachtete Richtkoppler ebenfalls vorteilhaft, weil er lediglich das Vorhandensein von Entwurfsdiagrammen beim Durchschnittsfachmann voraussetzt.The electrical advantages of the invention result from the sameness the phase velocity of the quasi-TEM wave types on the coupled lines of the used, *) design, special type. These are very high To achieve directional attenuation and reflection attenuation because of the low dispersion (Frequency dependence of the phase velocity) of the two wave types also in a wider range around the design frequency can be achieved. In terms of design the directional coupler under consideration is also advantageous because it merely requires its presence of design diagrams assumes those of ordinary skill in the art.

Bei Anwendung der allgemein bekannten Regeln des Entwurfs entsteht dann zwangsläufig eine gute übereinstimmung zwischen Messung und Rechnung, soweit die Richtdämpfung nicht so hoch ist, daß ihre Messung durch die Nicht -idealität der verwendeten Absorber beeinträchtigt wird.Applying the well-known rules of the design arises then inevitably a good match between measurement and calculation, so far the directional attenuation is not so high that it can be measured by the non-ideality the absorber used is impaired.

Technologisch vorteilhaft ist 9 daß die Herstellung des Richtkopplers durch Anwendung der in der Mikrostrip-Technik üblichen Photoätztechnik auf beiden Seiten des Substrats erfolgen kann. Dies gilt auch für die Herstellung der unter dem Substrat im Leitungsbereich vorgesehenen, in der Regel luftgefüllten und typisch nur einige Zehntel Millimeter tiefen Aussparung mit Hilfe einer metallischen dünnen Scheibe oder Folie zur Unterlegung des Substrats. Andererseits kann diese Aussparung jedoch auch durch eine andersartige Bearbeitung der Unterlegscheibe oder in Form einer Ausfräsung im Gehäuseboden, auf dem das Substrat aufliegt bzw. aufgelötet oder leitend aufgeklebt ist, realisiert werden, insbesondere dann, wenn ihre Tiefe über 0.5 mm hinausgeht. Die Dimensionie -rung der Querschnittsgeometrie der gekoppelten Streifenleitungen kann dabei so vorgenommen werden, daß die Leitungseigenschaften fast überw iegend nur von den mit engen Toleranzen herstellbaren Ätzgeometrien auf den beiden Seiten des Substrats abhängen. Technologisch günstig ist ferner, daß die für eine bestimmte Koppeldämpfung benötigten Spaltbreiten zwischen den gekoppelten Streifenleitungen deutlich breiter ausfallen als bei üblichen Mikrostrip-Kopplern, in der Regel (Keramik-Substrate) etwa zweimal so breit.It is technologically advantageous that the manufacture of the directional coupler by applying the photo-etching technique commonly used in microstrip technology on both Sides of the substrate can be done. This also applies to the manufacture of the under the substrate in the line area provided, usually air-filled and typical only a few tenths of a millimeter deep recess with the help of a metallic thin one Disc or foil for laying under the substrate. On the other hand, this recess but also by processing the washer in a different way or in shape a cutout in the bottom of the housing, on which the substrate rests or is soldered or is conductively glued on, in particular when their depth exceeds 0.5 mm. The dimensioning of the cross-sectional geometry of the coupled Striplines can be made so that the line properties almost predominantly only from the etching geometries that can be produced with narrow tolerances depend on the two sides of the substrate. It is also technologically favorable that the gap widths required for a certain coupling attenuation between the coupled Striplines are much wider than with conventional microstrip couplers, usually (ceramic substrates) about twice as wide.

In den beiliegenden Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 5 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und im folgenden näher erläutert. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Querschnitts des verwendeten Typs gekoppelter Streifenleitungen, der bei richtiger Dimensionierung(nach dem Computer-Programm) die für den Koppelmechanismus und di-e Erzeugung einer hohen Richtdämpfung erwünschten Eigenschaften hat. Das Ausführungsbeispiel ist ein #/4 -Richtkoppler mit einer Koppeldämpfung C von ca. 10 dB bei einer Frequenz von 3 GHz und möglichst hoher Richtdämpfung D, Dieser, in Fig. 1 im Querschnit dargestellte Richtkoppler ist in einem Gehäuse (z.B. mit den Abmessungen 25 mm x 25 mm) mit einem Gehäuseboden 6 und mit einer Abdeckplatte 8 untergebracht. Der metallische Gehäuseboden 6 weist ein z.B.In the accompanying drawings, FIGS. 1 to 5, an exemplary embodiment is shown of the invention and explained in more detail below. Fig. 1 shows the principle Structure of the cross section of the type of coupled stripline used, the with correct dimensioning (according to the computer program) those for the coupling mechanism and the generation of high directional attenuation has desirable properties. That The exemplary embodiment is a # / 4 directional coupler with a coupling loss C of approx. 10 dB at a frequency of 3 GHz and the highest possible directional attenuation D, This, Directional coupler shown in cross section in Fig. 1 is in a housing (e.g. with the dimensions 25 mm x 25 mm) with a housing base 6 and with a cover plate 8 housed. The metallic housing base 6 has a e.g.

0,5 mm tief eingefräste rechteckige Aussparung 5 (z.B.Rectangular recess 5 milled into a depth of 0.5 mm (e.g.

mit den Abmessungen 15 mm x 15 mm) auf. Diese Aussparung 5 wird abgedeckt durch ein als dielektrische Trägerplatte ausgebildetes Substrat 7 (z.B. aus Keramik von 0,64 mm Dicke und einer Dielektrizitätszahl 9,7), das ätztechnisch hergestellt auf der Oberseite die Leiter 1 und 2 (Fig. 2) und auf der Unterseite 4 eine Metallisierung 3 (Fig.3) trägt. Diese Metallisierung 3 hat ebenso wie die Leiter 1 und 2 eine Dicke von z.B. 10 Mikrometer und besteht aus Chrom als Haftschicht und aus Kupfer als Leitermaterial. Die Breite der Leiter 1 und 2 beträgt je z.B. 0,8 mm bei einem gegenseitigen Abstand von z.B. 0,4 mm. Die Metallisierung 3 auf der Unterseite 4 des Substrats 7 weist einen in seiner Größe höchstens der Aussparung 5 (in dem Gehäuseboden 7) entsprechenden, hier ca. 2mm breiten Schlitz auf. Zur Änderung der elektrischen Eigenschaften ist gegebenenfalls eine Schraube 10 von unten in den Gehäuseboden 6 einschraubbar. Die Hohlräume 9 bzw. 11 zwischen dem Substrat und der Abdeckplatte 8 bzw. dem Boden der Aussparung 5 sind hier mit Luft gefüllt, können aber auch mit anderen Dielektriken gefüllt sein. In Fig. 2 und Fig. 3 ist die jeweils auf der Gegenseite des Substrats angeordnete Ätzstruktur gestrichelt eingezeichnet. Die beidseitig geätzte Substrat-Platine ist hier ohne weitere Kontaktierung auf den Gehäuseboden 6 aufgelegt. Meßergebnisse, die mit einem Netzwerkanalysator der Firma Hewlett-Packard aufgenommen wurden, zeigt Fig. 5. Es muß hierzu gesagt werden, daß die Reflexionsdämpfung (Tor-Refelxionsfaktor) so gering ist, daß sie in dem vorhandenen Meßaufbau nicht mehr sicher aufgelöst werden kann. Die gemessene Richtdämpfung D ist hauptsächlich durch die Eigenschaften der bei der Messung verwendeten Absorber bestimmt, die selbst eine endliche Reflexionsdämpfung besitzten, und kann daher bei Überschreiten einer bestimmten Größe nicht mehr genau bestimmt werden. Der theoretische Wert von D beträgt hier D = 63 dB bei 3 GHz. Die Messung zeigt, daß D = 30 dB in einem größeren Frequenzbereich um 3 GHz herum (relative Bandbreite ca. 30 %) überschritten wird.with the dimensions 15 mm x 15 mm). This recess 5 is covered by a substrate 7 designed as a dielectric carrier plate (e.g. made of ceramic 0.64 mm thick and a relative permittivity of 9.7), which is produced by etching technology on the top the conductors 1 and 2 (Fig. 2) and on the bottom 4 a metallization 3 (Fig. 3). Like the conductors 1 and 2, this metallization 3 has a thickness of e.g. 10 micrometers and consists of chromium as an adhesive layer and of copper as Conductor material. The width of the conductors 1 and 2 is e.g. 0.8 mm each for a mutual Distance of e.g. 0.4 mm. The metallization 3 on the underside 4 of the substrate 7 has one in its size at most the recess 5 (in the housing base 7) corresponding, here approx. 2mm wide slot. To change the electrical Properties is possibly a screw 10 from below in the housing base 6 screwable. The cavities 9 and 11 between the substrate and the cover plate 8 or the bottom of the recess 5 are filled with air here, but can also be filled with air other dielectrics. In Fig. 2 and Fig. 3 is the each arranged on the opposite side of the substrate etching structure shown in dashed lines. The substrate board etched on both sides is here without any further contact the housing base 6 is placed. Measurement results obtained with a network analyzer from The Hewlett-Packard company is shown in Fig. 5. It must be said that that the reflection loss (gate reflection factor) is so low that it is in the existing test setup can no longer be reliably resolved. The measured directional attenuation D is mainly due to the properties of the absorber used in the measurement determined, which themselves have a finite return loss, and can therefore can no longer be precisely determined when a certain size is exceeded. The theoretical one The value of D here is D = 63 dB at 3 GHz. The measurement shows that D = 30 dB in exceeded a larger frequency range around 3 GHz (relative bandwidth approx. 30%) will.

Die technologischen Vorteile der Mikrostriptechnik gegenüber anderen planaren Technologien zeigen sich in der häufigen indusdriellen Anwendung von Mikrostripschaltungen.The technological advantages of microstrip technology over others planar technologies are evident in the frequent industrial use of microstrip circuits.

Anwendungsbereiche des Richtkopplers nach der Erfindung sind z.B. die Mikrowellen-Meßtechnik, die Mikrowellen-Schaltungstechnik planarer Technologie, beispielsweise in der Radartechnik, der Richtfunktechnik, im Satellitenfunk.Areas of application of the directional coupler according to the invention are e.g. the microwave measurement technology, the microwave circuit technology of planar technology, for example in radar technology, radio relay technology, satellite radio.

Claims

Claims 1. Directional coupler with high directional attenuation using microstrip technology applicable (microstrip-compatible), characterized in that the directional coupler, which is designed in the manner of quasi-planar striplines (1, 2) coupled in parallel is, a slot in the metallization (3) of the substrate underside (4) and one at least the same width recess (5) in the carrier plate (6) below the substrate (7) and that the cross-sectional geometry (Fig. 1) of the directional coupler on the Basis of this construction while maintaining technical, constructive and design advantages of simple microstrip directional couplers depending on the thickness and the dielectric constant of the substrate used as well as the desired coupling loss and frequency (calculated by a computer program) is dimensioned so that at a given frequency (e.g. 3 GHz) the phase velocities of the two quasi-TEM wave types involved in the coupling mechanism (TEM = transversal electro-magnet) are the same.

2) Directional coupler according to claim 1, d a d u r c h characterized, that the recess (5) is milled into a metallic carrier plate.

3) directional coupler according to claim 1, characterized in that the recess (5) by placing a cut-out metal foil or disc underneath is made on the carrier plate (6).

4) directional coupler according to claims 1 to 3, characterized in that that the depth of the recess (5) and thus the electrical properties of the directional coupler can be influenced by a tuning screw (10).

5) directional coupler according to claims 1 to 4, characterized in that that spaces (5 or 9) below or above the substrate (7) also with another Dielectric are filled as air.