DE2833772C2 - Directional coupler - Google Patents
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Description
4545
Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a directional coupler according to the preamble of claim 1.
Solche Richtkoppler sind Mikrowellen-Viertore, (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 in den meisten Anwendungsfällen möglichst hoch sein soll, möglichst auch über einen größeren Frequenzbereich hinweg.Such directional couplers are microwave four-gates, (H. Brand, Circuit theory of linear microwave networks, Hirzel Verlag, Stuttgart 1970), which are required to turn a circuit path into a precisely defined Fraction of the microwave power that traverses this circuit path in a certain direction, decoupling, z. B. for measurement purposes. The goal at which the power is decoupled in a defined manner should be from the neighboring gate, which takes on an analogous function when the microwave power is used Circuit path passes through in the opposite direction, be decoupled as well as possible. A measure of this Decoupling is the so-called directional attenuation, which should be as high as possible in most applications, if possible also over a larger frequency range.
Da heute sehr viele Mikrowellenschaltungen kleinerer Leistung unter Anwendung der Mikrostrip-Technik hergestellt werden, ist es von Bedeutung, daß solche Richtkoppler Mikrostripkompatibel sind. Nachteilig in der Mikrostrip-Technik ist jedoch, daß die Phasengeschwindigkeiten des geraden und des ungeraden Quasi-TEM-Wellentyps (TEM = Transversal-Elektromagnetisch) auf gekoppelten Mikrostrip-Leitungen unterschiedlich sind. Daher ist die Realisierung von Mikrostrip-Richtkopplern hoher Richtdämpfung ei» technisches Problem (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 im vorgenannten Aufsatz kurz wiedergegeben und bestehen darin, daß durch verschiedene technische Maßnahmen eine Phasenkompensation herbeigeführt wird. Dies kann geschehen durch diskrete Kompensation an den Enden der Koppelstrecke oder durch Angleichung der Phasengeschwindigkeiten. Today there are a lot of microwave circuits with smaller power using microstrip technology it is important that such directional couplers are microstrip compatible. Disadvantage in However, the microstrip technique is that the phase velocities of the even and the odd Quasi-TEM wave type (TEM = transversal electromagnetic) are different on coupled microstrip lines. Hence the realization of Microstrip directional couplers with high directional attenuation due to a technical problem (H.-J. Herzog, Microstrip couplers with high isolation, NTG technical reports in the VDE publishing house, Vol. 60 (1977): 191-195). The various ways of solving this problem are in the foregoing Briefly reproduced essay and consist in the fact that a phase compensation through various technical measures is brought about. This can be done through discrete compensation at the ends of the Coupling path or by adjusting the phase velocities.
Diese bekannten Lösungen für die Realisierung von Mikrostrip-Richtkopplern hoher Richtdämpfung weisen jedoch Nachteile technologischer 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 wird.These known solutions for the implementation of microstrip directional couplers have high directional attenuation However, disadvantages of a technological nature, which consist in the fact that the reproducibility of the component compared to the implementation in simple microstrip technology deteriorated or the stability of the arrangement is decreased.
Die dabei für die gekoppelten Kompensationsleitungen benötigten Leiterbreiten und -spalte sind jedoch relativ klein (typisch 100 Mikrometer), was in einer Fertigung zu erhöhten Exemplarstreuungen führt. Der 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 K.oppelstrecke vorhandenen Diskontinuitäten zu einem breitbandig deutlich erhöhten Reflexionsfaktor verglichen mit dem unkompensierten Fall.However, the conductor widths and gaps required for the coupled compensation lines are relatively small (typically 100 micrometers), which leads to increased specimen variance in production. Of the In addition, the 20 dB directional coupler only achieves more than 25 dB directional attenuation in the measurement in a relatively narrow band (relative range approx. 10%). After all, they lead through the compensation measure at the ends The discontinuities present in the coupling link result in a broadband significantly increased reflection factor compared to the uncompensated case.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Richtkoppler mit hoher Richtdämpfung anzugeben, der einfacher herstellbar und mikrostripkompatibel ist. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. 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 existieren bei bestimmter Dimensionierung des Leitungsquerschnitt? ein gerader und ein ungerader Quasi-TEM-Wellentyp mit gleicher Phasengeschwindigkeit. Bei geeigneter Dimensionierung ist diese Gleichheit der Phasengeschwindigkeiten bei einer vorgebbaren Frequenz exakt und in einem weiteren Bereich um diese Frequenz herum mit guter Näherung erreichbar.The invention is therefore based on the object of specifying a directional coupler with high directional attenuation, which is easier to manufacture and microstrip compatible. This object is achieved by the in claim 1 specified measures resolved. Refinements of the invention can be found in the subclaims will. To solve the problem, a quasi-planar line type is used, the technological Advantages of the 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 exist with a certain dimensioning of the cable cross-section? one straight and one odd quasi-TEM wave type with the same phase velocity. When dimensioned appropriately, this equality of the phase velocities exactly at a predeterminable frequency and in a further one Range around this frequency can be reached with a good approximation.
Die elektrischen Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Gleichheit der Phasengeschwindigkeit der Quasi-TEM-Wellentypen auf den gekoppelten Leitungen des benutzten, 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.The electrical advantages of the invention result from the equality of the phase velocity Quasi-TEM wave types on the coupled lines of the special type used. Herewith are very to achieve high directional attenuation and reflection attenuation due to the low dispersion (frequency dependence the phase velocity) of the two wave types also in a larger range around the Design frequency can be achieved.
Technologisch vorteilhaft ist, daß die Herstellung des Richtkopplers durch Anwendung der in der Mikrostrip-Technik üblichen Fotoätztechnik auf beiden Seiten des Substrats erfolgen kann. Dies gilt auch für dieIt is technologically advantageous that the directional coupler can be manufactured using microstrip technology usual photo etching technique can be done on both sides of the substrate. This also applies to the
Herstellung der Aussparung in der Metallfolie oder Metallscheibe, die einen Zwischenboden zwischen der Unterseite des Substrates und dem Boden des geschlossenen metallischen Gehäuses darstellt. Andererseits kann diese Aussparung jedoch auch durch eine andersartige Bearbeitung der Metallfolie oder Metallscheibe 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 Hie Dimensionierung der Querschnittsgeometrie der gekoppelten Streifenieitungen kann dabei so vorgenommen werden, daß die Leitungseigenschaften fast überwiegend 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 bei Keramik Substraten etwa zweimal so breit.Production of the recess in the metal foil or metal disc, which has an intermediate floor between the Represents the underside of the substrate and the bottom of the closed metallic housing. on the other hand However, this recess can also be achieved by processing the metal foil in a different manner or Metal disc or in the form of a cutout in the housing base on which the substrate rests or is soldered or glued to be conductive, in particular if their depth is over 0.5 mm The dimensioning of the cross-sectional geometry of the coupled strip lines can be as follows be made that the line properties almost predominantly only from those with tight tolerances producible etch geometries depend on the two sides of the substrate. Technologically favorable is also, that the gap widths required for a certain coupling attenuation between the coupled striplines turn out to be significantly wider than with conventional microstrip couplers, usually with ceramic substrates about twice as wide.
Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to drawings of an exemplary embodiment. It shows
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen teilweise dargestellten Richtkoppler; F i g. 2 teilweise die Oberseite des Substrates;1 shows a cross section through a partially illustrated directional coupler; F i g. 2 partially the top of the substrate;
F i g. 3 teilweise die Unterseite des Substrates;F i g. 3 partially the underside of the substrate;
F i g. 4 eine Draufsicht des teilweise dargestellten Gehäusebodens undF i g. 4 is a plan view of the partially shown housing bottom and FIG
Fig. 5 den Verlauf der Richtdämpfung und der Koppeldämpfung.5 shows the course of the directional attenuation and the coupling attenuation.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Querschnitts des verwendeten Typs gekoppelter Streifenleitungen, der bei richtiger Dimensionierung die für den Koppelmechanismus und die Erzeugung einer hohen Richtdämpfung erwünschten Eigenschaften hat. Das Ausführungsbeispiel ist ein 2/.(-Richtkoppler mit einer Koppeldämpfung C von ca. 1OdB bei einer Frequenz von 3GHz und möglichst hoher Richtdämpfung D. Dieser im Querschnitt dargestellte Richtkoppler ist in einem Gehäuse, z. B. mit den Abmessungen 25 mm · 25 mm mit einem Gehäuseboden 6 und mit einer Abdeckplatte 8 untergebracht. Der metallische Gehäuseboden 6 weist eine z. B. 0,5 mm tief eingefräste rechteckige Aussparung 5, z. B. mit den Abmessungen 3,5 mm · 15 mm auf.1 shows the basic structure of the cross section of the type of coupled stripline used, which, when dimensioned correctly, has the properties desired for the coupling mechanism and the generation of a high directional attenuation. The exemplary embodiment is a 2 / .( directional coupler with a coupling attenuation C of approx. 1OdB at a frequency of 3 Hz and the highest possible directional attenuation D. mm with a housing base 6 and with a cover plate 8. The metallic housing base 6 has a, for example, 0.5 mm deep, milled rectangular recess 5, for example with the dimensions 3.5 mm × 15 mm.
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 Streifenleitungen 1 lind 2 und auf der Unterseite 4 eine Metallisierung 3 trägt. Diese Metallisierung 3 hat ebenso wie die Streifenleitungen 1 und 2 eine Dicke von z. B. !0 Mikrometer und besteht aus Chrom als Haftschicht und aus Kupfer als Leitermaterial. Die Breite der Leitungen 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 6 entsprechenden, hier ca. 2 mm breiten metallisierungsfreien Bereich 11 auf. Zur Änderung der elektrischen Eigenschaften ist gegebenenfalls eine Schraube 10 von unten in den Gehäuseboden 6 einschraubbar. Der Hohlraum zwischen dem Substrat und der Abdeckplatte 8 und der Raum der Aussparung 5 sind hier mit Luft gefüllt, können aber auch mit anderen Dielektrika gefüllt sein.This recess 5 is covered by a substrate 7 designed as a dielectric carrier plate, e.g. B. made of ceramic 0.64 mm thick and a dielectric constant 9, 7, which is produced by etching technology on the Top the striplines 1 and 2 and on the Underside 4 has a metallization 3. Like the strip lines 1, this metallization 3 has and 2 a thickness of e.g. B.! 0 micrometers and consists of chromium as an adhesive layer and of copper as Conductor material. The width of the lines 1 and 2 is z. B. 0.8 mm at a mutual distance of z. B. 0.4 mm. The metallization 3 on the underside 4 of the substrate 7 has a maximum size corresponding to the recess 5 in the housing base 6, metallization-free area 11 approx. 2 mm wide here. To change the electrical properties is if necessary, a screw 10 can be screwed into the housing base 6 from below. The cavity between the substrate and the cover plate 8 and the space of the recess 5 are here filled with air, but can also be filled with other dielectrics.
in F i g. 2 und F i g. 3 ist die Ober- bzw. Unterseite des Substrates 7 dargestellt. Die jeweils auf der Gegenseite des Substrates 7 angeordnete Ätzstruktur ist gestrichelt eingezeichnet. Die beidseitig geäizte Substrat-Platine ist hier ohne weitere Kontaktierung auf den Gehäuseboden 6 aufgelegt. Die F i g. 4 zeigt in einer Draufsicht die Aussparung 5 im Gehäuseboden 6, die dort zum Beispiel eingefräst ist. Diese Aussparung unter dem Bereich 11 in der Metallisierung des Substrates im tragenden Gehäuse kann auch durch Unterlegen einer ausgesparten Metallfolie oder -scheibe erreicht werden. Meßergebnisse, die mit einem Netzwerkanalysator aufgenommen wurden, zeigt F i g. 5. Es muß hierzu gesagt werden, daß die Reflexionsdämpfung (Tor-Reflexionsfaktor) so gering ist, daß sie in dem vorhandenen Meßaufbau nicht mehr sicher aufgelöst werden kann. Die gemessene Richtdämpfung D über der Frequenz f ist hauptsächlich durch die Eigenschaften der bei der Messung verwendeten Absorber bestimmt, die selbst eine endliche Reflexionsdämpfung besitzen, und kann daher bei Überschreiten einer bestimmten Größe nicht mehr genau bestimmt werden. Der theoretische Wen 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. Weiterhin ist die Koppeldämpfung Cüber der Frequenz /dargestellt.in Fig. 2 and F i g. 3 shows the top and bottom of the substrate 7. The etching structure arranged on the opposite side of the substrate 7 is shown in dashed lines. The substrate board, which is etched on both sides, is placed here on the housing base 6 without any further contact. The F i g. 4 shows a top view of the recess 5 in the housing base 6, which is milled there, for example. This recess under the area 11 in the metallization of the substrate in the supporting housing can also be achieved by placing a recessed metal foil or disk underneath. Measurement results which were recorded with a network analyzer are shown in FIG. 5. It must be said that the reflection attenuation (gate reflection factor) is so low that it can no longer be reliably resolved in the existing measurement setup. The measured directional attenuation D over the frequency f is mainly determined by the properties of the absorbers used in the measurement, which themselves have a finite reflection loss, and can therefore no longer be determined precisely when a certain value is exceeded. The theoretical value of D is here D = 63 dB at 3 GHz. The measurement shows that D = 30 dB is exceeded in a larger frequency range around 3 GHz (relative bandwidth approx. 30%). The coupling loss C is also shown as a function of the frequency /.
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, for. B. the microwave measurement technology, the Microwave circuit technology of planar technology, for example in radar technology, radio relay technology, in satellite radio.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (5)
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE19782833772 DE2833772C2 (en) | 1978-08-02 | 1978-08-02 | Directional coupler |
Publications (2)
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Family Applications (1)
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Families Citing this family (5)
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AT393048B (en) * | 1987-04-17 | 1991-07-25 | Siemens Ag Oesterreich | ALIGNMENT COUPLER IN MICROSTRIP TECHNOLOGY |
JP3033704B2 (en) * | 1997-02-27 | 2000-04-17 | 日本電気株式会社 | Microwave circuit |
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1978
- 1978-08-02 DE DE19782833772 patent/DE2833772C2/en not_active Expired
Also Published As
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DE2833772A1 (en) | 1980-02-14 |
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