DE2900709A1 - Hochfrequenzleistungsteiler - Google Patents

Description

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Hochfrequenzleistungsteiler

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzleistungsteiler wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

Der bekannteste und oft verwendete Leistungsteiler mit N Anschlüssen (Ein/Ausgänge) wurde von E.J.Wilkinson entwickelt und ist in dem Artikel "An N-Way Hybrid Power Divider" in IRA Transactions on Microwave Theory and Techniques, Band I4TT-8 auf den Seiten 116-118 beschrieben. Während der Leistungsteiler nach Wilkinson angepaßte Bedingungen für alle Anschlüsse aufweist sowie eine niedrige Einfügungsdämpfung und eine hohe Entkopplung zwischen den Anschlüssen hat, weist er den Nachteil auf, daß ein - insbesondere bei einer großen Zahl von Anschlüssen - schwierig zu realisierender Widerstandsstern notwendig ist. Die in dem Widerstandsstern verwendeten Widerstände begrenzen infolge der Schwierigkeiten bei der Wärmeableitung der Widerstände den Leistungsbereich des Leistungsteilers.

Ullrich H.Gysel vom Stanford Research Center beschreibt in seinem Aufsatz "A New N-Way Power Divider/Combiner Suitable for High Power Applications" in Proceedings of the 1975 Π.T.T. Symposium, Palo Alto, Kalifornien eine Modifikation des Leistungsteilers nach Wilkinson. Der Leistungsteiler nach Gysel hat äußere Entkopplungswiderstände (Hochleistungslastwiderstände) und eine Uberwachungsmöglichkeit für Ungleichgewichte an den Eingangs/Ausgangsanschlüssen. Gysel gab jedoch keine praktische Realisierung für den Leistungsteiler an, außer der Angabe, daß er in Streifenleitungstechnik oder in Microstriptechnik ausgeführt werden kann.

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Leistungsteiler sind reziproke Bauelemente. Sie sind deshalb nicht nur geeignet/ eine Leistung auf mehrere Anschlüsse aufzuteilen, sondern es kann auch eine Summierung der Leistung erfolgen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Leistungsteiler mit mehreren Anschlüssen anzugeben, der für große Leistungen geeignet ist.

Der neue Leistungsteiler hat eine niedrige Einfügungsdämpfung.

^Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig.1 ein Schaltbild des bekannten Leistungsteilers nach Gysei,

Fig.2 eine Seitenansicht des neuen Leistungsteilers, bei dem der äußere Leiter zum Teil entfernt ist,

Fig.3, 4 Querschnitte 3/3 und 4/4 der Einrichtung nach Fig.2,

Fig.5 ein Schnitt durch den dielektrischen Einsatz, der zur Halterung der übertragungsleitungen des dritten und vierten Teils des Innenleiters nach Fig.2 dient,

Fig.6 ein Querschnitt 6/6 der Einrichtung nach Fig„5

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In der Fig.1 ist ein Schaltbild des Gysel-N-Fachleistungsteilers dargestellt. Eine Leitung mit der Impedanz Z1 und N Leitungen mit einer Impedanz 2 2 führen von einem gemeinsamen Eingangs/Ausgangs-Anschluß 1 zu Anschlüssen I, II, .../ N. Alle Leitungen sind eine viertel Wellenlänge (bei der Mittenfrequenz des Leistungsteilers) lang.

Bei dem ursprünglichen Wilkinson-Leistungsteiler ist ZI=ZO und ein Widerstandsstern ist direkt zwischen die N Anschlüsse geschaltet, wodurch ein vom Aufbau her kompliziertes Gebilde entsteht. Gysel ersetzte den Widerstandsstern durch eine Kombination von Leitungen und parallel geschalteten Widerständen, die über einen Wert R mit Masse verbunden sind. Leitungen mit einer Impedanz Z3 verbinden die N Anschlüsse mit ihrem zugehörigen Entkopplungswiderstandanschluß. Alle Entkopplungswiderstandanschlüsse sind durch Leitungen, die eine Impedanz Z4 haben, mit einem gemeinsamen, nicht auf Masse liegenden Sternpunkt verbunden. Die parallel geschalteten Entkopplungswiderstände mit dem Wert R können ersetzt werden durch Leitungen mit einer Impedanz R und beliebigen Längen, welche in einem Entkopplungswiderstand mit dem Wert R enden.

Es ist vorteilhaft, R=ZO zu wählen; es sind jedoch auch andere Werte möglich. Die Entkopplungswiderstände sind also extern angeordnet und für hohe Leistungen geeignet. Die Entkopplungswiderstände sind für den Leistungsteiler kein leistungsbegrenzender Faktor mehr.

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Die Erfindung geht von der Gysel-Schaltung aus. Sie besteht aus einem Leistungsteiler mit Impedanzwandler-Stufen und ist eine praktische Realisierung der Gysel-Schaltung.

In den Fig.2, 3 und 4 ist der neue Leistungsteiler dargestellt. Die Erfindung ist eine besonders vorteilhafte Realisierung der Gysel-Schaltung. In einem Außenleiter sind Impedanzwandler 4, 6 und 8 sowie eine Vielzahl von Leitungen 8 und 10 untergebracht. Die Impedanzwandler 4, 6 und 8 enthalten den Innenleiter des Leistungsteilers. Ein Koaxialkabel 12 mit Außen- und Innenleiter 14, 16 kann mit dem Leistungsteiler verbunden werden durch handelsübliche Koaxialkabeladapter; z.B. jene, die von einem ¹¹ N-Typ"-Verbinder zu einer 3 1/8 inch (ca. 7,9 cm) luftdielektrischen Leitung überleiten. Es sind N Eingangs/ Ausgangsanschlüsse 18, um äußere Lasten anzuschließen (Leistungsverstärker oder andere passive oder aktive Einrichtungen), und N Entkopplungswiderstandanschlüsse 20, um parallel geschaltete Entkopplungswiderstände anzuschließen, vorgesehen.

Eine hintere Platte 22 verbindet die Leitungen miteinander wie weiter unten näher erläutert.

Die erste Stufe 4 des Impedanzwandlers (Fig.2, 4) weist einen Hohlraum 24 auf, um den Innenleiter 16 des Koaxialkabeis (50 Ohm) anzuschließen. Die Transformationsstufe ist eine viertel Wellenlänge der ihr entsprechenden Betriebsfrequenz des Leistungsteilers lang. Für eine 50 Ohm-Leitung hat diese Stufe einen zylindrischen Querschnitt

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wie in Fig.4 dargestellt, einen äußeren Durchmesser von beispielsweise 1,95 inches (ca. 5 cm) und besteht beispielsweise aus Messing. An die Impedanzwandlerstufe 4 ist bei der Verbindung 26 eine zweite Stufe 6 des Impedanzwandlers angekoppelt. Sie hit einen zylindrischen Querschnitt und ihre Länge ist gleich einer viertel Wellenlänge der Betriebsfrequenz des Leistungsteilers. Diese Stufe hat einen äußeren Durchmesser von ungefähr 2,5 inch (ca. 6,25 cm) und kann ebenfalls aus Messing hergestellt sein. Wenn eine 50 Ohm Koaxialleitung verwendet wird, die Stufe 4 eine Impedanz von 28,52 Ohm und die Stufe 6 eine Impedanz von 10,66 Ohm hat, dann werden die 50 Ohm vom Eingang auf 6,98 Ohm am Ausgang der Stufe 6 transformiert. Diese Impedanz entspricht der Impedanz Z1 in Fig.1. Die nächste Stufe 8 des neuen Leistungsteilers enthält eine Vielzahl von Impedanzwandlern in Form von Streifen 11, deren Länge gleich einer viertel Wellenlänge der Betriebsfrequenz des Leistungsteilers ist. Sie können aus mit Silber plattiertem Messing bestehen und sie haben jeweils eine Impedanz von 85,5 Ohm. Diese Impedanzwandlerstreifen 11 entsprechen den N Leitungen mit einer Impedanz Z2, die von einem gemeinsamen Anschluß 1 in Fig.1 zu den N Eingangs/Ausgangs-Anschlüssen I, II, ..., N führen.

Kontakte für die Anschlüsse sind bei 28 angedeutet. Sie gehören

Leistungsteiler:?. Diese letzte Stufe zur letzten Stufe desγ besteht aus N Viertelwellenlängen-Leitungen 16, die einen geschlitzten Zylinder bilden. Diese können aus mit Silber überzogenem Messing bestehen und haben einen Impedanz von jeweils 50 Ohm. An bestimmten Punkten der Leitungen 16 der letzten Stufe und in der Nähe der Verbindungen dieser Leitungen 16 und der Leitungen 11 der Stufe befinden sich Eingangs/Ausgangs-Kontakte 28, die Buchsen

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sein können. An den anderen Enden der Leitungen 16 sind weitere Buchsen 17 vorgesehen (auf jeder Leitung 16 jeweils eine Buchse 17), die die Kontakte für die Entkopplungswiderstände sind. Die N Entkopplungswiderstände sind in Fig.1 mit R bezeichnet. Wenn man das Ausführungsbeispiel mit dem Schaltbild nach Fig.1 vergleicht kann man sagen: die Impedanzwandlerstufen 4 und 6 entsprechen der Leitung mit der Impedanz Z1 in Fig.1; die Impedanzwandlerübertragungsleitungen 11 in der dritten Stufe (Fig.2 und 4) entsprechen den N Leitungen mit der Impedanz Z2 (Fig.1), die in den Anschlüssen I, II, ..., N (Fig.1), welche den Kontakten 28 (Fig.2) entsprechen, enden. In der Fig.1 sind schließlich noch Viertelwellenlängenleitungen zwischen den Eingangs/Ausgangs-Anschlüssen und den Anschlüssen für die Entkopplungswiderstände vorgesehen. Diese werden durch die Viertelwellenlängenleitungen 16 in der vierten Stufe des Leistungstellers realisiert.

Zur Halterung der Impedanzwandler-Leitungen 11 und der Viertelwellenlängenleitungen 16 in der dritten bzw. vierten stufe ist ein dielektrischer Einsatz, z.B. aus Polytetrafluorethylen (PTFE) vorgesehen, auf den die Leitungen wie in Fig.5 dargestellt aufgebracht sind. Der PTFE-Einsatz weist einen Vorsprung 36 auf, der sich zur Halterung und Zentrierung in die zweite Stufe 6 erstreckt. Die Streifen und .16 befinden sich auf dem PTFE Einsatz. Am hinteren Ende des Einsatzes 34 ist aus weiter unten angegebenen Gründen ein Vorsprung 38 vorgesehen.

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Bis jetzt wurde die Realisierung der Gysel-Schaltung beschrieben mit Ausnahme der Verbindung aller Anschlüsse für die Entkopplungswiderstände-Leitungen mit einer Impedanz Z4 mit einem gemeinsmaen, nicht auf Masse liegenden Sternpunkt. Dies erfolgt durch die Platte 22, die anhand der Fig.6 näher erläutert wird. Die in Fig.6 dargestellte Platte 22 weist eine Vielzahl von Viertelwellenlängenleitungen 40 auf, die beispielsweise aus Kupfer bestehen und die ausgehend von einer zentralen Kupferfläche radial angeordnet sind. Die Platte weist eine Apertur 44 auf. Die Platte 22 ist auf dem Vorsprung 38, der durch die Apertur 44 gesteckt ist, so montiert, daß jede der Leitungen 40 auf der Platte 22 mit einer der Leitungen 16 der vierten Stufe des Leistungsteilers Kontakt hat.

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Claims (7)

Patentanwalt Dipl.-Phys.Leo Thul 2 U U Q 7 0 Kurze Str.8 7 Stuttgart 30 F.W.Iden-G.P.Scherer 6-3 INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK Patentansprüche

1.1 Hochfrequenzleistungsteiler mit einem Eingangsanschluß, N Ausgangsanschlüssen und N Anschlüssen für Entkopplungswiderstände, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen Hohlzylinder (2) als Außenleiter enthält, daß in dem Hohlzylinder mindestens ein Impedanzwandler (4, 6, 8) koaxial angeordnet ist, daß an den Außenleiter und den Impedanzwandler (4) eine Koaxialleitung anschließbar ist, daß in dem Hohlzylinder und koaxial zu ihm ein dielektrischer Zylinder (Fig.5) vorgesehen ist, auf dem in Längsrichtung N erste Leitungen (16) , die mit dem Impedanzwandler verbunden sind, angeordnet sind, daß die N ersten Leitungen außerdem mit N zweiten Leitungen (40) verbunden sind, daß die zweiten Leitungen radial angeordnet sind und mit einer zentral angeordneten leitenden Fläche (42) verbunden sind, und daß auf jeder der ersten Leitungen in Richtung zu dem Impedanzwandler jeweils ein Ausgangsanschluß (18, 28) und in Richtung zu den zweiten Leitungen jeweils ein Anschluß (16, 20) für einen Entkopplungswiderstand vorgesehen ist.

Sm/Sch
20.12.1978

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2. Leistungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Impedanzwandler aus einem ersten koaxial angeordneten Hohlzylinder (4), der mit der Koaxialleitung (12) verbunden ist, einen ersten Durchmesser hat und eine viertel Betriebswellenlänge lang ist, einem zweiten koaxial angeordneten Hohlzylinder (6), der mit dem ersten Hohlzylinder verbunden ist, einen vom ersten Durchmesser unterschiedlichen zweiten Durchmesser hat und eine viertel Betriebswellenlänge lang ist, sowie N auf einem zweiten koaxialen dielektrischen Zylinder (Fig.5) angeordneten dritten Leitungen (11) besteht, wobei dieser zweite dielektrische Zylinder einen vom zweiten Durchmesser unterschiedlichen dritten Durchmesser hat, die dritten Leitungen zwischen den zweiten Zylinder und die ersten Leitungen (16) geschaltet sind, und eine viertel Betriebswellenlänge lang sind.

3. Leistungsteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zylinder einen vom dritten Durchmesser unterschiedlichen vierten Durchmesser hat.

4. Leistungsteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die ersten Leitungen jeweils eine viertel Betriebswellenlänge lang sind.

5. Leistungsteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Leitungen jeweils eine viertel Betriebswellenlänge lang sind.

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6. Leistungsteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste und der zweite Zylinder von einem dielektrischen Einsatz (Fig. 5) gebildet werden, der an beiden Seiten VorSprünge aufweist, wobei der eine Vorsprung in den Hohlzylinder mit dem zweiten Durchmesser und der andere Vorsprung in ein Loch (44) in der zentral angeordneten leitenden Fläche (42) paßt.

7. Verwendung des Leistungsteilers nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Leistungssummierer.

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