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Streifenleitungsvichtungskoppler geringer oppeldampfung
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Die Erfindung betrifft einen Streifenleitungsrichtungskoppler geringer
Koppeldämpfung, vorzugsweise von 3 dB, für das Gebiet der Höchstfrequenztechnik,
welcher wegen seiner unkritischen Fertigungstoleranzen besonders fertigungsfreundlich
ist.
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Streifenleitungsrichtungskoppler geringer Koppe ldämpfung sind in
verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Zum Beispiel bestehen Streifenleitungsrichtungskoppler
in Triplateausftihrung aus zwei zueinander parallelen breiten Platten, zwischen
denen sich die beiden ebenfalls zueinander parallelen streifenförmigen Leiter der
Haupt- und Nebenleitung befinden.
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Für sehr kleine Koppeldämpfungen wird die Kopplung beim Re-entrant-Eoppler
durch einen zusätzlichen isoliert angebrachten Metallstreifen, der Haupt- und Nebenleitung
überdeckt, verstärkt. Um Höchstfrequenzschaltungen kostengünstig nach dem fotochemischen
Ätzverfahren herstellen zu können, werden sogenannte unsymmetrische Streifenleitungen
auf planparallelen Platten aus dielektrischem Substrat bevorzugt. Die eine Seite
dieser Platten tragt den streifenförmigen Leiter, die andere trägt die elektrisch
leitende Masse schicht. Auch in dieser un57.mmetrischen Streifenleitungstechnik
(oder Kicrostriptechnik) sind Richtungskoppler geringer Koppeldämpfung bekannt.
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Zum Beispiel kennt man Bybrid- oder Branchline-Koppler mit 3 dB Koppeldämpfung,
bei welchen die vier Anschlüsse durch Leitungen der Länge /4 in der Form eines Quadrates
oder mehrerer Quadrate oder auch eines Ringes miteinander
verbunden
sind. Nachteilig bei diesen Kopplern ist der große Platzbedarf.
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Bei einem anderen Streifenleitungsrichtungskoppler werden auf der
einen Seite der Substratplatte Haupt- und Nebenleitung in einem Abstand, der durch
die Eoppeldampfung bestimmt wird, parallel geführt. Für kleine Koppeldämpfungen
müßte der Abstand zwischen beiden Leitungen sehr gering sein, so daß nur ein Spalt
von wenigen p m zwischen beiden Leitungen vorhanden wäre. Wegen dieses geringen
und deshalb schlecht herstellbaren Spaltes können in dieser Art nur Streifenleitungsrichtungskoppler
hergestellt werden, deren Koppeldämpfung größer als 5 bis 6 dB ist.
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Um die Koppeldampfung dieser Koppler noch zu verringern, ist eine
Anordnung bekannt geworden, bei der, ähnlich wie beim Re-entrant-Koppler, ein zusätzlicher,
elektrisch leitender, isoliert angebrachter Streifen beide Streifenleitungen überdeckt.
Dieser Streifenleitungsrichtungskoppler besitzt den Nachteil, daß für den Streifen
eine zusätzliche Haltevorrichtung mit einer Justiermöglichkeit nötig ist. Außerdem
werden erhöhte Anforderungen an die Ebenheit der Substratplatten und des Streifens
gestellt, um einen unkontrollierbaren Luftspalt zu vermeiden.
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Bei einem weiteren bekannten Streifenleitungsrichtungskoppler auf
dielektrischem Substrat sind beide zueinander parallelgeführten streifenförmigen
Leitungen miteinander verbunden, so daß der zwischen ihnen liegende Spalt gleich
Null ist. Statt dessen ist der auf der anderen Seite der Platte angebrachte Massebelag
parallel zu den beiden Leitungen geschlitzt. An beiden Enden dieses Schlitzes ist
der Massebelag über ein großes kreisförmiges Stück entfernt, so daß der Schlitz
eine an beiden Enden offene Schlitz leitung bildet. Der Wellenwiderstand dieser
Schlitzleitung
soll gleich dem der Anschlußleitungen, also meist
gleich 50 Ohm sein. Nachteilig bei diesen Anordnungen ist der durch die beiden kreisförmigen
Scheiben bedingte erhöhte Platzbedarf. Außerdem wird für die Realisierung dieser
Richtungskoppler ein Substrat mit hoher Dielektrizitätskonstante benötigt, da Schlitzleitungen
mit 50 Ohm Wellenwiderstand nur auf solchem herstellbar sind, weil sonst der Spalt
wieder so schmal würde, daß er schlecht herstellbar wäre.
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Ziel der Erfindung ist die technologisch einfache und kostengünstige
Herstellung eines Streifenleitungsrichtungskopplers geringer Eoppeldämpfung, dessen
geometrische Abmessungen unkritisch sind und somit keine Fertigungsschwierigkeiten
ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Streifenleitungsrichtungskoppler
geringer Koppeldämpfung ohne Verringerung der Richtdämpfung zu schaffen, der nach
dem fotochemischen Ätzverfahren hergestellt werden kann und keine zusätzlichen zu
montierenden und zu justierenden eile besitzt, der auch mit Substratmaterial niedriger
Dielektrizitätskonstante herstellbar ist und dessen Platzbedarf gering ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem Streifenleitungsrichtungskoppler, bestehend
aus einer planparallelen Platte aus dielektrischem Substratmaterial, die auf der
einen Planfläche einen elektrisch leitenden Massebelag und auf der anderen Planfläche
zwei zueinander parallele streifenförmige Leiter, insbesondere der Lange /4 besitzt,
erfindungegemäß dadurch gelöst, daß zur Unterstützung der Kopplung aus dem Massebelag
ein Streifen des leitenden Materials in Lorm einer Umrandung derart entfernt ist,
daß
ein zu den beiden streifenförmigen Leitern, vorzugsweise paralleler
Koppelstreifen verbleibt. Der niedrigere Wellenwiderstand ZOO der Odd-Mode wird
also durch die Reihenschaltung der Kapazitäten entsprechend niederohmiger Streifenleitungen
über den Koppelstreifen und der höhere Wellenwiderstand Zoe der Even-Mode wird durch
die Schlitzleitung, welche der Koppelstreifen mit dem Massebelag bildet, realisiert.
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Zweckmäßigerweise ist die Form der Umrandung rechteckig oder quadratisch.
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Im Normalfall ist der Koppelstreifen swmmetrisch zu den beiden zueinander
parallelen streifenförmigen Leitern angeordnet, wobei es vorteilhaft ist, wenn er
etwa die gleiche Länge wie die beiden streifenförmigen Leiter besitzt.
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Pür breitbandige Ausführungen von Streifenleiterrichtungskopplern
ist es günstig, wenn der Leiterabstand zwischen den zueinander parallelen streifenförmigen
Leitern, die Leiterbreite sowie Ort und Breite des Schlitzes zwischen dem Koppelstreifen
und dem Massebelag längs der beiden zueinander parallelen streifenförmigen Leiter
verschiedene Abmessungen besitzt.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann zur Vermeidung von Resonanzen
der Koppelstreifen durch Querschlitze unterteilt sein.
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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert
werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 : Schnitt A-B eines erfindungsgemäßen
Streifenleitungsrichtungskopplers
Fig. 2 : Dessen Draufsicht Fig.
3 : Feldbild der Odd-Node Fig. 4 und 5 : Feldbild der Even-Mode In den Figuren bedeuten:
1 und 2 die beiden zueinander parallelen streifenförmigen Leiter (Haupt- und Nebenleitung),
3 den elektrisch leitenden Massebelag, 4 die planparallele Platte aus dielektrischem
Substrat, 5 den Koppelstreifen, 6 die Anschlußleitungen und 7 den Schlitz, der sich
parallel zu den streifenförmigen Leitern 1; 2 zwischen dem Koppelstreifen 5 und
dem Kassebelag 3 durch das Entfernen des elektrisch leitenden Massebelages 3 in
Form einer Umrandung ergibt.
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Um die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes zu erläutern und weil
der Gang der Rechnung zu dessen Dimensionierung erheblich von der üblichen Berechnung
von Richtungskopplern abweicht, soll hier kurz eine Möglichkeit zu dessen Dimensionierung
beschrieben werden: Bekanntlich werden die Wellenwiderstände Zoe und ZOO für die
Even- und Odd-Mode nach den Formeln
berechnet. Dabei bedeuten k die Auskopplung und Zo den Wellenwiderstand der Zuleitung
6. Für einen 3 dB-Eoppler ist k = 1/
Beträgt der Wellenwiderstand der Zuleitungen Zo = 50 Ohm, so errechnen sich aus
den beiden angegebenen Formeln die Wellenwiderstände für die Even- und Odd-Mode
zu Zoe = 120,7 Ohm und ZOO = 20,7 Ohm.
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Zur besseren Veranschaulichung zeigt Fig. 3 das Feldbild der Odd-Mode
und Big. 4 das Feldbild der Even-Mode an einem erfindungsgemäßen Streifenleitungsrichtungskoppler.
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Für die Odd-Mode besitzt der eine streifenförmige Leiter 1 ein positives
Potential und der andere streifenförmige Leiter 2 ein negatives Potential. Beide
Potentiale besitzen den gleichen Betrag.
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Aus Fig. 3 erkennt man, daß der Koppelstreifen 5 wegen der vorhandenen
Symmetrie das gleiche Potential Null (O) besitzen muß wie der Massebelag 3. Demzufolge
gelten näherungsweise zur Berechnung von ZOO die gleichen Berechnungsunterlagen.
Ean wählt den Leiterabstand s so, daß er nach den zur Verfügung stehenden technologischen
Möglichkeiten gut reproduzierbar gefertigt werden kann. Danach kann die Leiterbreite
w aus Leiterabstand s und ZOO bestimmt werden als wäre der Massebelag 3 durchgehend.
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Für die Even-Mode wird für beide streifenförmige Leiter 1; 2 das gleiche
positive Potential angenommen, während der Massebelag 3 negatives Potential besitzt.
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Der erforderliche Wellenwiderstand Zoe der Even-Mode, der meist relativ
hoch sein soll, wird näherungsweise durch den Wellenwiderstand des als Schlitzleitung
gedachten Schlitzes 7 zwischen dem Koppelstreifen 5 und dem Eassebelag 3 (siehe
Fig. 4) gebildet.
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Ergeben sich nach der Anordnung in Fig. 4 zu kleine Werte für die
Schlitzbreite sks æo kann der Koppelstreifen 5 nach Big. 5 etwas schmaler ausgeführt
werden, so daß der Schlitz 7 unter die Streifenleiter 1 und 2 kommt. Die streifenförmigen
Leiter 1 und 2 überdecken den Massebelag 3 über die Breite a.
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Dadurch wirken die streifenförmigen Leiter 1 und 2 direkt kapazitiv
auf den Massebelag 3 und verkleinern den Wellenwiderstand Zoe der Even-Mode, so
daß die Schlitzbreite sk wieder größer gemacht werden kann. Eine endgültige Dimensionierung
der Schlitzbreite sk ist experimentell leicht über die Messung des Reflexionsfaktors
und über die Soppeldampfung möglich.
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Ein nach diesen Regeln berechnetes Muster eines 3 dB-Kopplers für
ZO = 50 und einen Frequenzbereich von 1,5 bis 3 GIIz hatte eine Leiterbreite w =
1,5 mm, einen Abstand der Leiter voneinander von s = 0,1 mm und einer Schlitzbreite
von sk = 0,2 mm. Der Schlitz befand sich unmittelbar unter der Kante des Leiters,
also vor a = O. Die Lange der gekoppelten Leitungen betrug 17,6 mm. Als Substrat
wurde AL203 mit = = 9,6 und einer Stärke von 0,63 mm verwendet.
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Ein zweites Muster wurde absichtlich mit ganz extremen Abmessungen
entworfen und vermessen. Es ist wegen seiner extremen Abmessungen nicht für einen
praktischen Gebrauch bestimmt, sondern es dient zur Kontrolle und zur Demonstration
für die Richtigkeit der physikalischen Überlegungen, welche zur erfindungsgemäßen
Lösung führten. Als Substratmaterial diente hierfür Cevausit Cu 07 mit gr = 4,05
und einer Substratstärke von 1,6 mm. Das ist ein glasfaserverstärktes Epoxidharssubstrat,
welches eigentlich für gedruckte Schaltungen verwendet wird. Weil dieses Substratmaterial
für sehr hohe Frequenzen wegen seiner dielektrischen Verluste ungeeignet ist, wurde
die Länge der Koppelstrecke mit 210 mm angenommen, so daß dieser 3 d3-Koppler im
UKW-Bereich arbeitete. Die Maße waren: w = 9,9 mm, s = 0,6 mm, 5k = 2 mm, a = -
1,8 mm. Der Schlitz war also nach Fig. 3 angeordnet.
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Die Koppeldämpfung wurde mit (3 > ) dB in dem Frequenzband von
150 bis 300 MHz, also über eine Oktave, gemessen.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen Streifenleitungsrichtungskoppler
geringer Koppeldämpfung 1 = streifenförmiger Leiter 2 = streifenförmiger Leiter
3 = Massebelag 4 = planparallele Platte aus dielektrischem Substrat 5 = Eoppelstreifen
6 = Anschlußleitung 7 = Schlitz a = Breite, in der der Massebelag 3 durch die Leiter
15 2 überdeckt wird 5 = Leiterabstand w = Leiterbreite Sk = Schlitzbreite
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