DE3687863T2 - Radial-/axialleistungsverteiler-/-addierer. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Leistungsverteiler/-addierer. In der US-PS 42 34 854 ist ein Verstärker beschrieben, welcher eine radiale Struktur aufweist, die die Eingangsleistung verteilt, sie teilweise verstärkt und sie dann rekombiniert. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der Erfindung dadurch, daß
• 1) der einzige Ausgang koaxial ist, verglichen mit den radialen und koaxialen Komponenten in der vorliegenden Erfindung,
• 2) sie die Eingangsleistung verstärkt, während die vorliegende Erfindung dies nicht tut und
• 3) es in der patentierten Vorrichtung viel schwieriger ist, die Phase und die Amplitude innerhalb der individuellen Stücke zu kontrollieren.
• Die US-PS 42 63 568, 43 28 471 und 43 71 845 offenbaren radiale Leistungsverteiler, welche nicht den axialen Ausgang der vorliegenden Erfindung haben.
• Die US-PS 41 29 839, 42 54 386 und 44 63 326 offenbaren ebene Verteiler, welche nicht die äquidistanten radialen Komponenten oder die axiale Komponente der vorliegenden Erfindung haben.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen verbesserten elektromagnetischen Leistungsverteiler/-addierer zu schaffen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem elektromagnetischen Leistungsverteiler/-addierer mit einem länglichen Eingangsleiter zum Transport einer elektromagnetischen Eingangsenergie, einer im wesentlichen ebenen Schicht, welche senkrecht zu dem Eingangsleiter angeordnet ist, mit einigen länglichen, im allgemeinen radial angeordneten Leitern, welche auf einer Oberfläche einer dielektrischen Platte vorgesehen sind, wobei jede der Leiter einen gleichen Prozentsatz der Eingangsleistung transportiert und jede der Leiter sein radial inneres Ende mit dem Eingangsleiter verbunden hat, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein länglicher axialer Ausgangsleiter vorgesehen ist, welcher im allgemeinen kolinear mit dem Eingangsleiter verläuft und von diesem durch die ebene Schicht getrennt ist und mit radial erstreckenden Verbindungsgliedern verbunden ist, welche kapazitiv an die radial angeordneten Leiter gekoppelt sind.
• Der Eingangsleiter ist vorzugsweise an die radialen Ausgänge mittels N-Verteilerimpedanzwandler gekoppelt, welcher jeder eine viertel Wellenlänge lang bei der Konstruktionsfrequenz ist und welche radial auf einer dielektrischen Verteilerscheibe angeordnet sind. In gleicher Weise ist der axiale Ausgangsleiter kapazitiv an jeden der radialen Ausgänge gekoppelt und zwar vorzugsweise mittels N-Addiererimpedanzwandler, welche radial auf einer dielektrischen Addiererscheibe angeordnet sind. Eine Verteilerstruktur weist die Verteilerscheibe und den Eingangsleiter auf. In gleicher Weise weist eine Addiererstruktur die Addiererscheibe und den axialen Ausgangsleiter auf. Die Verteilerstruktur und die Addiererstruktur sind vorzugsweise identisch. Jedes Paar von Wandlern stellt einen Leistungskoppler dar.
• Die Dicke der dielektrischen Schicht bestimmt den Prozentsatz an Leistung, welcher in den axialen Ausgang koppelt. Eine feine Abstimmung dieses Prozentsatzes wird mittels Rotation der Addierstruktur gegenüber der Verteilerstruktur erreicht.
• Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei stellen dar:
• Fig. 1 eine isometrische Explosionszeichnung,
• Fig. 2 eine isometrische Ansicht in nicht auseinandergezogener Perspektive nach Fig. 1 und
• Fig. 3 eine Draufsicht auf die Unterseite der dielektrischen Platte 30, welche in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
• In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist N die Zahl Sechs. Jedoch kann N irgendeine positive ganze Zahl sein, welche nur von den physikalischen Bedingungen abhängig ist.
• Ein Eingangsleiter 10 ist als ein zentraler Leiter mit einem Ausgangsleiter 11 dargestellt, welcher an der leitenden oberen (bezüglich der willkürlichen Perspektive der Figuren) Oberfläche 13 einer dielektrischen Scheibe 12 geerdet ist. Die Schicht 13 ist üblicherweise eine dünne metallisierte Schicht, welche mit der Scheibe 12 zusammenhängt. Der zentrale Leiter 10 geht durch die Scheibe 12 und ist auf der Bodenseite davon mit dem zentralen Punkt eines radialen Netzwerks von N-Impedanzwandlern 14 verbunden, welche vorzugsweise im wesentlichen identisch sind und radial äquidistant über die Scheibe 12 verteilt sind.
• Jeder Impedanzwandler 14 ist kegelig und hat ein schmales Ende, welches mit dem Leiter 10 an dem Mittelpunkt der Bodenfläche der Scheibe 12 verbunden ist, und ein breites Ende, welches radial auswärts von diesem Mittelpunkt angeordnet ist. Die Breiten der Impedanzwandler 14 sind eine Funktion der gewünschten Impedanz. Die Länge jedes Impedanzwandlers 14 ist eine Funktion der elektromagnetischen Frequenz und des gewünschten Impedanzwandlerverhältnisses. Wenn beispielsweise die Eingangsimpedanz, welche von dem Leiter 10 wahrgenommen wird, 50 Ohm ist und es wünschenswert ist, diese 50 Ohm Impedanz bei jedem der radialen Ausgänge 31 aufrechtzuerhalten, dann muß jeder der Impedanzwandler 14 ein 6:1-Wandler sein, da dies die Impedanz von 50 Ohm nach 300 Ohm an dem Mittelpunkt der Scheibe 12 (sechs 300 Ohm Impedanzen parallel angeordnet sind gleich einer einzigen 50 Ohm Impedanz) wandelt.
• Abstimmungsstichleitungen 15, welche übliche Stücke aus Indium oder Gold sind, sind auf den Wandlern 14 angeordnet, um eine feine Abstimmung zu erreichen. Die Wandler 14 sind vorzugsweise dünne, leitende Schichten, beispielsweise aus Kupfer. Falls es erwünscht ist, ein Gleichgewicht in der Leistung und vorzugsweise in der Phase an den radialen Ausgängen 31 aufrecht zu halten, dann sind die Dimension der Wandler 14 in dem Bereich des Mittelpunktes der Scheibe 12 kritisch. Fotolithografische Techniken können erfolgreich angewendet werden, um die gewünschte Genauigkeit zu erhalten. Beispielsweise ist eine Zeichnung der gewünschten Geometrie, welche um Größenordnung größer ist als die Dimensionen des endgültigen Verteilers/Addierers, genau hergestellt worden. Fotografische Techniken sind verwendet worden, um diese Zeichnung auf die gewünschten Dimensionen der Maske zu reduzieren, welche das Kupfer auf der dielektrischen Platte 12 ätzt. Dies ergibt eine größere Genauigkeit, als wenn die anfängliche Zeichnung gleich in der richtigen Skalierung hergestellt worden wäre. Gleiche Techniken sind für die Addiererstruktur 2 verwendet worden, was den zusätzlichen Vorteil hat, daß eine Massenproduktion erleichtert wird.
• Radiale Ausgänge 31 sind dünne leitende Schichten, beispielsweise von geätztem Kupfer, welche auf der oberen Oberfläche der dielektrischen Platte 30 aufgebracht sind. Jeder radiale Ausgang 31 endet an seinem radialen inneren Ende in einer Stichleitung 32, welches eine elektrische Verbindung mit einem radialen äußeren Ende eines entsprechenden Wandlers 14 herstellt. Ein Isolationswiderstand 33 ist zwischen jedem Paar der radialen Ausgänge 31 an dem radialen äußeren Ende der entsprechenden Stichleitungen 32 verbunden. Vorzugsweise sind die Widerstände 33 im wesentlichen vom Widerstand her gleich und sie sind dünner als die Scheibe 12, aber sie sind dicker als die Auftragungen 31 und 14. Die Scheibe 12 ist so ausgebildet, daß sie gerade in den Ring, welcher von den Widerständen 33 (s. Fig. 3) gebildet wird, paßt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat jeder der Widerstände 33 zwischen 100 und 150 Ohm. Die Funktion der Widerstände 33 ist es, die Phase an jedem der radialen Ausgänge 31 festzumachen. Deshalb ist bei jeder gegebenen Entfernung entlang jeder der radialen Ausgänge 31 die Phase im wesentlichen die gleiche. Diese Charakteristik, verbunden mit der Tatsache, daß die Leistung im wesentlichen die gleiche bei jeder Entfernung entlang jeder der radialen Ausgänge 31 ist, ist für viele Anwendungen hoch erwünscht, so beispielsweise wenn die radialen Ausgänge 31 Antennen versorgen.
• Auf dem Boden der dielektrischen Platte 30 (dargestellt in Fig. 3) sind N-elektrisch leitende Stichleitungen 42 äquidistant um den Umfang eines Kreises angeordnet, welcher der Position der Scheibe 12 entspricht. Die Stichleitungen 42 sind hinsichtlich der N-Stichleitungen 32 ausgerichtet, welche auf der anderen Seite der dielekrischen Platte 30 angeordnet sind, und sie sind von diesen physikalisch und elektrisch mittels des Dielektrikums 30 getrennt. Deshalb ist jedes Paar von Wandlersektoren 14, 24 breitseits kapazitiv gekoppelt, was den Fluß der elektromagnetischen Leistung von 14 nach 24 erlaubt. Ein Isolationswiderstand 43 ist elektrisch zwischen jedem Paar der zueinander naheliegenden Stichleitungen 42 verbunden. Vorzugsweise sind die Widerstände 43 vom Widerstand her untereinander gleich und auch gleich zu den Widerständen der Widerstände 33. Die Funktion der Widerstände 43 ist es ebenfalls, die Phasenbeziehungen fest aufrechtzuerhalten.
• Die Addierstruktur 2 ist vorzugsweise identisch zu der Verteilerstruktur 1 und ist mit dieser axial ausgerichtet. Deshalb ist die Addierscheibe 22 aus einem dielektrischen Material hergestellt. Die Unterseite der Scheibe 22 ist mit einer leitenden Schicht 23 beschichtet, welche mit der äußeren leitenden Abschirmung 21 des koaxialen Kabels, dessen innerer Leiter der axiale Ausgang 20 ist, verbunden ist. Der Addiererimpedanzwandler 24 mit Impedanzanpassungsstichleitungen 25 sind äquidistant radial auf der oberen Oberfläche der Scheibe 22 verteilt. Das breite Ende jedes Wandlers 24 ist in elektrisch leitendem Kontakt mit einem der Stichleitungen 42. Mittels dieser Technik wird die Leistung, welche in jede der sechs Impedanzwandlersektoren 24 von den Impedanzwandlersektoren 14 gekoppelt ist, in das koaxiale Ausgangskabel 20 addiert. Ein vernachlässigbarer Teil der axialen Energie wird mittels einer kapazitiven Kopplung zwischen den Enden der Leiter 10 und 20 gekoppelt. Die Größe der axialen Kopplung wird in erster Linie von der Dicke der dielektrischen Schicht 30 bestimmt. Für eine maximale axiale Kopplung, üblicherweise über 50 %, sollte das Dielektrikum 30 so dünn als möglich sein (aber es sollte noch eine endliche Dicke haben). Für maximale axiale Kopplung, welche die Dicke des Dielektrikums 30 ergibt, ist jedes Paar der Wandler 14, 24 axial ausgerichtet. Ein kleiner Betrag einer relativen Rotation zwischen den Scheiben 12 und 22 kann vorteilhafterweise verwendet werden, um bewußt die Vorrichtung auf den Punkt maximaler, axialer Kopplung abzustimmen. Beispielsweise wenn es erwünscht, 50% axiale Kopplung zu haben, dann ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß eine totale axiale Ausrichtung zwischen jedem Paar der Wandler 14, 24 in über 55 % axialer Kopplung resultiert. Dann werden die Scheiben 12, 24 zueinander leicht gedreht, bis die Vorrichtung genügend abgestimmt ist, so daß die gewünschten 50 % axiale Kopplung erreicht sind. Im allgemeinen ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß der maximale Grad der axialen Kopplung etwas mehr als der tatsächlich gewünschte ist, da ein Verstimmen, aber kein super genaues Abstimmen möglich ist.
• Üblicherweise werden N und das axiale/radiale Ausgangsleistungsverhältnis R vorgewählt, und zwar auf der Grundlage von Systembetrachtungen. R wird definiert als Pa/Pr2, wobei Pa die Große der axialen Leistung vom Ausgang 20 ist, und Pr2 die Größe des Leistungsflusses durch jeden radialen Ausgang 31 ist. Der kapazitive Kopplungskoeffizient C=Pr3/Pr2 wird dann aus der Formel C=R/N berechnet, wobei Pr3 die Größe des Leistungsflusses durch jeden Addierimpedanzwandler 24 ist. Wenn beispielsweise die Eingangsleistung 96 Watt ist und N sechs ist, dann ist die Größe der Leistung in jedem der Verteilerwandler 14 16 Watt. Angenommen es sei wünschenswert, daß R=3.6 ist. Dies wird dadurch erreicht, daß Pr 36 Watt hat und jedes Pr2 hat 10 Watt. C wird dann als 0.6 berechnet. Die erforderliche Dicke der dielektrischen Schicht 30, um C=0.6 zu erhalten, kann dann experimentell oder analytisch mittels Verwendung bekannter Techniken erreicht werden.
• Die vorstehende Beschreibung dient zur Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und begrenzt nicht die Erfindung. Die Erfindung ist lediglich durch die Ansprüche begrenzt. Beispielsweise ist in der vorstehenden Beschreibung die vorliegende Erfindung als ein Verteiler verwendet worden. Jedoch, wie bei allen Verteilern, kann sie auch als ein Addierer verwendet werden, indem der Stromfluß umgekehrt wird.

Claims (11)

1. Elektromagnetischer Leistungsverteiler/-addierer mit einem länglichen Eingangsleiter (10) zum Transport einer elektromagnetischen Eingangsenergie, einer im wesentlichen ebenen Schicht (3), welche senkrecht zu dem Eingangsleiter angeordnet ist, mit einigen länglichen, im allgemeinen radial, angeordneten Leitern (31), welche auf einer Oberfläche einer dielektrischen Platte (30) vorgesehen ist, wobei jeder der Leiter (31) einen gleichen Prozentsatz der Eingangsleistung transportiert und jeder der Leiter sein radial inneres Ende mit dem Eingangsleiter (10) verbunden hat, gekennzeichnet durch einen länglichen axialen Ausgangsleiter (20), welcher im allgemeinen kolinear mit dem Eingangsleiter (10) verläuft und von diesem durch die ebene Schicht (3) getrennt ist und mit radial erstreckenden Verbindungsgliedern (24, 25) verbunden ist, welche kapazitiv an die radial angeordneten Leiter (31) gekoppelt sind.

2. Verteiler/Addierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radial angeordneten Leiter (31) durch einen Satz von im wesentlichen identischen Verteilerimpedanzwandlern (14) an den Eingangsleiter (10) entsprechend gekoppelt sind, welche jeder eine viertel Wellenlänge lang von der Konstruktionsfrequenz sind.

3. Verteiler/Addierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Verteilerimpedanzwandler (14) ein länglicher kegeliger Leiter ist, mit einem breiten Ende, welches mit einem Ende des entsprechenden radial angeordneten Leiters verbunden ist, und einem schmalen Ende, welches mit einem Ende des Eingangsleiters verbunden ist.

4. Verteiler/Addierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerimpedanzwandler (14) radial äquidistant auf einer im wesentlichen flachen dielektrischen Verteilerscheibe (12) angeordnet sind, welche im wesentlichen senkrecht zu dem Eingangsleiter (10) angeordnet ist.

5. Verteiler/Addierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerimpedanzwandler (14) mittels eines photolithographischen Verfahrens hergestellt sind.

6. Verteiler/Addierer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Satz von im wesentlichen identischen Isolationswiderständen (33), wobei jeder Isolationswiderstand ein naheliegendes Paar von radial angeordneten Leitern (31) trennt, und wobei die Widerstände gewährleisten, daß die Phase der elektromagnetischen Energie innerhalb jedes radial angeordneten Leiters im wesentlichen identisch bei identischen Abständen dort entlang ist.

7. Verteiler/Addierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozentsatz der Leistung, welcher kolinear von dem Eingangsleiter (10) zu dem axialen Ausgangsleiter (12) koppelt, durch die Dicke der dielektrischen Platte (30) reguliert ist, wobei je dünner die dielektrische Platte ist, desto größer ist die kolineare Kopplung.

8. Verteiler/Addierer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die sich radial erstreckenden Kopplungsglieder in der Gestalt von im wesentlichen identischen Addiererimpedanzwandlern (24) ausgebildet sind.

9. Verteiler/Addierer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Addiererimpedanzwandler (24) auf einer im wesentlichen flachen dielektrischen Addiererscheibe (22) montiert sind, welche im allgemeinen senkrecht zu dem axialen Ausgangsleiter (20) angeordnet ist, wobei eine Rotation der dielektrischen Addiererscheibe (22) in ihrer Ebene eine feine Regulierung des Prozentsatzes der Leistung bewirkt, welche kolinear von dem Eingangsleiter (10) zu dem axialen Ausgangsleiter (20) gekoppelt wird.

10. Verteiler/Addierer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Addiererimpedanzwandler mittels eines photolithographischen Verfahrens hergestellt sind.

11. Verfahren zur Herstellung des Verteilers/Addierers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die Anzahl N der radial angeordneten Leiter (31) vorgewählt wird, das Leistungsverhältnis R=Pa/Pr2 vorgewählt wird, wobei Pa die Größe des Leistungsflusses durch den axialen Ausgangsleiter und Pr2 die Größe des Leistungsflusses durch jeden radial angeordneten Leiter ist, und Pr3 die Größe des Leistungsflusses in jedem Addiererimpedanzwandler (24) ist, der kapazitive Kopplungskoeffizient C=Pr3/Pr2 zwischen jedem radial angeordneten Leiter (31) und seinem Addiererimpedanzwandler (24) aus der Formel C=R/N berechnet wird und die dielektrische Platte (30) mit einer derartigen Dicke hergestellt wird, daß der berechnete Wert C für jede der kapazitiven Kopplungen zwischen einem radial angeordneten Leiter (31) und einem Addiererimpedanzwandler (24) erreicht wird.