DE3937973A1 - Breitband-branchline-koppler - Google Patents

Breitband-branchline-koppler

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Bernd Dipl Ing Mayer
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MAYER, BERND, 81241 MUENCHEN, DE
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/19Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port of the junction type
    • H01P5/22Hybrid ring junctions
    • H01P5/22790° branch line couplers

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  • Microwave Amplifiers (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft einen Breitband-Branchline-Koppler entspre­ chend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus den Patentanmeldungen P 39 24 426.1 und P 39 33 439.2 beim Deutschen Patentamt sind bereits breitbandige Koppler aus Leitungs­ stücken bekannt. Diese Koppler weisen jedoch den Nachteil auf, daß für die technisch interessanten Bandbreiten ab 40% die Anpassung des Eingangstores und die Entkopplung des isolierten Tores nur un­ gefähr -20 dB beträgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde diesen Nachteil zu ver­ meiden. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung einen Koppler zu schaffen, der so dimensioniert werden kann, daß eine beliebige, über eine große Bandbreite konstante, Leistungsaufteilung auf die Aus­ gangstore erreicht wird. Für die Verwendung in integrierten Schal­ tungen, insbesondere im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich, soll der Koppler aus konzentrierten Elementen aufbaubar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Breitband-Branchline-Koppler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildun­ gen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird anhand der Fig. 1-Fig. 12 die Erfindung näher erläutert und die erzielten Vorteile angegeben. Alle Ausführungsbei­ spiele wurden für Anschlußleitungen mit einem Wellenwiderstand von 50 Ω mit einem handelsüblichen Mikrowellensoftwarepaket dimensio­ niert. Die Bandmittenfrequenz wird mit f o bezeichnet. Entsprechend wird die Wellenlänge bei f o mit λ o bezeichnet. Es zeigt
Fig. 1 Schematische Darstellung des Breitband-Branchline-Kopplers,
Fig. 2 Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Leistungsteilung 1 : 1,
Fig. 3-Fig. 5 Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Kopplers gemäß Fig. 2,
Fig. 6 Weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Leistungsteilung 1 : 1,
Fig. 7 Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Kopplers gemäß Fig. 6,
Fig. 8 Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Leistungsteilung 1 : 3,
Fig. 9 Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Kopplers gemäß Fig. 8,
Fig. 10 Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung,
Fig. 11 Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Kopplers gemäß Fig. 10,
Fig. 12 Praktisch hergestelltes Ausführungsbeispiel des Kopplers gemäß Fig. 2,
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Breitband-Branchline-Kopplers mit den beiden Symmetrieebenen A und B. Durch die vorausgesetzte doppelte Symmetrie des Netzwerkes ist es für eine Dimensionierung ausreichend nur jeweils die Werte für ein Viertel der Schaltung anzugeben.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Breit­ band-Branchline-Kopplers für eine Leistungsaufteilung 1 : 1. Die Zu­ führungskaskaden sind hierbei zu jeweils nur noch einem λ o /2 langen Leitungsstück pro Tor entartet. Zusätzlich sind dazu noch je eine am Ende leerlaufende Kaskade aus zwei λ o /4-langen Leitungs­ stücken gleichen Wellenwiderstandes parallel geschaltet.
Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Netzwerkes gemäß Fig. 2. Es sind dabei die Beträge der S-Parameter |S 11|, |S 21|, |S 31| und |S 41| in dB über der relativen Frequenz aufgetra­ gen. Es ergibt sich über eine Bandbreite von 40% eine Anpassung des Eingangstores von |S 11| -30 dB und eine Entkopplung des isolierten Tores von |S 21| -30 dB.
Fig. 4 und Fig. 5 zeigen die Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Netzwerkes gemäß Fig. 2 für die S-Parameter S 31 und S 41. Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, wird über eine Bandbreite von 40% die -3,01 dB Bedingung, was einer Leistungsaufteilung von 1 : 1 entspricht, mit einer maximalen Abweichung von -0,05 dB bzw. +0,03 dB eingehalten. In Fig. 5 sind die Phasen von S 31 und S 41 über der relativen Frequenz aufgetragen.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Breit­ band-Branchline-Kopplers mit derselben Struktur und Leistungsauf­ teilung wie in Fig. 2, jedoch in einer Dimensionierung für größere Bandbreite. Weiterhin wurden hier mehrere Leitungsstücke durch eine Parallelschaltung zweier gleich langer Leitungsstücke des dop­ pelten Wellenwiderstandes ersetzt. Diese Maßnahme kann beispiels­ weise für die praktische Ausführung des Kopplers in Mikrostreifen­ leitungstechnik von Vorteil sein, da sich eine Realisierung nieder­ ohmiger Leitungsstücke in dieser Technik ab einer gewissen Strei­ fenbreite wegen der Ausbreitungsfähigkeit höherer Moden nachteilig auswirken kann. Fig. 7 zeigt die Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Netzwerkes gemäß Fig. 6. Es ergibt sich über eine Bandbreite von 53% eine Anpassung des Eingangstores von |S 11| -20 dB und eine Entkopplung des isolierten Tores von |S 21| -20 dB. Über die­ se Bandbreite wird die -3 dB Bedingung für die Beträge der S-Para­ meter |S 31| und |S 41| mit einer maximalen Abweichung von -2 dB eingehalten.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Breitband-Branchline-Kopplers mit derselben Struktur wie in Fig. 2, jedoch für eine Leistungsaufteilung 1 : 3. Die Ergebnisse einer Netzwerkanalyse zeigt Fig. 9.
Fig. 10 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Breitband-Branchline-Kopplers. Ausgehend von der Struktur in Fig. 2 wurden dabei die λ o /4-langen die beiden Ringe bildenden Lei­ tungsstücke durch je ein doppeltes π-Glied, die λ o /2 langen die Ringe verbindenden Leitungsstücke und die λ o /2-langen Verbin­ dungsstücke mit den Toren durch je einen Reihenschwingkreis er­ setzt. Die leerlaufenden λ o /2-langen Stichleitungen wurden durch je einen Parallelschwingkreis ersetzt. Fig. 11 zeigt die Ergebnisse einer Netzwerkanalyse. Für die Anpassung des Eingangstores |S 11| und die Entkopplung des isolierten Tores |S 21| ergeben sich über eine Bandbreite von 38% Werte von |S 11|  -30 dB und |S 21| -30 dB. Die maximale Abweichung von der -3 dB Bedingung über diese Band­ breite ist ungefähr ±0,05 dB.
Fig. 12 zeigt ein praktisch hergestelltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Breitband-Branchline-Kopplers für einen Fre­ quenzbereich von 8 GHz-12 GHz in Mikrostreifenleitungstechnik. Für die Dimensionierung wurde Fig. 2 zugrundegelegt. Es wurde ein Teflon-Substrat der Dicke 0,254 mm und der relativen Dielektrizi­ tätszahl 2,2 verwendet.

Claims (4)

1. Breitband-Branchline-Koppler, insbesondere zum Betrieb im Mikro­ wellen- und Millimeterwellenbereich, welcher als sogenanntes allseitig angepaßtes, doppelt symmetrisches Viertor ein Signal welches durch ein erstes Tor eingespeist wird in einem über die gesamte Bandbreite konstanten, beliebigen Verhältnis auf ein zweites und drittes Tor mit einem Phasenunterschied von 90° aufteilt, so daß aus dem verbleibenden vierten Tor keine Lei­ stung austritt, es also entkoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Viertor aus zwei identischen Ringen besteht, welche aus je vier λ o /4-langen Leitungsstücken (9, 7, 10, 13), (11, 8, 12, 14) gebildet werden, wobei hier und im folgenden durch λ o die Wel­ lenlänge bei der Bandmittenfrequenz f o bezeichnet wird, derart, daß zwei gegenüberliegende Leitungsstücke (9, 10), (11, 12) die Wellenwiderstände Z 2, die jeweils anderen beiden Leitungsstücke die Wellenwiderstände Z 1 und Z 3 aufweisen, die so über zwei λ o /2-lange Leitungsstücke (5, 6) mit dem Wellenwiderstand Z 4 kaskadiert sind, daß eine innere Masche aus vier Leitungszweigen mit den abwechselnden Wellenwiderständen Z 1 und Z 4 entsteht, und je Ring die beiden Verbindungsknoten (36) der Leitungs­ zweige mit den Wellenwiderständen Z 2 und Z 3 unter Erhalt der doppelten Symmetrie über jeweils eine aus einer halben Wellen­ länge langen Leitungsstücken bestehende Kaskade (15, 19, 23), (16, 20, 24), (17, 21, 25), (18, 22, 26), welche im einfachsten Fall aus je nur einem Leitungsstück (15, 16, 17, 18) besteht mit den Toren (1, 2, 3, 4) verbunden sind und gegebenenfalls zu jeweils einem oder mehreren der Verbindungsknoten (35) zwischen den λ o /2-langen Leitungsstücken oder zwischen den jeweils letzten λ o /2-langen Leitungsstücken mit den Toren jeweils eine aus einer geraden Anzahl bestehende Kaskade aus eine viertel Wellenlänge langen Leitungsstücken (27, 28, 29, 30), wobei das letzte λ o /4-lange Leitungsstück davon am freien Ende einen Leerlauf bildet oder eine aus einer ungeraden Anzahl bestehenden Kaskade aus eine viertel Wellenlänge langen Leitungsstücken (31, 32, 33, 34), wobei das letzte λ o /4-lange Leitungsstück davon am freien Ende kurzgeschlossen ist, parallel geschaltet sind.
2. Breitband-Branchline-Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß unter Erhalt der doppelten Symmetrie Leitungs­ stücke mit dem Wellenwiderstand Z und der elektrischen Länge l durch n parallelgeschaltete Leitungsstücke mit den Wellenwider­ ständen Z 1 . . . Z n und der Länge l derart ersetzt werden, daß für die Wellenwiderstände die Beziehung 1/Z = 1/Z 1 + . . . +1/Z n gilt.
3. Breitband-Branchline-Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß unter Erhalt der doppelten Symmetrie Leitungs­ stücke durch Ersatzschaltungen aus konzentrierten Elementen er­ setzt werden.
4. Breitband-Branchline-Koppler nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß gegebenenfalls die die Ringe bildenden λ o /4-langen Leitungsstücke (9, 7, 10, 13), (11, 8, 12, 14) durch ein einfaches oder mehrfaches π-Ersatzschaltbild ersetzt werden, die die Ringe verbindenden λ o /2-langen Leitungsstücke (5, 6) und die die Zu­ leitungs-Kaskaden bildenden λ o /2-langen Leitungsstücke (15, 19, 23), (16, 20, 24), (17, 21, 25), (18, 22, 26) durch Reihenschwing­ kreise und die dazu parallel geschalteten aus λ o /4-langen Lei­ tungsstücken bestehenden Kaskaden (27, 28, 29, 30), (31, 32, 33, 34) durch Parallelschwingkreise ersetzt werden.
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