DE3937973C2

DE3937973C2 -

Info

Publication number: DE3937973C2
Application number: DE3937973A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. 2100 Hamburg De Mayer
Original assignee: Bernd Dipl.-Ing. 2100 Hamburg De Mayer
Current assignee: MAYER, BERND, 81241 MUENCHEN, DE
Priority date: 1989-11-15
Filing date: 1989-11-15
Publication date: 1991-02-07
Also published as: DE3937973A1; US5132645A

Description

Die Erfindung geht aus von einem Breitband-Branchline-Koppler entspre chend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eignet sich besonders zum Betrieb im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich. Ein solcher Koppler ist aus der Zeitschrift Elektronics Letters, Vol. 23, Nr. 1 (1987) S. 47-49 bekannt.

Mit den älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen P 39 24 426.1 und P 39 33 439.2 sind weitere breitbandige Koppler aus Leitungs stücken vogeschlagen worden. 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, einen Koppler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine gute Anpassung des Eingangstores und eine weitgehende Entkopplung des isolierten Tores erzielt wird und 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 gemäß dem Patentanspruch 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 des Kopplers für eine Leistungsteilung 1 : 1,

Fig. 3-Fig. 5 Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Kopplers gemäß Fig. 2,

Fig. 6 Weiteres Ausführungsbeispiel des Kopplers für eine Leistungsteilung 1 : 1,

Fig. 7 Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Kopplers gemäß Fig. 6,

Fig. 8 Ausführungsbeispiel des Kopplers für eine Leistungsteilung 1 : 3,

Fig. 9 Ergebnisse einer Netzwerkanalyse des Kopplers gemäß Fig. 8,

Fig. 10 Ausführungsbeispiel einer vorteilhaften Weiterbildung des Kopplers

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 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 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 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 -0,2 dB eingehalten.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel des 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 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 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

1. Breitband-Branchline-Koppler, der als 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, während 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 Z₁ . . . Z_n und der Länge l derart ersetzt werden, daß für die Wellenwiderstände die Beziehung 1/Z = 1/Z₁ + . . . +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 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.