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Sachgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektronik
und insbesondere auf einen Richtkoppler unter Verwendung von Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitungen,
die im transversal-elektromagnetischen Modus (TEM) arbeiten.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
Richtkoppler ist in seiner Grundform ein lineares, passives Viertor
mit zwei parallelen gekoppelten Übertragungsleitungen.
Eine erste Übertragungsleitung
verläuft
zwischen einem Eingangstor und einem Durchgangstor, und eine zweite Übertragungsleitung
verläuft
zwischen einem gekoppelten Tor und einem isolierten Tor. Ein an
das Eingangstor angelegtes Signal breitet sich auf der ersten Übertragungsleitung
aus und induziert ein gekoppeltes Signal in die zweite Übertragungsleitung.
In sogenannten Rückwärtskopplern
breitet sich das gekoppelte Signal bezüglich der Übertragungsleitung, an die
das Eingangssignal angelegt wird, in Rückwärtsrichtung aus.
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Ein
elementarer TEM-Richtkoppler wird im Lehrbuch "Microwave Filters, Impedance-Matching Networks,
and Coupling Structures" von
Matthaei et al., McGraw-Hill, Kapitel 13, beschrieben. Ein Richtkoppler
mit breitseitengekoppelten Streifenleitungen wird im Artikel "Characteristic Impedance
of Broadside-Coupled Strip Transmission Lines" von S. Cohn, IRE MTT, November 1960,
beschrieben. Ein Richtkoppler mit versetzten breitseitengekoppelten
Leitungen wird im Artikel "Impedances
of Offset Parallel-Coupled Strip Transmission Lines" von J.P. Shelton,
Jr., IEEE MTT, Band MTT-14, Nr. 1, Januar 1966, beschrieben. Ein
anderer Richtkoppler ist beispielsweise aus
US 5,570,069 bekannt.
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Das
vorgeschriebene räumliche
Verhältnis der
gekoppelten Leitungen in einem Richtkoppler mit breitseitengekoppelten
Streifenleitungen muß präzise sein,
damit das gewünschte
elektrische Verhalten erzielt wird. In solchen stark gekoppelten
Leitungen ist der Spalt zwischen den Leitungen, verglichen mit der
Breite der gekoppelten Leitungen, häufig sehr klein, so daß Schwankungen
auf ein tolerierbares Minimum begrenzt werden müssen. Zugleich beeinflussen
alle metallischen oder nichtmetallischen Einstellmittel für die gekoppelten
Leitungen die elektromagnetischen Felder um die Leitungen herum
und werden dadurch selbst zu einer Quelle für Leistungsverschlechterungen.
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In
US 3,105,207 wird ein einstellbarer
Koppler zwischen sich teilweise kreuzenden Koaxialleitungen beschrieben,
dessen Kopplung durch Bewegen des zentralen Leiters verändert werden
kann. In einer gezeigten Ausführungsform
werden die Innenleiter drehbar von keilförmigen dielektrischen Hülsen gehalten,
die sich in Bohrungen des Gehäuses
befinden.
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Ein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen Richtkoppler
mit verbesserten Eigenschaften und höherer Produktionsausbeute vorzuschlagen.
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Zusammenfassende
Beschreibung der Erfindung
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Diese
und andere im folgenden dargelegte Ziele werden mit einem Richtkoppler
erreicht, bei welchem nichtmetallische Abstandshalter verwendet werden,
die durch Schlitze hindurch mit den Kanten eines Paares von breitseitengekoppelten
Leitungen verbunden sind. Die Abstandshalter sind in ihrer Position
relativ zum Richtkopplergehäuse
einstellbar und ermöglichen
dadurch eine kontinuierliche Feineinstellung des Spaltes zwischen
den Leitungen und somit der Kopplung zwischen ihnen. Das geforderte räumliche
Verhältnis
zwischen den gekoppelten Leitungen kann somit ohne extrem enge Fertigungstoleranzen
erreicht werden.
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Vorteile:
Da sich Fertigungstoleranzen ausgleichen lassen, ist mit der durch
die Erfindung möglichen
Einstellbarkeit eine Fertigungsausbeute von nahezu 100% erzielbar.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Nachstehend
werden bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, von denen
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1 eine
schematische Schnittzeichnung herkömmlicher breitseitengekoppelter
Streifenleitungen,
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2 eine
schematische Schnittzeichnung breitseitengekoppelter Streifenleitungen
mit einstellbaren Abstandshaltern gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung und
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3 eine
dreidimensionale Ansicht von breitseitengekoppelten Streifenleitungen
mit einstellbaren Abstandshaltern gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
einen herkömmlichen
Richtkoppler mit breitseitengekoppelten Streifenleitungen S1 und
S2, die in einem gemeinsamen Gehäuse
H untergebracht sind. Die Streifenleitungen verlaufen parallel,
wobei benachbarte Übertragungsleitungen im
transversal-elektromagnetischen Modus (TEM) vier elektrische Tore
an ihren jeweiligen Enden definieren, wo sie vom parallelen Verlauf
der Streifenleitungen abweichen und wo jede Streifenleitung außerdem mechanisch
unterstützt
wird – indem
sie üblicherweise
an einem (in 1 nicht dargestellten) Koaxial-Steckverbinder angelötet ist.
Das Eingangstor P1 empfängt
von einer (hier nicht dargestellten) externen Quelle ein Eingangssignal,
das sich entlang der Übertragungsleitung
S1 zum Durchgangstor P2 ausbreitet. Das gekoppelte Tor P3 emittiert
ein gekoppeltes Signal, das in umgekehrter Richtung entlang der Übertragungsleitung
S2 induziert wird. Das vom Durchgangstor P2 emittierte Signal hat
(unter der Annahme einer idealen, verlustfreien Struktur des Kopplers)
einen Leistungswert, der gleich dem Leistungswert des am Eingangstor
P1 empfangenen Signals minus dem Leistungswert des am gekoppelten
Tor P3 emittierten Signals ist. Das isolierte Tor P4 am entgegengesetzten
Ende der Übertragungsleitung
S2 vom gekoppelten Tor P3 emittiert kein Signal. Reflektierte Energie
aufgrund einer Fehlanpassung der Impedanz an beiden Ausgangstoren
erscheint am isolierten Tor P4. Das isolierte Tor P4 ist normalerweise
mit dem Wellenwiderstand des Kopplers von typisch 50 Ohm abgeschlossen.
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Eine
solche Koppleranordnung eignet sich zur Richtkopplung, zum Zusammenführen von
Signalen oder zur Leistungsteilung.
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In
solchen breitseitengekoppelten Streifenleitungen, die beispielsweise
für eine
starke Kopplung zwischen Leitungen verwendet werden, ist der Spalt
zwischen den Leitungen typischerweise klein im Vergleich zur Leitungsbreite.
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Bei
passiven Mikrowellenstrukturen, in denen gekoppelte Leitungen in
einem Luftvolumen verwendet werden ist es erforderlich, daß die Leitungen ein
vorgeschriebenes räumliches
Verhältnis
aufweisen; so muß beispielsweise
ein Richtkoppler mit versetzten breitseitengekoppelten Streifenleitungen
präzise
hergestellt sein, damit das gewünschte
elektrische Verhalten erzielt wird. In stark gekoppelten Streifenleitungen
ist der Spalt zwischen den Streifenleitungen gewöhnlich sehr klein im Vergleich
zur Breite der Streifenleitungen, und Schwankungen sind nicht tolerierbar.
Gleichzeitig verursachen alle metallischen oder nichtmetallischen
Einstellmittel nachteilige Wechselwirkungen mit den elektromagnetischen Feldern,
die um die Streifenleitungen herum verlaufen, so daß sie selbst
zu einer Quelle von Leistungsbeeinträchtigungen werden.
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Nichtmetallische
Abstandshalter sorgen bekanntlich für präzise Spalte zwischen gekoppelten Leitungen,
stellen allerdings auch immer eine lokale elektrische Diskontinuität und somit
einen Fehler in den Gleichtaktimpedanzen (Z0even)
und Gegentaktimpedanzen (Z0odd) der Leitungen
dar. Andererseits bestimmen diese Impedanzen den Kopplungsfaktor
k zwischen den Leitungen, da folgender Zusammenhang gilt:
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Die
vorgeschlagene Lösung
basiert auf einer nichtinvasiven externen Feinabstimmungs-Abgleichanordnung
für die
Streifenleitungen.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Richtkopplers.
Sie besitzt erste und zweite Übertragungsleitungen
S1, S2, die im wesentlichen parallel innerhalb eines Gehäuses 1, 2 des
Kopplers angeordnet sind. Jede der beiden Übertragungsleitungen S1, S2
ist fest mit einem zugehörigen
Abstandshalter 3 verbunden, der durch eine zugehörige Bohrung
im Gehäuse
gehalten wird. Einstellschrauben 5 gestatten eine Einstellung
der vertikalen Position jeder Leitung innerhalb des Gehäuses und
damit die Einstellung des Spaltes s zwischen den beiden Leitungen.
Die Abstandshalter sind durch Schlitze an den Kanten der Streifenleitungen
befestigt. Es sind jedoch auch andere Befestigungsmittel möglich.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform der
inneren Details eines erfindungsgemäßen Richtkopplers mit versetzten
breitseitengekoppelten Streifenleitungen S1, S2, die in einem gemeinsamen
Gehäuse 2 untergebracht
sind. Wie in der vorgenannten Ausführungsform ist jede der beiden Übertragungsleitungen
S1, S2 fest mit einem zugehörigen
Abstandshalter 3 verbunden, der in einer zugehörigen Bohrung
im Gehäuse 1 gehalten
wird. Einstellschrauben 5 gestatten eine Einstellung der
vertikalen Position jeder Leitung innerhalb des Gehäuses 1 und
damit die Einstellung des Spaltes s zwischen den beiden Leitungen.
Nicht in den Abbildungen dargestellt sind die Torbereiche, in welchen
eine Abweichung von der Kopplung zur Übertragung stattfindet, da
diese Bereiche nicht Gegenstand der Erfindung sind. Die Übertragungsbereiche
können überdies
weitere mechanische Unterstützungselemente
für die
Streifenleitungen beinhalten.
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Um
eine einfache Fertigung zu ermöglichen, ist
gewöhnlich
ein paralleler Verlauf erforderlich, weshalb insbesondere in Breitbandkopplern
mit veränderlicher
Kopplung entlang den Leitungen die Kopplung durch das Überlappungsmaß zwischen
den Leitungen eingestellt wird (siehe 3), während der Spalt
s zwischen den Leitungen konstant ist. Das kritischste Maß in der
beschriebenen Anordnung mit gekoppelten Leitungen ist der Spalt
s zwischen den beiden Streifenleitungen. Schon eine kleine Änderung
des Spaltmaßes
macht sich direkt in Form einer starken Änderung der Gegentaktimpedanz
der Leitungen und damit einer Änderung
des Kopplungsfaktors k bemerkbar. Eine Änderung der Position der Leitungen
relativ zu den oberen und unteren Masseflächen, die hier als Bestandteil
des Gehäuses 1 dargestellt
sind, wirkt sich hauptsächlich
auf die Gleichtaktimpedanz und damit auch auf die Kopplung aus, wobei
jedoch der Effekt auf das Tor-Stehwellenverhältnis (VSWR) der Streifenleitung
stärker
ist. Gleichzeitig führen
Fertigungstoleranzen immer zu einem bestimmten Maß an Verzerrungen
der räumlichen Nennverhältnisse.
Daher berücksichtigt
die Erfindung die Notwendigkeit eines Einstellmittels für die vertikale
Positionierung der Streifenleitung. Dies ist besonders in Kopplern
wichtig, in denen ein bestimmter Kopplungswert über einen vorgegebenen Frequenzbereich
hinweg genau eingehalten werden soll.
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Eine
solche vertikale Streifenleitungseinstellung wird durch die Erfindung
zur Verfügung
gestellt. Nichtmetallische Abstandshalter 3, die über einen horizontalen
Schlitz fest an den Streifenleitungen S1, S2 befestigt sind, werden
in oberen und unteren Bohrungen im Kopplergehäuse 1 gehalten. Die
Bohrungen verfügen über ein
Teil- oder Vollgewinde, und die vertikale Einstellung der Streifenleitungen
wird durch Einstellen der Vertikalposition der Abstandshalter mit extern
zugänglichen
Einstellschrauben 5 ohne Eingriff in die Struktur bewerkstelligt.
Durch Einstellen beider Abstandshalter können sowohl das Maß des kritischen
Spaltes s zwischen den Streifenleitungen als auch die vertikale
Position beider Streifenleitungen exakt eingestellt werden, während das
elektrische Verhalten der Komponente gemessen wird, so daß das Verhalten
der Komponente schnell und einfach optimiert werden kann. Die gewählte Anordnung der
Abstandshalter minimiert die lokale elektrische Diskontinuität und verursacht
somit nur eine minimale Störung
der Kopplung und der Impedanz. Im Gegensatz zu großen Diskontinuitäten, die
bei Anwendung von Verfahren mit Standard-Abstandshaltern auftreten
würden,
kann die geringe Diskontinuität,
die durch diese Anordnung verursacht wird, mit bekannten Techniken
zur Minimierung des Einflusses auf die Kopplung kompensiert werden,
und zwar durch kleine Ausschnitte in der Streifenleitung neben dem
Abstandshalter.
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Die
Abstandshalter 5 lassen sich beispielsweise aus einem keramischen
Werkstoff oder Kunststoff wie etwa Polyamid herstellen. Die Erfindung
ist auf alle Komponenten anwendbar, bei denen gekoppelte Übertragungsleitungen
in einem Luftvolumen verwendet werden. Die Erfindung kann sowohl
auf versetzte breitseitengekoppelten Leitungen als auch auf nicht
versetzte Streifenleitungen angewandt werden.
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An
den vorgenannten Ausführungsformen sind
verschiedene Modifikationen und Veränderungen möglich. So ist bei den vorgenannten
Ausführungsformen
beispielsweise die Einstellbarkeit der Abstandshalter derzeit nur
auf der vertikalen Achse gegeben. Alternativ dazu wäre es aber
auch möglich, die
Abstandshalter in einem Winkel verstellbar zu machen.
