DE69200038T2

DE69200038T2 - Mikrowellen-Hybridrichtkoppler mit konzentrierten Impedanzelementen und um 90 Graden phasenverschobenen Ausgängen.

Info

Publication number: DE69200038T2
Application number: DE69200038T
Authority: DE
Inventors: Franco Marconi
Original assignee: Societa Italiana Telecomunicazioni Siemens SpA
Current assignee: Italtel SpA
Priority date: 1991-07-11
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2012-07-09
Also published as: IT1251221B; NO922752D0; ES2068650T3; ITMI911924A1; NO922752L; FI923190A; ZA925165B; EP0522524A1; AU1960692A; DE69200038D1; FI923190A0; EP0522524B1; NO180508B; AU644298B2; ITMI911924A0; NO180508C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellen- Hybridrichtkoppler mit konzentrierten Impedanzelementen und um 90º phasenverschobenen Ausgängen.
Die Forderung, immer mehr Elemente auf immer kleinerem Raum unterzubringen, verlangt die Untersuchung und Entwicklung neuartiger passiver elektrischer Netzwerke als Alternative zu den zur Zeit üblichen Netzwerken.
Die verwendete Technologie für Richtkoppler mit um 90º phasenverschobenen Ausgängen hängt von dem Frequenzbereich ab, in dem sie arbeiten.
Mikrostrip-Koppler, die im Frequenzbereich oberhalb von 3 GHz arbeiten, werden nach dein z.Zt. bekannten Stand der Technik durch ein Netzwerk verteilter Impedanzelemente gebildet, welche die Formung von Verteilungs-, Tandem-, Lange- oder slot-line-Kopplern erlauben.
Koppler für den VHF-Bereich zwischen 30 und 300 MHz werden nach dem neuesten Stand der Technik durch diskrete Bauelemente wie gekoppelte Kondensatoren und auf Ringflächen oder Ferritkerne gewickelte Induktivitäten gebildet (siehe z.B. DE-B-1166855).
Bei Verwendung von Kopplern im Arbeitsbereich 0.8 GHz bis 3 GHz steht die Verwendung von Netzwerken mit verteilten Impedanzelementen jedoch im Widerspruch zu modernen Konzepten hoher Integration.
Auf der anderen Seite ist die Verwendung gegenseitig gekoppelter Kondensatoren und Induktivitäten undenkbar, da Kapazitäten und Induktivitäten Werte annehmen wurden, die in normalen Kompoenten nicht zu finden sind. Außerdem weisen die im Handel erhältlichen Ferritspulen nicht akzeptable Verlustfaktoren auf.
Das Dokument DE-A-1962648 stellt einen "branch-line" Hybridschaltkreis vor, der verschachtelte Kondensatoren zur geraden/ungeraden Kompensation benutzt.
Die Erfindung hat das Ziel, einen Richtkoppler mit kozentrierten Impedanzelementen und um 90º verschobenen Ausgängen anzugeben, der im Mikrowellenbereich zwischen 0.8 GHz und 3 GHz arbeitet.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist, einen Koppler des obengenannten Typs anzugeben, der in Übereinstimmung mit modernen Konzepten hoher Integration hergestellt werden kann, ohne Beschichtungen, "bonding" -Verschweißungen oder Umgehungen und/oder "Luftbrücken" aufzuweisen.
Nach der vorliegenden Erfindung werden diese Ziele mit einem Mikrowellen-Hybridrichtkoppler mit konzentrierten Impedanzelementen und um 90º phasenverschobenen Ausgängen erreicht, einschließlich eines Paars von Induktivitäten, die zwischen dem ersten Paar von Gattern und einem zweiten Paar von Gattern angebracht sind und dadurch gekennzeichnet sind daß das genannte Paar von Induktivitäten in Dünnfilmtechnik hergestellt wird und jede Gruppe von Kapazitäten aus einem verschachtelten Dünnfilmkondensator besteht, dessen Endleiter mit einem Gatter des jeweiligen ersten oder zweiten Paars von Gattern verbunden ist, sowie einem Vielfach von Fingerelementen, die jeweils mit den Endleisten des genannten verschachtelten Kondensators verbunden und wechselseitig verschoben sind.
Die technischen Kenndaten der vorliegenden Erfindung werden weiterhin am Beispiel einer praktischen Ausführung erklärt, die anhand der nicht limtierenden Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen illustriert werden, wobei:
BILD 1 den elektrischen Schaltkreis des Richtkopplers,
BILD 2 eine Draufsicht des Richtkopplers wie in BILD 1 nach der vorliegenden Erfindung, und
BILD 3 einen Querschnitt in der Ebene III-III von BILD 2 zeigen.
In BILD 1 wird der entsprechende equivalente Schaltkreis eines Richtkopplers für den 2 GHz-Bereich gezeigt, der durch Transposition von einem mit diskreten Elementen aufgebauten Richtkopplers im Mikrowellenbereich abgeleitet ist, wie zum Beispiel demjenigen der vorliegenden Erfindung.
Der Koppler ist als Netzwerk dargestellt, in welchem die elektrischen und magnetischen Koppelungen angegeben sind.
Im allgemeinen ist ein Richtkoppler eine Einrichtung mit vier Gattern, d.h. einem Eingangsgatter, das ein beliebiges Gatter der vier sein kann, zwei Ausgangsgattern und einem vom Eingang entkoppelten Gatter. Wenn das Eingangsgatter einmal gewählt ist, sind die anderen automatisch definiert.
In dem hier beschriebenen nicht limitierenden Beispiel enthält der Richtkoppler das Eingangsgatter 1, das vom Eingang entkoppelte Gatter 4 und ein Paar Ausgangsgatter 2,3 in gegenseitiger Quadratur, d.h. in einem gegenseitigen Phasenverhältnis von 90º. Zwischen den Gattern 1,2 und den Gattern 3,4 ist ein Paar von Induktivitäten L1,L2 mit der gegenseitigen Induktivität M angebracht. Das Phasenverhältnis von 900 zwischen den Ausgangsgattern 2,3 ist für alle Koppelwerte gültig.
Die Gatter 1,2 sind mit den entsprechenden Anschlüssen der Kapazität C1 verbunden, die wiederum über die jeweils gleichwertigen Kapazitäten Cp1 und Cp2 mit Masse verbunden sind.
Die Gatter 3,4 sind mit den entsprechenden Anschlüssen der Kapazität G2 verbunden (vom gleichen Wert der Kapazität C1), die wiederum über die gleichwertigen Kapazitäten Cp3 und Cp4 mit Masse verbunden sind. Theortisch ist es möglich, mit den unten angegebenen Formeln für jeden Frequenzbereich und für jedes Netzwerkelement in Bild 1 einen Wert anzugeben. In der Folge könnte jedoch in der Produktionsphase die Durchfürbarkeit problematisch werden.
Die Formeln zur Netzwerkberechnung werden hier mit der Bemerkung zusammengestellt, daß es sich um wohlbekannte Formeln handelt, für die eine weitläufige Bibliografie besteht.
Wir haben:
Cp1=Cp2=Cp3=Cp4=1/ (Z1*wo)
C1=C2=(Cp1/2)*((Z1/Z2)-1)
L =(Cp1/2)*(Z1²+Z2²)+C1*Z2²
M =(Cp1/2)*(Z1²-Z2²)-C1*Z2²
wobei
Z1 =
= geradzahliger Modus der charakteristischen Impedanz eines π-Netzwerkelementes.
Z2 =
= ungeradzahliger Modus der charakteristischen Impedanz eines π-Netzwerkelementes.
K = Spannungs-Koppelfaktor
Ro = Aktuelle charakteristische Impedanz des Schaltkreises in Übereinstimmung mit der Darstellung in BILD 1.
wo - Winkelfrequenz
Interessanterweise erhält man in dem speziellen Fall K=1/ 2 einen Leistungsteiler.
In BILD 1 stellt, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, die Anordnung der Kapazität C1 und der zugehörigen Kapazitäten Cp1, Cp2 gegen Masse, sowie die Anordnung der Kapazität C2 und der zugehörigen Kapazitäten Cp3, Cp4 gegen Masse, jeweils das Ersatzschaltbild der verschachtelten Kondensatoren dar, jeder geformt von einem Paar Endleiter und einem Vielfach von Fingerelementen, die mit den entsprechenden Endleitern verbunden sind und miteinander abwechseln. Die Kapazität C1 (oder C2) stellt die Serienersatzkapazität und die Kapazitäten Cp1, Cp2 (oder Cp3, Cp4) die Parallelersatzkapazität des verschachtelten Kondensators dar.
Ausgehend von einer Kapazität wie z.B. C1, mit den zugehörigen Kapazitäten gegen Masse, in diesem Fall Cp1, Cp2, oder ausgehend von der Kapazität C2 mit den zugehörigen Kapazitäten gegen Masse Cp3, Cp4, wird es möglich, mit den bekannten Formeln die Geometrie aller beteiligten Elemente eines den genannten Kapazitäten C1, Cp1, Cp2; C2, Cp3, Cp4 entsprechenden verschachtelten Kondensators genügend genau zu berechnen.
Die Erfindung zielt darauf ab, die Geometrie eines verschachtelten Kondensators, der gleichzeitig einen korrekten Schaltungsaufbau für die Kondensatoren und geeignete Werte für deren Kapazität aufweist, synthetisch zu berechnen.
Mit Bezug auf die Bilder 2 und 3 und in einer praktischen Ausführung des Kopplers in der Form eines Dünnfilm-Hybridschalkreises wird auf einem keramischen Substrat 5 ein Paar getrennter Dünnfilm-Mikrostrips aufgebracht, welche die Induktivitäten L1 und L2 darstellen. Wie bereits in der obigen Beschreibung ausgeführt, werden diese zwischen den Gattern 1,2 und 3,4 angebracht, die ebenfalls als Dünnfilmschicht deponiert werden.
Mit dem Gatterpaar 1,2 und dem Gatterpaar 3,4 sind die ebenfalls aus einer Dünnfilschicht bestehenden verschachtelten Kondensatoren Clid, C2id verbunden, die jeweils dem Vielfach von Kondensatoren in BILD 1 entsprechen.
Der verschachtelte Kondensator Clid enthält die Endleiter A8, A9, die mit den Gattern 1,2 verbunden sind und mit denen wiederum die jeweiligen Vielfache 8, 9 der miteinander abwechselnden Fingerelmente verbunden sind.
Der verschachtelte Kondensator C2id enthält die Endleiter A10, A11, die mit den Gattern 3,4 verbunden sind und mit denen wiederum die jeweiligen Vielfache 10, 11 der miteinander abwechselnden Fingerelmente verbunden sind.
Die Induktivität L1 (oder L2 = L1) und die gegenseitige Induktivität M wird mit Hilfe der folgenden Formeln berechnet:
L1 = 0.002 1 {ln[21/(a+b)] + 0.50049 + [(a+b)/31]}
wobei a und b die Dimensionen des Leiterquerschnitts in Zentimetern darstellen.
M = 21Q
Q = ln {(1/GMD) + [1+(1²/GMD²)]½ - [1+(GMD²/1²)]½ - (GMD/1)}
wobei Q ein gemeinsamer Parameter für die Induktivität ist.
GMD ist das geometrische Mittel der Entfernung zwischen den die Induktivität darstellenden Leitern ist.
Wie in BILD 3 gezeigt, besteht unter dem keramischen Substrat 5 eine geerdete metallische Fläche 7 mit einem Fenster 6 in der zwischen den Gatterpaaren 1,2 und 3,4 festgelegten Zone, welche die Induktivitäten L1, L2 einschließt.
Dieses Fenster 6 wurde deshalb angebracht, um die gemeinsame Induktivität M und folglich die Kopplung für gleiche Länge der Induktivitäten L1, L2 zu verbessern.
Die Dimensionen der Erdplatte 7 müssen so klein wie möglich gehalten werden, so weit dies mit der Forderung vereinbar ist, daß die Kopplung zwischen den Induktivitäten L1, L2 nicht verändert werden darf.

Claims

1. Mikrowellen-Hybridrichtkoppler mit konzentrierten Impedanzelementen und um 90º phasenvberschobenen Ausgängen, der folgendes beinhaltet: ein Paar von Induktivitäten (L1,L2), die zwischen einem ersten Paar von Gattern (1,2) und einem zweiten Paar von Gattern (3,4) angebracht sind, eine erste und zweite Gruppe von Kapazitäten (C1,Cp1,Cp2;C2,Cp3,Cp4), die jeweils mit dem ersten und zweiten Paar von Gattern (1,2;3,4) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Paar von Induktivitäten (L1,L2) in Dünnfilmtechnik hergestellt ist und jede Gruppe von Kapazitäten (C1,Cp1,Cp2;C2,Cp3,Gp4) aus einer verschachtelten Dünnfilmkapazität (Clid, C2id) mit einem Endleiter (A8,A10) besteht, der jeweils mit dem Gatter (1,3) des betreffenden ersten oder zweiten Paars von Gattern (1,2;3,4) verbunden ist, einem weiteren mit dem anderen Gatter (2,4) des genannten Paars von Gattern (1,2;3,4) verbundenen Endleiter (A9,A11) und zwei Vielfachen (8,9;10,11) von Fingerelementen, die mit den jeweiligen Endleitern (A8,A9;A10,A11) der genannten verschachtelten und abwechselnd angeordneten Kapazitäten (Clid,C2id) verbunden sind.

2. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Paar von Induktivitäten (L1,L2), das genannte Paar von Gattern (1,2;3,4) und die genannten verschachtelten Kapazitäten (Clid,C2id) auf einer keramischen Trägerplatte (5) aufgebracht sind, die auf der anderen Seite mit einer metallischen Masseschicht (7) versehen ist, die auf der den genannten Induktivitäten (L1,L2) gegenüberliegenden Fläche ein Fenster (6) aufweist.

3. Richtkoppler nach Anspruch 1 oder 2, in welchem jede Gruppe von Kapazitäten (C1,Cp1,Cp2;C2,Cp3,Cp4) eine erste Kapazität (C1,C2) einschließt, die zwischen den beiden Gattern (1,2;3,4) des genannten ersten oder zweiten Paars von Gattern angeschlossen ist, sowie eine erste und zweite Kapazität (Cp1,Cp2;Cp3,Cp4), die zwischen dem entsprechenden Gatter (1,2;3,4) und der Masse angeschlossen ist und dadurch charakterisiert ist, daß die genannte erste Kapazität (C1,C2) eine equivalente Kapazität in Serie mit der genannten verschachtelten Kapazität (Clid,C2id) darstellt und die genannten zweiten und dritten Kapazitäten (Cp1,Cp2;Cp3,Cp4) equivalente Kapazitäten sind, parallel zu der genannten verschachtelten Kapazität (Clid,C2id).