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TECHNISCHES
GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Richtkoppler und insbesondere einen Streifenleitungs-Richtkoppler,
der gegenüber
Substratänderungen
tolerant ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Streifenleitungskoppler bestehen
allgemein aus einem Paar benachbarter Übertragungsleitungsleiter,
die sich in einem oder mehreren zwischen einer oder mehreren Masseflächen angeordneten
Substraten befinden. Die Übertragungsleitungsleiter
können
koplanar oder nicht-koplanar sein.
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Ein Richtkoppler koppelt eine gewisse
Menge an Energie, die einer ersten Übertragungsleitung zugeführt wird,
zu einer zweiten Übertragungsleitung.
Das Verhältnis
der der ersten Übertragungsleitung
zugeführten
Energie zu der zu der zweiten Übertragungsleitung
gekoppelten Energie wird als Koppelfaktor bezeichnet. Zum Beispiel
koppelt ein Richtkoppler mit einem Koppelfaktor von 10 dB ein Zehntel der
Eingangsenergie zu dem gekoppelten Tor der zweiten Übertragungsleitung
(und überträgt daher die
anderen neun Zehntel der Eingangsenergie an den Ausgang der ersten Übertragungsleitung).
Richtkoppler sind als eine Energieteilungsschaltung und als ein
Meßwerkzeug
zum Abtasten von RF- oder
Mikrowellenenergie nützlich.
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Das Richtverhältnis eines Richtkopplers bezieht
sich auf das Verhältnis
der Energie, die an den Vorwärtswellen-Abtastanschlüssen gemessen
wird, wobei nur eine Vorwärtswelle
in der Übertragungsleitung
vorhanden ist, zu der Energie, die an denselben Anschlüssen gemessen
wird, wenn die Richtung der Vorwärtswelle
in der Leitung umgekehrt wird. Das Richtverhältnis wird gewöhnlich in
Dezibel (dB) ausgedrückt.
Eine hohes Richtverhältnis
wird in Richtkopplern gewöhnlich
erreicht, indem die Übertragungsleitung
so hergestellt wird, daß sie
eine vorbestimmte charakteristische Impedanz aufweist (bestimmt
durch die Abmessungen des Streifenleiters, die dielektrische Konstante
des Substrats und die Dicke des Substrats), die zu der Quellenimpedanz und/oder
der Lastimpedanz paßt.
In dieser Weise verschlechtern jegliche Änderungen in dem Wert der charakteristischen
Impedanz der Übertragungsleitung
in Bezug auf eine Quellen- und/oder Lastimpedanz das Richtverhältnis.
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Um ein hohes Richtverhältnis zu
erzielen (d. h. die Übertragungsleitung
mit einer präzisen
charakteristischen Impedanz – gewöhnlich fünfzig Ohm – herzustellen)
werden Richtkoppler typischerweise unter Verwendung eines teuren
Substratmaterials (dielektrisches Medium) hergestellt. Solche Mikrowellenlaminate,
wie sie im allgemeinen bezeichnet werden, erfordern spezielle Herstellungsverfahren, um
das Laminat auf eine konventionelle gedruckte Schaltung einzulegen.
Darüber
hinaus werden die dielektrische Konstante (Er) und die Dicke des
Substrats streng kontrolliert, was eine Übertragungsleitung mit einer
relativ präzisen
charakteristischen Impedanz hervorbringt und auf diese Weise das
Richtverhältnis
des Richtkopplers verbessert. Eine strenge Kontrolle der Substratparameter
(dielektrische Konstante, Dicke, usw.) erhöht die Kosten der Richtkoppler.
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Demgemäß besteht ein Bedarf für einen Richtkoppler,
der ein hohes Richtverhältnis
aufweist und für
eine Herstellung aufkonventionellen gedruckten Schaltungen unter
Verwendung von Substraten geeignet ist, die gewöhnlich mit konventionellen
gedruckten Schaltungen verwendet werden. Ferner besteht ein Bedarf
für einen
Richtkoppler, der die Verwendung eines weniger teuren Substratmaterials
gestattet, das mit größeren Toleranzen
hergestellt werden kann und auf diese Weise ermöglicht, daß der Richtkoppler auf grundlegenden
gedruckten Schaltungen hergestellt wird.
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WO 91/04588 A offenbart einen Radiofrequenz-
(RF-) Koppler mit einer Vielzahl sekundärer Koppelelemente, die in
Bezug aufeinander nicht-überlappend
sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Streifenleitungs-Richtkoppler
bereitgestellt, wie er in Anspruch 1 beansprucht ist.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für
ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird auf die folgende
detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, in denen:
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1A einen
einseitigen Richtkoppler des Standes der Technik zeigt,
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1B die
elektrische Ersatzdarstellung zeigt,
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1C einen
Richtkoppler zeigt, der ein Substrat umfaßt,
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2A eine
konventionelle Ausgestaltung eines einseitigen Richtkopplers zum
Abtasten oder Messen der gekoppelten Energie in Vorwärtsrichtung zeigt,
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2B eine
konventionelle Ausgestaltung eines einseitigen Richtkopplers zum
Abtasten oder Messen der reflektierten gekoppelten Energie zeigt,
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3A einen
einseitigen Richtkoppler gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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3B eine
erste alternative Ausführungsform
des einseitigen Richtkopplers gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt,
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3C eine
zweite alternative Ausführungsform
des einseitigen Richtkopplers gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt,
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4 einen
Doppel-Richtkoppler des Standes der Technik zeigt,
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5A einen
Doppel-Richtkoppler gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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5B eine
erste alternative Ausführungsform
des Doppel-Richtkopplers
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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5C eine
zweite alternative Ausführungsform
des Doppel-Richtkopplers
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt,
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6 einen
Zweirichtungs-Richtkoppler des Standes der Technik zeigt,
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7 eine
teilweise schematische Darstellung eines Zweirichtungs-Richtkopplers
ist, der in einem RF-System verwendet wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen durchweg gleiche
oder ähnliche
Teile.
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Auf die 1A Bezug nehmend wird ein einseitiger
Richtkoppler 10 des Standes der Technik gezeigt, und 1B zeigt die elektrische
Ersatzdarstellung. Der Koppler 10 weist zwei benachbarte Übertragungsleitungen 12 und 14 für die transversalelektromagnetischen
Mode (TEM) auf, die jeweils zwei Tore haben. Die Ausbreitung eines
Eingangssignals entlang einer der Übertragungsleitungen induziert
die Ausbreitung eines gekoppelten Signals in der anderen Übertragungsleitung.
Die Übertragungsleitung
12 hat
ein Eingangstor 16 zum Empfangen eines Eingangssignals
von einer externen Quelle (nicht gezeigt) und ein Durchgangstor 18.
Die Übertragungsleitung 14 hat
ein gekoppeltes Tor 20 und ein Isolationstor 22.
Ein gekoppeltes Signal, das durch die Ausbreitung eines Signals
in der Übertragungsleitung 12 entlang
der Übertragungsleitung 14 induziert
wird, erscheint an dem gekoppelten Tor 20. Das gekoppelte Signal
wird in einem Kopplungsbereich 26 des Richtkopplers 10 induziert.
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Im allgemeinen weist das von dem
Durchgangstor 18 abgegebene Signal unter der Annahme eines
idealen verlustfreien Kopplers 10 eine Energiemenge auf,
die gleich der an dem Eingangstor 16 empfangenen Energiemenge
minus der zu dem gekoppelten Tor 20 gekoppelten Energiemenge
ist. Während
das Isolationstor 22 der Übertragungsleitung 14 kein
Signal abgibt, erscheint reflektierte Energie, die durch eine Impedanzfehlanpassung
der Übertragungsleitungen
mit einer Lastimpedanz (nicht gezeigt) an dem Durchgangstor 18 bedingt
ist, an dem Isolationstor 22. Gewöhnlich wird das Isolationstor
durch eine Abschlußimpedanz 24 abgeschlossen, die
normalerweise gleich der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung 14 ist.
Typischerweise hat diese Impedanz einen ohmschen Wert von 50 Ohm.
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Nun auf die 1C Bezug nehmend wird eine von mehreren
möglichen
Ausgestaltungen gekoppelter Übertragungsleitungen
eines Kopplers 11 gezeigt, der in der vorliegenden Erfindung
verwendet wird. Der Koppler 11 umfaßt ein Substrat 13,
das zwischen Bezugsflächen 19 angeordnet
ist, und einen ersten Streifenleiter 15 und einen zweiten
Streifenleiter 17. Eine Übertragungsleitung 21 umfaßt den ersten
Leiter 15, das Substrat 13 und die Bezugsflächen 19,
während
eine andere Übertragungsleitung 23 den
zweiten Leiter 17, das Substrat 13 und die Bezugsflächen 19 umfaßt.
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Nun auf die 2A Bezug nehmend wird eine konventionelle
Ausgestaltung eines einseitigen Richtkopplers zum Abtasten oder
Messen der gekoppelten Energie in Vorwärtsrichtung gezeigt.
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Idealerweise ist die charakteristische
Impedanz der gekoppelten Übertragungsleitungen
gleich der Last-, Quellen- und Abschlußimpedanz (50 Ohm). Unter diesen
Umständen
sind die Übertragungsleitungen
an die Lastimpedanz angepaßt,
und in dem System treten keine Reflexionen auf. Jedoch existiert
unter normalen Bedingungen eine Impedanzfehlanpassung, die hauptsächlich durch
die Ungenauigkeiten in der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungen,
der Quellenimpedanz, der Lastimpedanz und/oder der Abschlußimpedanz bedingt
ist. Wie unten diskutiert wird, ergeben sich unerwünschte Reflexionen,
wenn die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitungen nicht
an die Quellen- und
Lastimpedanzen angepaßt
ist.
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Unter der Annahme, daß die Quellen-
und Lastimpedanzen einen ohmschen Wert von fünfzig Ohm haben und der Wert
der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungen nicht
gleich fünfzig
Ohm ist, wird Energie an unterschiedlichen Punkten in dem System
reflektiert. Der Grundbetrieb des Kopplers liefert ein Vorwärts-Energiesignal
("Vorwärtsenergie"), das von dem Eingangstor
zu dem Durchgangstor wandert. Die Vorwärtsenergie induziert ein Signal
in der gekoppelten Übertragungsleitung,
das in der Richtung von dem Isolationstor zu dem gekoppelten Tor
wandert. Demgemäß wird die
Vorwärtsenergie
zu dem gekoppelten Tor gekoppelt. Der Betrag der gekoppelten Vorwärtsenergie
hängt von
dem Koppelfaktor der Richtkopplers ab.
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wenn die Vorwärtsenergie von dem Eingangstor
zu dem Durchgangstor und zu der Lastimpedanz wandert, wird eine
gewisse Menge an Energie von der Lastimpedanz zurück in Richtung
auf das Eingangstor reflektiert ("Reflexion 1A"). Der Betrag der Reflexion 1A hängt von
dem Reflexionskoeffizienten ab, der mit der Impedanzfehlanpassung
der Übertragungsleitung
mit der Lastimpedanz in Zusammenhang steht.
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Wenn die Reflexion 1A von
dem Durchgangstor zu dem Eingangstor wandert, wird eine gewisse
Menge an Energie von der Quellenimpedanz zurück in Richtung auf das Durchgangstor
reflek tiert ("Reflexion 2A"). Der Betrag
der Reflexion 2A hängt von
dem Reflexionskoeffizienten ab, der mit der Impedanzfehlanpassung
der Übertragungsleitung
mit der Quellenimpedanz in Zusammenhang steht. Die Reflexion 2A induziert
wiederum ein Signal in der gekoppelten Übertragungsleitung, das in
der Richtung von dem Isolationstor zu dem gekoppelten Tor wandert.
Demgemäß wird die
Reflexion 2A zu dem gekoppelten Tor gekoppelt, wobei der
Betrag der gekoppelten Reflexion 2A ebenfalls von dem Koppelfaktor
abhängig
ist. Demgemäß enthält zu dieser
Zeit das Signal an dem gekoppelten Tor sowohl die gekoppelte Vorwärtsenergie
als auch die gekoppelte Energie der Reflexion 2A.
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Unterdessen induziert die Reflexion 1A ein Signal
in der gekoppelten Übertragungsleitung,
das in der Richtung von dem gekoppelten Tor zu dem Isolationstor
wandert. Die Reflexion 1A wird zu dem Isolationstor gekoppelt,
und der Betrag der gekoppelten Reflexion 1A hängt von
dem Koppelfaktor ab. Wenn die gekoppelte Reflexion 1A von
dem gekoppelten Tor zu dem Isolationstor und zu der Abschlußimpedanz
wandert, wird eine gewisse Menge an Energie von der Abschlußimpedanz
zurück
in Richtung auf das gekoppelte Tor reflektiert ("Reflexion 3A"). Der Betrag der Reflexion 3A hängt von
einem Reflexionskoeffizienten ab, der mit der Impedanzfehlanpassung der
gekoppelten Übertragungsleitung
mit der Abschlußimpedanz
in Zusammenhang steht.
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Auch wenn sich theoretisch eine unendliche Anzahl
von Reflexionen ereignen, ist der Betrag dieser anderen Reflexionen
sehr klein und sie haben im allgemeinen keine Auswirkung. Demgemäß besteht das
an dem gekoppelten Tor abgetastete oder gemessene Signal, das als
die gekoppelte Vorwärtsenergie
bezeichnet wird, hauptsächlich
aus der gekoppelten Vorwärtsenergie,
der gekoppelten Reflexion 2A und der Reflexion 3A.
Es ist ersichtlich, daß unter der
Annahme, daß die
charakteristische Impedanz von jeder der Übertragungsleitungen ungefähr gleich ist
und daß die
Quellen-, Last- und Abschlußimpedanzen
einander im wesentlichen gleich sind, die Beträge der gekoppelten Reflexion 2A und
der Reflexion 3A ebenfalls ungefähr gleich sind.
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Nun auf die 2B Bezug nehmend wird eine konventionelle
Ausgestaltung eines einseitigen Richtkopplers zum Abtasten oder
Messen der reflektierten gekoppelten Energie gezeigt. Vorwärtsenergie wird
zu dem Isolationstor gekoppelt. Die gekoppelte Vorwärtsenergie
erzeugt an der Abschlußlast
eine Reflexion ("Reflexion 1B"), wenn eine
Impedanzfehlanpassung vorhanden ist. Die Reflexion 1B breitet
sich in Richtung auf das gekoppelt Tor aus und erscheint dort. Unterdessen
wird eine gewisse Menge an Vorwärtsenergie
von der Lastimpedanz zurück
in Richtung auf das Eingangstor reflektiert ("Reflexion 2B"). Die Reflexion 2B induziert
ein Signal in der gekoppelten Übertragungsleitung,
das in die Richtung von dem Isolationstor zu dem gekoppelten Tor
wandert. Die Reflexion 2B wird zu dem gekoppelten Tor gekoppelt.
Demgemäß erscheinen
die Reflexion 1B und die gekoppelte Reflexion 2B an
dem gekoppelten Tor. Es ist ersichtlich, daß unter der Annahme, daß die Last-
und Abschlußimpedanzen
ungefähr gleich
sind, die Beträge
der Reflexion 1B und der gekoppelten Reflexion 2B ungefähr gleich
sind.
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Es ist jedoch einzusehen, daß unerwünschte Reflexionen,
die an dem reflektierten gekoppelten Tor (Ausgestaltung von 2B) vorhanden sind, im Vergleich
zu dem Einfluß unerwünschter
Reflexionen auf die Messung der gekoppelten Vorwärtsenergie (Ausgestaltung von 2A) eine größere Auswirkung
auf die Messung der reflektierten gekoppelten Energie haben. Dies
ist hauptsächlich
auf den im allgemeinen kleineren Betrag jeglicher an dem reflektierten
gekoppelten Tor gemessener reflektierter gekoppelter Energie zurückzuführen. Die
Genauigkeit der Messung der "wirklichen" reflektierten Energie wird
durch die durch die Impedanzfehlanpassung der Übertragungsleitungen mit der
Lastimpedanz (an dem Durchgangstor) und der Abschlußimpedanz
(an dem Isolationstor) verursachten unerwünschten Reflexionen beträchtlich
verringert. Als solche repräsentiert
die "wirkliche" gekoppelte reflektierte
Energie die Messung der Reflexion, die durch eine Differenz in der
Impedanz zwischen der Lastimpedanz und der Abschlußimpedanz
verursacht wird. Idealerweise würden Änderungen
in der Lastimpedanz ungeachtet des Wertes der charak teristischen
Impedanz der Übertragungsleitungen
festgestellt werden. Demgemäß ist in
bestimmten Anwendungen das Kontrollieren oder Negieren der Messung
unerwünschter
Reflexionen an dem gekoppelten reflektierten Tor wichtiger als an
dem gekoppelten Vorwärtstor.
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Erfindungsgemäß verringert die Hinzufügung von
mindestens einer Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
zu dem Richtkoppler den Einfluß "sekundärer Reflexionen" (Reflexionen 2A und 3A in
der in 2A gezeigten
Ausgestaltung; Reflexionen 1B und 2B in der in 2B gezeigten Ausgestaltung), die
an dem abgetasteten oder gemessenen Tor (d. h. gekoppelten Tor)
vorhanden sind. Diese sekundären Reflexionen
werden durch die Impedanzfehlanpassung der Koppler-Übertragungsleitungen
mit den Quellen-, Last-, und/oder Abschlußimpedanzen verursacht. Die
hinzugefügte
Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
ist auf demselben Substrat wie die zwei Übertragungsleitungen des Kopplers
und mit demselben Verfahren gebildet. Dies hat ungefähr gleiche charakteristische
Impedanzen zur Folge. Obwohl etwaige Schwankungen in den Substratmaterial-
oder Verfahrenstoleranzen, die während
der Herstellung auftreten, die charakteristische Impedanz erhöhen oder
verringern können,
haben alle Übertragungsleitungen
ungefähr
dieselbe charakteristische Impedanz. Dadurch, daß man ungefähr gleiche charakteristische
Impedanzen unter den Übertragungsleitungen
(Lambda-Viertel und Koppler) hat, wird die durch die Fehlanpassung
der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungen mit den
Quellen-, Last- oder Abschlußimpedanzen
verursachte Verschlechterung des Richtverhältnisses verringert.
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Die Hinzufügung der Lambda-Viertel-Leitung erhöht das Richtverhältnis des
Kopplers, indem die Phase von einer der sekundären Reflexionen um 180 Grad
geändert
wird. Wie in der obigen Diskussion in Bezug auf die in 2A gezeigte Ausgestaltung
ausgeführt,
sind die sekundären
Reflexionen Reflexion 2A und Reflexion 3A in ihrem
Betrag ungefähr
gleich. Demgemäß löscht das Ändern der
Phase um 180 Grad von entweder Reflexion 2A oder Reflexion 3A die
andere Reflexion aus. Daher liefert das an dem gekoppelten Tor abgetastete
oder gemessene Signal eine genauere Messung der "wirklichen" gekoppelten Vorwärtsenergie ohne den Einfluß von Reflexionen, die
durch die Fehlanpassung der Übertragungsleitung
mit den Quellen-, Last- und/oder Abschlußimpedanzen verursacht werden.
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Nur wenn die Quellen-, Last- und/oder
Abschlußimpedanzen
nicht angepaßt
sind, wird die gemessene gekoppelte Vorwärtsenergie variieren. Demgemäß stellt
die vorliegende Erfindung ein Mittel zum Feststellen einer Impedanzfehlanpassung
zwischen den Quellen-, Last- und/oder Abschlußimpedanzen unabhängig von
dem wert der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungen bereit. In
dieser Weise kann die Impedanz einer Last und die reflektierte Energie
effektiv überwacht
werden. Die vorliegende Erfindung stellt einen Richtkoppler bereit,
dessen Richtverhältnis
gegenüber
dem Wert der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungen unempfindlich
ist. Demgemäß ist die
Herstellung von Koppler-Übertragungsleitungen
mit einigermaßen
präzisen
charakteristischen Impedanzen nicht erforderlich. Dieses selbe Prinzip
funktioniert auch für
die in 2B gezeigte Kopplerausgestaltung,
wenn die "wirkliche" gekoppelte reflektierte
Energie gemessen wird.
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Nun auf die 3A Bezug nehmend wird ein erfindungsgemäßer einseitiger
Richtkoppler 40 gezeigt. Der Koppler 40 weist
eine Übertragungsleitung 42 und
eine Übertragungsleitung 44 auf,
wobei jede Übertragungsleitung
zwei Tore hat und dasselbe Substratmaterial oder dielektrische Material
umfaßt. Die Übertragungsleitung 42 hat
ein Eingangstor 46 und ein Durchgangstor 48, während die Übertragungsleitung 44 ein
gekoppeltes Tor 50 und ein Isolationstor 52 hat.
Mit dem Isolationstor 52 ist ein Ende einer Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 54 gekoppelt,
die dasselbe Substratmaterial oder dielektrische Material wie die Übertragungsleitungen 42, 44 aufweist.
Die Übertragungsleitung 54 ist
eine Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
mit einer Länge,
die gleich einer Viertel Wellenlänge
der Mittenfrequenz f0 ist. Gekoppelt mit
dem anderen Ende der Übertragungsleitung 54 ist eine
Abschlußimpedanz 56,
die typischerweise einen ohmschen Wert von fünfzig Ohm hat.
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Es ist einzusehen, daß der Wert
der Abschlußimpedanz 56 abhängig von
dem gewünschten
Betriebsverhalten und den gewünschten
Eigenschaften des Kopplers und den gewünschten Quellen- und Lastimpedanzen
jeder Wert sein kann. In der bevorzugten Ausführungsform ist der gewünschte Wert
der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungen 42, 44 und 54 fünfzig Ohm.
Als solcher hat ein richtig angepaßter Koppler Übertragungsleitungen mit
charakteristischen Impedanzen, die zu der Quellenimpedanz (gekoppelt
mit dem Eingangstor 46, nicht gezeigt), der Lastimpedanz
(gekoppelt mit dem Durchgangstor 48, nicht gezeigt) und
der Abschlußimpedanz
(gekoppelt mit dem Isolationstor 52) passen. Jedoch variiert
die charakteristische Impedanz aufgrund von Substratänderungen
und Herstellungsverfahrenstoleranzen, die die vorliegende Erfindung gestattet,
höchstwahrscheinlich
zwischen 40 und 60 Ohm. Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie sie in 3A gezeigt ist, wird die Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 54 zwischen dem
Isolationstor 52 und der Lastimpedanz 56 hinzugefügt.
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Die Hinzufügung der Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 54 verringert
die Verschlechterung des Koppler-Richtverhältnisses, die durch Änderungen
in der gewünschten
charakteristischen Impedanz der zwei Übertragungsleitungen 42 und 44 aufgrund
von Substratänderungen
(z. B. dielektrische Konstante, Dicke, usw.) und Herstellungstoleranzen (z.
B. Streifenleiterabmessungen) verursacht wird. Dies gestattet die
Herstellung von Richtkopplern mit weniger teuren Substratmaterialien
und weniger genauen Herstellungsverfahren. Aufgrund von unerwünschten
Toleranzen in der dielektrischen Konstante des Substrates, Änderungen
in der Dicke während der
Herstellung und Änderungen
in den Streifenleitungsleitern während
der Herstellung sind die charakteristischen Impedanzen der Übertragungsleitungen
nicht exakt fünfzig
Ohm, wenn nicht teure Materialien und Herstellungsverfahren mit
hohen Kosten verwendet werden.
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Da die Übertragungsleitungen 42, 44 und 54 auf
demselben Substrat und gemäß demselben
Verfahren hergestellt sind, sind die charakteristischen Impedanzen
von jeder ungefähr
gleich. Dieses erzeugt wiederum Reflexionskoeffizienten (verursacht durch
die Fehlanpassung der Übertragungsleitungen mit
etwaigen gekoppelten Impedanzen), die ungefähr gleich sind. Die Hinzufügung der
Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 54 wandelt
die normalerweise an der Lastimpedanz 56 (ohne die Übertragungsleitung 54)
auftretende Reflexion in eine Reflexion um, die 180 Grad außer Phase
ist. Im Endergebnis erzeugt die Hinzufügung einer Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
einen Richtkoppler, dessen Richtverhältnis gegenüber dem Wert der charakteristischen Impedanz
der Übertragungsleitungen
unempfindlich ist.
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Nun auf die 3B Bezug nehmend ist eine erste alternative
Ausführungsform
eines einseitigen Richtkopplers 60 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Statt die Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
zwischen das Isolationstor 52 und die Lastimpedanz 56 zu
koppeln, ist eine Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 62 zwischen
dem Signaleingang und den Eingangstor 46 des Kopplers 60 hinzugefügt. Wie
einzusehen ist, arbeitet diese alternative Ausgestaltung unter denselben
Grundprinzipien wie der in 3A gezeigte
Koppler 40 und bringt die gewünschten Ergebnisse hervor.
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Nun auf die 3C Bezug nehmend ist eine zweite alternative
Ausführungsform
eines einseitigen Richtkopplers 70 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Aufgrund möglicher
Layoutbedenken ist eine Eingangstor-Verlängerungsübertragungsleitung 74 beliebiger
Länge zwischen
den Signaleingang und das Eingangstor 46 gekoppelt. Diese
Eingangstor-Verlängerungsübertragungsleitung 74 kann
für ein
bestimmtes Layout erforderlich oder erwünscht sein. Demgemäß ist eine
weitere Verlängerungsübertragungsleitung 76,
die dieselbe Länge
hat wie die Eingangstor-Verlängerungs- übertragungsleitung 74, zu
einer Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 72 hinzugefügt, die
zwischen das Isolationstor 52 und die Abschlußimpedanz 56 gekoppelt
ist.
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Wie ersichtlich ist, koppelt die
hinzugefügte Übertragungsleitung 76 an
die Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 72 und
erzeugt eine integrierte Übertragungsleitung
(72 plus 76), die eine Länge hat, die eine Viertel Wellenlänge länger ist
als die Länge
der Eingangstor-Verlängerungsleitung 74.
Mit anderen Worten ist die Differenz in der Länge zwischen der Länge der
Eingangstor-Verlängerungsleitung 74 und der
Länge der
zwischen das Isolationstor 52 und die Abschlußimpedanz 56 gekoppelten Übertragungsleitung
eine Viertel Wellenlänge
(oder ein ungerades Vielfaches davon, z. B. (5/4) Lambda, (9/4)
Lambda, usw.). Wie ersichtlich ist, arbeitet diese alternative Ausführungsform
unter denselben Grundprinzipien wie der in 3A gezeigte Koppler 40 und bringt
die gewünschten
Ergebnisse hervor. Demgemäß verringert
der Koppler 70 eine Verschlechterung des Koppler-Richtverhältnisses
aufgrund von Änderungen
in der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung, während er
eine Flexibilität
beim Entwurf der Layoutmuster erlaubt, die mit dem Koppler verbunden
sind.
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Nun auf die 4 Bezug nehmend ist ein Doppel-Richtkoppler 100 des
Standes der Technik gezeigt. Der Koppler 100 weist drei
benachbarte Übertragungsleitungen 102, 104 und 106 für die transversal-elektromagnetische
Mode (TEM) auf, von denen jede zwei Tore hat. Eine Ausbreitung eines
Eingangssignals entlang einer der Übertragungsleitungen induziert
die Ausbreitung eines gekoppelten Signals in einer anderen benachbarten Übertragungsleitung.
Die Übertragungsleitung 102 weist
ein Eingangstor 108 zum Empfangen eines Eingangssignals
von einer externen Quelle (nicht gezeigt) und ein Durchgangstor 110 auf.
Die Übertragungsleitung 106 weist
ein gekoppeltes Tor 116 und ein Isolationstor 118 auf.
Die Übertragungsleitung 104 weist
ein gekoppeltes Tor 114 und ein Isolationstor 112 auf.
Allgemein wird gekoppelte Energie in Vorwärtsrichtung an dem gekoppelten
Tor 116 abgetastet oder gemessen, während reflektierte gekoppelte
Energie an dem gekoppelten Tor 114 abgetastet oder gemessen
wird.
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Überlicherweise
ist das Isolationstor 118 mit einer Abschlußimpedanz 122 abgeschlossen,
während
das Isolationstor 114 mit einer Abschlußimpedanz 120 abgeschlossen
ist. Typischerweise sind die Abschlußimpedanzen 120 und 122 gleich
50 Ohm, wobei die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitungen 102, 104 und 106 ebenfalls
gleich 50 Ohm ist.
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Nun auf die 5A Bezug nehmend ist ein Doppel-Richtkoppler 130 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Der Koppler 130 weist eine Übertragungsleitung 132,
eine Übertragungsleitung 134 und
eine Übertragungsleitung 136 auf,
wobei jede Übertragungsleitung
zwei Tore hat und dasselbe Substratmaterial oder dielektrische Material
aufweist. Die Übertragungsleitung 132 weist
ein Eingangstor 138 und ein Durchgangstor 140 auf.
Die Übertragungsleitung 134 weist
ein Isolationstor 142 und ein gekoppeltes Tor 144 auf,
während
die Übertragungsleitung 134 ein
gekoppeltes Tor 146 und ein Isolationstor 148 aufweist.
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Gekoppelt mit dem Isolationstor 148 ist
ein Ende einer Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 156, die
dasselbe Substratmaterial oder dielektrische Material wie die Übertragungsleitungen 132, 134 und 136 aufweist.
Die Übertragungsleitung 156 ist
eine Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
mit einer Länge,
die gleich einer Viertel Wellenlänge
bei der Mittenfrequenz f0 ist. Gekoppelt
mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung 156 ist
eine Abschlußimpedanz 152,
die typischerweise einen ohmschen Wert von fünfzig Ohm hat.
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Gekoppelt mit dem Isolationstor 142 ist
ein Ende einer Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 154, die
dasselbe Substratmaterial oder dielektrische Material wie die Übertragungsleitungen 132, 134 und 136 aufweist.
Die Übertragungsleitung 154 ist
eine Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
mit einer Länge,
die gleich einer Viertel Wellenlänge
bei der Mittenfrequenz f0 ist. Gekoppelt
mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung 154 ist
eine Abschlußimpedanz 150,
die typischerweise einen ohmschen Wert von fünfzig Ohm hat.
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In den meisten grundlegenden Anwendungen
stellen die Übertragungsleitungen 132 und 136 ein
Werkzeug zum Messen der Vorwärtsenergie
(geliefert durch einen mit dem Eingangstor 138 verbundenen
Generator, nicht gezeigt) an dem gekoppelten Tor 146 bereit.
In gleicher Weise stellen die Übertragungsleitungen 134 und 136 ein
Werkzeug zum Messen der reflektierten Energie (reflektiert von einer
mit dem Durchgangstor 140 gekoppelten Last, nicht gezeigt)
an dem gekoppelten Tor 144 bereit. Die Hinzufügung der
Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 156 verringert
eine Verschlechterung des Koppler-Richtverhältnisses in Bezug auf die Messung
gekoppelter Energie in Vorwärtsrichtung,
die durch Änderungen in
der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungen bedingt
ist, die durch Substratänderungen
und Herstellungstoleranzen verursacht werden. In gleicher Weise
verringert die Hinzufügung
der Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 154 auch
die Verschlechterung des Koppler-Richtverhältnisses in Bezug auf die Messung
reflektierter gekoppelter Energie. Wie ersichtlich ist, kann der
Doppel-Richtkoppler 130 nur eine hinzugefügte Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
enthalten oder er kann beide enthalten.
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Nun auf die 5B Bezug nehmend ist eine erste alternative
Ausführungsform
eines Doppel-Richtkopplers 160 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Statt eine Lambda-Viertel-Übertragungsleitung zwischen
das Isolationstor 142 und die Abschlußimpedanz 150 zu koppeln,
ist eine Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 162 zwischen
dem Signaleingang und dem Eingangstor 138 des Kopplers 160 hinzugefügt. Auch
ist, statt eine Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
zwischen das Isolationstor 148 und die Abschlußimpedanz 152 zu
koppeln, eine Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 164 zwischen
dem Signalausgang und dem Durchgangstor 140 des Kopplers 160 hinzugefügt. wie
ersichtlich ist, arbeitet diese alternative Ausgestaltung unter denselben
Grundprinzipien wie der in 5A gezeigte
Koppler 130 und bringt die gewünschten Ergebnisse hervor.
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Nun auf die 5C Bezug nehmend ist eine zweite alternative
Ausführungsform
eines Doppel-Richtkopplers 170 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Ähnlich
wie der in 3C gezeigte Koppler
ist eine Eingangstor-Verlängerungsübertragungsleitung 174 beliebiger
Länge zwischen
den Signaleingang und das Eingangstor 138 gekoppelt. Diese
Eingangstor-Verlängerungsübertragungsleitung 174 kann
für ein
bestimmtes Layout erforderlich oder erwünscht sein. Demgemäß ist eine
weitere Verlängerungsübertragungsleitung 176,
die dieselbe Länge
hat wie die Eingangstor-Verlängerungsleitung 174,
zu einer Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 172 hinzugefügt, die
zwischen das Isolationstor 148 und die Abschlußimpedanz 152 gekoppelt
ist.
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Wie ersichtlich ist, erzeugt die
hinzugefügte Übertragungsleitung 176,
die an die Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 172 gekoppelt
ist, eine integrierte Übertragungsleitung
(172 plus 176), die eine Länge hat, die eine Viertel Wellenlänge länger ist
als die Länge
der Eingangstor-Verlängerungsleitung 174.
Mit anderen Worten ist die Differenz in der Länge zwischen der Länge der
Eingangstor-Verlängerungsleitung 174 und
der Länge
der zwischen das Isolationstor 148 und die Abschlußimpedanz 152 gekoppelten Übertragungsleitung
eine Viertel Wellenlänge
(oder ein ungerades Vielfaches davon, z. B. (5/4) Lambda, (9/4)
Lambda, usw.).
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In gleicher Weise ist eine Durchgangstor-Verlängerungsübertragungsleitung 180 beliebiger Länge zwischen
den Signalausgang und das Durchgangstor 140 gekoppelt.
Diese Durchgangstor-Verlängerungsübertragungsleitung 180 kann
für ein
bestimmtes Layout erforderlich oder erwünscht sein. Demgemäß ist eine
weitere Verlängerungsübertragungsleitung 182,
die dieselbe Länge
hat wie die Durchgangstor-Verlängerungsleitung 180,
zu einer Lambda-Viertel-Übertragungsleitung 178 hinzugefügt, die
zwischen das Isolationstor 142 und die Abschlußimpedanz 150 gekoppelt
ist. Wie ersichtlich ist, arbeitet diese alternative Ausführungsform
unter denselben Grundprinzipien wie der in 5A gezeigte Koppler 130 und
bringt die gewünschten
Ergebnisse hervor.
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Nun auf die 6 Bezug nehmend ist ein Zweirichtungs-Richtkoppler 200 des
Standes der Technik gezeigt. Der Koppler 200 weist zwei
benachbarte Übertragungsleitungen 202 und 204 für die transversal-elektromagnetische
Mode (TEM) auf, von denen jede zwei Tore hat. Eine Ausbreitung eines
Eingangssignals entlang einer der Übertragungsleitungen induziert
die Ausbreitung eines gekoppelten Signals in einer anderen benachbarten Übertragungsleitung.
Die Übertragungsleitung 202 weist
ein erstes Tor 206 und ein zweites Tor 208 auf. Die Übertragungsleitung 202 weist
ein erstes Tor 210 und ein zweites Tor 212 auf.
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Nun auf die 7 Bezug nehmend ist ein erfindungsgemäßer Koppler
als Teil einer Sende-/Empfangsschalter-Schaltungsplatte gezeigt.
Ohne die Lambda-Viertel-Übertragungsleitung
in der Schaltung maß das
Richtverhältnis
des gekoppelten Tores in Vorwärtsrichtung
des Kopplers ungefähr
zwischen 25 und 26 dB mit einer Frequenz im Bereich von 225 MHz
bis 400 MHz bei einer Mittenfrequenz von 300 MHz. Mit der hinzugefügten Lambda-Viertel-Übertragungsleitung,
wie sie in 7 gezeigt
ist, maß das Richtverhältnis des
reflektierten gekoppelten Tores des Kopplers ungefähr zwischen
31 und 38 dB mit einer Frequenz im Bereich von 225 MHz bis 400 MHz bei
einer Mittenfrequenz von 300-MHz.
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In dieser speziellen Ausführungsform
beträgt die
Mittenfrequenz 300 MHz und die Länge
der gekoppelten Übertragungsleitungen
beträgt
ungefähr 2,3
cm (0,9 Inch), wobei die Länge
der Lambda-Viertel-Leitung zwischen 10,16 und 12,7 cm (4 und 5 Inch)
liegt.
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Auch wenn sich die Verbesserung im
Richtverhältnis
vermindert, wenn der Koppler über
weitere Bandbreiten verwendet wird, ist die Verringerung in der
Verschlechterung des Koppler-Richtverhältnisses aufgrund von Änderungen
der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungen, die von
Substratänderungen
und Herstellungsverfahrenstoleranzen herrühren, über ziemlich weite Bandbreiten
immer noch beträchtlich.