DE69724469T2

DE69724469T2 - Schmalbandiger übergekoppelter richtkoppler in einer mehrschichtpackung

Info

Publication number: DE69724469T2
Application number: DE69724469T
Authority: DE
Inventors: Rahul Chaturvedi; S. Richard KOMMRUSCH
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 1997-02-12
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2017-11-22
Also published as: EP1010209B1; WO1998036467A1; EP1010209A1; EP1010209A4; US5742210A; DE69724469D1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Richtungskoppler, insbesondere schmalbandige überkoppelte Richtungskoppler in einem Mehrschichtpaket.
Hintergrund der Erfindung
Richtungskoppler sind in der Technik wohlbekannt. Ein Richtungskoppler ist ein Schaltungsbauteil mit vier Anschlüssen, das dazu ausgelegt ist, eine Ausgabe zur Verfügung zu stellen, die lediglich proportional zu der einkommenden Leistung einer Quelle ist. Innerhalb eines Frequenzbandes teilt ein typischer Richtungskoppler von einer Quelle eingehende Leistung in zwei Ausgaben mit 90°-Phasenverschiebung auf. Das Verhältnis von jeder Ausgabeleistung zu der Eingabeleistung ist bekannt für einen be- liebigen Satz von Impedanzen, die an das Bauteil mit vier Anschlüssen angeschlossen sind.
Ein Richtungskoppler ist eine wohlbekannte Komponente für die Radiofrequenz-Ausrüstung. Diese Komponente ermöglicht es, eine Probe eines Radiofrequenz- oder eines Mikrowellensignals, das an einem Eingang eingegeben und an einem Ausgang ausgegeben wird, von dem Eingangssignal zu extrahieren. Richtig entworfen kann der Richtungskoppler zwischen einem Eingabesignal am Eingang und einem Eingabesignal am Ausgang unterscheiden. Diese Eigenschaft ist besonders nützlich in einem Radiofrequenz-Sender, bei dem sowohl das Eingangssignal als auch ein Signal, das von einer fehlangepassten Antenne reflektiert wird, unabhängig voneinander erfasst werden können. Eines der beiden Signale oder beide Signale können dabei z. B. in einem Leistungsregler-Schaltkreis zur Regelung bzw. Steuerung der Ausgangsleistung des Senders verwendet werden.
Der Betrieb von Richtungskopplern ist wohlbekannt. Ein herkömmlicher Richtungskoppler des Standes der Technik ist in 1 gezeigt. Bei einem 3-dB- 90°-Leistungsteiler wird ein Eingangssignal an einem Eingang 1 (Port 1) eingegeben. Eine Hälfte des Eingangssignals wird an einem Ausgang 2 (Port 2), dem sogenannten "gekoppelten Ausgang", ausgegeben. Eine Hälfte des Eingangssignals wid an einem Ausgang 3 (Port 3), dem sogenannten "Direktausgang", ausgegeben. Kein Signal wird am Ausgang 4 (Port 4), dem sogenannten "isolierten Ausgang", ausgegeben. Weiterhin sind die Signale, die an den Ausgängen 2 und 3 ausgegeben werden, um 90° zueinander phasenverschoben. In 1 ist der Richtungskoppler in einem Mehrschichtpaket mit vier Schichten 102, 104, 106 und 108 gezeigt. Richtungskoppler werden gewöhnlicherweise zwischen zwei Erdungsebenen angeordnet, und zwar der GP1 genannten, metallisierten oberen Oberfläche der dielektrischen Lage 102 und der GP2 genannten, metallisierten unteren Oberfläche der dielektrischen Lage 108.
Richtungskoppler weisen typischerweise eine primäre und eine sekundäre Übertragungsleitung auf. Aufgrund des Kopplungsmodus der Anteile, die horizontal nahe beieinander über die Länge dieser Übertragungsleitungen angeordnet sind, wird ein Teil der Leistung, die am Eingang 1 (Port 1) der primären Übertragungsleitung angelegt wird, an einem Ausgang 2 (Port 2) in der sekundären Übertragungsleitung erzeugt.
Eine typische Anwendung eines Richtungskopplers kann z. B. in dem Proben bzw. Abtasten eines Hochfrequenzsignals in einem tragbaren Telefon liegen. Andere Anwendungen schließen Gegentaktverstärker, doppelt abgestimmte Mischer und duale Schalter ein.
Eine Implementation eines Richtungskopplers besteht im Anordnen eines Paares von koaxial gewundenen, aufgespulten λ/4-Übertragungsleitungen zwischen zwei Erdungsebenen in einem keramischen Mehrschichtpaket. Typischerweise enthält jede Schicht in einem Paket nur eines der Übertragungsleitungs-Elektrodenmuster. Daher wird jede der Übertragungsleitungen sich über abwechselnde Schichten in dem keramischen Paket ausdehnen.
Unglücklicherweise sind diese Richtungskopplerbauformen aufgrund der räumlichen Begrenzungen von Radiofrequenz/Mikrowellenkomponenten und -Systemen unpraktisch für viele gegenwärtige und zukünftige Anwendungen. Die Designs von Übertragungsleitungen in herkömmlichen Mehrschichtpaketen benötigen viele dielektrische Schichten und viele Bearbeitungsschritte.
Richtungskoppler-Übertragungsleitungen dehnen sich oft über ein großes Gebiet in einem elektronischen Paket aus. In einem bekannten Medium für eine gegebene elektrische Länge bei einer Frequenz von Interesse ist die physische Länge einer Übertragungsleitung eine Konstante. Z. B. hat in einem Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 7,8 eine λ/4-Übertragungsleitung bei 900 MHz eine physische Länge von ungefähr 1,167 Inch.
Da traditionelle Richtungskoppler λ/4-Übertragungsleitungen benötigen, ist ein Richtungskoppler für eine 900-MHz-Anwendung in einer Streifenleiter- oder Mikrostreifenleiter-Implementation mindestens 1,167 Inch lang. Da eine Komponente, die eine Übertragungsleitung dieser Länge auf einer einzigen dielektrischen Substratschicht aufweist, z. B. in einem zellularen Telefon, unerwünscht groß wäre, ist es eine Lösung gewesen, ein keramisches Mehrschichtpaket herzustellen, bei der eine Übertragungsleitung zwischen ihren Schichten vorgesehen ist.
2 zeigt die Leistungskennlinie für ein Richtungskopplerdesign des Standes der Technik. Spezieller zeigt 2 die als Funktion der Frequenz gemessenen und relativ zur Eingangsleistung am Eingang 1 dargestellten Kennlinien der Ausgangsleitungen des Richtungskopplers. Unter Verwendung von herkömmlichen Kopplungstechniken des Standes der Technik werden die Kopplerausgangsleistungskennlinien (Leistungskennlinien) zusammengebracht, bis sie eine Kopplungsregion 202 festlegen. In 2 ist der in Dezibel (dB) gemessene Einkopplungsverlust entlang der ver tikalen Achse gezeigt, und die in Megahertz (MHz) gemessene Frequenz entlang der horizontalen Achse dargestellt.
Einige Mehrschichtpakete, die Richtungskoppler enthalten, sind vorgestellt worden, in denen ein Teil von jeder Übertragungsleitung auf jeder der dielektrischen Schichten mit dem Resultat einer kleinen Paketgröße angeordnet sind. Jedoch sind die Grenzen für Mehrschichtpakete unter Verwendung von herkömmlichen Kopplungstechniken für Richtungskoppler erreicht. Sicherlich kann die Paketgröße verkleinert werden, indem alternative Designs von Vielfachschichten oder alternative Dielektrika verwendet werden. Dennoch sind diese Designs durch die Tatsache begrenzt, dass sie alle λ/4-Übertragungsleitungen verwenden, und diese Pakete werden nach wie vor unerwünscht groß für viele Anwendungen sein.
Ein neuer Richtungskoppler in einem ultrakleinen Paket, der eine Überkopplungstechnik zur Erlangung von kürzeren Übertragungsleitungen verwendet und der in einem Mehrschichtpaket mit einem eindeutigen Übertragungs-leitungsdesign hergestellt ist, bei dem vorzugsweise beide Übertragungsleitungen parallel zueinander auf jeder Schicht angeordnet sind und sich abwechselnd durch das Paket wiederholen, mit dem Resultat einer kleinen Paketgröße, würde eine Verbesserung im Stand der Technik mit sich bringen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Richtungskoppler des Standes der Technik.
2 zeigt die Leistungskennlinie für den Richtungskoppler des Standes der Technik nach 1.
3 ist eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen schmalbandigen übergekoppelten Richtungskopplers in einem Mehrschichtpaket.
4 zeigt eine Draufsicht der unteren Oberfläche der unteren Schicht des erfindungsgemäßen Richtungskopplers nach 3.
5 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung des erfindungsgemäßen Richtungskopplers nach 3.
6 zeigt eine überkoppelte Kopplerleistungskennlinie für einen erfindungsgemäßen Richtungskoppler.
7 zeigt eine weitere Ausführung eines Richtungskopplers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
3 ist eine perspektivische Darstellung eines schmalbandigen überkoppelten Richtungskopplers in einem Mehrschichtpaket. Dieses Richtungskopplerpaket hat eine angebrachte untere Oberfläche 350, eine angebrachte obere Oberfläche 352 und vier Seitenoberflächen 354, 356, 358 und 360. Die Oberfläche 350 wird die angebrachte untere Oberfläche genannt, weil sie die Anschlüsse des Eingangs, des Ausgangs und Isolationsanschlüsse enthält, die sich am Boden des Richtungskopplers befinden, wenn das Bauteil auf einer Leiterplatte angebracht ist. Die untere Oberfläche 350 des Richtungskopplers 300 hat ein metallisiertes Muster, in dem die vier Ecken die Masse festlegen (benannt mit dem Buchstaben "G"), und die vier Anschlüsse des Richtungskopplers sind beschriftet und zwischen den Masseanschlüssen in den Ecken dargestellt. Eine verdeckte Masseschichtebene, die in der Darstellung der 5 sichtbar ist, befindet sich auf einer Schicht unter der unteren Oberfläche 350, die als Lage 309 in 5 dargestellt ist.
4 zeigt eine Draufsicht der unteren Oberfläche der unteren Schicht des Richtungskopplers der 3. Aus dieser Perspektive, sind die Masseanschlüsse in den Ecken (bezeichnet mit dem Buchstaben "G") und die vier Anschlüsse des Richtungskopplers gezeigt. Eine verdeckte Masseschichtebene, sichtbar in der auseinandergezogenen Darstellung der 5, auf die sich mit der Nummer 309 bezogen wird, befindet sich auf einer Schicht unter der unteren Oberfläche 350.
Das Metallisierungsmuster der 4 ist zur Erleichterung von Tests in einer Haltevorrichtung entworfen worden. Eine Methode des Testens eines Bauteiles (Richtungskopplers) umfasst dessen Anordnung in einer Haltevorrichtung, derart, dass die Messköpfe der Haltevorrichtungen in Kontakt mit einem Anschluss ("port") und einer Masse ("ground") stehen. Indem die untere Oberfläche 350 des Richtungskopplers 300 in der in 4 gezeigten Weise entworfen wird, kann das Bauteil (Richtungskoppler) auf einfache Weise in einer Haltevorrichtung mit koplanaren Messköpfen auf elektrische Eigenschaften getestet werden.
5 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung des Richtungskopplers 300 nach 3. 5 zeigt einen Richtungskoppler, der aus einer Aufschichtung von zehn Schichtlagen aus dielektrischer Keramik hergestellt worden ist, die von 301 bis 310 entsprechend nummeriert sind. In dieser Ausführung ist das überkoppelte Design in einem Mehrschichtpaket eingegangen, in der die Übertragungsleitungen durch Kombination von kantenartiger Kopplung und breitseitenartiger Kopplung gekoppelt sind. In dem kanten artigen Kopplungsdesign sind zumindest Teile der primären und der sekundären Übertragungsleitung auf einer Hauptoberfläche der dielektrischen Substrate 302 bis 308 im Wesentlichen parallel zueinander. Die breitseitenartige Kopplung weist zumindest Teile der primären Übergangsleitung und der sekundären Übergangsleitung auf, die im Wesentlichen vertikal durch ein benachbartes dielektrisches Substrat ausgerichtet sind. In dieser Ausführung wird die breitseitenartige Kopplung über alternierende Schichten des Mehrschichtpakets wiederholt. Zum Beispiel sind die Übertragungsleitungsmuster auf den Lagen 304 und 306 im Wesentlichen vertikal ausgerichtet. In ähnlicher Weise sind auch die Übertragungsleitungsmuster auf den Lagen 303, 305 und 307 im Wesentlichen vertikal ausgerichtet. In einer anderen in 7 gezeigten Ausführung, die weiter unten diskutiert wird, wird die breitseitenartige Kopplung über aufeinanderfolgende Schichten wiederholt.
Gemäß 5 ist die Lage 301, die die untere Lage in 5 zu sein scheint, tatsächlich die obere Lage, sobald das Richtungskopplerpaket auf einer Leiterplatte angebracht ist. Die Oberfläche der Lage 301 ist deswegen mit einem leitenden Material oder einer metallisierten Schicht bedeckt, um eine erste Masseebene GPl zu definieren.
Die Lage 302 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (B), die auf einer Hauptoberfläche der Lage 302 aufgebracht sind. Die primären und die sekundären Übertragungsleitungen sind im Wesentlichen parallel zueinander, um eine kantenartige Kopplungstechnik festzulegen.
Es ist wichtig zu bemerken, dass die Distanz zwischen den Übertragungsleitungen (A, B) und der ersten Masseebene GPl im Wesentlichen dieselbe wie die Distanz zwischen den Übertragungsleitungen (A, B) und der entsprechenden zweiten Masseebene GP2 am anderen Ende des Mehrschichtpakets sein kann. Diese Trennung kann durch eine Vielzahl von verschiedenen Techniken erreicht werden. Zum Beispiel ist es in einigen Fällen machbar, unmetallisierte Schichten von Dielektrikum in das Paket einzufügen, um die geeigneten Abstände zwischen den Übertragungsleitungen und den Masseebenen aufrechtzuerhalten. In 5 wird ein verdecktes Masseebenenmuster eingesetzt. In beiden Fällen betrifft eine wichtige Designüberlegung die geeignete Trennung und Beabstandung der Übertragungsleitungen (A, B) von den Masseebenen (GP1, GP2) des Mehrschichtpakets.
Die Lage 303 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (B), die auf einer Hauptoberfläche der Lage 303 aufgebracht sind. Die Übertragungsleitungen (A, B) sind notwendigerweise mit den Übertragungsleitungen auf den dielektrischen Schichten 302 und 304 durch einen Satz von leitend gefüllten Durchkontaktierungen verbunden, die sich durch die dielektrischen Lagen erstrecken. Diese Durchkontaktierungen sind aus Gründen der Klarheit absichtlich in 5 weggelassen worden. Dennoch sollte klar sein, dass Durchkontaktierungen die Übertragungsleitungen auf benachbarten dielektrischen Lagen verbinden. Zusätzlich verbindet ein Stapel von Durchkontaktierungen (nicht dargestellt) die Enden der Übertragungsleitungen (A) und (B) auf der Lage 302 mit den Ausgangsauflagen und Isolationsauflagen auf der Lage 310.
Die Lage 304 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (B), die auf einer Hauptoberfläche der Lage 304 aufgebracht sind. Obwohl diese Ausführung durch Siebdruckerverfahren aufgebrachte Übertragungsleitungen hat, kann irgendeine Auftragungstechnik verwendet werden, um die Übertragungsleitungen strategisch auf den dielektrischen Lagen 301–310 zu platzieren.
Die Lage 305 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (B), die auf einer Hauptoberfläche aufgebracht sind. In diesem Zusammenhang ist die Übertragungsleitung nahe der Mitte der Schicht eine sekundären (B) Übertragungsleitung. Es ist zu beachten, dass diese Übertragungsleitung vertikal mit der primären Übertragungsleitung (A) auf den dielektrischen Lagen 303 und 307 ausgerichtet ist. Somit richtet die Breitseitenkopplungstechnik die Übertragungsleitungen in einer Weise aus, die eine adäquate Kopplung zwischen den jeweiligen Übertragungsleitungen (A, B) ergibt.
Die Lage 306 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (B), die auf einer Hauptoberfläche der Schicht 306 aufgetragen sind. Diese Übertragungsleitungen sind, eine kantenartige Kopplungstechnik definierend, im Wesentlichen parallel zueinander. Zusätzlich sind die Übertragungsleitungen auf der Lage 306 im Wesentlichen breitseitenartig mit den Übertragungsleitungen auf den Lagen 304 und 302 gekoppelt.
Die Lage 307 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (B), die auf einer Hauptoberfläche der Lage 307 aufgebracht sind. Die Übertragungsleitungen sind breitseitenartig mit den Übertragungsleitungen auf den Lagen 305 und 303 gekoppelt.
Die Lage 308 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (B), die auf einer Hauptoberfläche der Lage 308 aufgebracht sind. Während die Lage 302 die erste Lage war, die Übertragungsleitungen enthält, ist die Lage 308 die letzte Schicht in dem Paket, die Übertragungsleitungen enthält. Die Übertragungsleitungen (A, B) auf der Lage 308 werden dann mit den Anschlüssen des Einganges, des Ausganges und den Isolationsanschlüssen über einen Satz von Durchkontaktierungen verbunden.
In einer bevorzugten Ausführung schließt die Schichtenstruktur eine Eingangsauflage ("input pad") und eine Ausgangsauflage ("output pad") ein, die mit der primären Übertragungsleitung und einem Isolationsanschluss verbunden sind, und einen Ausgang, der mit der sekundären Übertragungsleitung verbunden ist.
Die Lage 309 enthält eine überdeckte Masseebene oder eine Oberfläche der Lage 309 ist im Wesentlichen metallisiert, um eine zweite oder untere Masseebene GP2 zu bilden. Die Bereiche auf der Lage 309, direkt unter den Anschlüssen des Eingangs, Ausgangs und den Isolationsanschlüssen auf der Lage 310 sind nicht metallisiert, um das Kurzschließen des Richtungskopplers zu verhindern.
Die Lage 310 enthält die Anschlüsse des Eingangs, Ausgangs und die Isolationsanschlüsse (Port 1, Port 2, Port 3, Port 4) sowie die Masseanschlüsse, die mit dem Buchstaben "G" beschriftet sind. Diese Strukturierung ist in Verbindung mit den 3 und 4 im Detail diskutiert worden.
Zusammenfassend, wenn die Schichten 301 bis 310 zusammengeschichtet und in einem verdichteten Mehrschichtpaket eingebrannt sind, ergibt dies einen überkoppelten Richtungskoppler, in dem die primären und sekundären Übertragungsleitungen in einer Kombination von kantenartiger und breitseitenartiger Kopplung gekoppelt sind.
6 zeigt in einer graphischen Darstellung das überkoppelte Design der vorliegenden Erfindung. 6 zeigt die Leistungskennlinie oder die Kopplerausgangsleistungslinie des Richtungskopplers. Die Ausgangsleistung für Ausgang 3 (Port 3), dem Durchgangsanschluss, ist als die Kurve in 6 dargestellt, die mit einer abfallenden Steigung beginnt. In ähnlicher Weise ist die Ausgangsleistung für Ausgang 2 (Port 2), dem gekoppelten Ausgang, als die Kurve in 6 dargestellt, die mit einer steigenden Steigung beginnt. Die Leistungsausgänge sind mit "Anschluss 2" und "Anschluss 3" in 6 bezeichnet. Für beide Kurven, ist die Ausgangsleistung relativ zur Eingangsleistung am Eingang 1 (Port 1) gemessen worden. Zusätzlich ist die Ausgangsleistung als Funktion der Frequenz gemessen worden, die entlang der horizontalen Achse dargestellt ist. Einkopplungsverluste, die in Dezibel (dB) gemessen werden, sind entlang der vertikalen Achse dargestellt.
Die Kopplerausgangsleistungslinie für einen ΰberkoppelten Richtungskoppler erscheint als eine parabolische Kurve, die geschnitten wird durch eine andere Kurve, die eine umgekehrt parabolische Gestalt aufweist. Der Überkreuzungsbereich ist der Bereich zwischen den Kurven, und die Schnittpunkte der Kurven sind die Knotenpunkte.
Die primären und sekundären Übertragungsleitungen, die die Kopplerausgangsleistungskennlinien erzeugen, sind überkoppelt, um einen überkoppelten Bereich 602 zu definieren, der eine überkoppelte Mittelfrequenz (f₀) und einen hochseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunkt 604' und einen niederseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunkt 604 aufweisen. Der Bereich in der Nähe des hochseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunktes 604' definiert einen hochseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereich 606' und der Bereich in der Nähe des niederseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunktes 604 definiert einen niederseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereich 606. Der hochseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich 606' und der niederseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich 606 definieren eine vorbestimmte nicht mittige Frequenz (F_0C2 bzw. F_0C1) , die verschieden von der überkoppelten Mittelfrequenz (f₀) ist.
Der hochseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich 606' und der niederseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich 606', die direkt aus dem Überkopplungsdesign resultieren, bieten eine Vielzahl von Designmöglichkeiten an. In einer Ausführung setzen sowohl der hochseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich 606' als auch der niederseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich 606 einzelne Halbleistungs-Punkte, die einen Dual-Band-Richtungskoppler definieren. Ein Dual-Band-Richtungskoppler kann für viele Telekommunikationsanwendungen nützlich sein, die die Nutzung von zwei verschiedenen Bändern des elektromagnetischen Spektrums einbeziehen. Ein Band kann z. B. für einen Richtungskoppler für das zellulare Telefonband des "Advanced Mobile Phone Service" CAMPS) (niederseitiger Halbleistungs-Kopplungsbereich 606) verwendet werden, und das andere Band kann bei höheren Frequenzen (hochseitiger Halbleistungs-Kopplungsbereich 606') für ein "Personal Communications System" (PCS) benutzt werden.
Ein Dual-Band-Richtungskoppler erübrigt die Notwendigkeit des Designs von zwei Einzel-Band-Kopplern oder eines extrem breitbandigen Kopplers für die Verwendung in Funkund Telekommunikationsausrüstung, wie z. B. in einer tragbaren "Advanced Mobile Phone Service/Personal Communication System" (AMPS/PCS)-Dual-Band-Funkeinrichtung. Da gegenwärtige Designs zellularer Telefone Mehrfrequenz-Funkfähigkeiten erfordern, würde ein Richtungskoppler mit Dual-Band-Fähigkeiten ein wertvolles Produkt darstellen, das einige der gegenwärtigen und zukünftigen Erfordernisse der Telekommunikationsindustrie erfüllt.
Ein Dual-Band-Richtungskoppler muss nicht auf zellulare Telefon oder auch nur Telekommunikationsanwendungen begrenzt sein. Die vorliegende Erfindung zieht jegliche Anwendung in Erwägung, in der zwei unterschiedliche Frequenzbänder irgendwo im elektromagnetischen Spektrum die Verwendung eines Richtungskopplers erfordern. Dennoch werden die zwei Frequenzbänder, an einem gewissen Punkt, soweit voneinander entfernt sein, dass es möglicherweise nicht länger realisierbar oder ökonomisch ist, den Richtungskoppler in einem laminierten Mehrschichtpaket zu produzieren. Auf der anderen Seite ist der minimale Betrag von benötigter Überkopplung gerade ausreichend, um zwei überkoppelte Bereiche zu schaffen. Sogar mit einem kleinem Betrag an Überkopplung kann ein niedrigerer Frequenzbereich von Interesse erhalten werden, der Vorteile für gewisse Applikationen bieten kann.
Eine andere Ausführung bezieht die Nutzung eines überkoppelten Designs ein, um nur den niederseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereich 606 auszunutzen, um eine nicht mittige Frequenz (F_0C1) zu erhalten, die niedriger in der Frequenz als die überkoppelte Mittelfrequenz (f₀) ist. Lediglich der niederseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich 606 braucht verwendet zu werden, um die Leistungsteilungscharakteristik des Richtungskopplers einzustellen. Vorteilhafterweise wird der niederseitige Halbleistungs- Kopplungsbereich 606 weniger als eine viertel Wellenlänge bzw. λ/4-Wellenlänge betragen, was bedeutet, dass die Übertragungsleitungen notwendigerweise eine kürzere physische Länge aufweisen, was bedeutet, dass die äußeren Abmessungen des Mehrschichtpakets bedeutend reduziert werden. Somit kann ein ultrakleines Mehrschichtrichtungskopplerpaket durch Überkopplung und Fokussierung auf den niederseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereich 606 erreicht werden.
6 zeigt graphisch das Überkopplungsdesign, um durch zweckgerichtete Überkopplung der Übertragungsleitungen eine 3-dB-Kopplung an zwei verschiedenen Frequenzen zur Verfügung zu stellen. Eine 3-dB-Kopplungs-Beziehung ist ein anerkannter Industriestandard für eine Halbleistungs-Kopplungskonfiguration, wobei im idealen Fall genau die Hälfte der Eingangsleistung im Eingang 1, in den Ausgang 2 einkoppelt wird und diesen verlässt, genau die Hälfte der Eingangsleistung weitergeleitet wird und am Ausgang 3 ausgegeben wird, und keine Leistung aus dem Ausgang 4 ausgegeben wird. Bei der 3-dB-Kopplung liegt die Ausgangsleistung von der sekundären Übertragungsleitung 3-dB unter dem ursprünglichen Signal. Die Punkte, an denen die gekoppelte Ausgangsleistung (Ausgang 2) und die Durchgangausgangsleistung (Ausgang 3) gleich sind, werden "Halbleistungs-Kopplungsknoten" und die Bereiche, die die Kopplungsknoten unmittelbar umgeben werden "Halbleistungs-Kopplungsbereiche" genannt.
Obwohl die wirkliche 3-dB-Kopplung an den Knotenpunkten auftritt, ist es von Bedeutung, dass die effektive 3-dB-Kopplung über den gesamten Kopplungsbereich erscheint, der sich über ungefähr 25–100 MHz auf jeder Seite des Kopplungsknotens ausdehnt.
Es gibt jedoch einen Nachteil, der den tatsächlichen Betrag der Kopplung, der mit diesen Überkopplungsdesign erreicht werden kann, begrenzt. Obwohl die effektive Kopplung noch um die Kopplungsknoten auftritt, funktioniert das vorliegende Design am besten für schmalbandige Anwendungen. In einer schmalbandigen Konfiguration kann die Überkopplungstechnik eine ausreichende Kopplung für viele Anwendungen zur Verfügung stellen. Glücklicherweise benötigen viele Anwendungen von Mikrowellen, zellularen Digitaltelefonen und Anwendungen zur drahtlosen Kommunikation nur schmalbandige Richtungskoppler.
Der vorliegende Richtungskoppler ist ausgelegt, um am besten für schmalbandige Anwendungen zu funktionieren. Frequenzbänder von ungefähr 5–10% Bandbreite werden als typische schmale Bänder betrachtet.
Mit Bezug auf 6 ist anzumerken, dass ein Kopplungsabschnitt auf der niedrigen Seite der traditionellen Kopplungsfrequenz und ein Kopplungsabschnitt auf der hohen Seite der traditionellen Kopplungsfrequenz liegt. Der Kopplungsabschnitt auf der niedrigeren Seite wird eine Übertragungsleitung haben, die kürzer als eine viertel Wellenlänge ist. Entsprechend wird der Kopplungsabschnitt auf der hohen Seite eine Übertragungsleitung haben, die länger als eine viertel Wellenlänge ist.
Für die Anwendung, bei der ein Einzel-Band-Richtungskoppler in kleinem Paket erwünscht ist, wird der niederseitige Halbleistungs-Kopplungsabschnitt aufgrund seiner kürzeren Übertragungsleitungslänge genutzt werden. Für eine Anwendung, bei der ein Dual-Band-Richtungskoppler erwünscht ist, werden beide Kopplungsabschnitte genutzt.
Der Richtungskoppler 300 zieht ein Design in Erwägung, das an einer "überkoppelten Mittelfrequenz" (f₀) überkoppelt ist, welche größer als die Frequenz ist, bei der eine 3-dB-Kopplung erwünscht ist. Die "überkoppelte Mittelfrequenz" (f₀) ist zwischen der 3-dB-Kopplungsfrequenz und der zweiten Harmonischen lokalisiert. Als nächstes wird der Kopplungskoeffizient (C') eingestellt, bis die Kopplung in dem erwünschten Frequenzbereich von Interesse auftritt, die die nicht mittige Frequenz (F_0C1) genannt wird. Unter Verwendung der Kopplungsgleichungen, die hier offenbart werden, ist die physische Länge (1) der Übertragungsleitungen kürzer, da die elektrische Länge bei der Frequenz von Interesse weniger als eine viertel Wellenlänge beträgt. Folglich sind die gesamten äußeren Abmessungen des Pakets mit einem überkoppelten Design kleiner als bei einer traditionellen Richtungskopplerpaket, die eine traditionelle Kopplungstechnologie verwendet.
Vorteilhafterweise ermöglicht es die Verwendung eines überkoppelten Designs, den Richtungskoppler 300 kleiner (äußere Abmessungen), mit einer verringerten Paketgröße, herzustellen. Die Gesamthöhe des Paketes wird deutlich reduziert, da es weniger dielektrische Schichten in dem Paket gibt. Dies ist aufgrund der von der Industrie der tragbaren Telefone auferlegten Kriterien der Höhenanforderungen aus Sicht des Designs wichtig. Das vorliegende Design kann typischerweise in einer laminierten Struktur gefertigt werden, die einen Satz von dielektrischen Substraten umfasst. Die Anzahl der Schichten von dielektrischen Substraten hängt von der spezifischen Anwendung ab.
In einer Ausführung weist der Richtungskoppler 300 auf vielen derselben Substrate sowohl eine primäre als auch ei ne sekundäre Übertragungsleitung auf, die im Wesentlichen parallel zueinander auf einer Hauptoberfläche, vorzugsweise der oberen oder der unteren Oberfläche des Substrates, sind, um eine kantenartige Kopplungstechnik zu bilden. Zusätzlich werden die primären und sekundären Übertragungsleitungen entlang benachbarter dielektrische Substrate im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sein, um eine breitseitenartige Kopplungstechnik zu bilden.
Die Breitseitenkopplungstechnik braucht nicht notwendigerweise auf ausschließlich aufeinanderfolgende, dielektrische Schichten bzw. Lagen beschränkt zu sein. Obwohl eine starke breitseitenartige Kopplung zwischen aufeinanderfolgenden, dielektrischen Schichten auftritt, werden immer noch Kopplungen auftreten, wenn es eine, zwei oder mehrere dielektrische Schichten zwischen den Übertragungsleitungen gibt. Die breitseitenartige Kopplung kann z. B. zwischen jeder anderen dielektrischen Schicht, jeder dritten dielektrischen Schicht, oder in irgendeinem anderen alternierenden oder periodischen Muster erscheinen. Die Kopplung wird sicherlich schwächer werden, wenn die Übertragungsleitungen weiter voneinander entfernt sind, und es ist wichtig, dass keine dazwischenliegenden, als Elektroden aufgebrachte Übertragungsleitungen mit der breitseitenartigen Kopplung interferieren. Gemäß 5 tritt die breitseitenartige Kopplung auf abwechselnden Schichten auf, jedoch sind die dazwischenliegende Schichten in dem Bereich nicht elektrodenbehandelt oder unmetallisiert, in dem eine breitseitenartige Kopplung auftritt.
Zusammenfassend verwendet die Überkopplung bei einer höheren Frequenz das Erzeugen von Übertragungsleitungen, die eine kürzere elektrische Länge haben, und ergibt eine kleinere Paketgröße. Während traditionelle Richtungskoppler den Kopplungsbereich auf einen meisterwünschten Ort zwischen den gekoppelten Übertragungsleitungen einstellen, bezieht ein vollkommen neuer Ansatz das zweckgerichtete Überkoppeln ein, um einen anderen Bereich von der Kopplerausgangsleistungskennlinien (siehe 6) auszunutzen.
Ein bedeutendes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass durch Überkopplung bei einer höheren Frequenz zur Erreichung einer erwünschten Kopplung bei einer niedrigeren Frequenz die elektrische Länge bei der erwünschten niedrigeren Frequenz keine viertel Wellenlänge betragen wird. Dies ist bedeutend, weil im Wesentlichen bei allen vorliegenden Richtungskopplerdesigns davon ausgegangen wird, dass sie Übertragungsleitungen haben, die eine viertel Wellenlänge aufweisen. Ein Richtungskopplerdesign, in dem die Übertragungsleitungen kleiner als eine viertel Wellenlänge sind, erlaubt es, ein kleineres Paket zu verwenden, weil die internen Übertragungsleitungen eine kürzere Länge als herkömmliche Viertel-Wellenlängen-Richtungskoppler haben.
Wie aus 5 entnommen werden kann, werden die Übertragungsleitungen in einem Mehrschichtpaket in einer gewundenen Konfiguration angeordnet. Die Windung der Übertragungsleitungen in dem Paket hat den Effekt der Vergrößerung der Induktivität. Das hat zur Folge, dass die physische Übertragungsleitungslänge für eine gegebene elektrische Länge kürzer ist. Bei einer bevorzugten Ausführung können sich die Übertragungsleitungen in eine Richtung, die im Wesentlichen Windungen aufweist, ausdehnen, um die Induktivität zu erhöhen. Eine im Wesentlichen gewundene Richtung kann durch die Verwendung von einer im Wesentlichen quadrati schen, einer im Wesentlichen kreisförmigen, einer im Wesentlichen diamantformförmigen Konfiguration oder der gleichen erreicht werden. Somit kann das Winden der Übertragungsleitungen ein Design mit Übertragungsleitungen mit einer sogar kürzeren physischen Länge bewirken.
Das Übertragungsleitungsdesign von 5 erfüllt vorteilhafterweise auch andere Spezifikationen von Richtungskopplern. Mit dem Design der 5 kann der Richtungskoppler 300 Isolationsspezifikationen erfüllen, was bedeutet, dass im Wesentlichen keine Leistung an dem Isolationsausgang 4 (Port 4) der gekoppelten Übertragungsleitung vorhanden ist. Weiterhin werden Spezifikationen für den Return-Loss mit dem vorliegenden Design ebenfalls eingehalten oder übertroffen.
Der Richtungskoppler 300 verwendet auch eine kantenartige-breitseitenartige Kopplung einer Übertragungsleitungskoppelungstechnik, bei der die Übertragungsleitungen sowohl Seite an Seite auf jeder dielektrischen Schicht (Kantenkopplung) als auch im Wesentlichen vertikal durch die Mehrschichtpakets (Breitseitenkopplung) gekoppelt sind. Obwohl eine bevorzugte Ausführung kanten-breitseitengekoppelte Übertragungsleitungen enthält, ist eine andere Variation, die auch in Erwägung gezogen wird, ein Design, bei dem die Übertragungsleitungen nicht im Wesentlichen vertikal, sondern eher versetzt in der Mehrzahl der dielektrischen, keramischen Schichtlagen ausgerichtet sind. Durch Versatz der Übertragungsleitungen ist eine Kopplung nach wie vor gegeben und eine große Anzahl von Designvariationen ist dennoch möglich.
Es ist wichtig anzumerken, dass obwohl das Paar der Übertragungsleitungen sich über verschiedene dielektrische Schichten in verschiedenen Konfigurationen erstreckt, die gesamte physische Länge der primären und sekundären Übertragungsleitungen über das gesamte Paket im Wesentlichen dieselbe ist, bei einer bevorzugten Ausführungsform. Vom Standpunkt des Designs ist es wichtig, dass die Übertragungsleitungen die gleiche physische Länge aufweisen, um im Wesentlichen eine 90°-Phasendifferenz zwischen dem Durchgangsausgang und den gekoppelten Ausgängen aufrechtzuerhalten.
Für eine beliebige, gegebene Schicht kann eine Übertragungsleitung radial außerhalb der anderen angeordnet sein und für diese spezielle Schicht hat diese Übertragungsleitung eine größere physische Länge. Jedoch wird auf den nachfolgenden Schichten die andere Übertragungsleitung die äußere radiale Position einnehmen. Somit wird über den Verlauf der verschiedenen Schichten die gesamte physische Länge im Wesentlichen die gleiche sein, obwohl dies für eine individuelle Lage von Dielektrikum nicht der Fall sein muss.
Noch eine weitere Designbetrachtung involviert die strategische Anordnung von Durchkontaktierungen, zum Ausdehnen der Übertragungsleitungen über das Paket. Typischerweise wird jede der dielektrischen Lagen (302–308 in 5) zwei Paare von Durchgangskontaktierungen aufweisen, ein Paar, um die Übertragungsleitung von einer vorausgehenden Schicht aus Dielektrikum anzunehmen, und ein Paar, um die Übertragungsleitung auf die nächste Schicht weiterzuleiten. Diese Durchgangskontaktierungen, die in 5 aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt sind, werden typischerweise mit demselben Material gefüllt, welches zur Bildung der Elektrodenmuster verwendet wird, welche ihrerseits die Über tragungsleitungen bilden. Es sollte klar sein, dass die Übertragungsleitungen zu nachfolgenden Schichten auch auf andere Weise verbunden werden könnten, z. B. durch Einbeziehung von Seitenelektroden oder Seitenmetallisierungen bei anderen Anwendungen.
7 zeigt eine andere Ausführung des Richtungskopplers. In 7 sind die primäre Übertragungsleitung und die sekundäre Übertragungsleitung durch eine Kombination von kantenartiger und breitseitenartiger Kopplung gekoppelt. Jedoch ist 7 gezeigt, um ein Beispiel für eine Breitseitenkopplungstechnik zu geben, bei der die Breitseitenkopplung über aufeinanderfolgende Schichten in dem Mehrschichtpaket auftritt. Auch zeigt diese Ausführung eine andere Eingangs-Ausgangs-Designmöglichkeit, bei der die Eingangs-, Ausgangs- und Isolationsauflagen (Port 1, Port 2, Port 3 und Port 4) an den Ecken des Pakets angeordnet sind, und in der die Masseanschlüsse, bezeichnet mit dem Buchstaben "G", zwischen den des Eingangs-, Ausgangs- und Isolationsanschlusses angeordnet sind.
Mit Bezug auf 7 wird ein Satz von sechs Lagen dielektrischer Keramik geschichtet, die mit 701 bis 706 nummeriert sind, um ein Mehrschichtrichtungskopplerpaket 700 zu bilden.
Die Lage 701 ist auf einer Oberfläche im Wesentlichen metallisiert, um eine erste oder obere Masseebene GPl zu definieren.
Die Lage 702 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (B), die auf einer Hauptoberfläche der Lage 702 aufgebracht sind.
Die Lage 703 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (B), die auf ei ner Hauptoberfläche der Lage 703 aufgebracht sind. Die Übertragungsleitung (A) auf der Lage 702 koppelt kennzeichnenderweise mit der sekundären Übertragungsleitung (B) auf der Lage 703, da sie im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind. In ähnlicher Weise koppelt die sekundäre Übertragungsleitung (B) auf der Lage 702 mit der primären Übertragungsleitung (A) auf der Lage 703. Diese Ausführungsform zeigt ein fortlaufendes Breitseitenkopplungsdesign.
Die Lage 704 enthält eine primäre Übertragungsleitung (A) und eine sekundäre Übertragungsleitung (8), die auf einer Hauptoberfläche der Lage 704 aufgebracht sind. Die fortlaufende Breitseitenkopplung wird fortgesetzt, weil die primäre Übertragungsleitung (A) auf der Lage 704 mit der sekundären Übertragungsleitung (B) auf der Lage 703 koppelt und die sekundäre Übertragungsleitung (B) auf der Lage 704 mit der primären Übertragungsleitung (A) auf der Lage 703 koppelt.
Die Lage 705 definiert eine überdeckte, zweite oder untere Masseebene GP2. Die Bezeichnung "überdeckt" bezieht sich lediglich auf die Tatsache, dass die Masseebene sich nicht auf einer Oberfläche der Lage 706, sondern eher weiter vergraben in dem Mehrschichtpaket 700 befindet. Die Lage 706 enthält Eingangs-, Ausgangs- und Isolationsauflagen für die vier Anschlüsse des Richtungskopplers (Port 1, Port 2, Port 3 und Port 4) sowie auf Masse gelegte Bereiche, die mit dem Buchstaben "G" bezeichnet sind. Verglichen mit 5 ist die Eingangs-, Ausgangs-, Isolations- und Massekonfiguration leicht verschieden. Bei beiden Ausführungen sind die Masseanschlüsse zu Testhalterungszwecken im Wesentlichen nahe bei den Anschlüssen angeordnet. Eine Entscheidung, ob die Eingangs-, Ausgangs- und Isolationsaufla gen in den Ecken oder in dem Bereich zwischen den Ecken angeordnet werden, hängt von dem Layout der Leiterplatte, der verbleibenden Architektur des Systems, der Auflagengröße, des Platzbedarfes und anderen Designbetrachtungen ab. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Eingangs-, Ausgangs- und Isolationsauflage-Layout zur Erleichterung der Herstellung und des Testens wie in 5 dargestellt.
Wenn die Lagen 701 bis 706 in einem Mehrschichtkeramikpaket geschichtet sind, erhält man einen Richtungskoppler 700 mit einem Kombinationsdesign von Kantenkopplung und fortlaufender Breitseitenkopplung.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Richtungskoppler mit einem ultrakleinen Mehrschichtpaketdesign vor. Der Richtungskoppler hat eine primäre Übertragungsleitung, welche einen Eingang und einen Ausgang umfasst. Der Richtungskoppler schließt auch eine sekundäre Übertragungsleitung ein, die einen ersten gekoppelten Ausgang aufweist, der um 90° phasenverschoben bezüglich des Ausgangs der ersten Übertragungsleitung ist, und ein zweiter gekoppelter Isolationsanschluss ist mit Masse verbindbar, möglicherweise über einen Lastwiderstand. In einem idealen Richtungskoppler ist keine Leistung am zweiten gekoppelten Isolationsausgang vorhanden. In jedem realen System werden jedoch geringe Leistungsanteile auftreten, die als Isolation gemessen werden, die die Einführung eines Lastwiderstandes oder einer ähnlichen Vorrichtung rechtfertigen.
In einer Anordnung von gekoppelten Übertragungsleitungen wird ein Bruchteil der an dem Eingang 1 von einer primären Übertragungsleitung einfallenden Spannung zur der zweiten Übertragungsleitung gekoppelt, während die verbleibende Spannung durch die erste Übertragungsleitung zu dem Ausgang der ersten Übertagungsleitung (Port 3) wandern wird.
Zu jedem beliebigen Augenblick wird, wenn die Spannungen am Eingang der ersten Übertragungsleitung (Port 1) und an den gekoppelten Ausgang (Port 2) der zweiten Übertragungsleitung gemessen werden, die Polarität der Spannungen entweder dieselbe (positiv und positiv oder negativ und negativ) oder verschieden (positiv und negativ oder negativ und positiv) sein. Dies ist ein Resultat von verschiedenen elektromagnetischen Feldverteilungen, die zu verschiedenen Polaritätsszenarien führen.
Wenn die Polarität dieselbe ist, dann wird der Modus der Übertragung der "Gerade-Modus" ("even mode") genannt und die entsprechende charakteristische Impedanz ist eine Gerade-Modus-Impedanz. Umgekehrt wird, in dem Fall, in dem die Polarität umgekehrt ist, der Modus der Übertragung "Ungerade-Modus"-Übertragung ("odd mode") genannt, und seine charakteristische Impedanz wird Ungerade-Modus-Impedanz genannt.
Die relevanten Gleichungen, die zur Bestimmung der Gerade-Modus- und der Ungerade-Modus-Impedanzen sowie der Kopplungskoeffizienten und der physischen Länge einer Übertragungsleitung für eine gegebene Frequenz in einem konventionellen Richtungskopplerdesign verwendet werden, können folgendermaßen abgeleitet werden: Sei (Z₀) die charakteristische Impedanz der externen Leitungen die mit dem Koppler verbunden sind, und sei (Z_0e) die Gerade-Modus-Impedanz und sei (Zo_0o) die Ungerade-Modus-Impedanz des Richtungskoppler, dann folgt: Z0 2 = Z0e * Z0o (1.1)
Ein Kopplungsfaktor C' steht mit der Spannungsamplitude einer am Eingang 1 der primären Übertragungsleitung des Richtungskopplers einfallenden Welle in Beziehung und wird ausgedrückt in Dezibel (dB) als:
Aus der Gleichung 1.1 und 1.2 erhalten wir:
und:
Nun hat eine Leitung mit einer elektrischen Länge von B Radian in einem Medium der relativen Dielektrizitätskonstante ϵ_r eine physische Länge (1), die gegeben ist durch l = θc/2Πf√ϵr (1.5) Wobei:
l = eine physische Länge der Übertragungsleitung
f = eine in Herz gemessene Frequenz von Interesse
c = Lichtgeschwindigkeit.
Für eine Viertel-Wellenlänge- (λ/4-) Leitung (λ/4): θ=Π/2
Deshalb: lλ/4 = c/4f√ϵr (1.6)
Aus den Gleichungen 1.3, 1.4 und 1.6 könnte ein vorläufiges Design für einen traditionellen Richtungskoppler mit einem bekannten Bandmitten-Kopplungsfaktor (C') unter Verwendung von herkömmlicher Designsoftware simuliert werden. Aus der obigen Gleichung (1.5) kann die Übertragungsleitungslänge bestimmt werden, wenn die Frequenz von Interesse bekannt ist.
Eine Anwendund von Gleichung (1.5) auf das überkoppelte Design der vorliegenden Erfindung, ergibt, wenn die elektrische Länge in Radian gemessen ungefähr 9Π/26 beträgt, die Frequenz von Interesse ungefähr 900 MHz beträgt und die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Lagen ungefähr 7,8 beträgt, eine physische Länge der Übertragungsleitungen von ungefähr 0,808 Inch.
Wenn man dies mit einem konventionellen Design vergleicht, wie z. B. mit dem Koppler des Standes der Technik der in den 1 und 2 gezeigt ist, für den die elektrische Länge ungefähr Π/2 ist, die Frequenz ungefähr 900 MHz ist und die relative Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Lagen ungefähr 7,8 ist, dann ergibt dies eine physische Länge der Übertragungsleitung von ungefähr 1,167 Inch. Wie klar durch die Verwendung dieser Gleichungen ist, wird die gesamte physische Länge der Übertragungsleitung erheblich reduziert, indem ein überkoppeltes Design verwendet wird, was in ein Paket ergibt, das ebenfalls erheblicher kleiner ist.
Unter Verwendung der obigen Gleichungen könnten Berechnungen für einen "überkoppelten" Richtungskoppler durchgeführt werden. In einem Richtungskoppler wird die Kopplung durch das Zusammenbringen der primären und sekundären Übertragungsleitungen in enge Nähe zueinander erreicht, so dass die elektrische Energie von einer Übertragungsleitung zu der anderen übertragen wird, ohne dass die Leitungen in direkten physischen Kontakt miteinander kommen. Ein Richtungskoppler wird "überkoppelt" genannt, wenn zu dem gekoppelten Ausgang (Port 2) ein größerer Bruchteil der einfallenden Leistung (Port 1) als zu dem Durchgangausgang (Port 3) gelangt. Anders ausgedrückt, ein Richtungskoppler ist überkoppelt, wenn der Kopplungsfaktor (C') größer als –3 dB (z. B. ungefähr –2,3 dB ) ist.
Beispiel 1:
Ein im Wesentlichen wie in 5 gezeigter Richtungskoppler wurde hergestellt, indem zehn Lagen von dielektrischen, keramischen Bandmaterial verwendet wurden. Zunächst Wurde ein 3-dB-Richtungskoppler bei 900 MHz als das erwünschte letztendliche Produktdesign bestimmt. Anstelle der Verwendung von konventionellen Kopplungsdesigns, welche eine Übertragungsleitung benötigen würden, die ungefähr 1,167 Inches in der Länge erfordern würden, wurde die er findungsgemäße Überkopplungstechnik verwendet, was eine Übertragungsleitung ergab, die in ihrer Länge erheblich kürzer war. Als ein direktes Resultat dieser Notwendigkeit einer kürzeren Übertragungsleitung wurde ein kleineres Paket unter Verwendung von weniger Schichten von dielektrischer Keramik hergestellt.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Gleichungen (1.1 bis 1.6) wurden die Gerade-Modus-Impedanzen und die Ungerade-Modus-Impedanzen sowie die Übertragungsleitungslänge bestimmt. Zunächst wurde unter Verwendung von Simulationssoftware für konventionelle Designs ein Mehrschichtpaketdesign erzeugt. Die Simulationsparameter schlossen die Anzahl der benötigten dielektrischen Schichten, die optimale Breite für die Übertragungsleitungen, das Gesamtlayout, den Abstand zwischen den Masseebenen sowie andere elektrische Parameter wie z. B. Impedanz- und die Kopplungskoeffizienten ein. Aus diesen Simulationen wurde ein repräsentativer 3-dB-Richtungskoppler unter Verwendung eines überkoppelten Designs verwirklicht.
Vorbestimmte Elektrodenmusterformen wurden auf jede Schicht aufgebracht. Bei einer bevorzugten Ausführung wurde ein Pastenmaterial aus leitendem Silber verwendet. Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Übertragungsleitungen typischerweise ungefähr 0,010 Inch breit, ungefähr 0,0004-0,0006 Inch hoch, und sie sind ungefähr 0,010 Inch auf den dielektrischen Lagen beabstandet. Die zehn Lagen wurden dann unter Druck und Temperatur unter Verwendung von konventionellen Mehrschichtbearbeitungstechniken zusammen geschichtet. Das Paket wurde dann erhitzt, um eine vollständige Verdichtung zu erhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die dielektrischen Lagen nach dem Erhitzen ungefähr 0,00375 Inch dick. Das erhitzte Paket hatte äußere Abmessungen von ungefähr 0,14 Inch mal ungefähr 0,165 Inch mal ungefähr 0,048 Inch. Die Höhenabmessungen schließen einige (nicht gezeigte) nicht metallisierte Lagen ein, die aus Designgründen eingefügt wurden. Diese ultrakleinen äußeren Gesamtabmessungen des Pakets sind aufgrund des Überkopplungsdesign erreichbar, welches Übertragungsleitungen mit einer kürzeren Länge ergibt.
Schließlich wurden Eingangs-, Ausgangs- und Isolationsauflagen auf der Oberfläche des Pakets als Struktur aufgebracht. Eine Masseebene wurde strategisch auf einer zweiten Schicht Dielektrikum aufgebracht, um eine überdeckte Masseebene zu bilden (diese Masseebenenschicht, die durch eine Metallisierungselektrodenschicht gebildet wird, könnte bei einer anderen Ausführungsform auch auf der oberen Oberfläche des Richtungskopplers angeordnet werden).
Um eine erwünschte Frequenz von Interesse im Bereich von ungefähr 900 MHz (geeignet für zellulare Telefonanwendungen) zu erreichen, wurden die Übertragungsleitungen in einem Design überkoppelt, bei welchem die überkoppelte Mittelfrequenz ungefähr 1300 MHz beträgt. Dies führt zu einer Übertragungsleitung, die weniger als eine viertel Wellenlänge aufweist, und zu einem entsprechend kleinen Mehrschichtpaket führt.
Obwohl Beispiel 1 ein spezifisches Design zeigt, bei welchem die Überkopplungstechnik benutzt wurde, um einen 3-dB-Standard- oder Halbleistungs-Richtungskoppler herzustellen, sollte klar sein, dass andere Kopplungstechniken mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden können. Z. B. könnte auch ein Koppler, der eine geringere Kopplung als die herkömmlichen 3 dB-Koppler aufweist, wie z. B. ein 6-dB oder ein 10-dB-Koppler, durch den Fachmann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Überkopplungstechnik entworfen werden. Daher zieht die vorliegende Erfindung eine Technik zum Erzeugen einer Vielzahl von Kopplungen in einem sehr kleinen Volumen in Erwägung, die weniger Schichten dielektrischer Keramik benötigen.
Vergleichendes Beispiel 1:
Ein Standardrichtungskoppler, der der in der Industrie erhältlich ist und der herkömmliche Kopplungstechniken, wie in 2 gezeigt, verwendet, wurde ausgewertet. Seine äußeren Paketabmessungen wurden gemessen und als ungefähr 0,130 Inch mal ungefähr 0,180 Inch mal ungefähr 0,080 Inch bestimmt. Es ist wichtig zu bemerken, dass, obwohl dieser Richtungskoppler in einem Mehrschichtpaket hergestellt wurde, seine äußeren Abmessungen deutlich größer als die des erfindungsgemäßen schmalbandigen überkoppelten Richtungskoppler in einem Mehrschichtpaket waren. Noch bedeutender ist, dass der Richtungskoppler-Standard in der Industrie (ohne das überkoppelte Design) ungefähr 69% größer im Volumen ist als der erfindungsgemäße, überkoppelte Richtungskoppler. Der in der Industrie erhältliche Standardrichtungskoppler verwendet kein überkoppeltes Design. Als eine Folge hat der Standardrichtungskoppler der Industrie Übertragungsleitungen mit einer größeren Länge, die zu einem Paket mit größeren Abmessungen führen. Zusätzlich ist die Höhenabmessung einer Leiterplatte ein wichtiges Designkriterium bei der tragbaren elektronischen Telekommunikationsausrüstung. Der überkoppelte Richtungskoppler der vor liegenden Erfindung weist nur ungefähr 60% der Höhe von anderen Standardrichtungskopplern in der Industrie auf.

Claims

Richtungskoppler, der aufweist: eine Mehrschichtenstruktur, die eine Mehrzahl von dielektrischen Substraten (301, 302, ... 310) umfasst, wobei mindestens zwei dielektrische Substrate eine primäre und eine sekundäre Übertragungsleitung (A, B) umfassen, die auf diesen angeordnet sind; wobei die primäre Übertragungsleitung (A) einen Eingang (PORT 1) und einen Ausgang (PORT 3) umfasst und wobei die sekundäre Übertragungsleitung (B) einen ersten gekoppelten Ausgang (PORT 2), der bezüglich dem Ausgang der primären Übertragungsleitung um ungefähr 90° phasenverschoben ist, und einen zweiten gekoppelten Isolationsausgang (PORT 4) umfasst, der mit Masse verbindbar ist; wobei die primäre Übertragungsleitung (A) und die sekundäre Übertragungsleitung (B) über eine Kombination von kantenartiger Kopplung und breitseitenartiger Kopplung verbunden sind; wobei die kantenartige Kopplung zumindest Teile der primären Übertragungsleitung (A) und der sekundären Übertragungsleitung (B) umfasst, die im Wesentlichen parallel zueinander auf einer Hauptoberfläche von einem der die- 1ektrischen Substrate liegen, und wobei die breitseitenartige Kopplung zumindest Teile der primären Übertragungsleitung (A) und der sekundären Übertragungsleitung (B) umfasst, die durch ein benachbartes dielektrisches Substrat im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind; und wobei die primären und sekundären Übertragungsleitungen (A, B) im Wesentlichen überkoppelt sind, wodurch ein überkoppelter Bereich (602) definiert wird, mit einer überkoppelten Mittelfrequenz (f₀) und einem hochseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunkt (604') und einem niederseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunkt (604), wobei ein Bereich in der Nähe des hochseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunktes und des niederseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunktes einen hochseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereich (606') und einen niederseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereich (606) definiert, wobei zumindest einer des hochseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereichs und des niederseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereichs eine vorherbestimmte nicht mittige Frequenz definiert, die sich von der überkoppelten Mittelfrequenz (f₀) unterscheidet.
Richtungskoppler nach Anspruch 1, bei dem mindestens einer des hochseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereichs und des niederseitigen Halbleistungs-Kopplungsbereichs eine vorbestimmte Leistungsaufteilungscharakteristik des Richtungskopplers umfasst und eine Halbleistungs-Kopplung in diesem Bereich auftritt.
Richtungskoppler nach Anspruch 1, bei dem die erste und zweite Übertragungsleitung im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen.
Richtungskoppler nach Anspruch 1, bei dem sowohl der hochseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich als auch der der niederseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich Halbleistungs-Punkte umfasst, die einen Dualband-Richtungskoppler definieren.
Richtungskoppler des Anspruchs 1, bei dem der Richtungskoppler ein 3 dB Richtungskoppler ist.
Richtungskoppler nach Anspruch 1, bei dem die Kombination von kantenartiger Kopplung und breitseitenartiger Kopplung umfasst, dass die erste und zweite Übertragungsleitung teilweise vertikal verschoben sind, wodurch eine Kombination von versatzartiger und kantenartiger Kopplungstechnik definiert wird.
Richtungskoppler nach Anspruch 1, bei dem die Mehrschichtenstruktur des Weiteren, auf einer unteren Oberfläche von ihr, ein Eingangspad und ein Ausgangspad, die mit der primären Übertragungsleitung verbunden sind, und ein Isolationspad und ein Ausgangspad aufweist, die mit der sekundären Übertragungsleitung verbunden sind.
Richtungskoppler nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine der ersten Übertragungsleitung und der zweiten Übertragungsleitung eine Übertragungsleitungslänge von weniger als einer viertel Wellenlänge Θ < Π/2 und eine physische Länge l aufweist, mit: l = θc/2Πf√εr und: l = die physische Länge einer Übertragungsleitung; f = die nicht mittige, in Hertz gemessene Frequenz; c = die Lichtgeschwindigkeit; ε_r = die relative Dielektrizitätskonstante des Mediums; und θ = die elektrische, in Radian gemessene Länge.
Richtungskoppler, der aufweist: eine Mehrschichtenstruktur, die eine Mehrzahl von dielektrischen Substraten (301, ... 310) umfasst, wobei mindestens zwei dielektrische Substrate eine primäre und eine sekundäre Übertragungsleitung (A, B) umfassen, die auf diesen angeordnet sind; wobei die primäre Übertragungsleitung (A) einen Eingang (PORT 1) und einen Ausgang (PORT 3) umfasst und wobei die sekundäre Übertragungsleitung (B) einen ersten gekoppelten Ausgang (PORT 2), der bezüglich dem Ausgang der primären Übertragungsleitung um ungefähr 90° phasenverschoben ist, und einen zweiten gekoppelten Isolationsausgang (PORT 4) umfasst, der mit Masse verbindbar ist; wobei die primäre Übertragungsleitung (A) und die sekundäre Übertragungsleitung (B) über eine Kombination von kantenartiger Kopplung und breitseitenartiger Kopplung verbunden sind; wobei die kantenartige Kopplung zumindest Teile der primären Übertragungsleitung (A) und der sekundären Übertragungsleitung umfasst, die im Wesentlichen parallel zueinander auf einer Hauptoberfläche von einem der dielektrischen Substrate liegen, und wobei die breitseitenartige Kopplung zumindest Teile der primären Übertragungsleitung (A) und der sekundären Übertragungsleitung (B) umfasst, die durch ein benachbartes dielektrisches Substrat im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind; und wobei die primären und sekundären Übertragungsleitungen (A, B) im Wesentlichen überkoppelt sind, wodurch ein überkoppelter Bereich (602) mit einer überkoppelten Mittelfrequenz (f₀) und einem niederseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunkt (604) definiert wird, wobei ein Bereich in der Nähe des niederseitigen Halbleistungs-Überkreuzungspunktes eine niederseitige Halbleistungs-Kopplungsbereich (606) definiert, der eine vorbestimmte nicht mittige Frequenz aufweist, die niedriger als die überkoppelte Mittelfrequenz (f₀) ist.
Richtungskoppler nach Anspruch 9, bei dem eine zweite dielektrische Lage eine metallisierte Schicht zur Verfügung stellt, die eine versenkte Masse (GP2) definiert.