EP1303001B1 - A broadband microstrip directional coupler - Google Patents
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- EP1303001B1 EP1303001B1 EP01124552A EP01124552A EP1303001B1 EP 1303001 B1 EP1303001 B1 EP 1303001B1 EP 01124552 A EP01124552 A EP 01124552A EP 01124552 A EP01124552 A EP 01124552A EP 1303001 B1 EP1303001 B1 EP 1303001B1
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- H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
- H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
- H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
- H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
- H01P5/184—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being strip lines or microstrips
- H01P5/185—Edge coupled lines
Definitions
- the present invention relates to a broadband Directional coupler in microstrip technology and the Use of such a directional coupler.
- Such directional couplers come in high and ultra high frequency applications used to get from one up a first line led signal a defined, in general small share on one überzukoppeln second line and so in particular For control or monitoring purposes.
- Such a directional coupler generally includes a Substrate on which the two wires are galvanically isolated are guided through a coupling zone, in they are capacitive and magnetic to each other influence.
- the directionality is achieved by the combined Exploitation of capacitive and magnetic Coupling. If a point of the second line of a signal carried on the first line capacitive is influenced by it, so signals from him same phase in both directions of the second line out. With magnetic coupling of a point differ from him in different Directions outgoing signals by 180 ° in phase. This feature is used with directional couplers, by capacitive and magnetic coupling so be combined with each other, that both are equal strong contributions to the second line generated Signal deliver, but with the contributions for in a first direction of the second line structurally overlay the propagating signal and for a propagating in the opposite direction Overlay signal destructively.
- US-A-4,999,593 also discloses in Fig. 2 a Directional coupler whose coupling range is shorter than that of a conventional ⁇ / 4-directional coupler. Between two sections of one of the lines of the coupling region is a meandering phase shift path inserted. From not explained in more detail Reasons are at both ends of the coupling area Condenser networks between the both lines and ground needed.
- US 5,424,694 discloses a double in FIG Directional coupler, in which in a coupling region three ladders, one middle and two in addition parallel outer.
- the middle ladder is at one Signal input or output connected; a coupling between the two outer conductors over the middle away is not provided.
- the coupling lines 5, 6 respectively one at the operating frequency of the directional coupler form a resonant system.
- the resonant elevation the currents on the coupling lines leads to one compared to non-resonant line sections increased radiation and thus on the one hand to losses and on the other hand to a strong influence on the currents in the directional coupler through at the metallization of the opposite Substrate side reflected and phase-delayed the Coupling zone reaching fields. Since it was up to now Techniques to prevent or reduce radiation Missing, one tries, their disturbing influence to minimize by using the thinnest possible substrates, the only a relatively small phase shift between the streams in the coupling zone and bring about the fields reflected back into these fields. The mechanical sensitivity of these thin Substrates affect the durability of the they made couplers and the yield at their Production.
- An object of the present invention is a Directional coupler with a novel design principle indicate the low consumption Substrate surface has a very large bandwidth or specify a use for a directional coupler, which allows with a directional coupler of small dimensions to achieve a large bandwidth.
- Another object of the invention is a Directional coupler with reduced radiation to create.
- directional coupler with the features of claim 1.
- unconnected Conductor surface simply said the function a series connection of two capacitors, wherein a first capacitor through the first line and one of these facing edge of the unconnected Conductor surface and the second through the second line and one of these facing edge of the conductor surface is formed.
- This construction allows by varying the shape of the conductor surface the Coupling capacity between first and second line to vary widely, without this Changes in parasitic capacities in corresponding Scope are connected.
- each line consists of two rectilinear sections, the in the coupling zone forming an angle immediately meet, with the so spanned Angle a common bisector to have.
- the two lines of the Directional coupler outside the coupling zone in two mutually perpendicular directions. This will be legs mutual magnetic influence of the lines as far as possible outside the coupling zone locked out.
- the sections of the lines of the directional coupler are in each case preferably in strip form with one the edges of the strip vertical end edge. This allows an arrangement in which the two sections of each line each with a Ekke overlap their end edge.
- suitable Choice of the width of this overlap area can be a weakly inductive behavior of the first or second line can be achieved. Such Behavior is desirable to the capacitive Influence of unconnected conductor surface on the reflection behavior to balance the lines.
- the unconnected conductor surface preferably has one square outline, especially with the end edges the strip-shaped line sections facing Edge.
- a directional coupler symmetrical with respect to a first axis of symmetry, a reflection at the first axis of symmetry convicting each of the two lines, such a symmetrical, from the direction of propagation a signal on the first or second line independent behavior of the directional coupler to achieve.
- the conductor surface of two in each case the first or second lines facing, through a extending along the first axis of symmetry web-shaped conductor piece connected sections is constructed. This web-shaped conductor piece ensures that the presence of unconnected Conductor surface only the capacitive coupling between first and second lines, not but the inductive coupling affects. It runs preferably along the axis of symmetry.
- the sections facing the first and second line, respectively are preferably L-shaped, in particular each having one of an end edge of a rectilinear one Line section opposite leg.
- Fig. 2 illustrates the basic principle of the present invention with reference to a plan view of a first example of a directional coupler according to the invention.
- the directional coupler is composed of a substrate 10, for example of Al 2 O 3 , which has a metallization on its underside not shown in the figure and on its upper side two microstrip-generated lines 11, 12 and between them one with two lines 11, 12 unconnected conductor surface 20 carries. Parallel to each other, on both sides of the unconnected conductor surface 20 extending portions of the first and second lines 11, 12 are referred to as first and second coupling line 15 and 16; Together with the conductor surface 20, they form the coupling zone of the directional coupler.
- the lines 11, 12 and the unconnected conductor surface 20 are in a same operation, through local application of metal or local removal a continuous metallization, formed and therefore have the same composition and Schichtdikke.
- Straight line sections 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 each extend from points 1, 2, 3, 4 the lines 11, 12 to one end of the coupling line 15 or 16.
- Points 1 to 4 will be the next in the series after as first input terminal, first output terminal, second output terminal or second Input terminal, the distinction in between input and output connections Terminological nature is and no technical Differences implied.
- the names are up a randomly chosen propagation direction of a Signals related to the first line: when this via the first input terminal 1 in the Coupler enters and over the first output terminal 2 exit, so the decoupled Signal component appear at the second output terminal 3; possibly at the second input connection 4 appearing signal component is undesirable.
- connections 1 to 4 can, if the directional coupler formed on its own on the substrate 10 is, actual ends of the lines 11, 12 on be the substrate; if he works with other components integrated together on a substrate, it can around any points of a trace between the directional coupler and another component act.
- the line section 13-1 is perpendicular to the Sections 13-2 and 13-3 as well as parallel to the section 13-4 oriented to a magnetic coupling of section 13-1 at 13-2 and 13-3.
- the lines 11, 12 go through reflection at a first line of symmetry 18 in itself itself over.
- the second line 12 is relative to a second one Symmetry line 19, which is perpendicular to the first line of symmetry 18 runs in mirror image to the first Line 11 is formed.
- the coupling lines 15, 16 extends, with this unconnected, the conductor surface 20.
- This construction allows for given geometry of the first and second coupling lines 15, 16 and thus given magnetic coupling the capacitive coupling between the lines by varying the Width of column 21 to a large extent to change without this with a change of shape and Position of the first and second lines 11 to 16 must be connected, and consequently without an essential one Change of the parasitics acting on this line Capacities.
- the conductor surface 20 in a plurality of each other unconnected, in the longitudinal direction subdivide successive individual surfaces.
- the capacitive coupling is in the construction of Fig. 2 over the entire length of each other parallel coupling conductor 15, 16 evenly distributed and as strong as the magnetic coupling.
- the length of the coupling lines so to reduce as much as possible.
- the length of the coupling lines 15, 16 is therefore in any case significantly smaller than ⁇ 1 / 4, when ⁇ 1 is the shorter of two wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, each of the upper and lower limit frequency of a frequency band correspond, in which the coupler is effective.
- the brevity of the coupling zone and on the other hand the same strength of the magnetic and the capacitive coupling make sure that within the frequency band in which the coupler is effective is to build up no resonances in the coupling zone can. There is therefore no resonant current increase in the coupling zone, and consequently the radiation is low.
- the behavior of the Directional coupler is therefore only slightly radiated by and at the metallization on the opposite Substrate side influenced fields. Therefore, a larger phase shift can occur between the in the coupling zone on one the lines 11 or 12 fed signal and these reflected fields in the coupling zone be accepted, as in the above-described conventional design principle.
- Directional coupler on comparatively thick, stable Substrates made easily and in good yield can be, or at a given substrate thickness an operation of the directional coupler at comparatively high frequencies.
- FIG. 3 An evolved design that has the advantages the embodiment shown above and others is shown in Fig. 3.
- the rectilinear sections 13-1 and 13-2 of the first Line 11 and 13-3, 13-4 of the second line 12 each meet directly at right angles at the first line of symmetry 18 on each other.
- the Lines 13-1 to 13-4 each have the form of Strips with parallel longitudinal edges and one to the longitudinal edges vertical end edge 14, and they overlap each other in the area of a Ekke the end edge, as the example of the first line 11 shown as a dashed square 22.
- the Unconnected conductor surface 20 ' has the shape here a square, each parallel to the end edges 14 Edge.
- the length of the coupling zone is minimized, here is a breakdown the conductor surface 20 'in several sub-areas along the line of symmetry 19 no additional suppression of magnetic coupling across the conductor surface 20 'to be expected; rather, it is to be assumed that such a division here is the magnetic Coupling promotes.
- FIG. 4 Another improvement is on the top view of Fig. 4 shown.
- the sections 23 “, 24" are respectively essentially L-shaped, with legs of equal length, the end edges 14 of the straight line sections 13-1, 13-2, 13-3, 13-4 facing are.
- the section 25 has the shape of an elongated Bridge and connect the vertices the L-shaped sections 23 ", 24" along the first Line of symmetry 18.
- a fine adjustment of the capacitive coupling can by optimizing the width e of the legs of the L-shaped Sections as well as the width d of the column between the L-shaped sections 23 ", 24" and the end edges 22 of the lines can be achieved.
- Figs. Figures 6 and 7 show each for different signal frequencies the strength S (1,3) of the desired, from the first input terminal 1 to the second output terminal 3 transmitted signal and S (1,4) of the unwanted, at the second input terminal 4 appearing signal for a directional coupler with the specified values of the parameters a to e. you recognizes an excellent directionality with a Level difference of over 20 dB between the two Signals S (1,3) and S (1,4) throughout the examined Frequency range from 19 to 27 GHz.
- the phase drift of the signal at the second output terminal 3 in FIG Dependence on the frequency is low, like that Smith chart of Fig. 7 shows.
- the present invention provides an extremely compact directional coupler with large Bandwidth and excellent directionality. While with conventional directional couplers extremely thin Substrates must be used even at high Operating frequencies satisfactory directionality can be achieved in the context of the present invention relatively thick substrates are used what the durability of the coupler and also the yield Improved in mass production and thereby Cost reduced.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen breitbandigen Richtkoppler in Microstrip-Technik sowie die Verwendung eines solchen Richtkopplers.The present invention relates to a broadband Directional coupler in microstrip technology and the Use of such a directional coupler.
Derartige Richtkoppler kommen in Hoch- und Höchstfrequenzanwendungen zum Einsatz, um von einem auf einer ersten Leitung geführten Signal einen definierten, im allgemeinen kleinen Anteil auf eine zweite Leitung überzukoppeln und so insbesondere zu Steuer- oder Überwachungszwecken abzugreifen.Such directional couplers come in high and ultra high frequency applications used to get from one up a first line led signal a defined, in general small share on one überzukoppeln second line and so in particular For control or monitoring purposes.
Ein solcher Richtkoppler umfaßt im allgemeinen ein Substrat, auf dem die zwei Leitungen galvanisch getrennt durch eine Kopplungszone geführt sind, in der sie sich kapazitiv und magnetisch gegenseitig beeinflussen.Such a directional coupler generally includes a Substrate on which the two wires are galvanically isolated are guided through a coupling zone, in they are capacitive and magnetic to each other influence.
Auf der ersten Leitung können Signale im allgemeinen den Koppler in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. On the first line, signals in general the coupler in opposite directions run through.
Es ist für viele Anwendungen wichtig, selektiv nur diejenigen Signale abgreifen zu können, die sich in einer der zwei entgegengesetzten Richtungen der ersten Leitung ausbreiten, oder sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitende Signale voneinander unterscheiden zu können, so z.B., um mit Hilfe eines zwischen einer Senderendstufe und einer Antenne angeordneten Richtkopplers das Ausgangssignal der Endstufe von einem eventuell von der Antenne reflektierten Signal unterscheiden zu können. Hierfür ist es notwendig, daß der Richtkoppler ein hohes Maß an Gerichtetheit aufweist, d.h. wenn ein Eingangssignal auf der ersten Leitung den Richtkoppler in einer Richtung durchläuft, so soll das dadurch auf der zweiten Leitung hervorgerufene Signal sich in dieser mit ganz überwiegender Intensität auch nur in eine Richtung ausbreiten.It is important for many applications, selective only to be able to pick up those signals that are in one of the two opposite directions of the first Spread out line, or in opposite direction Directions propagating signals from each other to be able to distinguish, for example, with the help of a between a transmitter output stage and an antenna arranged Richtkopplers the output signal of Amplifier from a possibly reflected from the antenna Signal to distinguish. Therefor it is necessary that the directional coupler a high Has degree of directionality, i. if an input signal on the first line the directional coupler goes through in one direction, so should that on the second line evoked signal itself in this with very predominant intensity too only spread in one direction.
Die Gerichtetheit wird erzielt durch die kombinierte Ausnutzung von kapazitiver und magnetischer Kopplung. Wenn ein Punkt der zweiten Leitung von einem auf der ersten Leitung geführten Signal kapazitiv beeinflußt wird, so gehen von ihm Signale mit gleicher Phase in beide Richtungen der zweiten Leitung aus. Bei magnetischer Kopplung eines Punktes unterscheiden sich die von ihm in verschiedenen Richtungen ausgehenden Signale um 180° in der Phase. Diese Eigenschaft wird bei Richtkopplern genutzt, indem kapazitive und magnetische Kopplung so miteinander kombiniert werden, daß beide gleich starke Beiträge zum in der zweiten Leitung erzeugten Signal liefern, wobei sich aber die Beiträge für ein in eine erste Richtung der zweiten Leitung propagierendes Signal konstruktiv überlagern und für ein in entgegengesetzter Richtung propagierendes Signal destruktiv überlagern.The directionality is achieved by the combined Exploitation of capacitive and magnetic Coupling. If a point of the second line of a signal carried on the first line capacitive is influenced by it, so signals from him same phase in both directions of the second line out. With magnetic coupling of a point differ from him in different Directions outgoing signals by 180 ° in phase. This feature is used with directional couplers, by capacitive and magnetic coupling so be combined with each other, that both are equal strong contributions to the second line generated Signal deliver, but with the contributions for in a first direction of the second line structurally overlay the propagating signal and for a propagating in the opposite direction Overlay signal destructively.
Eine solche Wirkung ist durch einfache Parallelführung der ersten und zweiten Leitungen in der Kopplungszone nicht zu erzielen, da in einem solchen Fall die Kopplung ganz überwiegend magnetischer Natur ist.Such an effect is by simple parallel guidance the first and second lines in the coupling zone impossible to achieve, because in such a Case the coupling is predominantly magnetic nature is.
Es ist daher notwendig, eine Geometrie für die verschiedenen
Leitungen des Richtkopplers zu finden,
die die kapazitive Kopplung im Vergleich zur magnetischen
begünstigt. Eine bekannte und bereits in
US-A-5,159,298 als Stand der Technik beschriebene
Lösung dieses Problems ist in Fig. 1 gezeigt. Die
zwei Leitungen umfassen zwischen Ein-/Ausgangsanschlüssen
1, 2, 3, 4 des Richtkopplers
zwei Kopplungsleitungen 5, 6, die sich in einem
vorgegebenen Abstand parallel zueinander erstrecken
und einander in einem von ihrem Abstand abhängigen
Ausmaß überwiegend magnetisch beeinflussen. Jeweils
an den Enden der parallelen Kopplungsleitungen 5, 6
befinden sich Bereiche starker kapazitiver Kopplung
in Form von zur jeweils anderen Kopplungsleitung
hin vorspringenden Leiterabschnitten 7, die lokal
eine überwiegend kapazitive Kopplung liefern.It is therefore necessary to have a geometry for the different ones
To find lines of the directional coupler
the capacitive coupling compared to the magnetic
favored. A well-known and already in
US-A-5,159,298 described as prior art
Solution to this problem is shown in Fig. 1. The
two lines between input /
Eine ähnliche Konstruktion ist aus US-5 767 763 A1 bekannt. Hier bestehen die Kopplungsleitungen jeweils aus zwei zueinander senkrecht orientierten Abschnitten, deren Enden einander zugewandt sind und die Bereiche starker kapazitiver Kopplung bilden.A similar construction is known from US-5 767 763 A1 known. Here are the coupling lines respectively from two mutually perpendicular oriented Sections whose ends face each other and the areas of strong capacitive coupling.
Mit einem nach dem bekannten Schema der Fig. 1 aufgebauten
Koppler ist eine gute Gerichtetheit für
Frequenzen erreichbar, deren Wellenlänge in den
Leitungen der vierfachen Länge der Kopplungsleitungen
5 bzw. 6 entspricht. Wird von dieser Frequenz
abgewichen, so verändert sich die relative Phasenlage
der kapazitiven Beiträge der vorspringenden
Leiterabschnitte 7, eine befriedigende Gerichtetheit
ist daher bedingt durch das Konstruktionsprinzip
nur innerhalb eines schmalen Bandes um diese
eine Frequenz herum erreichbar.
US-A-5,159,298 untersucht Möglichkeiten, durch einen
einzelnen lokalisierten Kondensator die Gerichtetheit
eines Richtkopplers mit einer elektrischen
Länge le = π/2 zu optimieren.With a constructed according to the known scheme of Fig. 1 coupler good directionality for frequencies can be achieved, whose wavelength in the lines of four times the length of the
Um einen breitbandigeren Richtkoppler zu bauen, wäre es an sich wünschenswert, die Länge der Kopplungszone zu reduzieren. Dies stößt jedoch bei dem herkömmlichen Bauprinzip auf Schwierigkeiten, denn die Realisierung einer Kopplungskapazität zwischen den ersten und zweiten Leitungen impliziert stets auch das Auftreten einer parasitären Kapazität zwischen den Leitungen und einer Masseebene, die auf einer den Leitungen gegenüberliegenden Seite des Substrats aufgebracht ist. Das Vorhandensein der parasitären Kapazität bewirkt Störungen im Verhalten der Kopplungszone. Herkömmlicherweise werden diese Störungen dadurch kompensiert, dass die Kopplungskapazitäten jeweils paarweise in einem Abstand von λ/4 angeordnet werden, wobei λ die Wellenlänge ist, die der Mittenfrequenz des Frequenzbandes entspricht, in dem der Koppler wirksam ist. Dieser Abstand λ/4 legt daher eine Mindestgröße fest; die die Kopplungszone haben muss. Wollte man die Kopplungszone unter dieses Maß verkleinern, so müsste man die durch das Vorhandensein der Kopplungskapazität bedingten Störungen mit Hilfe von induktiven oder kapazitiven Hilfsstrukturen ausgleichen.In order to build a broadband directional coupler, it would be desirable per se to reduce the length of the coupling zone. However, this encounters difficulties in the conventional design principle, because the realization of a coupling capacity between the first and second lines always implies the occurrence of a parasitic capacitance between the lines and a ground plane, which is applied to a side of the substrate opposite the lines. The presence of the parasitic capacitance causes disturbances in the behavior of the coupling zone. Conventionally, these disturbances are compensated for by arranging the coupling capacitances in pairs at a distance of λ / 4, where λ is the wavelength corresponding to the center frequency of the frequency band in which the coupler is effective. This distance λ / 4 therefore defines a minimum size; which must have the coupling zone. If you wanted to opplungszone the K decrease below this level, so you would have to compensate the caused by the presence of the coupling capacitance disorders using inductive or capacitive auxiliary structures.
In US-4,376,921 wird ein Richtkoppler vorgeschlagen, bei dem die Länge des Kopplungsbereichs deutlich kleiner als λ/4 gemacht ist. Um ein aus der Verkürzung des Kopplungsbereichs resultierendes Defizit an kapazitiver Kopplung zu beheben, ist zwischen den Leitungen ein zusätzliches kapazitives Kopplungselement in Form von ein oder mehreren Leiterbahnfingern angebracht, die sich jeweils von einer Leitung aus zur anderen hin erstrecken, ohne sie zu erreichen.In US-4,376,921 a directional coupler is proposed in which the length of the coupling area clearly less than λ / 4 is made. To get one out of the Shortening of the coupling area resulting deficit to fix capacitive coupling is between the lines an additional capacitive Coupling element in the form of one or more track fingers attached, each of a Lead out to the other, without to reach her.
Während bei US-A-4,376,921 die Leiterbahnfinger jeweils einem geraden Stück der anderen Leitung gegenüberliegen oder zwischen Leiterbahnfinger der anderen Leitung eingreifen, beschreibt US-3,496,492 eine Leiterbahngeometrie, bei der einander gegenüberliegende Leiterbahnvorsprünge der zwei Leitungen zur Kompensation einer sonst überwiegend induktiven Kopplung dienen.While in US-A-4,376,921 the conductor fingers each a straight piece of the other line opposite or between strip finger of the to intervene with another line, US 3,496,492 a trace geometry, in the opposite one another Trace protrusions of the two lines to compensate for an otherwise predominantly inductive Serve coupling.
US-A-4,999,593 offenbart ebenfalls in Fig. 2 einen Richtkoppler, dessen Kopplungsbereich kürzer als der eines herkömmlichen λ/4-Richtkopplers ist. Zwischen zwei Abschnitte einer der Leitungen des Kopplungsbereiches ist eine mäanderförmige Phasenverschiebungsstrecke eingefügt. Aus nicht genauer erläuterten Gründen werden an beiden Enden des Kopplungsbereichs Kondensatornetzwerke zwischen den beiden Leitungen und Masse benötigt.US-A-4,999,593 also discloses in Fig. 2 a Directional coupler whose coupling range is shorter than that of a conventional λ / 4-directional coupler. Between two sections of one of the lines of the coupling region is a meandering phase shift path inserted. From not explained in more detail Reasons are at both ends of the coupling area Condenser networks between the both lines and ground needed.
US-5,424,694 offenbart in Fig. 2 einen doppelten Richtkoppler, bei dem in einem Kopplungsbereich drei Leiter verlaufen, ein mittlerer und zwei dazu parallele äußere. Der mittlere Leiter ist an einen Signalein- oder -ausgang angeschlossen; eine Kopplung zwischen den zwei äußeren Leitern über den mittleren hinweg ist nicht vorgesehen.US 5,424,694 discloses a double in FIG Directional coupler, in which in a coupling region three ladders, one middle and two in addition parallel outer. The middle ladder is at one Signal input or output connected; a coupling between the two outer conductors over the middle away is not provided.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Konstruktionsprinzips
ist, dass die Kopplungsleitungen 5, 6 jeweils
ein bei der Arbeitsfrequenz des Richtkopplers
resonanzfähiges System bilden. Die resonante Überhöhung
der Ströme auf den Kopplungsleitungen führt
zu einer im Vergleich zu nicht resonanten Leitungsabschnitten
verstärkten Abstrahlung und damit einerseits
zu Verlusten und andererseits zu einer
starken Beeinflussung der Ströme im Richtkoppler
durch an der Metallisierung der gegenüberliegenden
Substratseite reflektierte und phasenverzögert die
Kopplungszone erreichende Felder. Da es bislang an
Techniken zum Verhindern oder Reduzieren der Abstrahlung
fehlt, versucht man, deren Störeinfluss
durch Verwendung möglichst dünner Substrate zu minimieren,
die nur einen relativ geringen Phasenversatz
zwischen den Strömen in der Kopplungszone und
den in diese zurückreflektierten Feldern herbeiführen.
Die mechanische Empfindlichkeit dieser dünnen
Substrate beeinträchtigt die Haltbarkeit der auf
ihnen gefertigten Koppler und die Ausbeute bei ihrer
Fertigung.Another disadvantage of the known design principle
is that the
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Richtkoppler mit einem neuartigen Konstruktionsprinzip anzugeben, der bei geringem Verbrauch an Substratfläche eine sehr große Bandbreite aufweist bzw. eine Verwendung für einen Richtkoppler anzugeben, die es erlaubt, mit einem Richtkoppler von geringen Abmessungen eine große Bandbreite zu erzielen.An object of the present invention is a Directional coupler with a novel design principle indicate the low consumption Substrate surface has a very large bandwidth or specify a use for a directional coupler, which allows with a directional coupler of small dimensions to achieve a large bandwidth.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Richtkoppler mit reduzierter Abstrahlung zu schaffen.Another object of the invention is a Directional coupler with reduced radiation to create.
Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Richtkoppler mit den Merkmalen des Anspruches 1. Beim Richtkoppler gemäß Anspruch 1 hat die in der Kopplungszone zwischen den Leitungen angeordnete, unverbundene Leiterfläche vereinfacht gesagt die Funktion einer Reihenschaltung von zwei Kondensatoren, wobei ein erster Kondensator durch die erste Leitung und einen dieser zugewandten Rand der unverbundenen Leiterfläche und der zweite durch die zweite Leitung und einen dieser zugewandten Rand der Leiterfläche gebildet ist. Diese Konstruktion erlaubt es, durch Variieren der Gestalt der Leiterfläche die Kopplungskapazität zwischen erster und zweiter Leitung in weitem Umfang zu variieren, ohne daß hiermit Änderungen der parasitären Kapazitäten in entsprechendem Umfang verbunden sind. Das heißt, wenn die Geometrie der ersten und zweiten Leitung und damit ihre magnetische Kopplung festgelegt worden ist, ist es möglich, durch geeignete Auswahl der Gestalt der unverbundenen Leiterfläche die effektive Kopplungskapazität zwischen der ersten und zweiten Leitung in weitem Umfang zu variieren, ohne daß deren Gestalt oder Anordnung hierfür verändert werden muß. Dies vereinfacht erheblich die Optimierung der Leitergeometrie des Richtkopplers.These tasks are solved by a directional coupler with the features of claim 1. In directional coupler according to claim 1 has the in the coupling zone between the lines arranged, unconnected Conductor surface simply said the function a series connection of two capacitors, wherein a first capacitor through the first line and one of these facing edge of the unconnected Conductor surface and the second through the second line and one of these facing edge of the conductor surface is formed. This construction allows by varying the shape of the conductor surface the Coupling capacity between first and second line to vary widely, without this Changes in parasitic capacities in corresponding Scope are connected. That is, if the geometry of the first and second line and so that their magnetic coupling has been fixed is, it is possible by appropriate selection of the Shape of unconnected conductor surface the effective Coupling capacity between the first and second To vary the line to a large extent without whose shape or arrangement is changed for this purpose got to. This greatly simplifies the optimization the conductor geometry of the directional coupler.
Ferner besteht bei dem Richtkoppler nach Anspruch 1 jede Leitung aus zwei geradlinigen Abschnitten, die in der Kopplungszone unter Bildung eines Winkels unmittelbar aufeinandertreffen, wobei die so aufgespannten Winkel eine gemeinsame Winkelhalbierende haben. Parallele Kopplungsleitungen zwischen Eingangs- und Ausgangsleitungen, wie in Fig. 1 gezeigt, werden bei einem solchen erfindungsgemäßen Richtkoppler vermieden. So wird die Ausdehnung der Kopplungszone und damit auch die Abhängigkeit des Verhaltens des Richtkopplers von der Eingangsfrequenz minimiert.Furthermore, in the directional coupler according to claim 1 each line consists of two rectilinear sections, the in the coupling zone forming an angle immediately meet, with the so spanned Angle a common bisector to have. Parallel coupling lines between input and output lines as shown in FIG. 1, be in such an inventive Directional coupler avoided. This is how the expansion of the Coupling zone and thus the dependence of the Behavior of the directional coupler from the input frequency minimized.
Vorzugsweise verlaufen die zwei Leitungen des Richtkopplers außerhalb der Kopplungszone in zwei zueinander senkrechten Richtungen. Dadurch wird beine gegenseitige magnetische Beeinflussung der Leitungen außerhalb der Kopplungszone weitestgehend ausgeschlossen.Preferably, the two lines of the Directional coupler outside the coupling zone in two mutually perpendicular directions. This will be legs mutual magnetic influence of the lines as far as possible outside the coupling zone locked out.
Die Abschnitte der Leitungen des Richtkopplers sind jeweils vorzugsweise streifenförmig mit einer zu den Rändern des Streifens senkrechten Endkante. Dies ermöglicht eine Anordnung, bei der sich die zwei Abschnitte jeder Leitung jeweils mit einer Ekke ihrer Endkante überschneiden. Durch geeignete Wahl der Breite dieses Überschneidungsbereiches kann ein schwach induktives Verhalten der ersten bzw. zweiten Leitung erzielt werden. Ein solches Verhalten ist wünschenswert, um den kapazitiven Einfluß der unverbundenen Leiterfläche auf das Reflexionsverhalten der Leitungen auszugleichen.The sections of the lines of the directional coupler are in each case preferably in strip form with one the edges of the strip vertical end edge. This allows an arrangement in which the two sections of each line each with a Ekke overlap their end edge. By suitable Choice of the width of this overlap area can be a weakly inductive behavior of the first or second line can be achieved. Such Behavior is desirable to the capacitive Influence of unconnected conductor surface on the reflection behavior to balance the lines.
Die unverbundene Leiterfläche hat vorzugsweise einen quadratischen Umriß, insbesondere mit den Endkanten der streifenförmigen Leitungsabschnitte zugewandten Kanten.The unconnected conductor surface preferably has one square outline, especially with the end edges the strip-shaped line sections facing Edge.
Es ist an sich bekannt, einen Richtkoppler symmetrisch in Bezug auf eine erste Symmetrieachse auszubilden, wobei eine Spiegelung an der ersten Symmetrieachse jede der zwei Leitungen in sich überführt, um so ein symmetrisches, von der Ausbreitungsrichtung eines Signals auf der ersten bzw. zweiten Leitung unabhängiges Verhalten des Richtkopplers zu erzielen. Erfindungsgemäß ist bevorzugt, daß die Leiterfläche aus zwei jeweils den ersten bzw. zweiten Leitungen zugewandten, durch ein sich entlang der ersten Symmetrieachse erstreckendes stegförmiges Leiterstück verbundenen Abschnitten aufgebaut ist. Dieses stegförmige Leiterstück gewährleistet, daß das Vorhandensein der unverbundenen Leiterfläche lediglich die kapazitive Kopplung zwischen ersten und zweiten Leitungen, nicht aber die induktive Kopplung beeinflußt. Es verläuft vorzugsweise entlang der Symmetrieachse.It is known per se, a directional coupler symmetrical with respect to a first axis of symmetry, a reflection at the first axis of symmetry convicting each of the two lines, such a symmetrical, from the direction of propagation a signal on the first or second line independent behavior of the directional coupler to achieve. According to the invention, it is preferable that the conductor surface of two in each case the first or second lines facing, through a extending along the first axis of symmetry web-shaped conductor piece connected sections is constructed. This web-shaped conductor piece ensures that the presence of unconnected Conductor surface only the capacitive coupling between first and second lines, not but the inductive coupling affects. It runs preferably along the axis of symmetry.
Die der ersten bzw. zweiten Leitung zugewandten Abschnitte sind vorzugsweise L-förmig, insbesondere mit jeweils einem einer Endkante eines geradlinigen Leitungsabschnitts gegenüberliegenden Schenkel.The sections facing the first and second line, respectively are preferably L-shaped, in particular each having one of an end edge of a rectilinear one Line section opposite leg.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- Fig. 1,
- bereits diskutiert, eine Draufsicht auf einen herkömmlichen Richtkoppler;
- Figs. 2 bis 4
- jeweils Draufsichten auf Richtkoppler nach einem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 5
- ein Smith-Diagramm der Reflexion einer einzelnen Leitung des Richtkopplers aus Fig. 4;
- Fig. 6
- Signalstärken an der zweiten Ausgangsleitung und der zweiten Eingangsleitung des Richtkopplers aus Fig. 4 bei Anregung über die erste Eingangsleitung für verschiedene Frequenzen des Anregungssignals; und
- Fig. 7
- ein Smith-Diagramm der erwünschten und der unerwünschten Kopplung des Richtkopplers aus Fig. 4.
- Fig. 1,
- already discussed, a plan view of a conventional directional coupler;
- Figs. 2 to 4
- respective plan views of directional coupler according to a first to third embodiment of the present invention;
- Fig. 5
- a Smith chart of the reflection of a single line of the directional coupler of Fig. 4;
- Fig. 6
- Signal strengths at the second output line and the second input line of the directional coupler of Figure 4 when excited via the first input line for different frequencies of the excitation signal. and
- Fig. 7
- a Smith chart of the desired and the unwanted coupling of the directional coupler of FIG. 4.
Fig. 2 veranschaulicht das Grundprinzip der vorliegenden
Erfindung anhand einer Draufsicht auf ein
erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Richtkopplers.
Der Richtkoppler ist aufgebaut aus einem Substrat
10, z.B. aus Al2O3 , das an seiner in der Fig.
nicht gezeigten Unterseite eine Metallisierungsschicht
aufweist und an seiner Oberseite zwei in
Microstrip-Technik erzeugte Leitungen 11, 12 und
zwischen diesen eine mit beiden Leitungen 11, 12
unverbundene Leiterfläche 20 trägt. Zueinander parallele,
beiderseits der unverbundenen Leiterfläche
20 verlaufende Abschnitte der ersten und zweiten
Leitung 11, 12 sind als erste bzw. zweite Kopplungsleitung
15 bzw. 16 bezeichnet; sie bilden zusammen
mit der Leiterfläche 20 die Kopplungszone
des Richtkopplers.Fig. 2 illustrates the basic principle of the present invention with reference to a plan view of a first example of a directional coupler according to the invention. The directional coupler is composed of a
Die Leitungen 11, 12 und die unverbundene Leiterfläche
20 sind in einem gleichen Arbeitsgang, durch
lokales Aufbringen von Metall oder lokales Abtragen
einer durchgehenden Metallisierung, gebildet und
haben daher gleiche Zusammensetzung und Schichtdikke.The
Geradlinige Leitungsabschnitte 13-1, 13-2, 13-3,
13-4 erstrecken sich jeweils von Punkten 1, 2, 3, 4
der Leitungen 11, 12 zu einem Ende der Kopplungsleitung
15 bzw. 16. Straight line sections 13-1, 13-2, 13-3,
13-4 each extend from
Die Punkte 1 bis 4 werden im folgenden der Reihe
nach als erster Eingangsanschluss, erster Ausgangsanschluss,
zweiter Ausgangsanschluss bzw. zweiter
Eingangsanschluss bezeichnet, wobei die Unterscheidung
zwischen Ein- und Ausgangsanschlüssen rein
terminologischer Natur ist und keine technischen
Unterschiede impliziert. Die Bezeichnungen sind auf
eine willkürlich gewählte Ausbreitungsrichtung eines
Signals auf der ersten Leitung bezogen: wenn
dieses über den ersten Eingangsanschluss 1 in den
Koppler eintritt und über den ersten Ausgangsanschluss
2 austritt, so soll der ausgekoppelte
Signalanteil am zweiten Ausgangsanschluss 3 erscheinen;
ein eventuell am zweiten Eingangsanschluss
4 erscheinender Signalanteil ist unerwünscht.Points 1 to 4 will be the next in the series
after as first input terminal, first output terminal,
second output terminal or second
Input terminal, the distinction
in between input and output connections
Terminological nature is and no technical
Differences implied. The names are up
a randomly chosen propagation direction of a
Signals related to the first line: when
this via the first input terminal 1 in the
Coupler enters and over the
Die Anschlüsse 1 bis 4 können, wenn der Richtkoppler
für sich allein auf dem Substrat 10 ausgebildet
ist, tatsächliche Enden der Leitungen 11, 12 auf
dem Substrat sein; wenn er mit anderen Komponenten
zusammen auf einem Substrat integriert ist, kann es
sich um beliebige Punkte einer Leiterbahn zwischen
dem Richtkoppler und einer anderen Komponente handeln.The connections 1 to 4 can, if the directional coupler
formed on its own on the
Der Leitungsabschnitt 13-1 ist rechtwinklig zu den
Abschnitten 13-2 und 13-3 sowie parallel zum Abschnitt
13-4 orientiert, um eine magnetische Kopplung
des Abschnitts 13-1 an 13-2 und 13-3 zu verhindern.
Die Leitungen 11, 12 gehen durch Spiegelung
an einer ersten Symmetrielinie 18 in sich
selbst über.The line section 13-1 is perpendicular to the
Sections 13-2 and 13-3 as well as parallel to the section
13-4 oriented to a magnetic coupling
of section 13-1 at 13-2 and 13-3.
The
Die zweite Leitung 12 ist bezogen auf eine zweite
Symmetrielinie 19, die rechtwinklig zur ersten Symmetrielinie
18 verläuft, spiegelbildlich zur ersten
Leitung 11 ausgebildet.The
Zwischen einander zugewandten, parallelen Kanten
der Kopplungsleitungen 15, 16 erstreckt sich, mit
diesen unverbunden, die Leiterfläche 20. Diese koppelt
kapazitiv sowohl an die erste als auch an die
zweite Leitung, wobei die Stärke der kapazitiven
Kopplung wesentlich durch die Breite der Spalte 21
zwischen der Leiterfläche 20 und den Kopplungsleitungen
15, 16 bestimmt ist. Diese Konstruktion
erlaubt es, bei gegebener Geometrie der ersten und
zweiten Kopplungsleitungen 15, 16 und damit bei gegebener
magnetischer Kopplung die kapazitive Kopplung
zwischen den Leitungen durch Variieren der
Breite der Spalte 21 in weitem Umfang zu verändern,
ohne daß hiermit eine Veränderung der Gestalt und
Lage der ersten und zweiten Leitungen 11 bis 16
verbunden sein muß, und folglich ohne eine wesentliche
Änderung der auf diese Leitung wirkenden parasitären
Kapazitäten.Between facing, parallel edges
the
Um zu verhindern, dass in der unverbundenen Leiterfläche
20 in deren Längsrichtung bzw. entlang der
zweiten Symmetrielinie 19 induzierte Ströme auch
die magnetische Kopplung zwischen Kopplungsleitungen
15, 16 fördern, kann es gemäß einer nicht in
einer Fig. dargestellten Weiterentwicklung sinnvoll
sein, die Leiterfläche 20 in eine Mehrzahl von untereinander
unverbundenen, in der Längsrichtung
aufeinanderfolgenden Einzelflächen zu unterteilen.To prevent in the
Die kapazitive Kopplung ist bei der Konstruktion
der Fig. 2 über die gesamte Länge der zueinander
parallelen Kopplungsleiter 15, 16 gleichmäßig verteilt
und genauso stark wie die magnetische Kopplung.
Um mit einer solchen Anordnung eine effiziente
kapazitive Kopplung zu erzielen, in der sich
nicht die Beiträge unterschiedlicher Abschnitte der
Kopplungsleitungen gegenseitig auslöschen, ist es
wünschenswert, die Länge der Kopplungsleitungen so
weit wie möglich zu reduzieren. Die Länge der Kopplungsleitungen
15, 16 ist daher in jedem Falle
deutlich kleiner als λ1/4, wenn λ1 die kürzere von
zwei Wellenlängen λ1, λ2 ist, die jeweils der oberen
und unteren Grenzfrequenz eines Frequenzbandes
entsprechen, in dem der Koppler wirksam ist.The capacitive coupling is in the construction
of Fig. 2 over the entire length of each other
Einerseits die Kürze der Kopplungszone und andererseits
die gleiche Stärke der magnetischen und der
kapazitiven Kopplung sorgen dafür, dass sich innerhalb
des Frequenzbandes, in dem der Koppler wirksam
ist, keine Resonanzen in der Kopplungszone aufbauen
können. Es kommt daher zu keiner resonanten Stromüberhöhung
in der Kopplungszone, und infolgedessen
ist die Abstrahlung gering. Das Verhalten des
Richtkopplers wird daher nur wenig durch abgestrahlte
und an der Metallisierung auf der gegenüberliegenden
Substratseite reflektierte Felder beeinflusst.
Deshalb kann eine größere Phasenverschiebung
zwischen dem in die Kopplungszone auf einer
der Leitungen 11 oder 12 eingespeisten Signal
und diesen reflektierten Feldern in der Kopplungszone
hingenommen werden, als bei dem eingangs beschriebenen
herkömmlichen Konstruktionsprinzip.On the one hand the brevity of the coupling zone and on the other hand
the same strength of the magnetic and the
capacitive coupling make sure that within
the frequency band in which the coupler is effective
is to build up no resonances in the coupling zone
can. There is therefore no resonant current increase
in the coupling zone, and consequently
the radiation is low. The behavior of the
Directional coupler is therefore only slightly radiated by
and at the metallization on the opposite
Substrate side influenced fields.
Therefore, a larger phase shift can occur
between the in the coupling zone on one
the
Dies erlaubt den Einsatz des erfindungsgemäßen Richtkopplers auf vergleichsweise dicken, stabilen Substraten, die einfach und mit guter Ausbeute hergestellt werden können, bzw. bei gegebener Substratdicke einen Betrieb der Richtkoppler bei vergleichsweise hohen Frequenzen.This allows the use of the invention Directional coupler on comparatively thick, stable Substrates made easily and in good yield can be, or at a given substrate thickness an operation of the directional coupler at comparatively high frequencies.
Eine weiterentwickelte Ausgestaltung, die die Vorteile
der oben dargestellten Ausgestaltung und weitere
aufweist, ist in Fig. 3 gezeigt. Hier ist die
Länge der Kopplungsleitungen auf Null reduziert.
Die geradlinigen Abschnitte 13-1 und 13-2 der ersten
Leitung 11 und 13-3, 13-4 der zweiten Leitung
12 treffen jeweils unmittelbar unter rechtem Winkel
an der ersten Symmetrielinie 18 aufeinander. Die
Leitungen 13-1 bis 13-4 haben jeweils die Form von
Streifen mit parallelen Längskanten und einer zu
den Längskanten senkrechten Endkante 14, und sie
überschneiden einander jeweils im Bereich einer Ekke
der Endkante, wie am Beispiel der ersten Leitung
11 als gestricheltes Quadrat 22 dargestellt. Die
unverbundene Leiterfläche 20' hat hier die Gestalt
eines Quadrates mit jeweils zu den Endkanten 14 parallelen
Kanten. An evolved design that has the advantages
the embodiment shown above and others
is shown in Fig. 3. Here is the
Length of the coupling lines reduced to zero.
The rectilinear sections 13-1 and 13-2 of the
Da bei dieser Ausgestaltung die Länge der Kopplungszone
minimiert ist, ist hier von einer Aufteilung
der Leiterfläche 20' in mehrere Teilflächen
entlang der Symmetrielinie 19 keine zusätzliche Unterdrückung
von magnetischer Kopplung über die Leiterfläche
20' zu erwarten; vielmehr ist anzunehmen,
dass eine solche Unterteilung hier die magnetische
Kopplung fördert.As in this embodiment, the length of the coupling zone
is minimized, here is a breakdown
the conductor surface 20 'in several sub-areas
along the line of
Eine weitere Verbesserung ist auf der Draufsicht
der Fig. 4 gezeigt. Hier ist die quadratische Leiterfläche
20' durch eine Leiterfläche 20" ersetzt,
die zwar im wesentlichen quadratischen Umriß hat,
die sich aber aus drei Abschnitten 23", 24", 25"
zusammensetzt. Die Abschnitte 23", 24" sind jeweils
im wesentlichen L-förmig, mit gleich langen Schenkeln,
die den Endkanten 14 der geradlinigen Leitungsabschnitte
13-1, 13-2, 13-3, 13-4 zugewandt
sind. Der Abschnitt 25" hat die Form eines langgestreckten
Steges und verbindet die Scheitelpunkte
der L-förmigen Abschnitte 23", 24" entlang der ersten
Symmetrielinie 18. Durch ein sich auf der ersten
Leitung 11 ausbreitendes Signal im zugewandten
L-förmigen Abschnitt 23" induzierte Ladungen breiten
sich so über den Steg 25" entlang der Symmetrielinie
18 zum zweiten L-förmigen Abschnitt 24"
aus und koppeln so kapazitiv an die zweite Leitung
12. Jegliche Stromflüsse auf der Leiterfläche 20"
quer zur Symmetrielinie 18, die einer magnetischen
Kopplung zwischen den ersten und zweiten Leitungen
11, 12 über die Leiterfläche 20" entsprechen könnten,
sind durch deren Gestalt unterdrückt.Another improvement is on the top view
of Fig. 4 shown. Here is the square conductor surface
20 'replaced by a
Um einen Richtkoppler mit der in Fig. 4 gezeigten Geometrie für ein vorgegebenes Frequenzband zu konstruieren, können z.B. die folgenden Parameter optimiert werden:
- Substratmaterial und Dicke.
Diese Parameter sind im wesentlichen für die maximale Arbeitsfrequenz relevant, bei der der Koppler eingesetzt werden soll. Generell sind zur Verringerung von Abstrahlung geringe Substratdicken bevorzugt. Bei Arbeitsfrequenzen bis zu 30 GHz ist ein Aluminiumoxidsubstrat mit einer Dicke von 381 µm geeignet. Bei Frequenzen oberhalb 30 GHz ist eine Dicke von 254 µm bevorzugt. - Breite der Leitungen.
Die Breite ader Leitungen 11bis 14 ist im wesentlichen relevant für die Leitungsimpedanz des Systems. Für eine Impedanz der Leitungen 11bis 14von 50 Ω ist eine Breite a von 340 µm optimal. - Breite
b der Überschneidungszone 22.
Dieser Parameter beeinflußt das Reflexionsverhalten der Leitungen. Je kleiner b ist, um so stärker induktiv ist das Reflexionsverhalten. Es ist wünschenswert, wenn die 11, 12, betrachtet ohne diezwei Leitungen Leiterfläche 20 und die jeweils andere Leitung 12 bzw. 11, schwach induktives Verhalten aufweisen, wie im Smith-Diagramm von Fig. 5 für die erste Eingangsleitung dargestellt. Die Reflexion S(1,1) am Eingang der ersten Leitung ist imbetrachteten Frequenzbereich von 19bis 27 GHz praktisch unveränderlich. Das schwach induktive Verhalten der Reflexion S(1,1) wird beim vollständigen Richtkoppler durch den kapazitiven Beitrag der Leiterfläche 20 im wesentlichen kompensiert, so daß insgesamt minimale Reflexion erreicht wird. - minimaler Abstand zwischen ersten und zweiten
Leitungen.
Der Abstand c zwischen einander zugewandten Ecken der Endkanten 22 der ersten und zweiten Leitungen 11, 12 hat offensichtlich Einfluß auf die Stärke der Kopplung zwischen diesen Leitungen. Er wird vorzugsweise so gewählt, daß die rechnerische Simulation eines Richtkopplers, der nur aus erster und zweiter Leitung 11, 12, ohne dieunverbundene Leiterfläche 20, besteht, eine Kopplung zwischen der ersten und zweiten Leitung ergibt, die um ca. 5 dB geringer als die gewünschte Kopplung ist. Fügt man dieunverbundene Leiterfläche 20" ein, um gleich starke magnetische und kapazitive Kopplungen zu erhalten, so erhöht sich die Kopplung insgesamt um etwa 5dB.
- Substrate material and thickness.
These parameters are essentially relevant to the maximum operating frequency at which the coupler is to be used. In general, low substrate thicknesses are preferred for reducing radiation. At working frequencies up to 30 GHz, an aluminum oxide substrate with a thickness of 381 μm is suitable. At frequencies above 30 GHz, a thickness of 254 μm is preferred. - Width of the lines.
The width a of thelines 11 to 14 is substantially relevant to the line impedance of the system. For an impedance of thelines 11 to 14 of 50 Ω a width a of 340 microns is optimal. - Width b of the
intersection zone 22.
This parameter influences the reflection behavior of the lines. The smaller b is, the more inductive is the reflection behavior. It is desirable if the two 11, 12, viewed without thelines conductor surface 20 and the respective 12 or 11, have weakly inductive behavior, as shown in the Smith diagram of Fig. 5 for the first input line. The reflection S (1,1) at the input of the first line is practically invariable in the considered frequency range from 19 to 27 GHz. The weakly inductive behavior of the reflection S (1,1) is substantially compensated by the capacitive contribution of theother line conductor surface 20 in the case of the complete directional coupler, so that overall minimal reflection is achieved. - minimum distance between first and second lines.
The distance c between facing corners of the end edges 22 of the first and 11, 12 obviously affects the strength of the coupling between these lines. It is preferably chosen so that the computational simulation of a directional coupler, consisting only of first andsecond lines 11, 12, without thesecond line unconnected conductor surface 20, results in a coupling between the first and second line, which by about 5 dB less than the desired coupling is. Inserting theunconnected conductor surface 20 "in order to obtain equal magnetic and capacitive couplings, the total coupling increases by about 5 dB.
Eine Feinanpassung der kapazitiven Kopplung kann
durch Optimieren der Breite e der Schenkel der L-förmigen
Abschnitte sowie der Breite d der Spalte
zwischen den L-förmigen Abschnitten 23", 24" und
den Endkanten 22 der Leitungen erreicht werden. A fine adjustment of the capacitive coupling can
by optimizing the width e of the legs of the L-shaped
Sections as well as the width d of the column
between the L-shaped
Ein Beispiel für einen günstigen Satz der diversen
geometrischen Parameter ist:
Figs. 6 und 7 zeigen jeweils für verschiedene Signalfrequenzen die Stärke S(1,3) des gewünschten, vom ersten Eingangsanschluss 1 an den zweiten Ausgangsanschluss 3 übertragenen Signals und S(1,4) des unerwünschten, an dem zweiten Eingangsanschluss 4 erscheinenden Signals für einen Richtkoppler mit den angegebenen Werten der Parameter a bis e. Man erkennt eine ausgezeichnete Gerichtetheit mit einem Pegelunterschied von über 20 dB zwischen den zwei Signalen S(1,3) und S(1,4) im gesamten untersuchten Frequenzbereich von 19 bis 27 GHz. Die Phasendrift des Signals an dem zweiten Ausgangsanschluss 3 in Abhängigkeit von der Frequenz ist gering, wie das Smith-Diagramm von Fig. 7 zeigt.Figs. Figures 6 and 7 show each for different signal frequencies the strength S (1,3) of the desired, from the first input terminal 1 to the second output terminal 3 transmitted signal and S (1,4) of the unwanted, at the second input terminal 4 appearing signal for a directional coupler with the specified values of the parameters a to e. you recognizes an excellent directionality with a Level difference of over 20 dB between the two Signals S (1,3) and S (1,4) throughout the examined Frequency range from 19 to 27 GHz. The phase drift of the signal at the second output terminal 3 in FIG Dependence on the frequency is low, like that Smith chart of Fig. 7 shows.
Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung einen extrem kompakten Richtkoppler mit großer Bandbreite und ausgezeichneter Gerichtetheit. Während bei herkömmlichen Richtkopplern extrem dünne Substrate verwendet werden müssen, um auch bei hohen Arbeitsfrequenzen befriedigende Gerichtetheit zu erzielen, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung relativ dicke Substrate verwendet werden, was die Haltbarkeit der Koppler und auch die Ausbeute bei der Serienfertigung verbessert und dadurch Kosten reduziert.In summary, the present invention provides an extremely compact directional coupler with large Bandwidth and excellent directionality. While with conventional directional couplers extremely thin Substrates must be used even at high Operating frequencies satisfactory directionality can be achieved in the context of the present invention relatively thick substrates are used what the durability of the coupler and also the yield Improved in mass production and thereby Cost reduced.
Claims (8)
- A directional coupler having a substrate and, arranged on said substrate, two first ports (1, 2) connected by a first line (11) and two second ports (3, 4) connected by a second line (12), wherein the lines (11, 12) extend through a coupling zone and are separated in the coupling zone by an unconnected conductor area (20, 20', 20"), characterized in that an out-coupled portion of a signal supplied to one of the first ports (1, 2) appears at one of the second ports (3, 4).
- A directional coupler according to claim 1, characterized in that the lines (11, 12) extend in mutually perpendicular directions outside the coupling zone.
- A directional coupler according to claim 1 or 2, characterized in that each line (11; 12) comprises two straight sections (13-1, 13-2; 13-3, 13-4) meeting each other in the coupling zone at an angle, the bisectrix (18) being the same for the angles of both lines (11, 12).
- A directional coupler according to claim 3, characterized in that the sections (13-1, 13-2, 13-3, 13-4) are in the form of strips having an end edge (14) perpendicular to the borders of the strips, and that the two sections (13-1, 13-2; 13-3, 13-4) of each line (11, 12) intersect at a corner of their end edge (14).
- A directional coupler according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor area (20', 20") has a square outline.
- A directional coupler according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor area (20") is formed of two sections (23", 24") facing the first and second lines, respectively and connected by a land-shaped conductor section (25'').
- A directional coupler according to claim 6, characterized in that it has a first symmetry axis (18), wherein a specular reflection at the first symmetry axis (18) transforms each line (11, 12) into itself, and that the land-shaped conductor section (25") extends along the symmetry axis.
- A directional coupler according to claim 7 or claim 8, characterized in that the sections (23", 24") are L-shaped.
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