EP1786059A1 - Kopplungselement zur elektromagnetischen Kopplung von mindenstens zwei Leitern einer Transmissionsleitung - Google Patents
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- EP1786059A1 EP1786059A1 EP06023186A EP06023186A EP1786059A1 EP 1786059 A1 EP1786059 A1 EP 1786059A1 EP 06023186 A EP06023186 A EP 06023186A EP 06023186 A EP06023186 A EP 06023186A EP 1786059 A1 EP1786059 A1 EP 1786059A1
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- transmission line
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- coupling
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- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
- H01P5/04—Coupling devices of the waveguide type with variable factor of coupling
Definitions
- the invention relates to a coupling element for the electromagnetic coupling of at least two conductors of a transmission line, wherein the coupling element is arranged between a first conductor and a second conductor of the transmission line and has at least one discrete component.
- Conventional coupling elements of this type are for example equipped with a capacitance diode which connects different conductors of the transmission line with each other and thus realizes a controllable capacitive coupling of the two conductors.
- the degree of coupling of this capacitive coupling can in this case be set via a control signal supplied to the capacitance diode.
- a disadvantage of these conventional coupling elements is the relatively small tuning range, which results from the coupling of the conductors of the transmission line with the capacitance diode. Furthermore, in such devices always only a simultaneous change in the characteristic impedance and the propagation constant of the transmission line can be achieved.
- the coupling element has at least a first leg formed as a transmission line section, which is associated with the first conductor, and a second leg formed as a transmission line section, which is associated with the second conductor, and that the at least one discrete component is provided for connecting the first leg to the second leg.
- the inventive use of trained as a transmission line section legs allows the provision of a capacitive coupling as well as an inductive coupling between the conductors of the transmission line, wherein the respective degree of coupling is variable by a corresponding geometric configuration of the transmission line sections in many areas.
- the inventive use of transmission line sections in the coupling element therefore allows a larger compared to conventional devices tuning range with respect to the electromagnetic coupling of the conductors of the transmission line.
- the discrete component is designed as a resistive or capacitive component.
- a discrete component designed as a capacitive component has a controllable capacitance, so that the capacitive coupling between the legs of the Coupling element according to the invention can be determined by adjusting the capacitance of the capacitive device. At the same time, this results in a very advantageous change of the inductive coupling between the legs of the coupling element according to the invention.
- a controllable resistive component it is possible to influence a current flow between the legs of the coupling element according to the invention, whereby the inductive coupling between the conductors of the transmission line is likewise changed.
- the discrete component is designed as a capacitance diode or as a transistor, in particular as a field effect transistor.
- any electrical component for coupling the legs of the coupling element which has a controllable capacitance or a controllable ohmic resistance.
- a configurable capacitor array (CDAC) can also be used to couple the legs.
- CDAC configurable capacitor array
- each leg of the coupling element has at least one first section extending parallel to the first conductor or the second conductor of the transmission line.
- This first section is used in particular for producing an inductive coupling of the coupling element or the respective leg of the coupling element with that conductor of the transmission line, which is associated with the relevant leg of the coupling element.
- the desired degree of coupling can be influenced in a manner known per se by a choice of the distance between the conductor and the first section of the leg of the coupling element, by the length of the first section or by further factors determining the geometry of the coupling element.
- each leg of the coupling element has at least one second section, preferably perpendicular to the first section.
- Such perpendicular to the first section extending second sections in turn have an influence on the inductive Coupling of the conductors of the transmission line, but mainly serve to influence the capacitive coupling between the conductors of the transmission line.
- the second sections extending perpendicularly to the first sections contribute directly to the capacitive coupling of the legs of the coupling element and thus also to the capacitive coupling between the conductors of the transmission line, and on the other hand serve the second sections of the coupling element according to another particularly advantageous embodiment of the present invention for contacting the discrete or the components that connect the two legs of the coupling element together.
- the transmission line according to the invention may have one or more of the coupling elements according to the invention and is thus tunable in a wide range with respect to their propagation constant or their characteristic impedance.
- the transmission line and the coupling element or elements are monolithically integrated into an integrated circuit.
- the transmission line is designed as a differential transmission line.
- the transmission line is arranged in a first metallization of the integrated circuit, and that at least one coupling element is arranged in a further metallization of the integrated circuit.
- the legs of the coupling element according to the invention directly below or above a conductor to arrange the transmission line realized in another metallization level, whereby, for example, the distance to be provided between the conductors of the transmission line can be reduced and at the same time an additional capacitive coupling component occurs between the leg of the coupling element and the conductor of the transmission line.
- both the transmission line itself and the coupling element or elements according to the invention in the same metallization level of an integrated circuit, so that in particular the first sections of the legs of the coupling element and the respective conductors of the transmission line a lateral distance from each other exhibit.
- the coupling element according to the invention can be used both with conventional transmission lines such as microstrip lines or the like, which are arranged on a substrate provided therefor, as well as with transmission lines which are monolithically integrated into integrated circuits.
- the coupling element according to the invention it is also possible, in contrast to conventional coupling elements, to achieve a co-tunability of an inductive and a capacitive coupling component, whereby a propagation constant of the transmission line provided with the coupling element or elements changes, but not the characteristic impedance of this transmission line. If a transmission line according to the invention is equipped with a sufficient number of coupling elements, the entire section of this transmission line can be changed in the manner described above with respect to its propagation constant.
- At least one of the legs of the coupling element has a plurality of first sections preferably parallel to a conductor of the transmission line, which can be selectively connected to one another, for example by controllable capacitive or resistive elements Components.
- first sections preferably parallel to a conductor of the transmission line, which can be selectively connected to one another, for example by controllable capacitive or resistive elements Components.
- the coupling element according to the invention by an opposite vote of an inductive and a capacitive coupling component given the opportunity, although to change the characteristic impedance of the provided with the coupling element or the transmission line, but not the propagation constant of this transmission line. If a transmission line according to the invention is equipped with a sufficient number of coupling elements, the entire section of this transmission line can be changed in terms of its characteristic impedance in the manner described above.
- FIG. 1a shows a first embodiment of the coupling element 10a according to the invention, which is arranged between two conductors 20a, 20b of a transmission line, around the latter Electromagnetically coupled to each other and thus to change the properties of the transmission line.
- the two conductors 20a, 20b of the transmission line only those portions in Figure 1a and in the other figures are shown, which are located directly in the region of the coupling element.
- the coupling element 10a according to the invention has a first leg 11a, which is assigned to the conductor 20a of the transmission line. Furthermore, the coupling element 10a according to the invention has a second leg 11b, which is assigned to the second conductor 20b of the transmission line. Both legs 11a, 11b are designed according to the invention as a transmission line section and thus allow an improved compared to conventional coupling elements inductive and capacitive coupling between the conductors 20a, 20b of the transmission line.
- each leg 11a, 11b of the coupling element 10a has a first section 11a 'or 11b', which is preferably arranged parallel to the first conductor 20a or to the second conductor 20b of the transmission line and thus a particularly good inductive coupling between the coupling element according to the invention 10a and the respective conductors 20a, 20b of the transmission line.
- each leg 11a, 11b has two second sections 11a ", 11b" running perpendicularly to the first or second section 11a ', 11b', on the one hand a capacitive coupling between the legs 11a, 11b of the coupling element 10a effect, and on the other hand for connecting the two legs 11a, 11b or the respective second portions 11a ", 11b" of both legs 11a, 11b connected to each other with a capacitive device 12a, 12b.
- the capacitive components 12a, 12b are controllable capacitive elements such as, for example, capacitance diodes, whose capacitance is reached by applying a corresponding DC voltage to the capacitors Control line 12c can be controlled.
- both the inductive and the capacitive coupling between the conductors 20a, 20b of the transmission line can be achieved solely by changing the capacitance of the controllable capacitors 12a, 12b.
- the capacitance of the elements 12a, 12b directly also the inductive coupling between the legs 11a, 11b and thus also between the conductors 20a, 20b of the transmission line can be influenced, since the change in the capacitance of the AC resistance of the elements 12a, 12b changed accordingly.
- the capacitive coupling between the legs 11a, 11b also changes.
- the capacitive coupling also decreases by reducing the capacitance of the elements 12a, 12b, resulting overall in a reduction of the capacitive coupling and the inductive coupling between the conductors 20a, 20b of the transmission line.
- the characteristic impedance of a transmission line assumed to be lossless is proportional to the root of the quotient between an inductance covering L 'of the transmission line and a capacitance covering C' of the transmission line, that is, Z ⁇ L ' C ' ,
- the propagation constant ⁇ of the corresponding transmission line section changes according to the formula given above; that is, in the present example, the value of the propagation constant ⁇ decreases while the characteristic impedance Z remains constant.
- FIG. 1b shows a further embodiment of the coupling element 10b according to the invention, whose legs 11a, 11b have the same structure as the legs of the coupling element 10a shown in FIG. 1a.
- the legs 11a, 11b of the coupling element 10b according to FIG. 1b are provided with controllable resistive elements configured as field-effect transistors 13a, 13b whose ohmic resistance can be adjusted via a control signal 13c.
- FIG. 2a Another embodiment of the invention is shown in FIG. 2a.
- the coupling element 10c as well as the two embodiments described above on a first portion 11a ', 11b', which extends substantially parallel to the respective conductor 20a, 20b of the transmission line and thus in particular an inductive coupling between the legs 11a, 11b realized.
- a capacitive coupling between the conductors 20a, 20b and the first sections 11a ', 1 1b ' is also given.
- the variant of the coupling element 10c depicted in FIG. 2a has only one second section 11a ", 11b" per leg 11a, 11b, which is preferably approximately perpendicular to the respective first section Section 11a ', 11b' extends.
- a connection of the second sections 11a ", 11b" is realized by a capacitive element 12a having a controllable capacitance which can be changed by applying a corresponding control voltage to the terminal 12c.
- FIG. 2b Another variant of the invention is shown in FIG. 2b.
- This variant of the invention differs from the embodiment depicted in FIG. 2a in that the coupling element 10d has a resistive element with controllable ohmic resistance formed as a field-effect transistor 13a.
- an inductive coupling of the two legs 11a, 11b can also be set by the application of a corresponding control signal to the connection 13c in the coupling element 10d shown in FIG. 2b.
- the coupling element according to the invention can be used particularly advantageously both in conventional transmission lines such as microstrip lines and the like, as well as in integrated circuits monolithically integrated transmission lines.
- the coupling element according to the invention can be used both in differential transmission lines and in asymmetrical transmission lines.
- a transmission line according to the invention can be used particularly advantageously for the construction of voltage-controlled oscillators (VCO), filters and other components which exploit transit-time effects in the propagation of electromagnetic waves on a transmission line.
- VCO voltage-controlled oscillators
- the transmission line according to the invention is particularly well suited for the construction of reflection oscillators whose properties can be tuned during the oscillator operation by a corresponding change in the properties of the transmission line.
- legs 11a, 11b designed as a transmission line section makes it possible, as described, to provide capacitive coupling as well as inductive coupling between the conductors 20a, 20b of the transmission line, the respective degree of coupling also being characterized, inter alia, by a corresponding geometric configuration of the transmission line sections Ranges is changeable.
- the inventive use of transmission line sections allows Therefore, in the coupling element in comparison with conventional devices enlarged tuning range with respect to the electromagnetic coupling of the conductors 20a, 20b of the transmission line.
- At least one of the legs 11a, 11b of the coupling element has a plurality of first sections 11a ', preferably parallel to a conductor 20a, 20b of the transmission line, which can be selectively connected to one another, for example by controllable capacitive or resistive components , In this way, predominantly the degree of inductive coupling between the corresponding conductor of the transmission line and the coupling element can be influenced.
- the propagation constant ⁇ and the characteristic impedance Z of the transmission line can be changed, analogously to the change in a capacitive coupling.
- the characteristic impedance Z of the provided with the coupling elements or the transmission line but not the propagation constant ⁇ of this transmission line. If a transmission line according to the invention is equipped with a sufficient number of coupling elements, the entire section of this transmission line can be changed in terms of its characteristic impedance in the manner described above.
- the simultaneous influencing of the characteristic impedance Z and the propagation constant ⁇ of a transmission line is possible by the coupling element according to the invention, as well as the isolated influence either the characteristic impedance Z or the propagation constant ⁇ , which corresponds to the electrical length of the transmission line.
Landscapes
- Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
- Waveguide Connection Structure (AREA)
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Networks Using Active Elements (AREA)
Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Kopplungselement zur elektromagnetischen Kopplung von mindestens zwei Leitern einer Transmissionsleitung, wobei das Kopplungselement zwischen einem ersten Leiter und einem zweiten Leiter der Transmissionsleitung angeordnet ist und mindestens ein diskretes Bauelement aufweist.
- Herkömmliche Kopplungselemente dieser Art sind beispielsweise mit einer Kapazitätsdiode ausgestattet, die verschiedene Leiter der Transmissionsleitung miteinander verbindet und somit eine steuerbare kapazitive Kopplung der beiden Leiter realisiert. Der Kopplungsgrad dieser kapazitiven Kopplung kann hierbei über ein der Kapazitätsdiode zugeführtes Steuersignal eingestellt werden.
- Nachteilig an diesen herkömmlichen Kopplungselementen ist der verhältnismäßig kleine Abstimmbereich, der sich durch die Kopplung der Leiter der Transmissionsleitung mit der Kapazitätsdiode ergibt. Ferner ist bei derartigen Vorrichtungen stets nur eine gleichzeitige Änderung des Wellenwiderstands und der Ausbreitungskonstante der Transmissionsleitung erzielbar.
- Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kopplungselement der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein größerer Abstimmbereich hinsichtlich der elektromagnetischen Kopplung der Leiter einer Transmissionsleitung und gleichzeitig eine flexiblere Abstimmung möglich sind.
- Diese Aufgabe wird bei einem Kopplungselement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Kopplungselement mindestens einen ersten als Transmissionsleitungsabschnitt ausgebildeten Schenkel aufweist, der dem ersten Leiter zugeordnet ist, und einen zweiten als Transmissionsleitungsabschnitt ausgebildeten Schenkel, der dem zweiten Leiter zugeordnet ist, und dass das mindestens eine diskrete Bauelement zur Verbindung des ersten Schenkels mit dem zweiten Schenkel vorgesehen ist.
- Die erfindungsgemäße Verwendung von als Transmissionsleitungsabschnitt ausgebildeten Schenkeln ermöglicht das Vorsehen einer kapazitiven Kopplung wie auch einer induktiven Kopplung zwischen den Leitern der Transmissionsleitung, wobei der jeweilige Kopplungsgrad durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung der Transmissionsleitungsabschnitte in weiten Bereichen veränderbar ist. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung von Transmissionsleitungsabschnitten bei dem Kopplungselement daher einen im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen vergrößerten Abstimmungsbereich hinsichtlich der elektromagnetischen Kopplung der Leiter der Transmissionsleitung.
- Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das diskrete Bauelement als resistives oder kapazitives Bauelement ausgebildet. Ganz besonders vorteilhaft weist ein als kapazitives Bauelement ausgebildetes diskretes Bauelement eine steuerbare Kapazität auf, so dass die kapazitive Kopplung zwischen den Schenkeln des erfindungsgemäßen Kopplungselements durch Einstellung der Kapazität des kapazitiven Bauelements bestimmbar ist. Hierbei ergibt sich gleichzeitig sehr vorteilhaft auch eine Änderung der induktiven Kopplung zwischen den Schenkeln des erfindungsgemäßen Kopplungselements. Ebenso ist bei einem steuerbaren resistiven Bauelement die Möglichkeit gegeben, einen Stromfluss zwischen den Schenkeln des erfindungsgemäßen Kopplungselements zu beeinflussen, wodurch ebenfalls die induktive Kopplung zwischen den Leitern der Transmissionsleitung verändert wird.
- Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das diskrete Bauelement als Kapazitätsdiode oder als Transistor, insbesondere als Feldeffekttransistor ausgebildet. Generell ist es möglich, jedes elektrische Bauelement zur Kopplung der Schenkel des Kopplungselements zu verwenden, das eine steuerbare Kapazität oder auch einen steuerbaren Ohmwiderstand aufweist. Eine konfigurierbare Kondensatormatrix (CDAC) ist ebenfalls zur Kopplung der Schenkel einsetzbar. Die Verwendung eines nicht steuerbaren kapazitiven oder induktiven Bauelements ist ebenfalls möglich.
- Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jeder Schenkel des Kopplungselements mindestens einen parallel zu dem ersten Leiter beziehungsweise dem zweiten Leiter der Transmissionsleitung verlaufenden ersten Abschnitt auf. Dieser erste Abschnitt dient insbesondere zur Herstellung einer induktiven Kopplung des Kopplungselements beziehungsweise des betreffenden Schenkels des Kopplungselements mit demjenigen Leiter der Transmissionsleitung, dem der betreffende Schenkel des Kopplungselements zugeordnet ist. Der gewünschte Kopplungsgrad kann in an sich bekannter Weise durch eine Wahl des Abstands zwischen dem Leiter und dem ersten Abschnitt des Schenkels des Kopplungselements, durch die Länge des ersten Abschnitts oder durch weitere die Geometrie des Kopplungselements bestimmende Faktoren beeinflusst werden.
- Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass jeder Schenkel des Kopplungselements mindestens einen, vorzugsweise senkrecht zu dem ersten Abschnitt verlaufenden zweiten Abschnitt aufweist. Derartige senkrecht zu dem ersten Abschnitt verlaufende zweite Abschnitte haben ihrerseits einen Einfluss auf die induktive Kopplung der Leiter der Transmissionsleitung, dienen vorwiegend jedoch auch zur Beeinflussung der kapazitiven Kopplung zwischen den Leitern der Transmissionsleitung.
- Einerseits tragen die senkrecht zu den ersten Abschnitten verlaufenden zweiten Abschnitte direkt zur kapazitiven Kopplung der Schenkel des Kopplungselements und damit auch zur kapazitiven Kopplung zwischen den Leitern der Transmissionsleitung bei, und andererseits dienen die zweiten Abschnitte des erfindungsgemäßen Kopplungselements einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge zur Kontaktierung des beziehungsweise der diskreten Bauelemente, die die beiden Schenkel des Kopplungselements miteinander verbinden.
- Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Transmissionsleitung gemäß Patentanspruch 7 angegeben.
- Die erfindungsgemäße Transmissionsleitung kann eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Kopplungselemente aufweisen und ist damit in weiten Bereichen hinsichtlich ihrer Ausbreitungskonstante beziehungsweise ihres Wellenwiderstands abstimmbar.
- Ganz besonders vorteilhaft ist bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Transmissionsleitung vorgesehen, dass die Transmissionsleitung und das oder die Kopplungselemente monolithisch in eine integrierte Schaltung integriert sind.
- Darüber hinaus ist es einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge auch möglich, dass die Transmissionsleitung als differentielle Transmissionsleitung ausgebildet ist.
- Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Transmissionsleitung ist vorgesehen, dass die Transmissionsleitung in einer ersten Metallisierungsebene der integrierten Schaltung angeordnet ist, und dass mindestens ein Kopplungselement in einer weiteren Metallisierungsebene der integrierten Schaltung angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Schenkel des erfindungsgemäßen Kopplungselements beispielsweise direkt unterhalb beziehungsweise oberhalb eines Leiters der in einer anderen Metallisierungsebene realisierten Transmissionsleitung anzuordnen, wodurch beispielsweise der zwischen den Leitern der Transmissionsleitung vorzusehende Abstand verringert werden kann, und wodurch gleichzeitig eine zusätzliche kapazitive Kopplungskomponente zwischen dem Schenkel des Kopplungselements und dem Leiter der Transmissionsleitung auftritt.
- Alternativ zu der vorstehend genannten Ausführungsform ist es ferner möglich, sowohl die Transmissionsleitung selbst als auch das beziehungsweise die erfindungsgemäßen Kopplungselemente in derselben Metallisierungsebene einer integrierten Schaltung anzuordnen, so dass insbesondere die ersten Abschnitte der Schenkel des Kopplungselements und die jeweiligen Leiter der Transmissionsleitung einen lateralen Abstand voneinander aufweisen.
- Insgesamt kann das erfindungsgemäße Kopplungselement sowohl mit herkömmlichen Transmissionsleitungen wie beispielsweise Mikrostreifenleitungen oder dergleichen eingesetzt werden, die auf einem hierfür vorgesehenen Substrat angeordnet sind, als auch mit Transmissionsleitungen, die monolithisch in integrierte Schaltungen integriert sind.
- Bei geeigneter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kopplungselements ist es im Gegensatz zu herkömmlichen Kopplungselementen ferner möglich, eine gleichsinnige Abstimmbarkeit einer induktiven und einer kapazitiven Kopplungskomponente zu erzielen, wodurch sich zwar eine Ausbreitungskonstante der mit dem beziehungsweise den Kopplungselementen versehenen Transmissionsleitung ändert, nicht jedoch der Wellenwiderstand dieser Transmissionsleitung. Sofern eine erfindungsgemäße Transmissionsleitung mit hinreichend vielen Kopplungselementen ausgestattet ist, kann der gesamte Abschnitt dieser Transmissionsleitung in der vorstehend beschriebenen Weise hinsichtlich seiner Ausbreitungskonstante geändert werden.
- Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Kopplungselements weist mindestens einer der Schenkel des Kopplungselements mehrere vorzugsweise parallel zu einem Leiter der Transmissionsleitung verlaufende erste Abschnitte auf, die wahlweise untereinander verbindbar sind, beispielsweise durch steuerbare kapazitive oder resistive Bauelemente. Auf diese Weise ist vorwiegend der Grad einer induktiven Kopplung zwischen dem entsprechenden Leiter der Transmissionsleitung und dem Kopplungselement beeinflussbar. Durch eine alleinige Veränderung dieser induktiven Kopplung können - analog zu der Veränderung einer kapazitiven Kopplung - die Ausbreitungskonstante bzw. der Wellenwiderstand der Transmissionsleitung verändert werden.
- Darüberhinaus ist bei dem erfindungsgemäßen Kopplungselement durch eine gegensinnige Abstimmung einer induktiven und einer kapazitiven Kopplungskomponente die Möglichkeit gegeben, zwar den Wellenwiderstand der mit dem beziehungsweise den Kopplungselementen versehenen Transmissionsleitung zu ändern, nicht jedoch die Ausbreitungskonstante dieser Transmissionsleitung. Sofern eine erfindungsgemäße Transmissionsleitung mit hinreichend vielen Kopplungselementen ausgestattet ist, kann der gesamte Abschnitt dieser Transmissionsleitung in der vorstehend beschriebenen Weise hinsichtlich seines Wellenwiderstands geändert werden.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
- In der Zeichnung zeigt:
- Figur 1a
- eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungselements,
- Figur 1b
- eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungselements,
- Figur 2a
- eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungselements, und
- Figur 2b
- eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungselements.
- Figur 1a zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungselements 10a, das zwischen zwei Leitern 20a, 20b einer Transmissionsleitung angeordnet ist, um diese miteinander elektromagnetisch zu verkoppeln und damit die Eigenschaften der Transmissionsleitung zu verändern. Von den beiden Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung sind jeweils nur diejenigen Abschnitte in Figur 1a sowie in den weiteren Figuren dargestellt, die sich unmittelbar im Bereich des Kopplungselements befinden.
- Das erfindungsgemäße Kopplungselement 10a weist wie aus Figur 1a ersichtlich, einen ersten Schenkel 11a auf, der dem Leiter 20a der Transmissionsleitung zugeordnet ist. Ferner weist das erfindungsgemäße Kopplungselement 10a einen zweiten Schenkel 11b auf, der dem zweiten Leiter 20b der Transmissionsleitung zugeordnet ist. Beide Schenkel 11a, 11b sind erfindungsgemäß als Transmissionsleitungsabschnitt ausgebildet und ermöglichen damit eine im Vergleich zu herkömmlichen Kopplungselementen verbesserte induktive sowie kapazitive Kopplung zwischen den Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung.
- Besonders vorteilhaft weist jeder Schenkel 11a, 11b des Kopplungselements 10a einen ersten Abschnitt 11a' beziehungsweise 11b' auf, der vorzugsweise parallel zu dem ersten Leiter 20a beziehungsweise zu dem zweiten Leiter 20b der Transmissionsleitung angeordnet ist und damit eine besonders gute induktive Kopplung zwischen dem erfindungsgemäßen Kopplungselement 10a und den jeweiligen Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung bewirkt.
- Darüber hinaus weist jeder Schenkel 11a, 11b bei der in Figur 1a abgebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungselements zwei jeweils senkrecht zu dem ersten beziehungsweise zweiten Abschnitt 11a', 11b' verlaufende zweite Abschnitte 11a", 11b" auf, die einerseits eine kapazitive Kopplung zwischen den Schenkeln 11a, 11b des Kopplungselements 10a bewirken, und die andererseits zur Verbindung der beiden Schenkel 11a, 11b beziehungsweise der betreffenden zweiten Abschnitte 11a", 11b" beider Schenkel 11a, 11b untereinander jeweils mit einem kapazitiven Bauelement 12a, 12b verbunden sind.
- Bei den kapazitiven Bauelementen 12a, 12b handelt es sich in dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel um steuerbare kapazitive Elemente wie beispielsweise Kapazitätsdioden, deren Kapazität über das Anlegen einer entsprechenden Gleichspannung an die Steuerleitung 12c gesteuert werden kann.
- Sehr vorteilhaft kann bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Figur 1a sowohl die induktive als auch die kapazitive Kopplung zwischen den Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung allein durch Verändern der Kapazität der steuerbaren Kapazitäten 12a, 12b erreicht werden. Beispielsweise kann durch eine Verkleinerung der Kapazität der Elemente 12a, 12b auch direkt die induktive Kopplung zwischen den Schenkeln 11a, 11b und damit auch zwischen den Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung beeinflusst werden, da sich durch die Veränderung der Kapazität der Wechselstromwiderstand der Elemente 12a, 12b entsprechend verändert.
- Gleichzeitig verändert sich bei einer Änderung der Kapazitäten der Elemente 12a, 12b auch die kapazitive Kopplung zwischen den Schenkeln 11a, 11b. So nimmt in dem in Figur 1a abgebildeten Ausführungsbeispiel die kapazitive Kopplung durch Verringerung der Kapazität der Elemente 12a, 12b ebenfalls ab, so dass sich insgesamt eine Verringerung der kapazitiven Kopplung und der induktiven Kopplung zwischen den Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung ergibt.
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- Dementsprechend ergibt sich bei einer gleichsinnigen Verringerung der kapazitiven und induktiven Kopplung der Leitungen 20a, 20b der Transmissionsleitung, wie sie vorstehend beschrieben ist, und die mit einer entsprechenden Änderung eines Induktivitätsbelags L' beziehungsweise eines Kapazitätsbelags C' des mit dem Kopplungselement 10a versehenen Transmissionsleitungsabschnitts korrespondiert, keine Änderung des Wellenwiderstands des entsprechenden Transmissionsleitungsabschnitts. Allerdings ändert sich die Ausbreitungskonstante γ des entsprechenden Transmissionsleitungsabschnitts entsprechend der oben angegebenen Formel; das heißt im vorliegenden Beispiel verringert sich der Wert der Ausbreitungskonstante γ, während der Wellenwiderstand Z konstant bleibt.
- Entsprechend kann durch eine Steigerung der Kapazitäten der Elemente 12a, 12b auch eine Steigerung der induktiven und kapazitiven Kopplung zwischen den Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung und damit eine Vergrößerung des Werts der Ausbreitungskonstante γ erzielt werden, während der Wellenwiderstand Z des mit dem Kopplungselement 10a versehenen Transmissionsleitungsabschnitts im Wesentlichen unverändert bleibt.
- Figur 1b zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kopplungselements 10b, dessen Schenkel 11a, 11b denselben Aufbau aufweisen wie die Schenkel des in Figur 1a abgebildeten Kopplungselements 10a. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Figur 1a sind die Schenkel 11a, 11b des Kopplungselements 10b gemäß Figur 1b untereinander jedoch mit als Feldeffekttransistoren 13a, 13b ausgebildeten steuerbaren resistiven Elementen versehen, deren Ohmwiderstand über ein Steuersignal 13c eingestellt werden kann. Durch eine entsprechende Auswahl des Ohmwiderstands der resistiven Elemente 13a, 13b kann somit direkt eine induktive Kopplung zwischen den Schenkeln 11a, 11b des Kopplungselements 10b und damit auch die induktive Kopplung zwischen den Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung beeinflusst werden.
- Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 2a abgebildet. Bei dieser Erfindungsvariante weist das Kopplungselement 10c ebenso wie die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen einen ersten Abschnitt 11a', 11b' auf, der sich im Wesentlichen parallel zu dem jeweiligen Leiter 20a, 20b der Transmissionsleitung erstreckt und damit insbesondere eine induktive Kopplung zwischen den Schenkeln 11a, 11b realisiert.
- Eine kapazitive Kopplung zwischen den Leitern 20a, 20b sowie den ersten Abschnitten 11a', 1 1b' ist ebenfalls gegeben.
- Im Unterschied zu den in den Figuren 1a, 1b gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist die in Figur 2a abgebildete Variante des Kopplungselements 10c je Schenkel 11a, 11b nur einen zweiten Abschnitt 11a", 11b" auf, der sich vorzugsweise etwa senkrecht zu dem jeweiligen ersten Abschnitt 11a', 11b' erstreckt.
- Auch bei der in Figur 2a abgebildeten Erfindungsvariante ist eine Verbindung der zweiten Abschnitte 11a", 11b" durch ein kapazitives Element 12a mit einer steuerbaren Kapazität realisiert, die durch das Anlegen einer entsprechenden Steuerspannung an den Anschluss 12c veränderbar ist.
- Eine weitere Erfindungsvariante ist in Figur 2b abgebildet. Diese Erfindungsvariante unterscheidet sich von der in Figur 2a abgebildeten Ausführungsform dadurch, dass das Kopplungselement 10d ein als Feldeffekttransistor 13a ausgebildetes resistives Element mit steuerbarem Ohmwiderstand aufweist. Analog zu dem Kopplungselement 10b aus Figur 1b kann auch bei dem in Figur 2b abgebildeten Kopplungselement 10d eine induktive Kopplung der beiden Schenkel 11a, 11b durch das Anlegen eines entsprechenden Steuersignals an den Anschluss 13c eingestellt werden.
- Insgesamt ist bei der vorliegenden Erfindung im Unterschied zu herkömmlichen Kopplungselementen sehr vorteilhaft die Möglichkeit gegeben, gleichzeitig die kapazitive und die induktive Kopplung zwischen den Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung derart zu verändern, dass sich beispielsweise nur die Ausbreitungskonstante γ ändert, nicht jedoch der Wellenwiderstand Z der Transmissionsleitung. Das erfindungsgemäße Kopplungselement kann besonders vorteilhaft sowohl bei herkömmlichen Transmissionsleitungen wie beispielsweise Mikrostreifenleitungen und dergleichen eingesetzt werden, als auch bei in integrierte Schaltungen monolithisch integrierten Transmissionsleitungen.
- Prinzipiell ist bei einer monolithisch integrierten Transmissionsleitung mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Kopplungselementen die Möglichkeit gegeben, sowohl die Transmissionsleitung als auch das beziehungsweise die Kopplungselemente in derselben Metallisierungsebene der integrierten Schaltung zu realisieren, wodurch ein besonders einfacher Aufbau erzielt wird und gegebenenfalls weitere vorhandene Metallisierungsebenen für andere Anwendungen verfügbar sind. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, eine erfindungsgemäße monolithisch integrierte Transmissionsleitung sowie entsprechende Kopplungselemente jeweils in unterschiedlichen Metallisierungsebenen einer integrierten Schaltung anzuordnen, so dass sich Abschnitte der Transmissionsleitung 20a, 20b zumindest teilweise mit Transmissionsleitungsabschnitten der Schenkel 11a, 11b von erfindungsgemäßen Kopplungselementen überlappen, wodurch eine zusätzliche kapazitive Kopplungskomponente eingeführt wird.
- Das erfindungsgemäße Kopplungselement kann sowohl bei differentiellen Transmissionsleitungen verwendet werden als auch bei unsymmetrischen Transmissionsleitungen.
- Besonders vorteilhaft ist die Anordnung einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Kopplungselementen innerhalb einer Transmissionsleitung, deren Parameter wie beispielsweise die Ausbreitungskonstante γ sich somit durch eine einfache Ansteuerung der betreffenden Elemente 12a, 12b, 13a, 13b und deren Steuerleitungen 12c, 13c ändern lässt. Besonders vorteilhaft kann eine derartige erfindungsgemäße Transmissionsleitung zum Aufbau von spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO, voltage controlled oscillator), Filtern und anderen Komponenten verwendet werden, die Laufzeiteffekte bei der Signalausbreitung elektromagnetischer Wellen auf einer Transmissionsleitung ausnutzen. Beispielsweise eignet sich die erfindungsgemäße Transmissionsleitung besonders gut zum Aufbau von Reflektionsoszillatoren, deren Eigenschaften während des Oszillatorbetriebs durch eine entsprechende Änderung der Eigenschaften der Transmissionsleitung abgestimmt werden können.
- Die erfindungsgemäße Verwendung von als Transmissionsleitungsabschnitt ausgebildeten Schenkeln 11a, 11b ermöglicht-wie beschrieben- das Vorsehen einer kapazitiven Kopplung wie auch einer induktiven Kopplung zwischen den Leitern 20a, 20b der Transmissionsleitung, wobei der jeweilige Kopplungsgrad u.a. auch durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung der Transmissionsleitungsabschnitte in weiten Bereichen veränderbar ist. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung von Transmissionsleitungsabschnitten bei dem Kopplungselement daher einen im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen vergrößerten Abstimmungsbereich hinsichtlich der elektromagnetischen Kopplung der Leiter 20a, 20b der Transmissionsleitung.
- Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Kopplungselements weist mindestens einer der Schenkel 11a, 11b des Kopplungselements mehrere vorzugsweise parallel zu einem Leiter 20a, 20b der Transmissionsleitung verlaufende erste Abschnitte 11a' auf, die wahlweise untereinander verbindbar sind, beispielsweise durch steuerbare kapazitive oder resistive Bauelemente. Auf diese Weise ist vorwiegend der Grad einer induktiven Kopplung zwischen dem entsprechenden Leiter der Transmissionsleitung und dem Kopplungselement beeinflussbar. Durch eine alleinige Veränderung dieser induktiven Kopplung können - analog zu der Veränderung einer kapazitiven Kopplung - die Ausbreitungskonstante γ bzw. der Wellenwiderstand Z der Transmissionsleitung verändert werden.
- Darüberhinaus ist bei dem erfindungsgemäßen Kopplungselement durch eine gegensinnige Abstimmung einer induktiven und einer kapazitiven Kopplungskomponente die Möglichkeit gegeben, zwar den Wellenwiderstand Z der mit dem beziehungsweise den Kopplungselementen versehenen Transmissionsleitung zu ändern, nicht jedoch die Ausbreitungskonstante γ dieser Transmissionsleitung. Sofern eine erfindungsgemäße Transmissionsleitung mit hinreichend vielen Kopplungselementen ausgestattet ist, kann der gesamte Abschnitt dieser Transmissionsleitung in der vorstehend beschriebenen Weise hinsichtlich seines Wellenwiderstands geändert werden.
- Insgesamt ist durch das erfindungsgemäße Kopplungselement also die gleichzeitige Beeinflussung des Wellenwiderstands Z und der Ausbreitungskonstante γ einer Transmissionsleitung möglich, wie auch die isolierte Beeinflussung entweder des Wellenwiderstands Z oder der Ausbreitungskonstante γ, die mit der elektrischen Länge der Transmissionsleitung korrespondiert.
Claims (10)
- Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) zur elektromagnetischen Kopplung von mindestens zwei Leitern (20a, 20b) einer Transmissionsleitung, wobei das Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) zwischen einem ersten Leiter (20a) und einem zweiten Leiter (20b) der Transmissionsleitung angeordnet ist und mindestens ein diskretes Bauelement (12a, 12b, 13a, 13b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) mindestens einen ersten als Transmissionsleitungsabschnitt ausgebildeten Schenkel (11a) aufweist, der dem ersten Leiter (20a) zugeordnet ist, und einen zweiten als Transmissionsleitungsabschnitt ausgebildeten Schenkel (11b), der dem zweiten Leiter (20b) zugeordnet ist, und dass das mindestens eine diskrete Bauelement (12a, 12b, 13a, 13b) zur Verbindung des ersten Schenkels (11a) mit dem zweiten Schenkel (11b) vorgesehen ist.
- Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das diskrete Bauelement (12a, 12b, 13a, 13b) als resistives oder kapazitives Bauelement ausgebildet ist.
- Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diskrete Bauelement (12a, 12b, 13a, 13b) als Kapazitätsdiode oder als Transistor, insbesondere als Feldeffekttransistor, ausgebildet ist.
- Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schenkel (11a, 11b) mindestens einen vorzugsweise parallel zu dem ersten Leiter (20a) bzw. dem zweiten Leiter (20b) der Transmissionsleitung verlaufenden ersten Abschnitt (11a', 11b') aufweist.
- Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schenkel (11a, 11b) mindestens einen vorzugsweise senkrecht zu dem ersten Abschnitt (11a', 11b') verlaufenden zweiten Abschnitt (11a", 11b") aufweist.
- Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (11a") des ersten Schenkels (11a) mit dem zweiten Abschnitt (11b") des zweiten Schenkels (11b) über das diskrete Bauelement (12a, 12b, 13a, 13b) verbunden ist.
- Transmissionsleitung (20a, 20b) mit mindestens einem Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
- Transmissionsleitung (20a, 20b) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionsleitung (20a, 20b) und das Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) monolithisch in eine integrierte Schaltung integriert sind.
- Transmissionsleitung (20a, 20b) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionsleitung (20a, 20b) als differentielle Transmissionsleitung (20a, 20b) ausgebildet ist.
- Transmissionsleitung (20a, 20b) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissionsleitung (20a, 20b) in einer ersten Metallisierungsebene der integrierten Schaltung angeordnet ist, und dass mindestens ein Kopplungselement (10a, 10b, 10c, 10d) in einer weiteren Metallisierungsebene der integrierten Schaltung angeordnet ist.
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