EP2617097B1

EP2617097B1 - Hochfrequenz-signalkombinierer

Info

Publication number: EP2617097B1
Application number: EP11745546.9A
Authority: EP
Inventors: Michael Morgenstern; Reimo DÜBEN
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2031-08-17
Also published as: EP2617097B8; WO2012034804A1; DE102010045779A1; US9231288B2; EP2617097A1; US20130169377A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Signalkombinierer.
Gängige Hochfrequenz-Signalkombinierer, beispielsweise Wilkinson-, Geysel- oder 3dB-Koppler, sind typischerweise nur über wenige Oktaven verwendbar und weisen deshalb keine ausreichende Bandbreite auf. Bei den bei tiefen Frequenzen zum Einsatz kommenden Hybridkopplern und Ringhybriden tritt zusätzlich eine Impedanztransformation in Höhe von 2:1 in jeder Kopplungsstufe auf, die einen zusätzlichen hochohmigen und damit verlustreichen Transformator erforderlich macht.
Aus der US 6,407,648 B1 ist ein Brückenkoppler bekannt, der diese Nachteile teilweise überwindet und folgende Eigenschaften aufweist:

keine Impedanztransformation erforderlich,
geringe Verluste aufgrund von kurzen Leitungslängen,
niedrige Phasenverzerrungen zwischen den einzelnen Eingängen und dem Ausgang aufgrund von kurzen Leitungslängen und
entkoppelte Eingänge.

Der Brückenkoppler aus der US 6,407,648 B1 ist aber nachteilig auf die Kopplung von insgesamt nur vier Hochfrequenzsignalen begrenzt.
Dokument GB 2 279 504 A lehrt eine Methode zur Kombination mehrerer Hochfrequenzsignale unterschiedlicher Frequenzen mittels Hybrid-Leistungskombinierer, wobei ein Hybrid-Leistungskombinierer je zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweist, die alle dieselbe Impedanz haben. Gemäß GB 2 279 504 A besteht der Hybrid-Leistungskombinierer aus einem Zweig-Leitungskoppler, der wiederum aus einer Kombination von Reihen- und Parallel-Übertragungsleitungsabschnitten besteht, wobei diese Übertragungsleitungen als Mikrostreifen realisiert sind oder mittels einem Hybrid-Ringkoppler gebildet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen breitbandigen und verlustarmen Hochfrequenz-Signalkombinierer zu entwickeln, der eine Vielzahl von Hochfrequenzsignalen kombinieren kann.
Die Erfindungsaufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
Der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Signalkombinierer wird in bevorzugten Ausführungsformen und Untervarianten im Folgenden anhand der Zeichnung im Detail erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1A: ein erstes Schaltungsdiagramm einer Entkopplungsbrücke nach dem Stand der Technik,
Fig. 1B: ein zweites Schaltungsdiagramm einer bisher üblichen Entkopplungsbrücke,
Fig. 2A: ein erstes Schaltungsdiagramm einer bisher üblichen Kopplungsbrücke,
Fig. 2B: ein zweites Schaltungsdiagramm einer bisher üblichen Kopplungsbrücke,
Fig. 3: ein Schaltdiagramm eines bisher üblichen Hochfrequenz-Signalkombinierers,
Fig. 4A: ein Schaltdiagramm einer Entkopplungsbrücke bei Einspeisung mit zwei Hochfrequenzsignalen,
Fig. 4B: ein Schaltdiagramm einer Entkopplungsbrücke bei Einspeisung mit einem Hochfrequenzsignal,
Fig. 5A: ein Schaltdiagramm einer Kopplungsbrücke bei Einspeisung mit vier Hochfrequenzsignalen,
Fig. 5B: ein Schaltdiagramm einer Kopplungsbrücke bei Einspeisung mit zwei Hochfrequenzsignalen,
Fig. 6: ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Kopplungsbrücke eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierers,
Fig. 7A: ein Schaltdiagramm einer ersten Ausführungsform einer Entkopplungsbrücke eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierers,
Fig. 7B: ein Schaltdiagramm einer zweiten Ausführungsform einer Entkopplungsbrücke eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierers,
Fig. 8A: ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Signalkombinierers mit Entkopplungsbrücke,
Fig. 8B: ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierers und
Fig. 9: ein Schaltdiagramm eines vereinfachten Ausführungsbeispiels eines Hochfrequenz-Signalkombinierers.

Bevor die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierers im Detail erläutert wird, wird im Folgenden die für das Verständnis der Funktionsweise des erfinderischen Hochfrequenz-Signalkombinierers erforderliche Funktionsweise des Hochfrequenz-Signalkombinierers nach dem Stand der Technik, wie er beispielsweise in der Fig. 1 der US 6,407,648 B1 dargestellt ist, vorgestellt:
Der Hochfrequenz-Signalkombinierer nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 3, der insgesamt vier eingangsseitige erste Hochfrequenzsignale IN1, IN2, IN3, IN4 zu einem ausgangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignal OUT5 kombiniert, besteht aus zwei Entkopplungsbrücken 1, in denen jeweils zwei der insgesamt vier eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignale IN1, IN2, IN3, IN4 mittels Splittung und Kombination in jeweils zwei ausgangsseitige erste Hochfrequenzsignale OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 von jeweils identischer Leistung transformiert werden, und einer nachgeschalteten Kopplungsbrücke 3, in der die vier ausgangsseitigen ersten Hochfrequenzsignale OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 mit jeweils identischer Leistung an den Ausgängen 12', 12" der beiden Entkopplungsbrücken 1 verlustfrei zu einem einzigen ausgangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignal OUT5 transformiert werden.
Eine Entkopplungsbrücke dieses Hochfrequenz-Signalkombinierers mit den beiden eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignalen IN1 und IN2 und den beiden ausgangsseitigen ersten Hochfrequenzsignalen OUT1 und OUT2, die der Entkopplungsbrücke bestehend aus den Widerständen 82 und 86 bzw. 84 und 88 in Fig. 1 der US 6,407,648 B1 entspricht, ist in Fig. 1A dargestellt. Die Darstellung einer Entkopplungsbrücke in Fig. 1A kann in eine dazu äquivalente Darstellung einer Entkopplungsbrücke in Fig. 1B überführt werden.
Zu erkennen sind in der Darstellung einer Entkopplungsbrücke gemäß Fig. 1B die zugehörigen gestrichelt dargestellten Brückenzweige 11, 11', 11", 11''' und die zugehörigen mit durchgezogener Linie dargestellten Brückendiagonalen 14. Die mit den Anschlüssen 12, 12''' der eingangsseitigen ersten Hochfrequenzleitungen in direkter Verbindung stehenden Brückenzweige repräsentieren die Einkoppelzweige. Die in den zugehörigen Brückenzweigen jeweils vorgesehene und ebenfalls gestrichelt dargestellte Impedanz entspricht der Eingangsimpedanz und damit dem Wellenwiderstand Z₀ der zugehörigen eingangsseitigen ersten Hochfrequenzleitung. Die mit den ausgangsseitigen Hochfrequenzleitungen in Verbindung stehenden Brückenzweige repräsentieren die Auskoppelzweige. Die in den zugehörigen Brückenzweigen jeweils vorgesehene und ebenfalls gestrichelt dargestellte Impedanz entspricht der Eingangsimpedanz und damit dem Wellenwiderstand Z₀ der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung, die bei idealer Anpassung der Lastimpedanz Z_Last entspricht.
In den beiden Brückendiagonalen 14 sind jeweils Lastausgleichswiderstände Z_LAW vorgesehen. Die Brückenknoten der Entkopplungsbrücke sind jeweils mit den Innenleitern oder den Außenleitern von zwei ein eingangsseitiges und ein ausgangsseitiges Hochfrequenzsignal IN1, IN2, OUT1, OUT2 jeweils führenden Hochfrequenzleitungen verbunden. Funktionsbedingt ist nur ein einziger Brückenknoten 15 - ein mit Außenleitern von Hochfrequenzleitungen verbundener Brückenknoten - auf Massepotential gelegt.
Die Funktionsweise einer Entkopplungsbrücke geht aus den beiden in Fig. 4A und 4B jeweils dargestellten Betriebsfällen hervor.
In dem in Fig. 4A dargestellten Betriebsfall werden beide eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 von den jeweiligen Eingangsbeschaltungen über die Innenleiter der eingangsseitigen Hochfrequenzleitungen in die Entkopplungsbrücke eingespeist. Die beiden eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 werden in der Entkopplungsbrücke, wie in Fig. 4A mit gerichteten Stromflusslinien dargestellt ist, jeweils in zwei Teilströme gesplittet.
Der eine Teilstrom der beiden eingangsseitigen Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 fließt jeweils über den Innenleiter der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung, die Lastimpedanz Z_LAST, dem Außenleiter der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung, dem in Fig. 4A vertikal dargestellten Lastausgleichswiderstand Z_LAW und dem Außenleiter der eingangsseitigen Hochfrequenzleitung in die jeweiligen Eingangsbeschaltungen zurück. Der Stromfluss dieses Teilstromes über den Innenleiter der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung, die Lastimpedanz Z_LAST und den Außenleiter der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung wird in Fig. 4A vereinfacht über die im zugehörigen Brückenzweig vorhandene Impedanz dargestellt, die dem Wellenwiderstand Z₀ der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung entspricht.
Der andere Teilstrom der beiden eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 fließt über den in Fig. 4A horizontal dargestellten Lastausgleichswiderstand Z_LAW, den Außenleiter der jeweils anderen ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung, der Lastimpedanz Z_LAST, dem Außenleiter der jeweils anderen ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung zur Masse ab. Der Stromfluss dieses Teilstromes über den Innenleiter der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung, die Lastimpedanz Z_LAST und den Außenleiter der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung wird in Fig. 4A wiederum vereinfacht über die im zugehörigen Brückenzweig vorhandene Impedanz dargestellt, die dem Wellenwiderstand Z₀ der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung entspricht.
Für den Fall, dass die Leistungen der beiden eingangsseitigen Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 jeweils identisch sind, sind auch die beiden zugehörigen Teilströme durch den vertikalen und horizontalen Lastausgleichswiderstand Z_LAW identisch. Da die zu den beiden eingangsseitigen Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 gehörigen Teilströme im vertikalen und horizontalen Lastausgleichswiderstand Z_LAW jeweils entgegengesetzt gerichtet sind, fließt durch den vertikalen und horizontalen Lastausgleichswiderstand Z_LAW in Summe kein Strom und somit tritt auch kein Verlust in den beiden Lastausgleichswiderständen Z_LAW auf. Da die beiden Lastwiderstände Z_LAST und die beiden Lastausgleichswiderstände Z_LAW identisch sind und dem Systemwellenwiderstand Z₀ der Entkopplungsbrücke entsprechen, erhalten die beiden Lastwiderstände Z_LAST von den beiden eingangsseitigen Hochfrequenzsignalen IN1 und IN2 jeweils einen gleich hohen Teilstrom, der jeweils dem halben Strom der beiden eingangsseitigen Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 entspricht. Den beiden Lastimpedanzen Z_LAST wird folglich eine identische Leistung zugeführt, die der Summe aus den Strömen der beiden eingangsseitigen Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 entspricht.
Weichen die Leistungen der beiden eingangsseitigen Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 voneinander ab, so kompensieren sich die beiden Teilströme im vertikalen und horizontalen Lastausgleichswiderstand Z_LAW nicht und es fließt in Summe ein Strom durch den vertikalen und horizontalen Lastausgleichswiderstand Z_LAW, dessen Stromrichtung durch das eingangsseitige Hochfrequenzsignal IN1 bzw. IN2 mit der höheren Leistung bestimmt wird. Aufgrund des Stromflusses durch den vertikalen und horizontalen Lastausgleichswiderstand Z_LAW erhalten die beiden Lastimpedanzen Z_LAST zwar eine identische Leistung, die aber gegenüber dem Fall einer Einspeisung identischer Leistungen durch die beiden eingangsseitigen Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 aufgrund des Verlusts in den beiden Lastausgleichswiderständen Z_LAW reduziert ist.
In dem in Fig. 4B dargestellten Betriebsfall wird nur ein einziges eingangsseitiges erstes Hochfrequenzsignal, nämlich das eingangsseitige erste Hochfrequenzsignal IN1 von seiner Eingangsbeschaltung über den Innenleiter der zugehörigen eingangsseitigen Hochfrequenzleitung in die Entkopplungsbrücke eingespeist. Die beiden Lastimpedanzen Z_LAST erhalten jeweils nur einen Teilstrom, der dem halben Strom des aktiven eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignals IN1 entspricht. Die beiden Lastimpedanzen und die beiden Lastausgleichswiderstände erhalten jeweils ein Viertel der durch das eingangsseitige erste Hochfrequenzsignal IN1 eingespeisten Leistung.
Eine Kopplungsbrücke des Hochfrequenz-Signalkombinierers nach dem Stand der Technik mit den eingangsseitigen Hochfrequenzsignalen IN5, IN6, IN7 und IN8 und dem ausgangsseitigen Hochfrequenzsignal OUT5, die der Kopplungsbrücke bestehend aus dem Widerstand 90 in Fig. 1 der US 6,407,648 B1 entspricht, ist in Fig. 2A dargestellt. Die Darstellung einer Kopplungsbrücke in Fig. 2A kann in eine dazu äquivalente Darstellung einer Kopplungsbrücke in Fig. 2B überführt werden.
Zu erkennen sind in der Darstellung einer Kopplungsbrücke gemäß Fig. 2B die zugehörigen gestrichelt dargestellten Brückenzweige 4, 4', 4", 4''' und die zugehörige mit durchgezogener Linie dargestellte Brückendiagonale 17. Die mit den eingangsseitigen Hochfrequenzleitungen in Verbindung stehenden Brückenzweige repräsentieren die Einkoppelzweige. Die in den zugehörigen Brückenzweigen jeweils vorgesehenen und ebenfalls gestrichelt dargestellten Impedanzen entsprechen bei eingangsseitiger Anpassung der Eingangsimpedanz und damit dem Wellenwiderstand Z₀ der eingangsseitigen Hochfrequenzleitung. Der Auskoppelzweig, der in Fig. 2B nicht dargestellt ist, befindet sich in der Brückendiagonale zwischen dem mit dem Innenleiter der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung OUT5 verbundenen Brückenknoten und dem auf Massepotential liegenden Brückenknoten 15.
In der zwischen den Innenleitern der vier eingangsseitigen Hochfrequenzleitungen befindlichen, in Fig. 2B vertikal dargestellten Brückendiagonale ist ein Lastausgleichswiderstand Z_LAW vorgesehen. In der in Fig. 2B nicht dargestellten horizontalen Brückendiagonale, die den Auskoppelzweig bildet, befindet sich zwischen dem mit dem Innenleiter der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung OUT5 verbundenen Brückenknoten 15 und dem auf Massepotential liegenden Brückenknoten die Lastimpedanz Z_LAST, die bei optimaler ausgangsseitiger Anpassung dem Wellenwiderstand Z₀ der ausgangsseitigen Hochfrequenzleitung und damit dem Systemwellenwiderstand der Kopplungsbrücke entspricht Z₀.
Die Brückenknoten der Kopplungsbrücke sind jeweils mit den Innenleitern oder den Außenleitern der vier eingangsseitige zweiten Hochfrequenzsignale IN5, IN6, IN7, IN8 jeweils führenden Hochfrequenzleitungen verbunden. Funktionsbedingt ist nur ein einziger Brückenknoten 15 - ein mit den Außenleitern der Hochfrequenzleitungen verbundener Brückenknoten - auf Massepotential gelegt.
Die Funktionsweise einer Entkopplungsbrücke geht aus den beiden in Fig. 5A und 5B jeweils dargestellten Betriebsfällen hervor:
In dem in Fig. 5A dargestellten Betriebsfall werden alle vier eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignale IN5, IN6, IN7 und IN8 über die Innenleiter der eingangsseitigen Hochfrequenzleitungen in die Kopplungsbrücke eingespeist. Während die beiden eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignale IN5 und IN6 aufgrund der direkten Verbindung in die Brückendiagonale mit der Lastimpedanz Z_LAST eingespeist werden, werden die beiden eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignale IN7 und IN8 in die jeweiligen Außenleiter der zu den eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignale IN5 und IN6 gehörigen Hochfrequenzleitungen gespeist. Die in die Außenleiter der zu den eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignale IN5 und IN6 gehörigen Hochfrequenzleitungen gespeisten eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignale IN7 und IN8 werden über die nachgeschalteten Entkopplungsbrücken und über die Innenleiter der zu den eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignalen IN5 und IN6 gehörigen Hochfrequenzleitungen wiederum in die Kopplungsbrücke zurückgeführt und über die Lastimpedanz Z_LAST an den Brückenknoten 15 mit Massepotential geleitet. Dieser Stromfluss kann, wie in Fig. 5A dargestellt ist, durch einen Stromfluss über eine Impedanz mit dem Wellenwiderstand Z₀ der zum eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignal IN5 bzw. IN6 gehörigen Hochfrequenzleitung im Brückenzweig zwischen dem Brückenknoten, der mit dem Innenleiter der zum jeweiligen eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignal IN7 und IN8 gehörigen Hochfrequenzleitung verbunden ist, und dem Brückenknoten mit Massepotential dargestellt werden.
Im Hinblick auf eine optimale Entkopplung der vier Eingangsleistungen, müssen die Eingangsleistungen insbesondere in jeweils gegenüber liegenden Brückenzweigen identisch sein (idealerweise an allen vier Eingängen identisch sein). In diesem Fall ist als Voraussetzung einer optimalen Entkopplung der vier Eingangsleistungen die Summe der beiden Spannungen U₁ und U₃ identisch zur Summe der beiden Spannungen U₂ und U₄.
Fällt ein Paar von Eingangsleistungen gegenüber dem anderen Paar von Eingangsleistungen ab, werden die Potentiale in den Brückenknoten, die mit dem Lastausgleichswiderstand Z_LAW verbunden sind und bei identischen Eingangsleistungen aller vier Eingänge der halben Ausgangsspannung entsprechen, verschoben.
In dem in Fig. 5B dargestellten Betriebsfall werden in den gegenüberliegenden und zu den eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignalen IN5 und IN8 gehörigen Hochfrequenzleitungen keine Leistungen eingespeist. Das eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignal IN7 fließt direkt über die Lastimpedanz Z_LAST zur Masse ab. Das eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignal IN6 wird aufgrund eines Spannungsabfalls über den in Fig. 5B horizontal dargestellten Lastausgleichswiderstand Z_LAW - entspricht der Spannung U₂ am Anschluss der das eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignal IN6 führenden Hochfrequenzleitung - geleitet und über den Außenleiter der das eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignal IN7 führenden Hochfrequenzleitung, die vorgelagerte Entkopplungsschaltung, den Innenleiter der das eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignal IN7 führenden Hochfrequenzleitung und die Lastimpedanz Z_LAST nach Masse geführt.
Führt man zwei eingangsseitige erste Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 bzw. IN3 und IN4 jeweils einem ersten Brückenkoppler 1, der als Entkopplungsbrücke gemäß Fig. 1A bzw. 1B realisiert ist, zu und speist die zugehörigen ausgangsseitigen ersten Hochfrequenzsignale OUT1 und OUT2 bzw. OUT3 und OUT4 über Hochfrequenzleitungen als eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignale in die vier Eingangsanschlüsse eines zweiten Brückenkoppler 3 ein, der als Kopplungsbrücke gemäß Fig. 2A realisiert ist, so kann man am Ausgangsanschluss der Kopplungsbrücke 9 ein ausgangsseitiges zweites Hochfrequenzsignal OUT5 abgreifen, das aus der Kombination der den einzelnen Entkopplungsbrücken zugeführten eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignalen IN1, IN2, IN3 und IN4 besteht.
Auf diese Weise entsteht der in Fig. 3 dargestellte Hochfrequenz-Signalkombinierer. Sind die Eingangsleistungen der vier eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignale IN1, IN2, IN3 und IN4 jeweils identisch, so ergeben sich keine Verlustleistungen an den Lastausgleichswiderständen der Entkopplungsbrücken 1 und die Leistung des am Ausgangsanschluss der Kopplungsbrücke 3 anliegenden ausgangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignals OUT5 entspricht der Summe der Eingangsleistungen der an den Eingangsanschlüssen der Entkopplungsbrücke anliegenden eingangsseitigen ersten Hochfrequenzsignale IN1, IN2, IN3 und IN4.
Diejenigen Hochfrequenzleitungen, die mit dem einen Anschluss an Brückenzweigen von Entkopplungsbrücken ohne Verbindung zu einer Masse und mit dem anderen Anschluss an einem Anschluss mit Massepotential oder einem beliebigen anderen Potential angeschlossen sind, weisen ein Spannungspotential am Außenleiter zwischen ihren beiden Anschlüssen auf, der zu einer unerwünschten Mantelwelle auf dem Außenleiter führt. Zur Dämpfung dieser Mantelwellen ist die jeweilige Hochfrequenzleitung im Bereich ihres Anschlusses, der mit einem Brückenzweig einer Entkopplungsbrücke ohne Masseverbindung verbunden ist, mit einem ringförmigen Kern 16 umgeben.
In Fig. 7A ist eine erste Ausführungsform einer Entkopplungsbrücke 1' dargestellt, bei der in den diagonal gegenüber liegenden Brückenzweigen 11' und 11" jeweils zwei parallel verschaltete Anschlüsse 13' für jeweils eine ausgangsseitige Hochfrequenzleitung vorgesehen sind. Die ausgangsseitigen Hochfrequenzleitungen weisen jeweils den doppelten Wellenwiderstand gegenüber dem Wellenwiderstand der eingangsseitigen Hochfrequenzleitung auf, um eine symmetrische Entkopplungsbrücke zu verwirklichen.
In Fig. 7B ist eine zweite Ausführungsform einer Entkopplungsbrücke 1" dargestellt, bei der in den diagonal gegenüber liegenden Brückenzweigen 11' und 11"' jeweils zwei seriell verschaltete Anschlüsse 13" für jeweils eine ausgangsseitige Hochfrequenzleitung vorgesehen sind. Die ausgangsseitigen Hochfrequenzleitungen weisen jeweils den halben Wellenwiderstand gegenüber dem Wellenwiderstand der eingangsseitigen Hochfrequenzleitung auf, um eine symmetrische Entkopplungsbrücke zu verwirklichen.
Mit diesen beiden Ausführungsformen einer Entkopplungsbrücke lassen sich also zwei eingangsseitige erste Hochfrequenzsignale IN1, IN2 in vier ausgangsseitige erste Hochfrequenzsignale OUT1', OUT2', OUT3', OUT4' bzw. OUT1", OUT2", OUT3", OUT4" mit jeweils identischer Leistung splitten. Aus Fig. 8A geht ein Hochfrequenz-Signalkombinierer hervor, bei dem die vier Eingänge einer Kopplungsbrücke mit den vier Ausgängen einer ersten Ausführungsform einer einzigen Entkopplungsbrücke, gemäß Fig. 7A verbunden sind.
In Fig. 6 ist eine Kopplungsbrücke 3' dargestellt, die für einen erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierer geeignet ist, und die aus einer ursprünglichen Kopplungsbrücke hervorgeht und insgesamt 16 Anschlüsse 9 für eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignale vorsieht:
Hierzu bildet jeder Brückenzweig 4, 4', 4", 4''' der ursprünglichen Kopplungsbrücke eine Brückendiagonale einer Unter-Kopplungsbrücke. In der zu dieser Brückendiagonalen orthogonalen Brückendiagonalen 10, 10', 10", 10''', jeder Unter-Kopplungsbrücke ist ein Lastausgleichswiderstand R2, R3, R4, R5 vorgesehen. Jeweils zwei Brückenknoten jeder Unter-Kopplungsbrücke sind mit einem Brückenknoten A, B, C, D der ursprünglichen Kopplungsbrücke verbunden. Jeweils ein Brückenknoten E jeder Unter-Kopplungsbrücke ist zu einem gemeinsamen Punkt "sternförmig" zusammengeführt. Schließlich bildet jeweils ein Brückenknoten F, G, H, I jeder Unter-Kopplungsbrücke die vier diagonalen Eckpunkte des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierers. In den einzelnen Brückenzweigen der vier Unter-Kopplungsbrücken ist jeweils ein Anschluss 9 für ein eingangsseitiges zweites Hochfrequenzsignal vorgesehen. Um eine Rückwirkungsfreiheit der einzelnen Eingänge des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierers zu erzielen, müssen die Leistungen in gegenüberliegenden, d.h. parallelen Brückenzweigen einer Unter-Kopplungsbrücke und in gegenüberliegenden, d.h. parallelen Brückenzweigen von jeweils diagonal gegenüber liegenden Unter-Kopplungsbrücken jeweils identisch sein. In diesem Fall ist der Spannungsabfall in den einzelnen Brückendiagonalen des ursprünglichen Hochfrequenz-Signalkombinierers, der von den Spannungen in den beiden an die jeweilige Brückendiagonale angrenzenden Brückendreiecken erzeugt wird, immer gleich.
Eine korrekte Funktion der Kopplungsbrücke wird durch identische Impedanzen in den Brückenzweigen und Brückendiagonalen (Lastimpedanz Z_LAST und Lastausgleichswiderstand Z_LAW) erzielt, die dem Wellenwiderstand Z₀ der angeschlossenen Hochfrequenzleitungen entsprechen.
Die Kopplungsbrücke lässt sich nach diesem Prinzip beliebig kaskadieren, wobei in jeder Kaskadierungsstufe jeweils eine um den Faktor vier höhere Anzahl von Eingängen für eingangsseitige Hochfrequenzsignale entsteht.
In Fig. 8B ist die einzige Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierers dargestellt, der eine Kopplungsbrücke 3' aufweist, deren 16 Hochfrequenzeingänge jeweils mit eingangsseitigen zweiten Hochfrequenzsignalen gespeist werden, die von vier Entkopplungsbrücken 1' mit jeweils vier Ausgängen 13' erzeugt werden, wobei die vier Ausgänge 13' der einzelnen Entkopplungsbrücken 1' durch jeweils zwei parallel geschaltete Ausgänge 13' in zwei Brückenzweigen 11', 11''' der Entkopplungsbrücke 1' gebildet werden (erste Ausführungsform einer Entkopplungsbrücke). Alternativ können auch Entkopplungsbrücken 1" der zweiten Ausführungsform verwendet werden. Bezüglich der Verwendung von Bezugszeichen für die Kopplungsbrücke 3', sei auf Fig. 6 verwiesen, welche im Detail eine Kopplungsbrücke 3' zeigt. Bezüglich der Verwendung von Bezugszeichen für die Entkopplungsbrücken 1', sei auf Fig. 7A verwiesen, welche im Detail eine Entkopplungsbrücke 1' zeigt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde Fig. 8B nicht detailliert beschriftet.
In Fig. 9 ist ein vereinfachter Hochfrequenz-Signalkombinierer dargestellt. Hierbei werden jeweils zwei eingangsseitige Hochfrequenzsignale IN1 und IN2 bzw. IN3 und IN4 in jeweils zwei identischen Signalkombinierern 18 zu jeweils einem ausgangsseitigen Hochfrequenzsignal OUT1 bzw. OUT2 kombiniert. Diese ausgangsseitigen Hochfrequenzsignale OUT1 und OUT2 werden den beiden Eingängen einer Entkopplungsbrücke 1 gemäß Fig. 1A bzw. 1B zugeführt.
Die beiden ausgangsseitigen Hochfrequenzsignale der Entkopplungsbrücke 1 werden den beiden Eingängen einer Kopplungsbrücke 18 zugeführt. Diese Kopplungsbrücke 18 weist anstelle von vier Eingängen wie im Fall einer Kopplungsbrücke 3 gemäß Fig. 2A bzw. 2B lediglich zwei Eingänge auf. Sie geht aber aus dieser Kopplungsbrücke 3 gemäß Fig. 2A bzw. 2B hervor, indem der Innenleiter bzw. der Außenleiter der in Fig. 2A bzw. 2B das eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignal IN5 führenden Hochfrequenzleitung mit dem Innenleiter bzw. dem Außenleiter der das eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignal IN6 führenden Hochfrequenzleitung zum Innenleiter bzw. Außenleiter einer gemeinsamen Hochfrequenzleitung und der Innenleiter bzw. der Außenleiter der das eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignal IN7 führenden Hochfrequenzleitung mit dem Innenleiter bzw. dem Außenleiter der das eingangsseitige zweite Hochfrequenzsignal IN8 führenden Hochfrequenzleitung zum Innenleiter bzw. Außenleiter einer gemeinsamen Hochfrequenzleitung zusammengefasst werden. Auf diese Weise verschwinden die Brückenzweige und die Brückendiagonale mit dem Lastausgleichwiderstand Z_LAW der ursprünglichen Kopplungsbrücke 3.
Durch die Zusammenfassung zweier ursprünglich parallel geschalteter Eingangsanschlüsse in der Kopplungsbrücke 19, enthält die Entkopplungsbrücke 1, wie in Fig. 9 dargestellt ist, auch keine zwei parallel geschalteten zugehörigen Ausgangsanschlüsse, sondern ledig einen Ausgangsanschluss, der aber gegenüber dem Eingangsanschluss der Entkopplungsbrücke 1 aufgrund der Zusammenfassung zweier paralleler Hochfrequenzleitungen und damit zweier paralleler Ausgangsanschlüsse eine doppelte Eingangsimpedanz aufweist. Die beiden gemeinsamen Hochfrequenzleitungen zwischen Entkopplungs- und Kopplungsbrücke, die aus der Zusammenfassung zweier einzelner Hochfrequenzleitungen hervorgehen, weisen ebenfalls einen doppelten Wellenwiderstand gegenüber dem Wellenwiderstand der einzelnen Hochfrequenzleitungen auf.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungen des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalkombinierers beschränkt. Von der Erfindung sind auch andere Verschaltungen von Ausgangsanschlüssen in den Brückenzweigen der Entkopplungsbrücken, beispielsweise in Entkopplungsbrücken angeordnete Ausgangsanschlüsse, mit abgedeckt.

Claims

Hochfrequenz-Signalkombinierer mit vier Entkopplungsbrücken (1'; 1") zur Transformation von jeweils zwei eingangsseitigen Hochfrequenzsignalen (IN1, IN2) in jeweils vier Hochfreqüenzsignale (OUT1, OUT2, OUT3, OUT4) mit jeweils zumindest nahezu identischer Leistung, und
mit einer Kopplungsbrücke (3') zur Addition der insgesamt 16 Hochfrequenzsignalen (OUT1, OUT2, OUT3, OUT4,...) der vier Entkopplungsbrücken (1'; 1"),
wobei jede Entkopplungsbrücke (1'; 1") aus vier Brückenzweigen (11, 11', 11", 11''') besteht,

wobei jede Entkopplungsbrücke (1'; 1") zur Einspeisung der jeweils zwei eingangsseitigen Hochfrequenzsignalen (IN1, IN2) jeweils einen Anschluss (12) in einem diametral gegenüber liegenden Brückenzweig (11, 11''') der Entkopplungsbrücke (1'; 1'') hat, für den jeweils eine eingangsseitige Hochfrequenzleitung vorgesehen ist, und

wobei zur Ausgabe'von vier Hochfrequenzsignalen (OUT1', OUT2', OUT3', OUT4') in jeweils diametral gegenüber liegenden weiteren Brückenzweigen (11', 11") der Entkopplungsbrücke (1'; 1") jeweils zwei parallele oder serielle Anschlüsse (13', 13") für jeweils eine ausgangsseitige Hochfrequenzleitung vorgesehen sind,

wobei jede Hochfrequenzleitung einen Innenleiter und einen Außenleiter enthält,

wobei jede Entkopplungsbrücke vier Brückenknoten enthält, wobei in zwei Brückenknoten jeweils ein Innenleiter der eingangsseitigen Hochfrequenzleitung (12) und jeweils ein Innenleiter der zwei parallel oder seriell geschalteten ausgangsseitigen Hochfrequenzleitungen (13', 13") in einem Brückenkrioten verbunden sind, und wobei in zwei weiteren Brückenknoten jeweils ein Außenleiter der eingangsseitigen Hochfrequenzleitung (12) und jeweils ein Außenleiter der zwei parallel oder seriell geschalteten ausgangsseitigen Hochfrequenzleitungen (13', 13") in einem Brückenknoten verbunden sind, wobei ein einziger mit den Außenleitern verbundener Brückenknoten (15) auf Massepotential gelegt ist, wobei jeweils zwei diagonal gegenüber liegende Brückenknoten eine Brückendiagonale (14) bilden, wobei in jeder Brückendiagonalen (14) jeweils ein Lastausgleichswiderstand (ZLAW) vorgesehen ist, und wobei jede mit der Entkopplungsbrücke verbundene Hochfrequenzleitung jeweils einen ringförmigen Kern (16) zur Mantelwellenentkopplung aufweist;

wobei die Kopplungsbrücke (3') vier Brückenzweige. (4, 4', 4", 4''') enthält, wobei jeder Brückenzweig (4, 4', 4", 4''') jeweils durch eine Brückendiagonale aus jeweils einer von vier Unter-Kopplungsbrücken gebildet ist,

wobei in den orthogonal zu den aus den Brückenzweigen (4, 4', 4", 4''') gebildeten Brückendiagonalen (10, 10', 10", 10''') jeder Unter-Kopplungsbrücke jeweils ein Lastausgleichswiderstand der jeweiligen Unter-Kopplungsbrücke (R2, R3, R4, R5) vorgesehen ist,

wobei jeweils zwei Brückenknoten jeder Unter-Kopplungsbrücke in einem Brückenknoten (A, B, C, D) der Kopplungsbrücke (3') verbunden sind, wobei jeweils ein Brückenknoten (F, G, H, I) jeder Unter-Kopplungsbrücke die vier diagonalen Eckpunkte des Hochfrequenz-Signalkombinierers bilden,

wobei in den einzelnen Brückenzweigen der vier Unter-Kopplungsbrücken jeweils ein Anschluss (9) für ein Hochfrequenzsignal der Entkopplungsbrücken vorgesehen ist,

wobei die Entkopplungsbrücken (1'; 1") so ausgebildet sind, dass die Leistungen in den parallel angeordneten Brückenzweigen jeder Unter-Kopplungsbrücke und parallel angeordneten Brückenzweigen von jeweils diagonal gegenüberliegenden Unter-Kopplungsbrücken jeweils identisch sind,

wobei in einer Brückendiagonale der Kopplungsbrücke (3') an den damit verbundenen Brückenknoten (A, D) ein Anschluss zur Ausgabe eines Summensignals aus den 16 Eingangssignalen vorgesehen ist, und

wobei in einer orthogonal zu der Brückendiagonale zur Ausgabe eines Summensignals angeordneten Brückendiagonal der Kopplungsbrücke (3') ein Lastausgleichswiderstand der Kopplungsbrücke (R1) vorgesehen ist.
Hochfrequenz-Signalkombinierer nach Anspruch 1,
wobei der Lastausgleichswiderstand (R1, R2, R3, R4, R5) der Unterkopplungsbrücken und/oder der Kopplungsbrücke (3') eine zur Systemimpedanz des Hochfrequenz-Signalkombinierers identische Impedanz hat.
Hochfrequenz-Signalkombinierer nach Anspruch 1 oder
wobei die an den jeweils zwei parallelen
Anschlüssen (13', 13'') in jeweils diametral gegenüber liegenden Brückenzweigen (11', 11") der Entkopplungsbrücke angeschlossenen Hochfrequenzleitungen jeweils eine zur Systemimpedanz des Hochfrequenz-Signalkombinierers doppelten Wellenwiderstand haben.
Hochfrequenz-Signalkombinierer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Lastausgleichswiderstände (ZLAW) der Entkopplungsbrücken (1'; 1'') eine zur Systemimpedanz des Hochfrequenz-Signalkombinierers identische Impedanz haben.