FI86586C

FI86586C - 90 degree hybrid clutch

Info

Publication number: FI86586C
Application number: FI904112A
Authority: FI
Inventors: Andre Paul Dekker
Original assignee: Telenokia Oy
Priority date: 1990-08-20
Filing date: 1990-08-20
Publication date: 1992-09-10
Also published as: FI86586B; FI904112A0; FI904112A

Description

1 86586 90-asteen hybridikytkentä1 86586 90-degree hybrid coupling

Keksinnön kohteena on 90-asteen hybridikytkentä, joka käsittää kaksi rinnakkaista, toisistaan erillään ole-5 vaa johdinta, joiden päät muodostavat hybridikytkennän sisääntulot ja ulostulot ja jotka kumpikin käsittävät kolme sarjaankytkettyä johdinosuutta, joista jokaisen sähköinen pituus on suurinpiirtein aallonpituuden neljäsosa hybridikytkennän keskitaajuudella.The present invention relates to a 90-degree hybrid circuit comprising two parallel, spaced-apart conductors, the ends of which form the inputs and outputs of the hybrid circuit, each comprising three series-connected conductor portions, each of which has an electrical length of approximately one-fourth the wavelength of the hybrid circuit.

10 Useimmilla mikroaaltopiirien valmistustekniikoilla, erityisesti mikroliuskatekniikalla, on erittäin vaikea saada aikaan tiukka sähköinen kytkentä kahden johtimen välille. Ilman erikoisrakenteita tai hyvin kapeaa kytkentärakoa, pienempi kuin 0,2 mm, suurin mahdollinen kytkentäkerroin on 15 suuruusluokkaa -7...-8 dB. Usein tarvitaan kuitenkin 90-asteen hybridipiirejä tai suuntakytkimiä, joissa kytkentäkerroin on -3 dB, mikä kuitenkin onnistuu vain erikoisratkaisuilla.10 Most microwave fabrication techniques, especially microstrip technology, make it very difficult to achieve a tight electrical connection between two conductors. Without special structures or a very narrow connection gap, less than 0.2 mm, the maximum possible coupling factor is of the order of 15 -7 ...- 8 dB. However, 90-degree hybrid circuits or directional switches with a switching factor of -3 dB are often needed, which, however, is only possible with special solutions.

US-patentti julkaisuissa 4211986 ja 3516024 on mikro-20 liuskakytkimien keskimmäisellä osuudella tarvittava korkea kytkentäkerroin pyritty saavuttamaan käyttämällä tällä osuudella interdigitoitua kytkintä.U.S. Pat. Nos. 4,211,986 and 3,511,024 seek to achieve the high coupling factor required for the middle portion of micro-20 strip switches by using a switch interdigitated with this portion.

Muut yleisimmät ratkaisut tähän ongelmaan ovat "broadside coupled stripline "-kytkin, " branch-line"-kytkin, 25 Lange-kytkin, tandemkytkin, "wire-line"-kytkin sekä "overlay"-kytkin. Kuhunkin näistä ratkaisuista liittyy kuitenkin ainakin yksi seuraavista ongelmista: - ne ovat hankalia tai kalliita toteuttaa sarjatuotannossa: ne vaativat käsityötä, monikerrostekniikkaa, 30 erittäin tiukkoja toleransseja, ym.Other common solutions to this problem are a "broadside coupled stripline" switch, a "branch-line" switch, a 25 Lange switch, a tandem switch, a "wire-line" switch, and an "overlay" switch. However, each of these solutions involves at least one of the following problems: - they are cumbersome or expensive to implement in series production: they require manual work, multi-layer technology, 30 very strict tolerances, etc.

- ne eivät ole sähköisesti ideaalisia: niissä käytetään liitäntöjä (bondauksia), siltauksia piirilevyn toisella puolella jne., jotka muodostavat parasiittisia induktansseja. Näiden parasiittisten induktanssien arvo ja nii- 35 den vaikutus piirin ominaisuuksiin on yleensä mahdotonta 2 86586 laskea, joten suunnittelu tulee vaikeaksi. Lisäksi useimmissa ratkaisuissa bondaukset tai siltaukset tuhoavat ideaalisessa 90-asteen suuntakytkimessä vaaditun symmetrian, joten suoritusarvot kärsivät.- they are not electrically ideal: they use connections (bonding), bridges on the other side of the circuit board, etc., which form parasitic inductances. The value of these parasitic inductances and their effect on the characteristics of the circuit is usually impossible to calculate 2 86586, so the design becomes difficult. In addition, in most solutions, bonding or bridging destroys the symmetry required in an ideal 90-degree directional switch, so performance values suffer.

5 - ne vaativat paljon tilaa, mikä pätee erityisesti "branch-line "-hybridi in, jos halutaan saada hyvä isolaatio, tarkka vaihe-ero yli 5% kaistanleveydessä.5 - they require a lot of space, which is especially true for a "branch-line" hybrid, if you want to get good insulation, an accurate phase difference of more than 5% bandwidth.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on aikaansaada uudenlainen 90-asteen hybridikytkentä, jolla vältetään 10 edellä esitetyt ongelmat.It is an object of the present invention to provide a novel 90-degree hybrid coupling which avoids the above problems.

Tämä saavutetaan ensimmäisessä kappaleessa esitetyn tyyppisellä 90-asteen hybridikytkennällä, jolle on keksinnön mukaisesti tunnusomaista, että johdinten välinen kytkentä on pienin niiden keskiosuudella.This is achieved by a 90-degree hybrid connection of the type described in the first paragraph, which according to the invention is characterized in that the connection between the conductors is the smallest at their central portion.

15 Keksintö perustuu hakijan havaintoon, että hybridi- kytkennän kokonaiskytkentäkerroin on suurin kun hybridikyt-kennän keskiosassa johtimien välillä ei ole lainkaan kytkentää ja suurin kytkentäkerroin johtimien välillä on hyb-ridikytkennän uloimmissa osissa keskiosan molemmin puolin. 20 Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa johtimien ulom milla osuuksilla niiden välinen kytkentäkerroin on n.-7,65 dB, jolloin hybridikytkennän kokonaiskytkentäkerroin on n. -3 dB.The invention is based on the applicant's finding that the total coupling coefficient of the hybrid coupling is highest when there is no coupling between the conductors in the central part of the hybrid coupling and the highest coupling coefficient between the conductors is in the outer parts of the hybrid coupling on both sides of the middle part. In a preferred embodiment of the invention, at the outer portions of the conductors, the coupling coefficient between them is about -7.65 dB, whereby the total coupling coefficient of the hybrid coupling is about -3 dB.

Keksinnön mukaisesti saadaan yksinkertainen 90-as-25 teen hybridikytkentä, jonka kytkentäkerroin on noin -3 dB. Keksinnön mukainen hybridikytkentä on aikaisempiin ratkaisuihin verrattuna valmistusteknisestä parempi, koska esimerkiksi mikroliuskatekniikkaa käytettäessä se onnistuu tavanomaisella piirilevytekniikalla ilman käsityötä. Lisäk-30 si keksinnönmukaisessa hybridikytkennässä ei ole muita sähköisiä epäjatkuvuuskohtia kuin johdinten taivutusten kulma-kohdat. Nämä on kuitenkin esimerkiksi mikroliuskakytkennän suunnittelussa helposti hallittavissa, koska ne ovat mikro-liuskakytkentöjen suunnitteluohjelmien standardielementte-35 jä. Lisäksi keksinnönmukainen hybridikytkentä on toteutet- 3 86586 tavissa täysin symmetrisenä, jolloin sen ominaisuudet voivat teoriassa olla ideaalisia.According to the invention, a simple 90-as-25 tea hybrid coupling with a coupling factor of about -3 dB is obtained. The hybrid connection according to the invention is better than the manufacturing technique compared to previous solutions, because, for example, when using microstrip technology, it is possible with conventional circuit board technology without manual work. In addition, the hybrid circuit according to the invention has no electrical discontinuities other than the angular points of the conductor bends. However, these are easily manageable in the design of a microstrip circuit, for example, because they are standard elements of microstrip circuit design programs. In addition, the hybrid coupling according to the invention can be implemented in a completely symmetrical manner, in which case its properties can in theory be ideal.

Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa hybridi-kytkentä on toteutettu mikroliuskatekniikalla, koska siihen 5 löytyy toimivia suunnitteluohjelmistoja ja se on helppo toteuttaa tuotannossa. Mikroliuskasuuntakytkimien huonon suuntaavuuden parantamiseksi keksinnön eräässä suoritusmuodossa käytetään johdinten välillä hammastettuja tai aallotettuja kytkentärakoja. Kuitenkin yleisesti hybridi-10 kytkentä voidaan toteuttaa lähes millä tahansa siirtojoh-totekniikalla: mikroliuskalla, koplanaarijohdolla, lius-kajohdolla, korotetulla mikroliuskalla, koaksiaalijohdolla, parijohdolla, jne. Oleellista on, että johtojen välillä on dominoivana ns. "backward coupling" (kytketty aalto kulkee 15 vastakkaiseen suuntaan kuin sisääntuleva signaali).In a preferred embodiment of the invention, the hybrid coupling is implemented by microstrip technology, because it has functional design software and is easy to implement in production. In order to improve the poor directivity of the microstrip directional switches, in one embodiment of the invention, toothed or corrugated connection slots are used between the conductors. However, in general, hybrid-10 coupling can be implemented with almost any transmission line technique: microstrip, coplanar line, strip line, raised microstrip, coaxial line, pair line, etc. It is essential that the so-called "backward coupling" (the coupled wave travels 15 in the opposite direction to the incoming signal).

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisemmin viitaten oheisiin piirroksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön ensisijaisen suoritusmuodon mukaista hybridikytkentää, ja 20 kuvio 2 esittää keksinnönmukaista hybridikytkentää, jossa on hammastettu kytkentärako.The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which Figure 1 shows a hybrid connection according to a preferred embodiment of the invention, and Figure 2 shows a hybrid connection according to the invention with a toothed connection slot.

Seuraavaksi viitataan kuvioon 1, jossa on esitetty johtimilla 5 ja 6, jotka ovat mikroliuskajohtimia, toteutettu 90-asteen kolmeneljännesaaltohybridi tai -suuntakyt-25 kin. Johtimet 5 ja 6 ovat kuvion 1 suoritusmuodossa rinnakkain toisistaan erillään siten, että niiden väliin jää kytkentärako 7. Johdin 5 käsittää kolme osuutta: uloimmat osuudet 5a ja 5b sekä niiden välissä olevan keskiosuuden 5c. Johdin 6 käsittää vastaavasti uloimmat osuudet 6a ja 6b 30 sekä niiden välissä olevan keskiosuuden 6c. Jokaisen joh-dinosuuden 5a-5c ja 6a-6b pituuden on oltava aallonpituuden neljäsosa hybridin keskitaajuudella. Keksinnön mukaisesti johtimien 5 ja 6 välinen etäisyys eli niiden välinen kytkentärako on pienimmillään ja johtimien 5 ja 6 välinen 35 paikallinen kytkentäkerroin suurimmillaan johdinten uloim- 4 86586 pien osuuksien 5a ja 6a sekä vastaavasti 5b ja 6b välillä. Johdinten 5 ja 6 välinen etäisyys on suurimmillaan ja niiden välinen paikallinen kytkentäkerroin pienimmillään johdinten keskiosuuksilla 5c ja 6c. Kuvion 1 tapauksessa kes-5 kiosuudet 5c ja 6c on muodostettu ulompien osuuksien 5a, 5b ja vastaavasti 6a ja 6b määräämästä linjasta ulospäin toisiinsa nähden vastakkaisiin suuntiin suuntautuvista kaa-rimaisista tai U-muotoisista osuuksista 5c ja 6c.Reference is now made to Figure 1, which shows a 90 degree three-quarter wave hybrid or directional switch implemented with conductors 5 and 6, which are microstrip conductors. In the embodiment of Figure 1, the conductors 5 and 6 are separated from each other in parallel so that a connection gap 7 is left between them. The conductor 5 comprises three portions: the outer portions 5a and 5b and the central portion 5c therebetween. The conductor 6 comprises the outer portions 6a and 6b 30 and the central portion 6c therebetween, respectively. The lengths of each conductor section 5a-5c and 6a-6b must be a quarter of the wavelength at the center frequency of the hybrid. According to the invention, the distance between the conductors 5 and 6, i.e. the connection gap between them, is at its smallest and the local connection coefficient between the conductors 5 and 6 is at its greatest between the outer portions 5a and 6a and 5b and 6b, respectively. The distance between the conductors 5 and 6 is at its maximum and the local connection coefficient between them is at its smallest at the middle portions 5c and 6c of the conductors. In the case of Fig. 1, the central portions 5c and 6c are formed by arcuate or U-shaped portions 5c and 6c extending outwardly from the line defined by the outer portions 5a, 5b and 6a and 6b, respectively.

Uloimpien johdinosuuksien päät 6d, 5d, 5e ja 6e muo-10 dostavat vastaavasti hybridien kytkentäportit 1, 2, 3 ja 4. Kun portti 1 muodostaa hybridin sisääntulon ja portti 3 on ns. isoloitu portti, portti 2 muodostaa ns. kytketyn ulostulon, johon sisääntuloporttiin 1 syötetty signaali jaetaan samanvaiheisena, ja portti 4 muodostaa ns. suoran ulostu-15 lon, johon jaettu signaali on 90-asteen vaihesiirrossa sisääntuloportissa 1 ja ulostuloportissa 2 oleviin signaaleihin nähden.The ends 6d, 5d, 5e and 6e of the outermost conductor sections form hybrid connection ports 1, 2, 3 and 4, respectively. When port 1 forms the input of the hybrid and port 3 is the so-called isolated gate, gate 2 forms the so-called. a connected output to which the signal input to the input port 1 is divided in phase, and the port 4 forms a so-called a direct output 15 to which the divided signal is 90 degrees out of phase with respect to the signals at the input port 1 and the output port 2.

Keksinnön ensisijaisessa suoritusmuodossa uloimpien johdinosuuksien 5a ja 6a ja vastaavasti 5b ja 6b välillä on 20 -7,65 dB ja keskiosuuksien 5c ja 6c ei ole käytännöllisesti katsoen lainkaan kytkentää, jolloin keksinnönmukaisen 90-asteen hybridikytkennän kokonaiskytkentäkerroin sisääntulo-portista 1 ulostuloporttiin 2 ja vastaavasti ulostuloport-tiin 4 on n. -3 dB.In a preferred embodiment of the invention, there is 20-7.65 dB between the outer conductor portions 5a and 6a and 5b and 6b, respectively, and there is practically no coupling between the middle portions 5c and 6c, whereby the total 90-degree hybrid coupling according to the invention tiin 4 is about -3 dB.

25 Kuviossa 2 on esitetty toinen keksinnönmukainen 90- asteen hybridikytkentä, jossa johtimet 5 ja 6 käsittävät samalla tavoin kuin kuviossa 1 kolme osuutta 5a - 5c sekä 6a - 6c. Johtimien uloimmilla osuuksilla 5a ja 6a sekä 5b ja 6b johtimien toisiinsa päin olevat reunat ovat hammaste-30 tut tai aaltomaiset, niin että johdinten 5 ja 6 uloimmilla osuuksilla niiden välinen kytkentärako 7 on vastaavalla tavalla sahahammasmainen tai aaltoileva. Tämän tarkoituksena on parantaa huonoja isolaatio-ominaisuuksia, jotka ovat tyypillisiä tavanomaisille kytketyillä mikroliuskoilla 35 toteutetuille hybrideille tai suuntakytkimille.Fig. 2 shows another 90-degree hybrid connection according to the invention, in which the conductors 5 and 6 comprise, in the same way as in Fig. 1, three sections 5a to 5c and 6a to 6c. The outer portions of the conductors 5a and 6a and the opposite edges of the conductors 5b and 6b are toothed or corrugated, so that the connection gap 7 between the outer portions of the conductors 5 and 6 is sawtooth or undulating, respectively. The purpose of this is to improve the poor insulation properties typical of conventional hybrid or directional switches implemented with coupled microstrips 35.

5 865865,86586

Kuviosta 2 voidaan myös havaita, että johdinten 5 ja 6 uloimpien osuuksien päät, eli hybridikytkennän portit, voidaan kytkeä muihin piireihin liuskajohtimilla, jotka ovat johdinten 5 ja 6 kanssa yhtenäisiä jatkeita.It can also be seen from Figure 2 that the ends of the outermost portions of the conductors 5 and 6, i.e. the gates of the hybrid connection, can be connected to other circuits by strip conductors which are integral extensions with the conductors 5 and 6.

5 Kuviot ja niihin liittyvä selitys on muutoinkin tar koitettu vain havainnollistamaan esillä olevaa keksintöä, yksityiskohdiltaan keksinnönmukainen hybridikytkentä voi vaihdella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.The figures and the related description are otherwise only intended to illustrate the present invention, the details of the hybrid coupling according to the invention may vary within the scope of the appended claims.

Claims

6 86586 1. A 90-degree hybrid circuit comprising two parallel, spaced-apart conductors (5, 6), 5 the ends (5d, 5e, 6d, 6e) of which form the inputs and outputs of the hybrid circuit, each comprising three series-connected conductor portions (5a). -5c, 6a-6c), each of which has an electrical length of approximately a quarter of the wavelength at the center frequency of the hybrid coupling, characterized in that the coupling between the conductors (5,6) is smallest at the middle conductor portion (5c, 6c) of the hybrid.

Hybrid connection according to Claim 1, characterized in that the central part (5c, 6c) of the conductors (5, 6) has no connection between them.

Hybrid connection according to Claim 1 or 2, characterized in that the connection between the outer portions (5a, 6a and 5b, 6b) of the conductors (5, 6) between them is approximately -7.65 dB, and in that the total connection factor of the hybrid connection is about -3 dB.

Hybrid connection according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the distance between the conductors (5, 6) is greatest at the central portion (5c, 6c) of the conductors.

Hybrid connection according to one of the preceding claims, characterized in that the conductors (5, 6) are implemented with microstrip conductors, a coplanar conductor, stripline conductors, raised microstrip conductors, a coaxial conductor or a pair conductor.

Hybrid connection according to one of the preceding claims, characterized in that the conductors are formed by microstrips (5, 6) and in that the opposite edges of the microstrip conductors are serrated or wavy.

Hybrid connection according to one of the preceding claims, characterized in that the conductors (5, 6) are substantially mirror-symmetrical with one another. 7 36586