NO171580B - Bredbaandet effektdele-/kombinasjonskrets - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår bredbåndet effektdele-/kombinasjonskrets som angitt i innledningen til krav 1.

Slik det anvendes i denne beskrivelse og i kravene, skal uttrykket RF signal innbefatte både mikrobølgesignaler og millimeterbølgesignaler.

Effektdelekretser er blitt utviklet for å dele RF signaler i et antall signaler for å mate antenner med flere elementer. Omvendt er effektkombinasjonskretser blitt utviklet for å sette sammen utgangen fra et antall faststoff-forsterkere, brikketransistorer eller oscillatorer. Flere forskjellige kretsgeometrier er blitt utviklet for å få til denne effekt-deling eller sammensetning som for eksempel: Wilkinson effektdeler med sirkulær geometri som er omhandlet i GJ Wilkinson, "An-N Way Hybrid Power Divider", IRE Trans, on Microwave Theorv and Tech.. MTT-8 nr. 1, 116-19 (jan. 1960); gaffel effektdelere som er beskrevet i en artikkel av A. Saleh med tittelen "Planar, Electrically Symetric N-Way Hybrid Power Dividers/Combiners, " IEEE Trans. Microwave Theorv Tech.. MTT-28, nr. 6, 555-63 (juni 1980); og den radielle effektdeler som er beskrevet i en artikkel av forfatterene J. Schellenberg & M. Cohn, "A Wideband Radial Power Combiner for FET Amplifiers", 1978 IEEE ISSCC Digest 164-165, 273 (februar 1978). Ingen av disse effektdele-/kombinasjonskretser kan imidlertid by på fasetilpasning, ultra-bred båndbredde, impedansomformning, port til port isolasjon i en plan kompakt effektdele-og kombinasjonskrets, alt på samme tid.

FR-1 528 743 beskriver en kombinasjonskrets med en første ledende transmisjonslinje forbundet med flere transmisjons-linjer som har jevne bredder og som er spredt vidt fra hverandre.

Fra JP-patentpublikasjon nr. 53-49930 er det kjent en krets for addering eller deling av signaler som har en første ledende transmisjonslinje av jevn bredde som er forbundet med flere ledertransmisjonslinjer med jevn bredde. De indre to transmisjonslinjene har et tvunnet mønster.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse å komme frem til en kompakt, plan, integrert krets for både deling og sammensetning av mikrobølgesignaler og millimetersignaler.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til en effektdele-/kombinasjonskrets som oppnår mer enn en 100$ båndbredde.

Ennu en hensikt med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en effektdele-/kombinasjonskrets som deler en enkel signalkilde i en flerhet av likefasede, like amplitudesig-naler over et bredt frekvensområde.

Dessuten er det en hensikt med foreliggende oppfinnelse å komme frem til en effektdele-/kombinasjonskrets som gir fasetilpasning ved hver port for å sikre effektiv effektkombinasjon.

Videre er det en hensikt med foreliggende oppfinnelse å komme frem til en effektdele-/kombinasjonskrets som kombinerer en flerhet av RF signalkilder på en effektiv måte til et RF signal av en verdi som er lik summen av alle signalkildene.

Det er også en hensikt med foreliggende oppfinnelse å komme frem til en effektdele-/kombinasjonskrets som gir god port-til-port isolasjon.

Nok en hensikt med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en effektdele-/kombinasjonskrets som muliggjør impedans-transformasjon og effektkombinasjon eller deling på samme tid.

Ovenfornevnte tilveiebringes ved hjelp av en effektdele-/kombinasjonskrets av den innledningsvis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene.

Et inngangs signal fra en RF signalkilde kan mates til den enkle port ved den smale ende av den avsmalnende strimmel. Inngangssignalet vil bli delt i et antall RF signaler med lik amplitude og med lik fase ved fingerportene. Omvendt vil man, når en rekke RF inngangssignaler mates til fingerportene, kombinere disse signaler til et enkelt RF signal ved den enkle port ved den smale ende av den avsmalnende strimmel .

Andre hensikter, fordeler og karakteristiske trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende detaljerte beskrivelse av en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen under henvisning til tegningene der: Fig. la viser en effektdele-/kombinasjonskrets i henhold til prinsippene ved foreliggende oppfinnelse, sett ovenfra,

fig. lb er et snitt tatt etter linjen lb-lb på fig. la og

fig. 2 viser i forstørret målestokk og i perspektiv et bruddstykke som gjengir en del av en effektdele-/kombinasjonskrets i henhold til en annen utførelsesform for oppfinnelsen.

Fig. 3 viser ennu en utførelsesform for oppfinnelsen der det anvendes et par av effektdele-/kombinasjonskretser, sett ovenfra. Det skal påpekes at figurene 1-3 ikke er tegnet i virkelig målestokk.

Ser man på figurene la og lb mer i detalj , vil effektdele-/kombinasjonskretsen 10 i henhold til oppfinnelsen omfatte en avsmalnet strimmel av elektrisk ledende materiale 1, med en smal ende 2 og en bred ende 3. Den avsmalnende strimmel 1 er fortrinnsvis laget av et metall, for eksempel gull, men kan også være utført av et annet materiale som leder elektrisitet godt. Strimmelen kan være omtrent 2-3 skinndybder tykk for den nedre frekvens i den ønskede båndbredde for driften. Den avsmalnende strimmel 1 danner en avsmalnet overføringslinje, der omrisset av avsmalningen er valgt for å avpasse impedansen ved den smale ende 2 av den avsmalnende strimmel til impedansen ved strimmelens brede ende 3 over den ønskede arbeidsbåndbredde. Omrisset og lengdene av det avsmalnende område bestemmer henholdsvis den maksimale refleksjonskoef-fisient i båndet og den nedre avskjæringsfrekvens.

Selv om mange geometrier for det avsmalnende område er mulig, så som avsmalning etter en eksponensialkurve eller en hyperbolsk avsmalning, har en Dolph-Tchebycheff avsmalning vist seg å gi optimale egenskaper fordi man får en minimum lengde for overføringslinjen med en spesifisert maksimum verdi for refleksjonskoeffisienten i passbåndet. Formgiv-ningsligningene for Dolph-Tschebycheff avsmalningen kan finnes i en artikkel av R. W. Klopfenstein med tittelen "A Transmission Line Taper of Improved Design", 44 Proe. IRE 31-35 (januar 1956), som i denne sak er en referanse.

Den avsmalnende strimmel 1 har en rekke spalter 4 som strekker seg fra den brede ende 3 av strimmelen mot den smale ende 2 av denne, slik at det fremkommer en rekke ledende fingre 5. Den smale ende 2 av den avsmalnende strimmel 1 danner dermed en enkel port 2 som enten kan være en inn-gangsport eller en utgangsport, avhengig av om kretsen benyttes som en effektdeler eller kombinasjonskrets. Tuppene av de ledende fingre 5 ved den brede ende 2 av strimmelen 1 danner N porter 6, der N er et helt tall større enn 1 og de kan være enten utgangsporter eller inngangsporter, avhengig av om kretsen benyttes som effektkombinasjonskrets eller deler. Selv om det er vist 5 porter på figurene la og lb, er et hvilket som helst antall porter mulig. Spaltenes bredde, det vil si avstanden mellom nabofingre 5, bør holdes så liten som mulig for å bedre kobling mellom to og to fingre og for dermed å sikre at strukturen bibeholder egenskapene ved en Dolph-Tchebycheff avsmalnet overføringslinje. En spaltebredde på omtrent 3,8 pm er blitt anvendt.

Fingrene 5 virker som strimmellinjeledere. Flere metoder er til rådighet for bestemmelse av passende bredder (herunder modus impedans) og gapavstander for strimmellinjeledere som beskrevet av J. I. Smith, "The Even and Odd Mode Capacitance Parameters for Coupled Lines in Suspended Substrate", IEEE Trans. Microwave Theorv Tech.. Vol. MTT-19, sidene 424-31 (mai 1971) eller T. Itoh & A. S.. Herbert, "A Generalized Spectrum Domain Analysis for Coupled Suspended Microstrip-lines with Tuning Septums", IEEE Trans Microwave Theory Tech. Vol. MTT-26, sidene 820-27, (okt. 1978), som det her vises til som referanse.

De fremgangsmåter som er beskrevet i de nevnte publikasjoner er beregnet på å bestemme breddene av og gapeavstanden mellom strimmelformede ledere med ensartet bredde. Da de ledende strimmelformede fingre 5 ved foreliggende oppfinnelse er avsmalnet, må ligningene for bestemmelse av breddene av strimmellinjeledere med ensartet bredde, som beskrevet i publikasjonene, gjentatt anvendes for å bestemme bredden av hver fingerstrimmel i et tilstrekkelig antall punkter langs strimmelen, for å fastlegge den riktige avsmalning.

Isolasjonsmotstander 7 forbinder to og to ledende fingre 5. Motstandene 7 absorberer signaler som reflekteres tilbake inn i effektdele-/kombinasjonskretsen, det vil si den ulike forplantningsmodus. Disse motstander kan være brikkemotstander 7, anbragt på toppen av strimmelen som vist på figur 1, eller tykke eller tynne filmmotstander 7', som er anbragt mellom fingrene 5 i spaltene 4 på underlaget 8 som vist på figur 2.

Antallet av isolasjonsmotstander 7 anbragt langs hvert par nabofingre 5, bør fortrinnsvis være en mindre enn det totale antall fingerporter i kretsen, for på en effektiv måte å absorbere forplantning av odde modus. I det utførelsesek-sempel som er vist på figurene la og lb, der 5 porter benyttes, finnes det 4 motstander langs hvert par av nabofingre. Man kan imidlertid anvende flere eller færre motstander.

Man har til rådighet flere fremgangsmåter til bestemmelse av motstandsverdien for isolasjonsmotstandene 7. For det første kan "variasjonsmetoden" eller "spektralområdemetoden" som er beskrevet av Smith eller Itoh & Herbert i artiklene som er nevnt ovenfor, nøyaktig gi den ulike modusimpedans som er nødvendig for å beregne motstandsverdien for isolasjonsmotstandene 7. Motstandsverdiene kan altså bestemmes ved å anvende den fremgangsmåte som er beskrevet i N. Nagai, E. Matkawa, og K. Ono, "New N-Way Hybrid Power Dividers", IEEE Trans. Microwave Theorv Tech.. Vol. MTT-25, nr. 12, sidene 1008-1012 (desember 1977), som her er tatt med som en henvisning.

Den avsmalnende strimmel 1 kan ved bindemiddel monteres på et dielektrisk underlag 8 som i almindelighet er en tynn, flat plate av dielektrisk materiale. Underlaget kan for eksempel være laget av safir, beryllium oksyd, kvarts eller aluminium oksyd. Bindemiddelet 9 kan være krom eller titan-wolfram eller et annet godt ledende bindemiddel. I bruk kan det dielektriske underlag være koblet til jord ved underlagets 8 underside 11.

Fig. 3 viser en effektdele-/kombinasjonskrets i henhold til en ytterligere utførelsesform for foreliggende oppfinnelse. Kretsen på fig. 3 innbefatter en RF signalkilde 30 som for eksempel kan være en oscillator eller en forsterker. Signalet fra kilden 30 mates til den enkle port 2a i en effektdele-/kombinasjonskrets 31. Dette enkle RF signal deles i en rekke RF signaler ved fingerportene 6a. Signalene forsterkes av respektive forsterkere 32, som kan være hybride forsterkere, forhåndstilpassede brikker, monolittiske integrerte mikrobølgekretsbrikker, transistorbrikker for eksempel, og blir matet inn i de respektive fingerporter 60b på effektdele-/kombinasjonskretsen 33 i henhold til oppfinnelsen som, på sin side, setter sammen disse N forsterkede RF signaler til et enkelt RF signal ved porten 2b. Det resul-terende utgangssignal er summen av de forskjellige utgangs-signaler fra forsterkerene 32.

Det skal påpekes at selv om oppfinnelsen her er vist og beskrevet på grunnlag av en bestemt utførelsesform, kan ikke desto mindre fagfolk på området komme frem til forandringer og modifikasjoner, uten at man derved går utenom oppfin-nelsens ånd og ramme.

Claims (10)

1. Bredbåndet effektdele-/kombinasjonskrets som innbefatter et dielektrisk underlag, en avsmalnet strimmel av elektrisk ledende materiale montert på nevnte underlag, karakterisert ved at strimmelen har en bred ende som avtar mot en smal ende i en "Dolph-Tchebycheff"-avsmalning, idet den avsmalnede strimmelen videre har flere spalter med konstant bredde, som definerer flere fingrer, hvilke respektive fingerbredder avsmalner fra den brede enden av strimmelen mot den smale enden ved den smale enden av strimmelen i nevnte Dolph-Tchebycheff -avsmalning, idet tilliggende ene av fingrene er tilstrekkelig tett anbrakt for å tilveiebringe en effektiv kobling derimellom, og at motstandsanordninger er elektrisk forbundet med en tilliggende av fingrene.

2. Effektdele-/kombinasjonskrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter midler for påtrykning av et inngangssignal på den smale ende av den avsmalnede strimmel.

3. Effektdele-/kombinasjonskrets som angitt i krav 1, karakterisert ved midler for påtrykning av et antall inngangssignaler på fingrene ved den brede ende av den avsmalnede strimmel.

4. Effektdele-/kombinasjonskrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at motstandsanordningen omfatter en rekke motstander som elektrisk sammenkobler fingre som ligger langs hverandre, ved avstander på kvarte bølgelengder langs fingrene for signaler som selektivt påtrykkes enten den nevnte smale ende eller endene av de respektive fingre ved den brede ende.

5. Effektdele-/kombinasjonsanordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at motstandene er brikkemotstander som er anbragt på toppen av strimmelen og overlapper partier som står overfor hverandre på nabofingrene.

6. Effektdele-/kombinasjonsanordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at motstandene er tykkfilmmotstander som er anbragt på underlaget mellom tilliggende en av fingrene i spaltene og som danner elektrisk kontakt med tilliggende deler av en av tilliggende fingre.

7. Effektdele-/kombinasjonsanordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at motstandene er tynnfilmmotstander som er anbragt ved underlaget mellom fingrene tilliggende en av spaltene og som danner elektrisk kontakt med tilliggende deler av en tilliggende av fingrene.

8. Effektdele-/kombinasjonsanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at det dielektriske underlag er av et materiale som er valgt fra gruppen bestående av safir, berylliumoksyd, kvarts og aluminium oksyd.

9. Effektdele-/kombinasjonskrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at den har en forut-bestemt nedre grensefrekvens og at den avsmalnede strimmel av metall er omtrent tre skinndybder tykk for den nedre grensef rekvensen.

10. Effektdele-/kombinas;jonskrets som angitt i krav 1, karakterisert ved at avstandene mellom nabofingrene er omtrent 3,8 pm.