RU2058633C1

RU2058633C1 - Stripline coupler

Info

Publication number: RU2058633C1
Application number: RU93049759A
Authority: RU
Inventors: Д.И. Кузнецов; М.Ф. Тюхтин
Original assignee: Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева
Priority date: 1993-11-01
Filing date: 1993-11-01
Publication date: 1996-04-20

Abstract

FIELD: microwave engineering. SUBSTANCE: stripline coupler has two transmission lines intercoupled through structures spaced quarter wavelength apart. Each structure is made as two bent strips electromagnetically coupled on sides. Starting lead of first strip and finishing lead of second strip are connected to transmission lines. Finishing lead of first strip and starting lead of second strip are interconnected. Structures are placed beyond space between transmission lines and nonplanar connections are made by means of jumpers. Side electromagnetic coupling may be provided between transmission lines. EFFECT: improved design. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а более конкретно к технике СВЧ, и может быть использовано в высокочастотных балансных преобразователях или усилителях частоты и других СВЧ-системах, где требуется деление мощности сигнала с развязкой выходных плеч. The invention relates to radio engineering, and more particularly to microwave technology, and can be used in high-frequency balanced converters or frequency amplifiers and other microwave systems where signal power division with decoupling of output arms is required.

Известен полосковый квадратный мост, имеющий две линии передачи, соединенные на расстоянии 1/4 длины волны двумя четвертьволновыми шлейфами. A strip square bridge is known having two transmission lines connected at a distance of 1/4 of the wavelength by two quarter-wave loops.

Известен полосковый шлейфный направленный ответвитель, содержащий две линии передачи, соединенные на расстоянии 1/4 длины волны тремя шлейфами длиной 1/4 длины волны, причем участки шлейфов выполнены в виде элементов Шиффмана, т. е. волны по электромагнитно связанным участкам идут в противоположных направлениях. Known strip stub directional coupler containing two transmission lines connected at a distance of 1/4 wavelength with three stubs of length 1/4 wavelength, and the sections of the loops are made in the form of Schiffman elements, i.e., waves along electromagnetically connected sections go in opposite directions .

Известен полосковый ответвитель, содержащий две линии передачи, связанные между собой структурами, расположенными на расстоянии четверти длины волны одна от другой, причем структуры выполнены в виде прямолинейных четвертьволновых шлейфов и расположены в пространстве между линиями передачи. Количество шлейфов в наиболее распространенном случае равно трем. Known strip coupler containing two transmission lines interconnected by structures located at a quarter quarter wavelength from one another, moreover, the structures are made in the form of straight quarter-wave loops and are located in the space between the transmission lines. The number of loops in the most common case is three.

Недостатками указанного устройства являются, во-первых, трудность либо невозможность реализовать в полосковом исполнении высокоимпедансные боковые шлейфы (в известных работах предельный импеданс шлейфов в полосковом исполнении оценен 100.160 Ом при толщине подложки от 0,2 до 1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 9,8 в области частот до 8 ГГц), тогда как уже для 3-децибельных полосковых 3-шлейфных направленных ответвителей с 50-омными или 75-омными линиями передачи импеданс бокового шлейфа должен быть соответственно 121 Ом или 181 Ом, а ширина полоска бокового шлейфа (для подложек толщиной 1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 9,6) соответственно 0,06 мм или 0,006 мм, что технологически очень трудно реализовать и что, кроме того, дает много брака при изготовлении, а ответвители с числом шлейфов более трех еще более труднореализуемы; во-вторых, ограничение количества шлейфов ограничивает и ширину рабочей полосы частот (она пропорциональна количеству шлейфов); в-третьих, не используется полезно заключенная между шлейфами и двумя линиями передачи площадь подложки в виде двух квадратов со стороной в четверть длины волны; в-четвертых, велика занимаемая устройством площадь подложки (в частности из-за значительной не используемой полезно площади подложки); в-пятых, планарные центральные шлейфы, окруженные со всех сторон на плоскости элементами конструкции, препятствуют самим своим присутствием не только экономии площади подложки путем сближения линий передачи, но и делают невозможным электромагнитную связь между ними. The disadvantages of this device are, firstly, the difficulty or inability to implement high-impedance side loops in a strip design (in the well-known works, the limiting impedance of loops in a strip design is estimated at 100.160 Ohms with a substrate thickness of 0.2 to 1 mm with a relative dielectric constant of 9.8 V frequency ranges up to 8 GHz), whereas for 3-decibel strip 3-loop directional couplers with 50-ohm or 75-ohm transmission lines, the impedance of the side loop should be 121 Ohm or 181 Ohm, respectively, and the width of the strip of the side loop (for substrates with a thickness of 1 mm with a relative dielectric constant of 9.6) is 0.06 mm or 0.006 mm, respectively, which is technologically very difficult to implement and which, in addition, gives a lot of defects in manufacture, and couplers with more than one loop three are even more difficult to implement; secondly, limiting the number of loops limits the width of the working frequency band (it is proportional to the number of loops); thirdly, the area of the substrate in the form of two squares with a side of a quarter of the wavelength enclosed between the loops and two transmission lines is not used; fourthly, the area of the substrate occupied by the device is large (in particular, due to the significant area of the substrate that is not used usefully); fifth, planar central loops surrounded by structural elements on all sides on the plane prevent their very presence from not only saving the substrate area by converging transmission lines, but also making electromagnetic coupling between them impossible.

Целью изобретения является, во-первых, облегчение реализации устройства в полосковом исполнении; во-вторых, увеличение относительной ширины рабочей полосы частот; в-третьих, уменьшение не используемой полезно площади подложки; в-четвертых, уменьшение занимаемой устройством площади подложки. The aim of the invention is, firstly, to facilitate the implementation of the device in strip design; secondly, an increase in the relative width of the working frequency band; thirdly, reducing the unused useful area of the substrate; fourthly, a decrease in the area of the substrate occupied by the device.

Это достигается за счет того, что в полосковом ответвителе, содержащем две линии передачи, связанные между собой структурами, расположенными на расстоянии четверти длины волны одна от другой, каждая структура выполнена в виде двух изогнутых полосков, связанных боковой электромагнитной связью, при этом начало первого полоска и конец второго полоска соединены с линиями передачи соответственно, а конец первого полоска и начало второго полоска соединены между собой, причем структуры расположены вне пространства между линиями передачи, а непланарные соединения осуществлены перемычками, причем между линиями передачи может быть введена боковая электромагнитная связь. This is achieved due to the fact that in a strip coupler containing two transmission lines interconnected by structures located at a quarter wavelength from each other, each structure is made in the form of two curved strips connected by a lateral electromagnetic coupling, with the beginning of the first strip and the end of the second strip are connected to the transmission lines, respectively, and the end of the first strip and the beginning of the second strip are interconnected, and the structures are located outside the space between the transmission lines, and not planar connections are made by jumpers, and lateral electromagnetic coupling can be introduced between the transmission lines.

На фиг. 1 и 2 изображены варианты топологии предложенного полоскового ответвителя. In FIG. 1 and 2 depict variants of the topology of the proposed strip coupler.

Полосковый ответвитель (см. фиг. 1) содержит две линии передачи 1 (например, две 50-омные микрополосковые линии между плечами 2 и 3 и плечами 4 и 5), связанные между собой структурами (например, одна центральная и две боковые структуры), расположенными на расстоянии четверти длины волны одна от другой, причем каждая структура выполнена в виде двух изогнутых полосков, связанных боковой электромагнитной связью (например, электромагнитная связь 10 дБ для микрополосков боковых структур с 105-омным четным импедансом и электромагнитная связь 15 дБ для микрополосков центральной структуры с 61-омным четным импедансом), при этом конец первого полоска и начало второго полоска (обозначены 6) соединены между собой, а начало первого полоска и конец второго полоска (обозначены 7) соединены с линиями передачи соответственно, причем структуры расположены вне пространства между линиями передачи, а непланарные соединения осуществлены перемычками 8 (например, навесными перемычками из металлической фольги). Топология устройства реализована, например, на подложке толщиной 1 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 9,6 с нанесенным на обратную сторону подложки СВЧ-экраном. The strip coupler (see FIG. 1) contains two transmission lines 1 (for example, two 50-ohm microstrip lines between arms 2 and 3 and arms 4 and 5) connected by structures (for example, one central and two side structures), located at a quarter of the wavelength from one another, each structure made in the form of two curved strips connected by a lateral electromagnetic coupling (for example, 10 dB electromagnetic coupling for microstrips of side structures with 105-ohm even impedance and 15 dB electromagnetic coupling for mic strips of the central structure with 61-ohm even impedance), while the end of the first strip and the beginning of the second strip (indicated by 6) are interconnected, and the beginning of the first strip and the end of the second strip (indicated by 7) are connected to the transmission lines, respectively, and the structures are located outside the space between the transmission lines, and non-planar connections are made by jumpers 8 (for example, mounted jumpers from metal foil). The device topology is implemented, for example, on a substrate 1 mm thick with a relative dielectric constant of 9.6 with a microwave screen deposited on the back of the substrate.

Полосковый ответвитель (см. фиг. 2) содержит все те же элементы, но отличается тем, что между линиями передачи 1 введена боковая электромагнитная связь (например, сонаправленная связь 14 дБ). The strip coupler (see FIG. 2) contains all the same elements, but differs in that a lateral electromagnetic coupling is introduced between the transmission lines 1 (for example, 14 dB co-directional coupling).

Поступающая в плечо 2 мощность высокочастотного сигнала по линии передачи частично поступает в плечо 3, частично по структурам, соединяющим линии передачи, ответвляется в плечо 5. Соотношение мощностей, поступающих в плечи 3 и 5, например, 1:1 для устройства на фиг. 1 и, например, 0,25 0,75 для устройства на фиг. 2. Из-за расстояния в четверть длины волны между структурами плечо 4 оказывается электрически развязанным в рабочем диапазоне частот. Ввиду симметрии устройства аналогичная картина происходит и при подаче мощности в любое другое плечо. The power of the high-frequency signal coming into the arm 2 through the transmission line partially enters the arm 3, partly through the structures connecting the transmission lines, branches off to the arm 5. The ratio of the powers supplied to the arms 3 and 5, for example, 1: 1 for the device in FIG. 1 and, for example, 0.25 0.75 for the device in FIG. 2. Due to the distance of a quarter of the wavelength between the structures, the arm 4 is electrically isolated in the operating frequency range. Due to the symmetry of the device, a similar pattern occurs when power is applied to any other arm.

Из-за распространения по связанным полоскам структур электромагнитных волн с малым фазовым сдвигом (меньшим 45 градусов, причем волны в связанных полосках идут в одном направлении), размеры ширин полосков и зазоров между ними у предложенного устройства соизмеримы с размерами ширин и зазоров для связанных линий с четным типом возбуждения волн, т.е. ширина полосков в структурах больше, чем ширина полосков в боковых шлейфах прототипа. В результате структуры имеют ширину полосков и зазоров, достаточную для беспрепятственной реализации в микрополосковом исполнении (например, для варианты на фиг. 1 ширина полосков для наиболее критичных боковых структур равна 0,28 мм, а ширина зазора между полосками 0,32 мм). Due to the propagation of electromagnetic waves with a small phase shift (less than 45 degrees along the connected strips), the waves in the connected strips go in the same direction), the dimensions of the strips and the gaps between them for the proposed device are comparable with the dimensions of the widths and gaps for connected lines with even type of wave excitation, i.e. the width of the strips in the structures is greater than the width of the strips in the side loops of the prototype. As a result, the structures have a width of strips and gaps sufficient for smooth implementation in a microstrip design (for example, for the variants in Fig. 1, the width of the strips for the most critical side structures is 0.28 mm and the gap width between the strips is 0.32 mm).

По сравнению с прототипом в указанном устройстве увеличена относительная ширина рабочей полосы частот. Во-первых, возможность реализации более чем трехструктурных ответвителей увеличивает и ширину полосы, пропорциональную количеству структур. Во-вторых, трехструктурный вариант устройства имеет даже по отношению к трехшлейфному варианту ширину полосы на 4% большую (т.е. относительную рабочую полосу частот 47% при КСВН<1,5 (у трехшлейфного 43%). Compared with the prototype in the specified device increased the relative width of the working frequency band. Firstly, the possibility of implementing more than three-structure couplers increases the bandwidth, which is proportional to the number of structures. Secondly, the three-structured version of the device even has a 4% wide bandwidth with respect to the three-loop version (i.e., the relative operating frequency band is 47% at VSWR <1.5 (in the three-loop version 43%).

Благодаря наличию перемычек структуры могут располагаться на топологии вне пространства между двумя линиями передачи (см. фиг. 1 и фиг. 2), что позволяет сблизить линии передачи вплоть до введения боковой электромагнитной связи (см. фиг. 2), в результате чего исчезает не используемая полезно площадь подложки, заключенная между двумя линиями передачи. Due to the presence of jumpers, the structures can be located on the topology outside the space between two transmission lines (see Fig. 1 and Fig. 2), which makes it possible to bring the transmission lines closer to the introduction of lateral electromagnetic coupling (see Fig. 2), as a result of which useful usable substrate area enclosed between two transmission lines.

Из-за уменьшения не используемой полезно площади подложки, из-за уменьшения поперечных размеров топологии ввиду сближения линий передачи, из-за того, что связанные полосковые линии занимают меньшую площадь (величина зазоров между связанными полосковыми линиями меньше, чем между несвязанными), в итоге в 4.4,5 раза уменьшается (по сравнению с прототипом) занимаемая предложенным устройством площадь подложки. Due to the reduction of the useful area of the substrate that is not used, due to the reduction of the transverse dimensions of the topology due to the convergence of the transmission lines, due to the fact that the connected strip lines occupy a smaller area (the gaps between the connected strip lines are smaller than between the unconnected ones), as a result a 4.4.5 times decrease (compared with the prototype) occupied by the proposed device, the substrate area.

Также достоинством предложенного устройства является возможность введения боковой электромагнитной связи между линиями передачи, что позволяет не только максимально сблизить линии с целью экономии занимаемой площади подложки, но и влиять на перераспределение мощностей между выходными плечами. Для устройства, изображенного на фиг. 2, из-за этого можно перекачать из одной линии передачи в другую более половины мощности (т.е. связь сильнее 3 дБ), что очень трудно достичь не только в шлейфных, но и в обычных направленных ответвителях, и что иллюстрирует потенциальные возможности конструкции. Another advantage of the proposed device is the possibility of introducing lateral electromagnetic coupling between the transmission lines, which allows not only to bring the lines as close as possible in order to save the occupied area of the substrate, but also to influence the redistribution of power between the output arms. For the device shown in FIG. 2, because of this, it is possible to pump more than half the power from one transmission line to another (i.e., communication is stronger than 3 dB), which is very difficult to achieve not only in the loopback, but also in conventional directional couplers, and which illustrates the potential design possibilities .

Кроме того, у предложенного устройства структуры, имеющие ту же общую длину, что и шлейф, имеют более компактную конфигурацию по сравнению с шлейфами. Поэтому и топология предложенного устройства имеет в итоге более компактную конфигурацию (см. фиг. 1 и 2). Ортогональный характер топологии (т. е. она составлена преимущественно из вертикальных и горизонтальных отрезков) согласуется с требованиями по машинному вводу топологий. In addition, the proposed device structures having the same total length as the cable, have a more compact configuration compared to the cables. Therefore, the topology of the proposed device has in the end a more compact configuration (see Fig. 1 and 2). The orthogonal nature of the topology (i.e., it is composed primarily of vertical and horizontal segments) is consistent with the requirements for machine input of topologies.

Дополнительным достоинством предложенного устройства является неограниченность количества структур, тогда как в полосковом шлейфном направленном ответвителе количество шлейфов ограничено технологически, так как величина волновых сопротивлений боковых шлейфов растет с ростом числа шлейфов, и уже для трех шлейфов их технологическая реализация затруднена (микрополоски шлейфов очень узкие). An additional advantage of the proposed device is the unlimited number of structures, while the number of loops in a strip stub directional coupler is technologically limited, since the wave impedance of the side loops increases with the number of loops, and for three loops their technological implementation is difficult (microstrips of loops are very narrow).

Claims

1. STRIP TAPE, containing two transmission lines interconnected by structures located at a quarter wavelength from one another, characterized in that each structure is made in the form of two curved strips connected by lateral electromagnetic coupling, with the beginning of the first strip and the end the second strip are connected to the transmission lines, respectively, and the end of the first strip and the beginning of the second strip are interconnected, and the structures are located outside the space between the transmission lines, and non-planar Connections made by jumpers.

2. The coupler according to claim 1, characterized in that a lateral electromagnetic coupling is introduced between the transmission lines.