WO2013017397A1

WO2013017397A1 - Galvanisch getrennter richtkoppler

Info

Publication number: WO2013017397A1
Application number: PCT/EP2012/063874
Authority: WO
Inventors: Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2014-02-04
Also published as: US20140285283A1; US9413053B2; DE102011080429A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen galvanisch getrennten Richtkoppler (14), insbesondere zum Ein- und Auskoppeln von hochfrequenten Messsignalen eines Radar- Füllstandsmessgerät, wobei zwei ineinander greifende, gegensinnig gebogene Leiterbahnen vorgesehen sind, wobei die beiden gegensinnig gebogenen Leiterbahnen so angeordnet sind, dass sie über einen Bereich von einer Viertelwellenlänge (λ/4) der der Mittenfrequenz der Messsignale zugeordneten Wellenlänge miteinander koppeln und zwei Gruppen von seitengekoppelten Leiterbahnen (15, 16) bilden, und dass sich an jede der beiden Gruppen von seitengekoppelten Leiterbahnen (15, 16) jeweils über einen Bereich, der kleiner ist als eine Achtelwellenlänge (λ/8) der der Mittenfrequenz zugeordneten Wellenlänge, ein gebogenes Leiterbahnenstück (34, 35) anschließt.

Description

Galvanisch getrennter Richtkoppler

Die Erfindung betrifft einen galvanisch getrennten Richtkoppler, insbesondere zum Ein- und Auskoppeln von hochfrequenten Messsignalen eines Radar-Füllstandsmessgeräts. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Sende-/Empfangs-weiche für ein Radar- Füllstandsmessgerät, bei der der erfindungsgemäße Richtkoppler eingesetzt wird.

Richtkoppler sind Schaltungen der Hochfrequenztechnik, die die Eigenschaft haben, ein Signal einer vorgegebenen Frequenz, das in ein Eingangstor eingespeist wird, definiert auf zwei Ausgangstore aufzuteilen. Die Aufteilung der Signalanteile auf die beiden

Ausgangstore muss hierbei nicht gleichmäßig erfolgen. Bei einem Richtkoppler mit vier Toren ist ein Tor "entkoppelt", d.h. an diesem Tor werden im Idealfall keine Signalanteile ausgegeben. Bei einem einzeln betrachteten Tor ist die Aufteilung auf die verbleibenden Tore abhängig von der Richtung des Signals bzw. der Wellen durch dieses Tor. Man spricht daher von einem Richtkoppler.

Es gibt viele verschiedene Formen von Richtkopplern in diversen Technologien. Ein Grundtyp in Mikrostreifenleitungstechnik ist ein Koppler aus gekoppelten Leitungen. Dieser basiert u.a. auf der physikalischen Eigen-schaft, dass sich zwei Wellensignale mit einem Phasenunterschied von 180° destruktiv auslöschen. Bezogen auf

Hochfrequenzwellen bedeutet dies eine Auslöschung bei einem Phasenunterschied von einer halben Wellenlänge (λ/2) bei der betrachteten Frequenz.

Das Funktionsprinzip eines Richtkopplers aus gekoppelten Leitungen lässt sich vereinfacht folgendermaßen beschreiben.

Der Koppler aus gekoppelten Leitungen besteht aus zwei über den Weg einer

Viertelwellenlänge der betrachteten Frequenz (λ/4) nah beieinander liegender Leitungen. Ein entsprechender Richtkoppler ist in Fig. 1 dargestellt und wird in der

Figurenbeschreibung noch näher beschrieben.

Interferenzen treten in den Bereichen auf, in denen die Leitungen nahe genug beieinander liegen. Bei einer einfachen Kopplung aus zwei Leitungen einer

Viertelwellenlänge wird ein Teil der in ein Tor eingespeisten Leistung von einer Leitung auf die andere übertragen. Der Übertragung der Leistung erfolgt beispielsweise im Bereich einer Viertelwellenlänge. Der Rest der Leistung tritt am verbleibenden Tor auf. Nähere Ausführungen hierzu folgen in der Beschreibung der Figuren dargelegt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Richtkoppler und eine Sende- /Empfangsweiche vorzuschlagen, die sich durch eine erhöhte Bandbreite und einen einfachen Aufbau auszeichnen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwei ineinander greifende, gegensinnig gebogene Leiterbahnen vorgesehen sind, wobei die beiden gegensinnig gebogenen Leiterbahnen so angeordnet sind, dass sie über einen Bereich von einer Viertelwellenlänge (λ/4) der der Mittenfrequenz der Messsignale zugeordneten Wellenlänge miteinander koppeln und zwei Gruppen von seitengekoppelten Leiterbahnen bilden, und dass sich an jede der beiden Gruppen von seitengekoppelten Leiterbahnen jeweils über einen Bereich, der kleiner ist als eine Achtelwellenlänge (λ/8) der der Mittenfrequenz zugeordneten

Wellenlänge, ein gebogenes Leiterbahnenstück anschließt.

Im Falle von zwei Leiterbahnen hat der im Wesentlichen "runde" Richtkoppler vier Tore. Bevorzugt ist der Richtkoppler drehsymmetrisch aufgebaut, wodurch keines der Tore des Richtkopplers bevorzugt wird. Es wurde bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik was unter dem Begriff "Tor" zu verstehen ist.

Es hat sich gezeigt, dass ausgehend von einer Achtelwellenlänge sich die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kopplers mit abnehmender Länge bis ca. 1/16 Wellenlänge der Mittenfrequenz verbessern. Eine weitergehende Verkürzung der Länge wirkt sich dann nur noch relativ geringfügig aus.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Richtkopplers schlägt vor, dass der Richtkoppler aus zumindest einem SMD-Bauteil aufgebaut ist. Bei dem SMD Bauteil handelt es sich entweder um einen Widerstand oder Kondensator oder um zwei baugleiche Widerstände oder Kondensatoren.

Das zumindest eine Bauteil (Kondensator oder baugleiche Widerstände) ist in einer horizontalen Ebene einer Leiterplatte angeordnet, oder es ist in zumindest zwei parallel verlaufenden Ebenen einer Leiterplatte vorgesehen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Richtkopplers sieht vor, dass die beiden Übergänge zwischen den seitengekoppelten Leiterbahnen und den gebogenen Leiterbahnen so ausgestaltet sind, dass die hochfrequenten Messsignale mit einer möglichst hohen Bandbreite übertragen werden. Bevorzugt weisen die Leiterbahnen eine verzahnte Struktur auf. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Richtkoppler so dimensioniert ist, dass er als 3 dB-Koppler arbeitet. Von einem 3 dB-Koppler spricht man, wenn der Koppler so dimensioniert ist, dass sich eine gleichmäßige Leistungs-aufteilung auf zwei Tore einstellt.

Die erfindungsgemäße Sende-/Empfangsweiche für ein Radar-Füllstands-messgerät besteht aus einem zuvor beschriebenen Richtkoppler und einem Abschlusselement bzw. einem Hochfrequenzsumpf bzw. einem angepassten Abschluss, das bzw. der an einem der zumindest vier Tore des Richtkopplers vorgesehen ist.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sende-/Empfangsweiche sieht vor, dass das Abschlusselement bzw. der Hochfrequenzsumpf aus einem Widerstand, der den doppelten Widerstand des Leitungswellenwiderstands aufweist, und einer Anpassstruktur besteht.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Anpassstruktur aus drei miteinander verbundenen Leiterbahnenstücken definierter Länge und Breite und zwei

Durchkontaktierungen zur Bezugspotentiallage der Leiterkarte besteht. Weiterhin ist im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sende-/Empfangsweiche vorgesehen, dass an den drei verbleibenden Toren des Richtkopplers eine Antenne, eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit des Radar-Füllstandsmessgeräts

angeschlossen sind. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine Draufsicht auf einen bekannten Richtkoppler mit zwei gekoppelten Leitungen,

Fig. 2: eine Darstellung, wie sich ein Signal bei dem in Fig. 1 gezeigten Richtkoppler in die einzelnen Signalanteile aufteilt,

Fig. 3: eine Darstellung der Entkopplung eines Tores bei dem in Fig. 1 dargestellten Richtkopplers,

Fig. 4: Darstellung zur Ermittlung der Bandbreite eines Richtkopplers,

Fig. 5: Draufsicht auf einen bekannten Lange-Koppler, Fig. 6: Draufsicht auf einen bekannten Lange-Koppler mit sechs Armen,

Fig.7: eine Darstellung der Teilsegmente einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Richtkopplers,

Fig. 8: eine Verdeutlichung der Funktionsweise des in Fig. 7 dargestellten Richtkopplers,

Fig. 9: eine weitere Verdeutlichung der Funktionsweise des in Fig. 7 dargestellten Richtkopplers,

Fig. 10: eine Verdeutlichung der Funktionsweise des in Fig. 7 dargestellten Richtkopplers im Hinblick auf die erzielbare Breitbandigkeit,

Fig. 1 1 : eine Darstellung der Übergänge der Leitungsimpedanz,

Fig. 12: eine Darstellung eines angepassten Abschlusselementes für einen Richtkoppler,

Fig. 13: eine Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Sende-/Empfangsweiche,

Fig. 14: eine Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sende- /Empfangsweiche, wobei das angepasste Anschlusselement an einem ersten Tor vorgesehen ist, Fig. 15: eine Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sende-

/Empfangsweiche, wobei das angepasste Anschlusselement an einem zweiten Tor vorgesehen ist, und

Fig. 16: eine Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sende- /Empfangsweiche, wobei das angepasste Anschlusselement an einem dritten Tor vorgesehen ist.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen bekannten linearen Richtkoppler mit zwei gekoppelten Leitungen 1 , 2 und vier Toren 3, 4, 5, 6. Die beiden gekoppelten Leitungen 1 , 2 verlaufen über eine Viertelwellenlänge λ/4 der betrachteten Frequenz parallel zueinander. Interferenzen treten in den Bereichen auf, in denen die Leitungen 1 , 2 nahe genug beieinander liegen. Bei einer einfachen Kopplung aus zwei Leitungen 1 , 2 einer

Viertelwellenlänge λ/4 wird ein Teil der in ein Tor 3 eingespeisten Leistung von einer Leitung 1 auf die andere Leitung 2 übertragen. Der Übergang der Leistung erfolgt im Bereich einer Viertelwellenlänge λ/4. Ein Teil der Leistung findet sich am Tor 4, während sich der Rest der Leistung am verbleibenden 6 Tor befindet.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung der Aufteilung eines Signals bei dem in Fig. 1 gezeigten Richtkoppler. In Fig. 3 ist eine Darstellung der Entkopplung des Tores 5 bei dem in Fig. 1 dargestellten Richtkoppler zu sehen.

Insbesondere ist in Fig. 2 dargestellt, wie sich das Signal von Tor 3 auf die Tore 4, 6 aufteilt, wobei am Tor 4 der größere Signalanteil zur Verfügung steht.

Im Bereich der Knicke 7, 8 zu beiden Seiten der gekoppelten Leitungen 1 , 2 wird jeweils ein geringer Anteil des Signals reflektiert. Somit tritt zwischen den Toren 3, 5 eine direkte, wenn auch schwache Überkopplung im Bereich der Knicke 7, 8 auf. Über den Signalweg von Knick 8 über den Knick 7 zurück zu Knick 8 ergibt sich ein Signalweg von einer halben Wellenlänge λ/2 in dem Bereich, in dem die beiden Leitungen 1 , 2 nahe beieinander liegen. Infolge destruktiver Interferenz tritt einer Auslöschung des Signals auf, wodurch Tor 5 entkoppelt ist.

Aufgrund der symmetrischen Ausgestaltung des Richtkopplers zeigt sich das zuvor beschriebene Verhalten ebenso, wenn das Signal nicht in Tor 3, sondern in eines der anderen Tore 4, 5, 6 eingespeist wird. Dann ist das entkoppelte Tor und das Tor mit dem größten der anderen beiden Leitungsanteile jeweils ein anderes.

Es versteht sich von selbst, dass zur optimierten Dimensionierung auch

Mehrfachreflexionen und verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Signale in der Betrachtung gezogen werden können bzw. müssen. Nachfolgend werden die Eigenschaften eines Kopplers mit gekoppelten Leitungen 1 , 2 beschrieben. Die Bedingungen zur Überkopplung und zur destruktiven Interferenz gelten jeweils für die betrachtete Frequenz. Für Frequenzen außerhalb der Mittenfrequenz werden diese Bedingungen nur unsauber erfüllt, dementsprechend verschlechtern sich die Kopplereigenschaften stark mit zunehmend abweichender Frequenz. In diesem Fall liegt ein schmalbandiger Koppler vor.

Für Gleichspannung und Signalanteile sehr niedriger Frequenz findet keine

Überkopplung im Bereich der nahe beieinander liegenden Leitungen 1 , 2 statt. Die Tore 3, 4 sind galvanisch von den Toren 5, 6 getrennt. Keine galvanische Trennung findet zwischen den Toren 3, 4 und 5, 6 statt und umgekehrt.

Ein Nachteil des linearen Kopplers ist darin zu sehen, dass die Entkopplung des jeweils entkoppelten Tors (Tor 5 in Fig. 3) bei diesem Kopplertyp relativ schlecht ist.

Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Ermittlung der Bandbreite eines Richtkopplers. Diese Betrachtungen gelten sowohl für die bekannten Richtkoppler als auch für den erfindungsgemäßen Richtkoppler. Bei einem Koppler können bestimmte Kriterien wie das Maß der Entkopplung und oder Verhältnis der Leistungsaufteilung auf die einzelnen Tore spezifiziert werden. Wie zuvor bereits beschrieben, verschlechtern sich die Eigenschaften eines Richtkopplers umso mehr, je stärker die Frequenz von der Mitten-frequenz abweicht. Theoretisch lässt sich ein Frequenzbereich bestimmen, in welchem akzeptable Größen für die einzelnen Kriterien gerade noch erfüllt werden. Dieser Frequenzbereich wird als Bandbreite eines Richtkopplers bezeichnet und kennzeichnet folglich einen gewissen Frequenzbereich. Die Eckfrequenzen der Bandbreite werden obere Grenzfrequenz und untere

Grenzfrequenz genannt. Die Breitbandigkeit eines Richtkopplers ist definiert als das Verhältnis der zuvor definierten Bandbreite zur Mittenfrequenz und wird üblicherweise in Prozent angegeben. Die Mittenfrequenz eines Bauteils oder einer sich frequenzstatisch verhaltenden

Baugruppe entspricht der linearen Mitte (Frequenzen können auch logarithmisiert dargestellt werden) zwischen der oberen und der unteren Grenzfrequenz. Die

Breitbandigkeit kann sich somit in einem Bereich zwischen >0% und <200% bewegen.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Lange-Koppler 9 in einfacher Ausgestaltung. Der Lange-Koppler 9 stellt gegenüber dem in den Figuren Fig.1 - Fig. 3 dargestellten einfachen linearen Richtkoppler eine Verbesserung dar. Der Lange-Koppler 9 wird übrigens auch als Interdigitalkoppler bezeichnet. Zur Verbesserung der

Kopplungseigenschaften werden mehrere Kopplungsstrukturen 12, 13 einer

Viertelwellenlänge parallel geschaltet. Weiterhin erfolgt die Kopplung der meisten Leitungselemente - mit Ausnahme der äußeren Leitungselemente - beidseitig, d.h. ein Leitungselement befindet sich in naher Distanz zu jeweils zwei weiteren

Leitungselementen. Hierdurch lässt sich die Leistungsaufteilung in einer gewünschter Art und Weise erreichen. Weiterhin werden die Bereiche 10, 1 1 in Bezug auf die Bereiche 7, 8 aus den Fig. 1 - Fig. 3 weiter ausgedehnt. Mit dem Lange-Koppler 9 ist noch eine gute Kopplung im Bereich von Wellenlängen möglich, die von der Mittenfrequenz leicht abweichen. Zusätzlich lassen sich beim Lange- Koppler 9 die Mehrfachreflexionen bestens ausnutzen. Zur weiteren Verbesserung der Bandbreite, der Entkopplung und/oder der

Leistungsaufteilung (dimensionierungsabhängig und teilweise gegenläufig) kann die Anzahl der Kopplungsstrukturen 12, 13, welche jeweils eine Länge von in etwa einer Viertelwellenlänge der Mittenfrequenz aufweisen, mehrfach erweitert werden. Diese Ausgestaltung ist in Fig. 6 beispielhaft dargestellt.

Mit einem vierarmigen Lange-Koppler 9 nach Fig. 5 lässt sich beispielsweise eine Breitbandigkeit von 80% erreichen. Eine Erhöhung der Anzahl der Kopplungsstrukturen 12, 13 verbessert zwar die Breitbandigkeit, führt aber auch zu zunehmend schmaleren Leitungsstücken, schmaleren Leitungsabständen und - im Hinblick auf die Fertigung - zu einer steigenden Anzahl an Verbindungs- oder Bonddrähten. Darüber hinaus sind feiner strukturierte Leiterplattenstrukturen aufwändiger und teurer herzustellen, falls dies technisch überhaupt noch machbar ist. Zur Verarbeitung von Bonddrähten sind zudem spezielle teure Maschinen notwendig. Die für Hochfrequenzstrukturen notwendigen Bonddrähte sind sehr fein und sehr empfindlich bei Handhabung und Transport und lassen sich darüber hinaus manuell nur zeitaufwändig reparieren.

Fig.7 zeigt eine Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Richtkopplers 14. Insbesondere sind hier die einzelnen Teilsegmente 15, 16, 34, 35 des erfindungsgemäßen Richtkopplers zu sehen. Der erfindungsgemäße Richtkoppler 14 hat eine "runde" Form, ist galvanisch getrennt und dient bevorzugt zum Ein- und Auskoppeln von hochfrequenten Messsignalen eines Radar-Füllstandsmessgeräts. In ähnlicher Weise lässt sich übrigens auch ein Mischer realisieren.

Erfindungsgemäß sind zwei ineinander greifende, gegensinnig gebogene Leiterbahnen vorgesehen, wobei die beiden gegensinnig gebogenen Leiterbahnen so angeordnet sind, - dass sie über einen Bereich (23, 24 bis 25, 26 bzw. 27, 28 bis 29,30) von einer

Viertelwellenlänge λ/4 der der Mittenfrequenz der Messsignale zugeordneten

Wellenlänge miteinander koppeln und zwei Gruppen von seitengekoppelten

Leiterbahnen 15, 16 bilden, und

- dass sich an jede der beiden Gruppen von seitengekoppelten Leiterbahnen 15, 16 jeweils über einen Bereich, der kleiner ist als eine Achtelwellenlänge λ/8 der der

Mittenfrequenz zugeordneten Wellenlänge, ein gebogenes Leiterbahnenstück 34, 35 anschließt. Der erfindungsgemäße runde Richtkoppler 14 kombiniert quasi die

Interferenzeigenschaften nebeneinander und hintereinander gesetzter Leitungsstücke der Länge einer Viertelwellenlänge mit den Interferenzeigenschaften einer um einen Kreis laufenden Welle, wie sie beispielsweise auch heute schon in einem Hybridkoppler oder Branchlinekoppler verwendet wird. Allerdings weisen die bekannten Hybridkoppler keine seitengekoppelten Strukturen auf.

Erfindungsgemäß ist somit die Kombination aus seitengekoppelten Strukturen und den infolge eines "geschlossenen" Rings auftreten Interferenzen. Der Begriff geschlossener Ring bezieht sich hierbei auf den Hochfrequenz-Signalweg. Erfindungsgemäß sind zwei Gruppen aus seitengekoppelten Leitungspaaren 15, 16 der Länge einer

Viertelwellenlänge der Mittenfrequenz durch zwei weitere gebogene Leitungsstücke 34, 35 der Länge deutlich kleiner als eine Achtelwellenlänge der Mittenfrequenz miteinander gekoppelt. Anstelle der beim Stand der Technik auftretenden Knicke bezüglich des Abstandes der Leitungen zeigen sich bei der erfindungsgemäßen Lösung weiche, fließende Übergange (sh. Übergang 36 in Fig. 1 1 ). Hierdurch verschiebt sich der Punkt 23 als Grenze zwischen der Koppelstruktur 32 und der Verbindungsleitung 33 (sh. Fig. 10). Bei der Mittenfrequenz liegt die entsprechende Länge beispielsweise bei ca. 1/30 Wellenlänge und verändert sich innerhalb der Bandbreite im Bereich von ca. 1/64 (niedrigere Frequenzen) bis ca. 1/16 (höhere Frequenzen) nichtlinear mit der Frequenz. Eine Dimensionierung ist jedoch ebenso möglich beispielsweise im Bereich 1/10 bis 1/40.

Anhand der Figuren Fig. 8 und Fig. 9 ist die Funktionsweise des in Fig. 7 dargestellten Richtkopplers 14 näher erläutert. Angenommen wird im Folgenden, dass die Einspeisung des Signals in Tor 20 erfolgt. Zwischen den Bereich 24, 23 und 25, 26 tritt ein ähnlicher Effekt auf, wie ihn auch der in Fig. 1 dargestellte Koppler aus gekoppelten Leitungen erzeugt. Die an dem Punkt 24 einlaufende Welle (einlaufendes Signal) wird aufgeteilt auf die Punkte 25, 26, während an den Punkt 23 keine Leistungsanteile gelangen. Zunächst liegt an Tor 22 ein Teil der Ausgangsleistung an, und ein anderer Teil der Welle läuft über den Punkt 25 hinaus.

Diese über Punkt 25 hinauslaufende Welle gelangt mit sehr kurzer Laufzeit zu dem Punkt 27 (sh. Fig. 9). An Punkt 27 schließt sich eine Struktur an, die wiederum ähnlich ist der Struktur des bekannten Kopplers aus gekoppelten Leitungen (Fig. 1 ). Diese Struktur verläuft im Bereich zwischen den Punkten 28, 27 bis zu den Punkten 29, 30. Wie im Falle eines bekannten Kopplers aus zwei gekoppelten Leitungen gelangen an den am Tor 21 anliegenden Punkt 28 zunächst keine Leistungsanteile. Die Leistung der Welle wird aufgeteilt auf die Punkte 29 und 30. Die Leistungsanteile an Punkt 29 werden teilweise reflektiert und werden teilweise über das SMD-Bauteil 31 an das Tor 19 geleitet.

Die reflektierten Leistungsanteile werden wiederum nach dem Prinzip der gekoppelten Leitungen auf die Punkte 27 und 28 aufgeteilt. Die Leistungs-anteile an Punkt 28 gelangen an das Tor 21. Die Leistungsanteile an Punkt 27 gelangen an Punkt 25. Der Signalweg ist entsprechend. Die Leistungsanteile an Punkt 30 jedoch gelangen an den Punkt 23. Im Vergleich zur nächsten Periode der über Tor 20 an Punkt 24 gelangten Welle besteht ein Phasen-gangunterschied von 180°. Da die Wellen jedoch auf unterschiedlichen Leitungen geführt werden, kommt es ab dem Bereich 24, 23 zur destruktiven Interferenz. Da wie oben beschrieben ein Teil der Welle von Punkt 24 an Punkt 26 gelangt, entsteht im gesamten Bereich von 23 bis 26 eine destruktive

Interferenz. Das Tor 22 ist dementsprechend sehr gut entkoppelt. Durch eine geeignete Dimensionierung lässt sich übrigens eine gleichmäßige Leistungsaufteilung auf die Tore 19 und 21 für eine große Breitbandigkeit erreichen.

Von der Mittenfrequenz abweichende Frequenzen führen zu abweichenden

Wellenlängen. In Fig. 10 sind exemplarisch eine größere Wellenlänge (längere Linie in 32; niedrigere Frequenz) und eine kleinere Wellenlänge (kürzere Linie in 32; höhere Frequenz) eingezeichnet. Aufgrund des„weichen" Übergangs im Bereich um die Punkte 23, 24 bezüglich der Distanz der gekoppelten Leitungen ist die Funktionsweise dieses Kopplers sowohl für die etwas niedrigere als auch für die etwas höhere Frequenz möglich; beide Wellenlängen„passen" noch in diese Struktur ausgeprägter

Breitbandigkeit.

Beim in Fig. 1 gezeigten Koppler aus gekoppelten Leitungen ist an beiden Enden ein „Knick", es tritt also eine scharfe Abgrenzung der seitenge-koppelten Strukturen auf (sh. auch Fig. 1 1 ). Als Folge dieses abrupten Übergangs ist der Koppler schmalbandig.

Aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Länge der seitengekoppelten Strukturen 32 ergibt sich eine unterschiedliche Länge der gebogenen Verbindungsleitungen 33. Diese sind jedoch in der Länge deutlich kürzer als ein Achtel der zugehörigen Wellenlänge, so dass dieser Einfluss gering ist.

Genauer betrachtet, führen die beiden Leitungslängen 34 und 35 darüber hinaus zu einer Kompensation des ständig auftretenden Laufzeitunterschieds der in einer seitengekoppelten Struktur auftretenden Gleichtakt- und Gegentaktmoden. Diese wird an dieser Stelle aus Gründen der Vollständigkeit erwähnt, trägt jedoch nicht zum

Grundverständnis der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kopplers bei. Aufgrund der unterschiedlichen Feldausdehnung der verschiedenen Wellenmoden ergibt sich eine unterschiedliche, modenabhängige, effektive Kopplungslänge der gebogenen

Leitungsstücke, welche sich von der unterschiedlichen, modenabhängigen, effektiven Kopplungslänge gerader gekoppelter Leitungsstücke unterscheidet.

Ebenso müssen die unterschiedlichen Moden bei der destruktiven Interferenz im Bereich von 23 bis Punkt 26 berücksichtigt werden, und zwar insbesondere bei Frequenzen, die von der Mittenfrequenz abweichen. Verschiedene Moden treten übrigens auch beim Koppler aus gekoppelten Leitungen und anderen Typen von Kopplern auf.

Im Zusammenhang mit Fig. 1 1 wird ein sprunghafter Übergang der Leitungsimpedanz beschrieben. Ein Medium, in welchem sich eine physikalische Welle ausbreitet, weist eine Wellenimpedanz auf. Diese wird auch Wellenwiderstand oder - bezogen auf Verbindungsleitungen für Signale hoher Frequenzanteile wie bei den hier verwendeten Mikrostreifenleitungen - Leitungswellenwiderstand genannt. Anschaulich beschreibt dies die Steifigkeit, welche das Medium der Welle entgegensetzt (vgl. physikalischer Strömungswiderstand). Eine Mikrostreifenleitung besteht aus einer Verbindungsleitung auf Platinenmaterial mit rückseitig durchgehender Kupferschicht ohne Unterbrechungen im umliegenden Bereich. Die Leitungsimpedanz einer Mikrostreifenleitung ist abhängig von der Breite der Leitung auf der oberen Platinenseite. Um zwei Leitungen unterschiedlicher Leitungsimpedanz zu verbinden gibt es mehrere Möglichkeiten, beispielsweise ein harter Übergang, ein konisch zulaufendes

Leitungssegment oder andere teilweise komplexe Strukturen.

Der bekannte Koppler aus gekoppelten Leitungen sowie der Langekoppler verwenden einen fließenden Übergang 17, 18, während beim neuen runden Koppler 36 ein abrupter so genannter„Impedanzsprung" notwendig ist. Genauer betrachtet ergibt sich an diesem Impedanzsprung eine bestimmte Feldverteilung. Der Einfluss von Impedanzsprüngen im Allgemeinen ist Stand der Technik. Insbesondere haben die verschiedenen Moden der seitengekoppelten Leiterbahnen einen Einfluss, so dass hier solche Impedanzsprünge notwendig sind.

Bei den auf kreislaufenden Wellen basierenden Kopplertypen, wie Hybridringkoppler und Branchlinekoppler, ist ebenfalls ein harter Impedanzsprung notwendig. Es existiert bereits ein Koppler, basierend nur auf einer seitengekoppelten Struktur, bei welchem ein weicher Übergang notwendig ist, dieser nennt sich„Tapered Coupled Line Hybrid- Koppler in der 180°-Ausführung". Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kopplers 14 mit Koppelelementen und kreislaufender Welle basiert auf Effekten der Kopplung über eine metallisch nicht verbundene Strecke (die„Seitenkopplung" wie beim Koppler aus gekoppelten Leitungen oder der Langekoppler) und einer um eine geschlossene Schleife laufende Welle, wie beispielsweise bei den Kopplertypen: Hybridringkoppler, Branchlinekoppler und

Ratracekoppler.

Alternativ zur Seitenkopplung sind auch andere verteilte Koppelstrukturen für den erfindungsgemäßen Koppler 14 möglich, beispielsweise übereinander liegende

Leitungen auf verschiedenen Leiterbahnen, Verzahnung der Leitungen, Verwendung mehrerer feiner Verbindungsleitungen und Material definierter Resistivität im Bereich zwischen den Leitungen.

In Fig. 12 ist eine Darstellung eines angepassten Abschlusses 37 für einen Richtkoppler 14 zu sehen. Wird der erfindungsgemäße Koppler 14 derart dimensioniert, dass sich eine gleichmäßige Leistungsaufteilung auf zwei Tore einstellt -man spricht dann von einem "3 dB-Koppler" - ergibt sich eine Leistungsaufteilung innerhalb der Bandbreite nach Tabelle 1 und eine Entkopplung nach Tabelle 2. Wie bereits gesagt, bezeichnet die Entkopplung jeweils, zwischen welchen Toren möglichst keine Leistungsübertragung stattfindet.

Tabelle 1 : Leistungsaufteilung bei symmetrischer Dimensionierung

Tabelle 2: Entkopplung

Diejenigen Tore, auf weiche eine Leistungsaufteilung bei Einkopplung durch ein drittes Tor stattfindet, sind bei jeweiliger Einspeisung jeweils untereinander entkoppelt. Das verbleibende vierte Tor ist wiederum von dem bei der Leistungsaufteilung eingespeisten Tor entkoppelt.

In der Fig. 13 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sende- /Empfangsweiche 40 für z.B. ein Radar-Füllstandsmessgerät zu sehen. Mit einem angepassten Abschluss 37 bzw. Abschlusselement wird der erfindungsgemäße Koppler 14 zur Sende-/ Empfangsweiche 40 komplettiert. Der angepasste Abschluss 37 weist ein Verbindungsstück 39 zwischen dem angepassten Abschluss 37 und dem Koppler 14 auf. Dieses Verbindungs-stück 39 ist ein Leistungsstück definierter Länge, an dessen Ende 38 der Koppler 14 angebracht werden kann. Es versteht sich von selbst, dass auch andere Formen eines angepassten Abschlusses 37 als die hier gezeigte verwendet werden kann. Die Beschaltungen bleiben übrigens erhalten. Weitere Beschaltungen ergeben sich aus den Eigenschaften des Kopplers 14 gemäß den Tabellen 1 und 2. Sie werden in Tabelle 3 vollständig aufgeführt. Die verschiedenen Beschaltungen bei einem Radar-Füllstandsmessgerät sind in den Figuren Fig. 13 bis Fig. 16 dargestellt.

Beschaltung nach Tor (20) Tor (21 ) Tor (22) Tor (19)

Fig. 13 angepasster

Sender Antenne Empfänger

Abschluss angepasster

Fig. 14 Antenne Sender Empfänger

Abschluss

angepasster

Fig. 15 Sender Empfänger Antenne

Abschluss

angepasster

Fig. 16 Sender Antenne Empfänger

Abschluss

angepasster

Fig. 13 Empfänger Antenne Sender

Abschluss angepasster

Fig. 15 Empfänger Sender Antenne

Abschluss

angepasster

Fig. 14 Antenne Empfänger Sender

Abschluss

angepasster

Fig. 16 Empfänger Antenne Sender

Abschluss

Claims

Patentansprüche

1. Galvanisch getrennter Richtkoppler (14), insbesondere zum Ein- und Auskoppeln von hochfrequenten Messsignalen eines Radar-Füllstandsmessgerät, wobei zwei ineinander greifende, gegensinnig gebogene Leiterbahnen vorgesehen sind, wobei die beiden gegensinnig gebogenen Leiterbahnen so angeordnet sind, dass die Leiterbahnstücke über einen Bereich von einer Viertelwellenlänge (λ/4) der der Mittenfrequenz der

Messsignale zugeordneten Wellenlänge miteinander koppeln und zwei Gruppen von seitengekoppelten Leiterbahnen (15, 16) bilden, und dass sich an jede der beiden Gruppen von seitengekoppelten Leiterbahnen (15, 16) jeweils über einen Bereich, der kleiner ist als eine Achtelwellenlänge (λ/8) der der Mittenfrequenz zugeordneten

Wellenlänge, ein gebogenes Leiterbahnenstück (34, 35) anschließt.

2. Richtkoppler nach Anspruch 1 ,

wobei der Richtkoppler (14) aus zumindest einem SMD-Bauteil (31 ) aufgebaut ist.

3. Richtkoppler nach Anspruch 1 oder 2,

wobei es sich bei dem SMD Bauteil (31 ) um einen Kondensator handelt.

4. Richtkoppler nach Anspruch 1 oder 2,

wobei es sich bei den SMD Bauteilen (31 ) um zwei baugleiche Widerstände handelt.

5. Richtkoppler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4,

wobei das zumindest eine Bauteil in einer horizontalen Ebene der Leiterplatte angeordnet ist oder wobei das zumindest eine Bauteil in zumindest zwei parallel verlaufenden Ebenen einer Leiterplatte angeordnet ist.

6. Richtkoppler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Übergänge 36 zwischen den gebogenen seitengekoppelten Leiterbahnen (15, 16) und den gebogenen Leiterbahnen (34, 35) so ausgestaltet sind, dass die hochfrequenten Messsignale mit einer möglichst hohen Bandbreite übertragen werden.

7. Richtkoppler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Leiterbahnen (15, 16) eine verzahnte Struktur aufweisen.

8. Richtkoppler nach Anspruch 1 ,

wobei der Richtkoppler (14) so dimensioniert ist, dass er als 3 dB-Koppler arbeitet.

9. Sende-/Empfangsweiche (40) für ein Radar-Füllstandsmessgerät, bestehend aus einem Richtkoppler (14), wie er in mindestens einem der Ansprüche 1-8 beschrieben ist, und einem Abschlusselement (37) bzw. einem Hochfrequenzsumpf, das bzw. der an einem der zumindest vier Tore (19, 20, 21 , 22) des Richtkopplers (14) vorgesehen ist.

10. Sende-/Empfangsweiche (40) nach Anspruch 9, wobei das Abschlusselement (37) bzw. der Hochfrequenzsumpf aus einem Widerstand, der den doppelten Widerstand des Leitungswellenwiderstands aufweist, und einer Anpassstruktur (39) besteht.

1 1. Sende-/Empfangsweiche nach Anspruch 10, wobei die Anpassstruktur (39) aus drei miteinander verbundenen Leiterbahnenstücken definierter Länge und Breite und zwei Durchkontaktierungen zur Bezugspotentiallage der Leiterkarte besteht.

12. Sende-Empfangsweiche nach zumindest einem der Ansprüche 9-1 1 , wobei an den drei verbleibenden Toren des Richtkopplers (14) eine Antenne, eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit des Radar-Füllstandsmess-geräts angeschlossen sind.