DE19522673A1

DE19522673A1 - Directional coupler esp. for high frequency signals

Info

Publication number: DE19522673A1
Application number: DE19522673A
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1995-06-22
Publication date: 1997-01-02
Also published as: IT1283118B1; FR2735926A1; ITMI961179A0; ITMI961179A1; CH690703A5

Abstract

The directional coupler includes four gates (1,2,3,4) which are divided into two pairs. Each pair is connected by a coil (5,6). Also each gate is connected by a capacitor (7,8,9,10) with an earth or a ground potential. The two pairs of gates are then connected together by another two capacitors (11,12). The coils are coupled together with the aid of a ring core (13) of ferromagnetic material, showing low losses.

Description

Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler für hochfrequente Signale.The invention relates to a directional coupler for high-frequency Signals.

Richtkoppler werden in der Hochfrequenztechnik dazu benötigt, einen Teil der in einer Leitung geführten Hochfrequenzleistung auszukoppeln, insbesondere für Meß- und Regelungszwecke. Dafür werden ausschließlich miteinander gekoppelte Leitungen verwendet, beispielsweise Koaxialleitungen, planare Leitungen oder Hohlleiter.Directional couplers are used in high-frequency technology needed, part of the guided in a line Decouple high-frequency power, especially for measuring and Regulatory purposes. For this, only with each other coupled lines used, for example Coaxial lines, planar lines or waveguides.

Eine ausführliche Beschreibung dieser bekannten Richtkoppler findet sich in Meinke - Gundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 4. Auflage, Springer-Verlag 1986, insbesondere Seiten L27 bis L35.A detailed description of this known directional coupler can be found in Meinke - Gundlach, paperback of the High frequency technology, 4th edition, Springer-Verlag 1986, especially pages L27 to L35.

Um eine in dem jeweils interessierenden Frequenzbereich weitgehend frequenzunabhängige Kopplung zu erzielen, ist eine elektrische Länge von einem Viertel der Wellenlänge erforderlich. Selbst bei einer Verkürzung der Leitung durch √ε, bei einer Frequenz von 80 MHz und bei einem Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante von ε = 5 ist eine Länge von 40 cm erforderlich. Dadurch werden die bekannten Richtkoppler einerseits recht aufwendig in der Herstellung und brauchen andererseits im eingebauten Zustand viel Platz.To a frequency range of interest to achieve largely frequency-independent coupling an electrical length of a quarter of the wavelength required. Even if the line is shortened √ε, at a frequency of 80 MHz and with a dielectric with a dielectric constant of ε = 5 is a length of 40 cm required. This will make the known Directional couplers, on the one hand, are quite complex to manufacture and, on the other hand, need a lot of space when installed.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Richtkoppler anzugeben, der einfach und preiswert in der Herstellung ist und einen geringen Platzbedarf aufweist.The object of the invention is to provide a directional coupler which is simple and inexpensive to manufacture and one has a small footprint.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Kopplung Spulen und Kondensatoren vorgesehen sind.This object is achieved in that Coupling coils and capacitors are provided.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Richtkopplers besteht darin, daß ein erstes mit einem zweiten Tor und ein drittes mit einem vierten Tor über je eine Spule verbunden sind, wobei die Spulen magnetisch miteinander gekoppelt sind. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Tore über je einen Kondensator mit Masse verbunden sind und daß zwischen das erste und das dritte Tor und das zweite und das vierte Tor je ein weiterer Kondensator geschaltet ist.An advantageous embodiment of the invention Directional coupler is that a first with a second goal and a third with a fourth goal over each a coil are connected, the coils being magnetic are coupled together. It is preferred provided that the gates each have a capacitor with ground are connected and that between the first and third gates and the second and fourth goals each another Capacitor is connected.

Diese Ausgestaltung weist einen Tiefpaßcharakter auf, was ein zusätzlicher Vorteil ist, da der erfindungsgemäße Richtkoppler dann als Teil des antennenseitigen Sendetiefpaßfilters verwendet werden kann. Dadurch vermindert sich der ohnehin schon geringe zusätzliche Platzbedarf für den erfindungsgemäßen Richtkoppler um die Hälfte.This configuration has a low-pass character, what an additional advantage is that the invention Directional coupler then as part of the antenna side Transmission low-pass filter can be used. Thereby the already small additional is reduced Space requirement for the directional coupler according to the Half.

Der Preisvorteil des erfindungsgemäßen Richtkopplers wird insbesondere dadurch deutlich, daß Richtkoppler auf keramischen Trägermaterialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten, die auch für die bekannten Streifenleiterrichtkoppler verwendet werden, durch ihren aufwendigen Herstellungsprozeß teuer sind, zumal die bei hoher Dielektrizitätskonstanten schmalen Leiterbahnen eine hohe Stromdichte aushalten müssen. The price advantage of the directional coupler according to the invention is particularly clear from the fact that directional couplers on ceramic carrier materials with a high Dielectric constants, which are also known for Stripline directional couplers are used by their complex manufacturing process are expensive, especially since high dielectric constant narrow traces one have to endure high current density.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Richtkopplers unterscheiden sich im wesentlichen durch die Anordnung und den Aufbau der Spulen im einzelnen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, daß die Spulen auf einem Ringkern aus verlustarmem ferromagnetischen Werkstoff angeordnet sind oder daß die Spulen Luftspulen sind.Embodiments of the directional coupler according to the invention differ essentially in the arrangement and the structure of the coils in detail. For example be provided that the coils on a toroid low-loss ferromagnetic material are arranged or that the coils are air coils.

Eine besonders preiswerte Möglichkeit zum Aufbau der Spulen besteht darin, daß die Spulen von Leiterbahnen auf einer geeigneten Leiterplatte gebildet sind, wobei vorzugsweise die Spulen von Leiterbahnen in mehreren Lagen von Mehrlagenschaltungen gebildet sind.A particularly inexpensive way to build up the coils is that the coils of conductor tracks on a suitable circuit board are formed, preferably the coils of conductor tracks in several layers of Multi-layer circuits are formed.

Je nach erforderlichem Kopplungsgrad zwischen den Spulen kann vorgesehen sein, daß die Spulen nebeneinander angeordnet sind oder daß die Leiterbahnen beider Spulen in mehreren Lagen übereinanderliegend angeordnet sind.Depending on the required degree of coupling between the coils can be provided that the coils side by side are arranged or that the conductor tracks of both coils in several layers are arranged one above the other.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are in the drawing represented with several figures and in the following Description explained in more detail. It shows:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels, Fig. 1 is a circuit diagram of an embodiment,

Fig. 2 eine erste Realisierung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, bei welchem die Kopplung zwischen den Spulen mit einem Ringkern erfolgt, Fig. 2 is performed a first realization of the embodiment of Fig. 1, in which the coupling between the coils with a ring core,

Fig. 3 eine Realisierung der Spulen durch Leiterbahnen in vier Lagen, Fig. 3 shows a realization of the coil by conductive paths in four layers,

Fig. 4 eine weitere Realisierung der Spulen durch Leiterbahnen in vier Lagen und Fig. 4 shows another implementation of the coils by conductor tracks in four layers and

Fig. 5 eine Realisierung der Spulen in Form von Luftspulen. Fig. 5 is a realization of the coils in the form of air coils.

Die Anschlüsse, welche die Tore des Richtkopplers bilden, sind in den Figuren gleichlautend mit 1, 2, 3, 4 bezeichnet. In den Fig. 2 bis 5 ist die Leiterplatte selbst nicht dargestellt.The connections which form the gates of the directional coupler are identified in the figures with the same name 1, 2, 3, 4 . In Figs. 2 to 5, the printed circuit board itself is not shown.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind das Tor 1 und das Tor 2 durch eine Spule 5 miteinander verbunden, während zwischen dem Tor 3 und dem Tor 4 eine zweite Spule 6 angeordnet ist. Jedes der Tore 1 bis 4 ist über einen Kondensator 7, 8, 9, 10 mit Massepotential verbunden. Zwischen die Tore 1 und 3 und zwischen die Tore 2 und 4 ist jeweils ein weiterer Kondensator 11, 12 geschaltet.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the gate 1 and the gate 2 are connected to one another by a coil 5 , while a second coil 6 is arranged between the gate 3 and the gate 4 . Each of the gates 1 to 4 is connected to ground potential via a capacitor 7 , 8 , 9 , 10 . A further capacitor 11 , 12 is connected between gates 1 and 3 and between gates 2 and 4 .

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Spulen 5, 6 mit Hilfe eines Ringkerns 13 aus einem ferromagnetischen Werkstoff mit geringen Verlusten miteinander gekoppelt.In the embodiment shown in FIG. 2, the coils 5 , 6 are coupled to one another with a small loss using a ring core 13 made of a ferromagnetic material.

Die gemäß Fig. 3 realisierten Spulen bestehen aus jeweils vier Lagen von Leiterbahnen, welche jeweils eine Windung darstellen. Die Lagen sind aus zeichnerischen Gründen nebeneinander statt übereinander dargestellt. Jeweils eine erste Windung 5.1, 6.1 der Spule 5, 6 befindet sich in einer ersten Lage und ist über eine Durchkontaktierung 14, 15 an die zweite Windung 5.2 bzw. 6.2 angeschlossen, die wiederum über jeweils eine weitere Durchkontaktierung 16, 17 mit einer Windung 5.3 bzw. 6.3 angeschlossen ist. Eine letzte Durchkontaktierung 18 bzw. 19 leitet zur vierten Windung 5.4 bzw. 6.4 über, die sich in der vierten Lage befindet und an das Tor 2 bzw. 4 angeschlossen ist.The coils realized according to FIG. 3 each consist of four layers of conductor tracks, which each represent one turn. For reasons of drawing, the layers are shown next to each other instead of one above the other. In each case a first turn 5.1 , 6.1 of the coil 5 , 6 is in a first position and is connected via a via 14 , 15 to the second turn 5.2 or 6.2 , which in turn has a further via 16 , 17 with a turn 5.3 or 6.3 is connected. A last via 18 or 19 leads to the fourth turn 5.4 or 6.4 , which is in the fourth position and is connected to the gate 2 or 4 .

Mit der in Fig. 3 gezeigten Anordnung der Spulen wird eine verhältnismäßig schwache Kopplung zwischen den Spulen 5, 6 erreicht mit einem relativ großen Streufeld. Eine engere Kopplung liegt bei der in Fig. 4 dargestellten Realisierung der Spulen vor, da diese praktisch auf der gleichen Fläche untereinander angeordnet sind. Jede der Spulen weist zwei Windungen 5.1′, 5.4′ bzw. 6.2′ und 6.3′ auf, wobei in Anlehnung an das in Fig. 3 dargestellte Realisierungsbeispiel die Ziffern hinter dem Punkt die jeweilige Lage kennzeichnen. Die erste Windung 5.1′ der Spule 5 liegt in der ersten Lage und verbindet die Durchkontaktierung, die das Tor 1 bildet mit einer Durchkontaktierung 20, an die in der vierten Lage die zweite Windung 5.4′ der Spule 5 angeschlossen ist. Die Spule 6 wird von zwei Windungen 6.2′ und 6.3′ in der zweiten und dritten Lage gebildet, die miteinander über eine Durchkontaktierung 21 verbunden sind.With the arrangement of the coils shown in FIG. 3, a relatively weak coupling between the coils 5 , 6 is achieved with a relatively large stray field. There is a closer coupling in the realization of the coils shown in FIG. 4, since these are arranged practically on the same surface with one another. Each of the coils has two turns 5.1 ', 5.4 ' or 6.2 'and 6.3 ', with reference to the implementation example shown in Fig. 3, the numbers behind the point indicate the respective location. The first turn 5.1 'of the coil 5 is in the first position and connects the via, which forms the gate 1 with a via 20 , to which the second turn 5.4 ' of the coil 5 is connected in the fourth position. The coil 6 is formed by two turns 6.2 'and 6.3 ' in the second and third position, which are connected to one another via a via 21 .

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die Spulen 5′, 6′ als Luftspulen ausgeführt, die auf einer Leiterplatte, welche die Kondensatoren und Anschlüsse und Verbindungsleitungen trägt, aufgelegt sind.In the embodiment of FIG. 5, the coil 5 ', 6' designed as air-core coils, which are placed on a printed circuit board which carries the capacitors and terminals and connecting lines.

Claims

1. directional coupler for high-frequency signals, characterized in that coils ( 5 , 6 ) and capacitors ( 7 to 12 ) are provided for coupling.

2. Directional coupler according to claim 1 with four gates, characterized in that a first ( 1 ) with a second gate ( 2 ) and a third ( 3 ) with a fourth gate ( 4 ) are each connected via a coil ( 5 ; 6 ) , wherein the coils ( 5 , 6 ) are magnetically coupled to one another.

3. Directional coupler according to claim 2, characterized in that the gates ( 1 to 4 ) are each connected to ground via a capacitor ( 7 to 10 ) and that between the first ( 1 ) and the third gate ( 3 ) and the second ( 2 ) and the fourth gate ( 4 ) each have a further capacitor ( 11 ; 12 ) connected.

4. Directional coupler according to one of the preceding claims, characterized in that the coils ( 5 , 6 ) are arranged on a toroidal core ( 13 ) made of low-loss ferromagnetic material.

5. Directional coupler according to one of claims 1 to 3, characterized in that the coils are air coils ( 5 ', 6 ').

6. directional coupler according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the coils of conductor tracks on a suitable circuit board are formed.

7. directional coupler according to claim 6, characterized in that that the coils of conductor tracks in several layers of Multi-layer circuits are formed.

8. directional coupler according to claim 7, characterized in that the coils ( 5.1 , 5.2 , 5.3 , 5.4 ; 6.1 , 6.2 , 6.3 , 6.4 ) are arranged side by side.

9. directional coupler according to claim 7, characterized in that the conductor tracks of the two coils ( 5.1 ', 5.4 '; 6.2 ', 6.3 ') are arranged one above the other in several layers.

10. Directional coupler according to one of claims 1 to 3, characterized in that the coupling of the coils ( 5 , 6 ) is increased by a ferromagnetic material.