DE3037930A1

DE3037930A1 - Reziproker leistungsteiler

Info

Publication number: DE3037930A1
Application number: DE19803037930
Authority: DE
Inventors: Jeffery Thomas Canoga Park Calif. Nemit; Bobby Joe Pacoima Calif. Sanders
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1980-10-08
Publication date: 1981-04-23
Also published as: IT8025344A0; IT1194702B; US4254386A; FR2467488B3; FR2467488A1

Description

J.T. Nemit 15-3

Reziproker Leistungsteiler

Die Erfindung geht aus von einem reziproken Leistungsteiler wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Ein reziproker Leistungsteiler ermöglicht nicht nur, die einem Eingang zugeführte Leistung auf mehrere Ausgänge aufzuteilen, sondern er kann auch die Leistung, die jedem der Ausgänge zugeführt wird, zusammenfassen und über den Eingang abgeben. Die Funktionen von Ein- und Ausgängen sind in diesem Fall vertauscht. Reziproke Leistungsteiler werden in Sende- und in Empfangssystemen verwendet.

Es sind verschiedene Arten von reziproken Leistungsteilern bekannt; z.B. Hybrid-Ringkoppler, Reihen-Anordnung, Koppler mit Leitungsverzwexgung, T-Anordnung, Wilkinson-Schaltung. Bei der Reihen- und der T-Anordnung sind keine Isolationswiderstände vorgesehen. Es sind deshalb keine Maßnahmen vorgesehen, mit denen erreicht wird, daß, wenn der Leistungsteiler dazu verwendet wird, die von mehreren Leistungsquellen erzeugte Leistung zusammenzufassen und hierbei eine Leistungsquelle ausfällt, die Impedanzanpassung erhalten bleibt. Es ist jedoch wichtig, daß, wenn eine der Leistungsquellen ausfällt, der Gesamtbetrieb aufrechterhalten werden kann. Von besonderer Bedeutung ist dies, wenn für das Gerät keine oder nur eine geringe Wartung erforderlich sein soll. Halbleiter-Mikrowellen-Leistungsgeneratoren haben zwar eine lange Lebensdauer, sie sind jedoch nur für relativ geringe Leistungen verfügbar.

1 3001 7/07U

J.T. Nemit 15-3

Deshalb müssen zum Erreichen der gewünschten Ausgangsleistung mehrere solcher Generatoren zusammengefaßt werden. Für solche Anwendungen scheiden die reziproken Leistungsteiler in Reihen- und T-Anordnung aus,da sie beim Ausfall eines Zweigs nicht mehr funktionsfähig sind.

Leistungsteiler mit Leitungsverzweigungen und Hybrid-Ringkoppler weisen geeignete Isolationswiderstände auf und können beim Ausfall einer Leistungsquelle weiterbetrieben werden. Die ausgefallene Leistungsquelle kann isoliert werden. Es ist jedoch mit keinem dieser Leistungsteiler möglich, die Eingangsleistung auf drei Ausgänge aufzuteilen oder die Leistung, die drei Eingängen zugeführt wird, zu einem Ausgang zusammenzufassen .

Die Wilkinson-Schaltung ermöglicht dies. Die Isolationswiderstände sind jedoch intern im Leistungsteiler enthalten. Dies hat zur Folge, daß, wenn der Leistungsteiler in Streifenleitungstechnik ausgeführt wird, und wegen einer großen HF-Leistung große Widerstände notwendig sind, parasitäre Kapazitäten eingefügt werden und der Verlust groß wird .

Bei dem neuen reziproken Leistungsteiler wird von einem Hybrid-Ringkoppler ausgegangen. Es sind verteilt angeordnete Abstimmelemente mit jeweils einer Länge von einer Viertel Betriebswellenlänge vorgesehen. Dies ermöglicht zwischen den Signalwegen eine geeignete Phaseneinstellung. Im Gegensatz zu dem bekannten Hybrid-Ringkoppler sind extra Leitungen vorgesehen, so daß drei Ausgangsanschlüsse und ein gemeinsamer Eingangsanschluß vorge- sehen istj Zusätzlich zu zwei Isolationsanschlüssen.

130017/0714

~⁵~ 303793Q

J.T. Nemit 15-3

Der Leistungsteiler ist reziprok, das heißt ein Signal, das dem Eingang zugeführt wird, wird in drei Signale aufgeteilt oder die Signale, die den drei Eingängen zugeführt werden, werden von einem gemeinsamen Ausgang abgegeben. Die Leitungen zwischen den einzelnen Anschlüssen sind so bemessen, daß die Signale am Ausgang der Anschlüsse gleichphasig sind und sich an den Isolationsanschlüssen auslöschen. Dementsprechend erscheint die aufgeteilte Leistung gleichphasig und mit gleicher Amplitude.

Wenn der reziproke Leistungsteiler dazu verwendet wird, Leistung zusammenzufassen, dann wird angenommen, daß den drei Eingängen Signale mit gleicher Phase und gleicher Amplitude zugeführt werden. Diese Signale werden am gemeinsamen Anschluß, der in diesem Fall der Signalausgang ist, gleichphasig addiert und sie löschen sich an den Isolationsanschlüssen gegei atig aus.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a ein bekannter Hybrid-Ringkoppler,

einen bekannten Koppler mit Leitungsverzweigung,

einen Leistungsteiler in Reihenanordnung, einen bekannten Koppler in T-Anordnung, Fig. 1e die bekannte Wilkinson-Schaltung,

eine schematische Darstellung des neuen reziproken Leistungsteilers, eine Darstellung des neuen Leistungsteilers, realisiert in Streifenleitungstechnik, Fig. 4a ein Smith-Diagramm des VSWR am gemeinsamen Anschluß des neuen reziproken Leistungsteilers nach Fig. 3,

130017/0714 BAD ORIGINAL

Fig.	1a
Fig.	1b
Fig.	1c
Fig.	1d
Fig.	1e
Fig.	2
Fig.	3
Fig.	4a

J.T. Nemit 15-3

Fig. 4b, Smith-Diagramme für die VSWR an den Anschlüs-

4c, sen 1,2 und 3 des neuen reziproken Leistungs-

4d teilers nach Fig. 3, und

Fig. 5 ein Diagramm mit verschiedenen Meßwerten.

Wie bereits angegeben sind in den Figuren 1a bis 1e bekannte reziproke Leistungsteiler dargestellt. Es wurden bereits einige Nachteile und Begrenzungen dieser Leistungsteiler erwähnt. Weitere Informationen sind in der bekannten Literatur enthalten. Dem Fachmann sind diese Leistungsteiler bekannt und sie werden deshalb nicht näher erläutert.

Nachfolgend wird anhand der Fig.2 der neue Leistungsteiler näher erläutert. Er kann genau entsprechend der Darstellung in der Fig. 2 realisiert werden. Es ist jedoch vorteilhafter, ihn in der Technik der gedruckten Schaltung gemäß Fig. 3 zu realisieren. Der Leistungsteiler weist einen Eingang und drei Ausgänge auf.

Bei der nachfolgenden Beschreibung wird angenommen, daß der reziproke Leistungsteiler als Leistungsteiler verwendet wird. Es wird jedoch nochmals darauf hingewiesen, daß der reziproke Leistungsteiler auch dazu verwendet werden kann, die den drei Ausgängen zugeführte Leistung zusammenzufassen und sie vom gemeinsamen Eingang abzugeben. Ein Eingangsanschluß (11) ist der Leistungseingang und dieser ist direkt verbunden mit einem Eingang (11a). (11) wird auch als gemeinsamer Anschluß bezeichnet. Die drei Ausgänge sind mit 12a, 13a und 14a bezeichnet. Die ihnen zugeordneten Ausgangsanschlüsse sind mit 12, 13 und 14 gekenn ze ichne t.

13001 7/0714

J.T. Nemit 15-3

Die "Anschlüsse* und''Ausgänge bzw. Eingänge' unterscheiden sich darin, daß sie sich an verschiedenen Stellen auf der gedruckten Schaltung befinden. Um den Rand des Substrats zu erreichen, sind unterschiedlich lange gedruckte Leiter notwendig. Bei der Anordnung nach der Fig. 3 war es erwünscht, daß sich alle Ausgangsanschlüsse auf derselben Seite des Substrats befinden. Bei der nachfolgenden Beschreibung wird stets auf diese Terminologie zurückgegriffen.

Nachfolgend wird wieder auf die Fig. 2 Bezug genommen. Der gesamte reziproke Leistungsteiler ist mit 10 gekennzeichnet. Der reziproke Leistungsteiler kann auf verschiedene Arten realisiert werden, zum Beispiel Streifenleitungstechnik, Mikrostrexfenleitungstechnik, Koaxialleitungen, oder sogar Hohlleiter (diese sind jedoch schwierig zu handhaben).

Der bereits erwähnte Eingang oder gemeinsame Anschluß bei 11 ist direkt über eine geeignete Impedanzanpassung mit dem Eingang 11a verbunden. Von 11a aus führen drei getrennte Leitungen, die jeweils eine Viertel Betriebswellenlänge lang sind, weg. Die Verbindungsleitungen zwischen dem Eingang 11a und den Ausgängen 12a, 13a und 14a sind mit 19, 24 und 29 bezeichnet. Den jeweiligen Ausgängen sind Ausgangsanschlüsse 12, 13 und 14 zugeordnet. All diese Leitungen sind eine Viertel Betriebswellenlänge lang.

Eine weitere Leitung mit einer Länge von drei Viertel Betriebswellenlängen, die sich aus drei Leitungsstücken, die jeweils eine Viertel Betriebswellenlänge lang sind, zusammensetzt, verbindet den Ausgang 12a mit einem Ausgang 15a, dem der Anschluß 15 von einem Isolationswi-

130017/0714

J.T. Nemit 15-3

stand zugeordnet ist. Die einzelnen Leitungsabschnitte sind mit 20, 21 und 22 bezeichnet. Es ist eine weitere Leitung mit der Länge von drei Viertel Betriebswellenlängen vorgesehen. Diese setzt sich ebenfalls aus drei Abschnitten 25, 26 und 27, die jeweils eine Viertel Betriebswellenlänge lang sind, zusammen. Sie verbindet den Ausgang 13a mit dem Ausgang 16a, dem der Anschluß 16 für einen zweiten Isolationsanschluß zugeordnet ist. Zwei weitere Leitungsabschnitte 23 und 28, die ebenfalls eine Viertel Wellenlänge lang sind, verbinden den Ausgang 14a mit den Ausgängen 15a und 16a. Externe Isolationswiderstände 17 und 18 sind an die Isolationsanschlüsse 15 und 16 angeschlossen. Die erwähnten kapazitiven Eigenschaften der Widerstände, die eine relativ große Leistung verarbeiten müssen, haben bei der Schaltung nach Fig. 2 im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen keine Auswirkung.

In der Fig. 3 ist mit 10a eine praktische Realisierung der Schaltung nach Fig. 2 in Mikrostreifenleitungstechnik angegeben. Die Mikrostreifen sind gedruckte Leiter auf einem Substrat 45. Zum besseren Verständnis sind die Ausgänge und Eingänge 11a, T2a, 13a, 14a, 15a und 16a aus Fig. 2 auch in der Fig. 3 angegeben. Die Leitungsabschnitte mit jeweils einer Länge von einer Viertel Betriebswellenlänge 33, 34, 35 und 36 in der Fig.3 entsprechen den Leitungen 19, 23, 24 und 28 aus der Fig. 2. Mit 30 ist in der Fig. 3 die Leitung mit der Länge von drei Viertel Betriebswellenlängen (20, 21 und 22 aus Fig. 2) gekennzeichnet» 31 in Fig. 3 entspricht den anderen in Serie geschalteten Abschnitten 25, 26 und 27 aus Fig. 2.

1300 17/0714

J.T. Nemit 15-3

Die Anordnung der gedruckten Leiter, die in der Fig. die Übertragungsleitungen sind, ist in der Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des länglichen Substrats 45 etwas komprimiert, um einen günstigen Raumbedarf zu ermöglichen. Die Abschnitte 30 und 31, die die Leiterstücke mit einer Länge von drei Viertel Wellenlängen sind, sind zwischen den Aus- bzw. Eingängen gleich lang wie die entsprechenden Übertragungsleitungsabschnitte aus Fig. 2. Ebenfalls aus Raumgründen ist der Leitungsabschnitt 29a, dessen Länge gleich einer Viertel Wellenlänge ist und der dem Leitungsabschnitt 29 in Fig. 2 entspricht,- bei der Anordnung nach Fig. gefaltet.

Um bei der Anordnung nach Fig. 3 die richtigen Eingangs- und Ausgangsimpedanzen zu erhalten, ist die Eingangsimpedanz am Anschluß 11 50 Ohm und dementsprechend hat die Leitung 46 einen 50 Ohm-Abschnitt, der stetig oder schrittweise auf 62,5 Ohm bei 47 anwächst, um ihn an die Impedanz des Eingangs 11a anzupassen. Der gefaltete Leitungsabschnitt 29a, dessen Länge gleich einer Viertel Wellenlänge ist, hat eine Impedanz von 0hm. Die Leitungsabschnitte 33, 34, 35 und 36, die ebenfalls eine Viertel Wellenlänge lang sind, haben eine Impedanz von 70,7 Ohm. Es ist dem Fachmann be-5 kannt, daß, wenn man von der Impedanz einer Leitung, die in Mikrostreifenleitertechnxk ausgeführt ist und eine gedruckte Schaltung ist, durch die Breite des Leiters bestimmt ist. In der Fig. 3 sind die dickeren Linien Leiter mit einer niedrigeren Impedanz und die dünneren Linien sind Leiter mit einer größeren Impedanz .

13001 7/071

J.T. Nemit 15-3

Daraus ergibt sich, daß die Impedanzen bei 11a, 12a, 13a, 14a, 15a und 16a im wesentlichen alle gleich 50 Ohm sind in Übereinstimmung mit den ursprünglichen Annahmen, und daß die Ausgangsleitung 41, 42 und 43 gleich lange 50 Ohm-Abschnitte sind, so daß zwischen die Ausgangsanschlüsse 12, 13 und 14 keine Phasenungleichheiten erzeugt werden.

Es sind Kompensationsstücke 37, 38, 39, 40 und 44 dargestellt. Diese Leitungsstücke sind abhängig von der Genauigkeit, mit der die Einrichtung gebaut ist, notwendig oder nicht notwendig. Die wesentliche Funktion dieser Leitungsstücke ist es, kleine Fehler bei den Längen der Leiter zu kompensieren.

Wie bei der Mikrostreifenleitungstechnik allgemein üblich, befindet sich auf der Rückseite des isolierenden Substrats 45 eine leitende Platte. Typische Materialien für das isolierende Substrat sind Tonerde und glasfaserverstärktes Polytetrafluorathylen. Solche Substratmaterialien haben einen geringen tangentialen Verlust und können so hergestellt werden, daß sie eine einheitliche dielektrische Konstante haben. Die gedruckten Leiter bei der Anordnung nach Fig. o3 können Kupferleitungen sein. Ist das isolierende Material aus Tonerde, dann verwendet man für die Leiter vorzugsweise Gold.

Die Längenangaben von einer Viertel Wellenlänge und von drei Viertel Wellenlängen in der vorangehenden Beschreibung beziehen sich auf Längen in dem Medium und nicht in freiem Raum.

1 3 0 0 1 7 /.0 7 U

J.T. Nemit 15-3

Der in Fig. 3 dargestellte neue reziproke Leistungsteiler kann im Frequenzbereich 1,2 bis 1,4 GHz mit einer Leistung von ungefähr 1 Kilowatt betrieben werden. Die Ausführungen in Mikrostreifenleitungstechnik können bis zu Leistungen von 25 Kilowatt verwendet werden, vorausgesetzt, es besteht eine geeignete Verbindung zwischen den Streifenleitern und den Anschlüssen. Die relativ großen Widerstände 17 und 18 können auf bekannte Weise ausgewählt werden. Sie können so ausgewählt werden, daß sie auch für höhere Leistungen als notwendig geeignet sind, wodurch die Gesamtzuverlässigkeit vergrößert wird und die Fehlerhäufigkeit verringert wird.

Bei der komprimierten Streifenleiteranordnung nach Fig. 3 ist es nicht notwendig, daß die Abmessung 32 eine Viertel Wellenlänge lang ist- Die Gesamtlänge von 30 und 31 muß jedoch gleich drei Viertel Wellenlängen sein.

Wie bereits erwähnt, können bei der Realisierung des neuen reziproken Leistungsteilers auch andere Leitungstechniken angewandt werden. Wenn jedoch die Spitzenleistungen nicht größer als ungefähr 25 Kilowatt sind, ist die Mikrostreifenleitungstechnik die bevorzugte

Realisierung. Auch die Streifenleitungstechnik, bei der die Leiter sandwichartig zwischen zwei parallelen Masseplatten angeordnet sind, ist sehr vorteilhaft.

In den Smith-Diagrammen der Fig. 4a, 4b, 4c und 4d sind typische gemessene VSWR-Werte für drei Frequenzen (1,2; 1,3 und 1,4 GHz) dargestellt und zwar für den Eingangsanschluß 13 und die Ausgangsanschlüsse 12, 13 und 14.

130017/07U

J.T. Nemit 15-3

Diese Werte gelten für eine Anordnung nach der Fig.

In der Fig. 5 sind Koppelwerte für die drei Ausgangsanschlüsse im Bezug auf den Eingangsanschluß dargestellt. Auch die Verkoppelung zwischen den Ausgangsanschlüssen ist dargestellt. Weiterhin ist die Verkoppelung der Isolationsanschlüsse mit dem Eingangsanschluß dargestellt.

Hinsichtlich auf die Verkoppelung der Ausgangsanschlüsse wird das theoretische Optimum (Verlust Null) bestimmt durch die Beziehung 10 Log 1/N, wobei N gleich drei ist, entsprechend der vorhandenen Aufteilung auf drei Ausgänge. Dieser theoretische Wert ist 4,77 db. Wegen der unvermeidlichen Verluste bei einer tatsächlichen Ausführung des Leistungsteilers fallen die tatsächlichen Verkopplungswerte, die in Fig. 5 dargestellt sind, unter 5 db.

130017/07U

Claims

Patentanwalt

Dipl.-Phys. Leo Thul ^ η ο η q ο Π

Kurze Str. 8 J U Q / 3-3 U

Stuttgart 30

J.T. Nemit-B.J. Sanders 15-3

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Patentansprüche

/1. Reziproker Leistungsteiler mit einem Eingang, drei Ausgängen zur Leistungsaufteilung und zwei Ausgängen für Isolationseinrichtungen, denen jeweils entsprechende Ausschlüsse zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Eingang (11a) und die Ausgänge (12a, 13a, 14a) zur Leistungsaufteilung jeweils erste Leitungen (19, 24, 29) geschaltet sind, deren Längen jeweils gleich einem Viertel der Betriebswellenlänge sind, daß zwischen den ersten (12a) bzw. den zweiten (13a) Ausgang zur Leistungsaufteilung und den ersten (15a) bzw. den zweiten (16a) Ausgang für eine Isolationseinrichtung jeweils zweite Leitungen (20,21,22; 25,26,27) geschaltet sind, deren Längen jeweils gleich drei Vierteln der Betriebswellenlänge sind, daß zwischen den dritten Ausgang (14a) zur Leistungsaufteilung und die Ausgänge (15a, 16a) für die Isolationseinrichtungen jeweils dritte Leitungen (23, 28) geschaltet sind, deren Längen, jeweils gleich einem Viertel der Betriebswellenlänge sind, und daß an die Anschlüsse (15, 16) für die Isolationseinrichtungen jeweils Widerstände (17, 18) angeschlossen sind.
2. Reziproker Leistungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Leitungen (20,21,22;25,26, 27) jeweils aus drei Leitungsstücken, deren Längen gleich einem Viertel der Betriebswellenlängen sind, zusammenge-

Sm/Gn
6.10.80

1 30017/071

J.T. Nemit 15-3

setzt sind, und daß diese Leitungsstücke nicht in einer Linie angeordnet sind.
3. Reziproker Leistungsteiler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er in der Technik der gedruckten Schaltungen ausgeführt ist.
4. Reziproker Leistungsteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsstücke (20,21,22; 25,26,27) der zweiten Leitungen U-förmig angeordnet sind.
5. Reziproker Leistungsteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in der Technik der gedruckten Schaltungen ausgeführt ist, daß die Leitungen (19, 24) zwischen dem Eingang (11a) und dem ersten (12a) und dem zweiten (13a) Ausgang bzw. (23, 28) zwischem dem dritten (14a) Ausgang und den Ausgängen (15a, 16a) für Isolationseinrichtungen eine erste bzw. zweite lineare Leiteranordnung bilden, daß die beiden Leiteranordnungen zueinander parallel sind, daß ihr Abstand kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge ist, daß die Leitungen, deren Längen gleich drei Viertel der Betriebswellenlängen sind, U-förmig angeordnet sind, wobei die beiden Schenkel eines U länger als ein Viertel der Betriebswellenlänge sind,und daß der Abstand der Schenkel voneinander ungefähr gleich dem Abstand der Leiteranordnungen ist.
6. Reziproker Leistungsteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteranordnungen teilweise räumlich gefaltet angeordnet sind.
7. Reziproker Leistungsteiler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge über elektrisch gleich lange Leitungen mit den entsprechenden Anschlüssen verbunden sind.

130017/07U