DE60301628T2

DE60301628T2 - Richtkoppler mit einem Einstellmittel

Info

Publication number: DE60301628T2
Application number: DE60301628T
Authority: DE
Inventors: Dieter Pelz
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: CN1581571A; AU2004203279A1; US20050040912A1; EP1503447B1; CN100389522C; EP1503447A1; AU2004203279B2; US7015771B2; ATE304739T1; DE60301628D1

Description

Sachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektronik und insbesondere auf einen Richtkoppler unter Verwendung von Hochfrequenzsignal-Übertragungsleitungen, die im transversal-elektromagnetischen Modus (TEM) arbeiten.
Hintergrund der Erfindung
Ein Richtkoppler ist in seiner Grundform ein lineares, passives Viertor mit zwei parallelen gekoppelten Übertragungsleitungen. Eine erste Übertragungsleitung verläuft zwischen einem Eingangstor und einem Durchgangstor, und eine zweite Übertragungsleitung verläuft zwischen einem gekoppelten Tor und einem isolierten Tor. Ein an das Eingangstor angelegtes Signal breitet sich auf der ersten Übertragungsleitung aus und induziert ein gekoppeltes Signal in die zweite Übertragungsleitung. In sogenannten Rückwärtskopplern breitet sich das gekoppelte Signal bezüglich der Übertragungsleitung, an die das Eingangssignal angelegt wird, in Rückwärtsrichtung aus.
Ein elementarer TEM-Richtkoppler wird im Lehrbuch "Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures" von Matthaei et al., McGraw-Hill, Kapitel 13, beschrieben. Ein Richtkoppler mit breitseitengekoppelten Streifenleitungen wird im Artikel "Characteristic Impedance of Broadside-Coupled Strip Transmission Lines" von S. Cohn, IRE MTT, November 1960, beschrieben. Ein Richtkoppler mit versetzten breitseitengekoppelten Leitungen wird im Artikel "Impedances of Offset Parallel-Coupled Strip Transmission Lines" von J.P. Shelton, Jr., IEEE MTT, Band MTT-14, Nr. 1, Januar 1966, beschrieben. Ein anderer Richtkoppler ist beispielsweise aus US 5,570,069 bekannt.
Das vorgeschriebene räumliche Verhältnis der gekoppelten Leitungen in einem Richtkoppler mit breitseitengekoppelten Streifenleitungen muß präzise sein, damit das gewünschte elektrische Verhalten erzielt wird. In solchen stark gekoppelten Leitungen ist der Spalt zwischen den Leitungen, verglichen mit der Breite der gekoppelten Leitungen, häufig sehr klein, so daß Schwankungen auf ein tolerierbares Minimum begrenzt werden müssen. Zugleich beeinflussen alle metallischen oder nichtmetallischen Einstellmittel für die gekoppelten Leitungen die elektromagnetischen Felder um die Leitungen herum und werden dadurch selbst zu einer Quelle für Leistungsverschlechterungen.
In US 3,105,207 wird ein einstellbarer Koppler zwischen sich teilweise kreuzenden Koaxialleitungen beschrieben, dessen Kopplung durch Bewegen des zentralen Leiters verändert werden kann. In einer gezeigten Ausführungsform werden die Innenleiter drehbar von keilförmigen dielektrischen Hülsen gehalten, die sich in Bohrungen des Gehäuses befinden.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen Richtkoppler mit verbesserten Eigenschaften und höherer Produktionsausbeute vorzuschlagen.
Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung
Diese und andere im folgenden dargelegte Ziele werden mit einem Richtkoppler erreicht, bei welchem nichtmetallische Abstandshalter verwendet werden, die durch Schlitze hindurch mit den Kanten eines Paares von breitseitengekoppelten Leitungen verbunden sind. Die Abstandshalter sind in ihrer Position relativ zum Richtkopplergehäuse einstellbar und ermöglichen dadurch eine kontinuierliche Feineinstellung des Spaltes zwischen den Leitungen und somit der Kopplung zwischen ihnen. Das geforderte räumliche Verhältnis zwischen den gekoppelten Leitungen kann somit ohne extrem enge Fertigungstoleranzen erreicht werden.
Vorteile: Da sich Fertigungstoleranzen ausgleichen lassen, ist mit der durch die Erfindung möglichen Einstellbarkeit eine Fertigungsausbeute von nahezu 100% erzielbar.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen
1 eine schematische Schnittzeichnung herkömmlicher breitseitengekoppelter Streifenleitungen,
2 eine schematische Schnittzeichnung breitseitengekoppelter Streifenleitungen mit einstellbaren Abstandshaltern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
3 eine dreidimensionale Ansicht von breitseitengekoppelten Streifenleitungen mit einstellbaren Abstandshaltern gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt einen herkömmlichen Richtkoppler mit breitseitengekoppelten Streifenleitungen S1 und S2, die in einem gemeinsamen Gehäuse H untergebracht sind. Die Streifenleitungen verlaufen parallel, wobei benachbarte Übertragungsleitungen im transversal-elektromagnetischen Modus (TEM) vier elektrische Tore an ihren jeweiligen Enden definieren, wo sie vom parallelen Verlauf der Streifenleitungen abweichen und wo jede Streifenleitung außerdem mechanisch unterstützt wird – indem sie üblicherweise an einem (in 1 nicht dargestellten) Koaxial-Steckverbinder angelötet ist. Das Eingangstor P1 empfängt von einer (hier nicht dargestellten) externen Quelle ein Eingangssignal, das sich entlang der Übertragungsleitung S1 zum Durchgangstor P2 ausbreitet. Das gekoppelte Tor P3 emittiert ein gekoppeltes Signal, das in umgekehrter Richtung entlang der Übertragungsleitung S2 induziert wird. Das vom Durchgangstor P2 emittierte Signal hat (unter der Annahme einer idealen, verlustfreien Struktur des Kopplers) einen Leistungswert, der gleich dem Leistungswert des am Eingangstor P1 empfangenen Signals minus dem Leistungswert des am gekoppelten Tor P3 emittierten Signals ist. Das isolierte Tor P4 am entgegengesetzten Ende der Übertragungsleitung S2 vom gekoppelten Tor P3 emittiert kein Signal. Reflektierte Energie aufgrund einer Fehlanpassung der Impedanz an beiden Ausgangstoren erscheint am isolierten Tor P4. Das isolierte Tor P4 ist normalerweise mit dem Wellenwiderstand des Kopplers von typisch 50 Ohm abgeschlossen.
Eine solche Koppleranordnung eignet sich zur Richtkopplung, zum Zusammenführen von Signalen oder zur Leistungsteilung.
In solchen breitseitengekoppelten Streifenleitungen, die beispielsweise für eine starke Kopplung zwischen Leitungen verwendet werden, ist der Spalt zwischen den Leitungen typischerweise klein im Vergleich zur Leitungsbreite.
Bei passiven Mikrowellenstrukturen, in denen gekoppelte Leitungen in einem Luftvolumen verwendet werden ist es erforderlich, daß die Leitungen ein vorgeschriebenes räumliches Verhältnis aufweisen; so muß beispielsweise ein Richtkoppler mit versetzten breitseitengekoppelten Streifenleitungen präzise hergestellt sein, damit das gewünschte elektrische Verhalten erzielt wird. In stark gekoppelten Streifenleitungen ist der Spalt zwischen den Streifenleitungen gewöhnlich sehr klein im Vergleich zur Breite der Streifenleitungen, und Schwankungen sind nicht tolerierbar. Gleichzeitig verursachen alle metallischen oder nichtmetallischen Einstellmittel nachteilige Wechselwirkungen mit den elektromagnetischen Feldern, die um die Streifenleitungen herum verlaufen, so daß sie selbst zu einer Quelle von Leistungsbeeinträchtigungen werden.
Nichtmetallische Abstandshalter sorgen bekanntlich für präzise Spalte zwischen gekoppelten Leitungen, stellen allerdings auch immer eine lokale elektrische Diskontinuität und somit einen Fehler in den Gleichtaktimpedanzen (Z_0even) und Gegentaktimpedanzen (Z_0odd) der Leitungen dar. Andererseits bestimmen diese Impedanzen den Kopplungsfaktor k zwischen den Leitungen, da folgender Zusammenhang gilt:
Die vorgeschlagene Lösung basiert auf einer nichtinvasiven externen Feinabstimmungs-Abgleichanordnung für die Streifenleitungen.
2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Richtkopplers. Sie besitzt erste und zweite Übertragungsleitungen S1, S2, die im wesentlichen parallel innerhalb eines Gehäuses 1, 2 des Kopplers angeordnet sind. Jede der beiden Übertragungsleitungen S1, S2 ist fest mit einem zugehörigen Abstandshalter 3 verbunden, der durch eine zugehörige Bohrung im Gehäuse gehalten wird. Einstellschrauben 5 gestatten eine Einstellung der vertikalen Position jeder Leitung innerhalb des Gehäuses und damit die Einstellung des Spaltes s zwischen den beiden Leitungen. Die Abstandshalter sind durch Schlitze an den Kanten der Streifenleitungen befestigt. Es sind jedoch auch andere Befestigungsmittel möglich.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der inneren Details eines erfindungsgemäßen Richtkopplers mit versetzten breitseitengekoppelten Streifenleitungen S1, S2, die in einem gemeinsamen Gehäuse 2 untergebracht sind. Wie in der vorgenannten Ausführungsform ist jede der beiden Übertragungsleitungen S1, S2 fest mit einem zugehörigen Abstandshalter 3 verbunden, der in einer zugehörigen Bohrung im Gehäuse 1 gehalten wird. Einstellschrauben 5 gestatten eine Einstellung der vertikalen Position jeder Leitung innerhalb des Gehäuses 1 und damit die Einstellung des Spaltes s zwischen den beiden Leitungen. Nicht in den Abbildungen dargestellt sind die Torbereiche, in welchen eine Abweichung von der Kopplung zur Übertragung stattfindet, da diese Bereiche nicht Gegenstand der Erfindung sind. Die Übertragungsbereiche können überdies weitere mechanische Unterstützungselemente für die Streifenleitungen beinhalten.
Um eine einfache Fertigung zu ermöglichen, ist gewöhnlich ein paralleler Verlauf erforderlich, weshalb insbesondere in Breitbandkopplern mit veränderlicher Kopplung entlang den Leitungen die Kopplung durch das Überlappungsmaß zwischen den Leitungen eingestellt wird (siehe 3), während der Spalt s zwischen den Leitungen konstant ist. Das kritischste Maß in der beschriebenen Anordnung mit gekoppelten Leitungen ist der Spalt s zwischen den beiden Streifenleitungen. Schon eine kleine Änderung des Spaltmaßes macht sich direkt in Form einer starken Änderung der Gegentaktimpedanz der Leitungen und damit einer Änderung des Kopplungsfaktors k bemerkbar. Eine Änderung der Position der Leitungen relativ zu den oberen und unteren Masseflächen, die hier als Bestandteil des Gehäuses 1 dargestellt sind, wirkt sich hauptsächlich auf die Gleichtaktimpedanz und damit auch auf die Kopplung aus, wobei jedoch der Effekt auf das Tor-Stehwellenverhältnis (VSWR) der Streifenleitung stärker ist. Gleichzeitig führen Fertigungstoleranzen immer zu einem bestimmten Maß an Verzerrungen der räumlichen Nennverhältnisse. Daher berücksichtigt die Erfindung die Notwendigkeit eines Einstellmittels für die vertikale Positionierung der Streifenleitung. Dies ist besonders in Kopplern wichtig, in denen ein bestimmter Kopplungswert über einen vorgegebenen Frequenzbereich hinweg genau eingehalten werden soll.
Eine solche vertikale Streifenleitungseinstellung wird durch die Erfindung zur Verfügung gestellt. Nichtmetallische Abstandshalter 3, die über einen horizontalen Schlitz fest an den Streifenleitungen S1, S2 befestigt sind, werden in oberen und unteren Bohrungen im Kopplergehäuse 1 gehalten. Die Bohrungen verfügen über ein Teil- oder Vollgewinde, und die vertikale Einstellung der Streifenleitungen wird durch Einstellen der Vertikalposition der Abstandshalter mit extern zugänglichen Einstellschrauben 5 ohne Eingriff in die Struktur bewerkstelligt. Durch Einstellen beider Abstandshalter können sowohl das Maß des kritischen Spaltes s zwischen den Streifenleitungen als auch die vertikale Position beider Streifenleitungen exakt eingestellt werden, während das elektrische Verhalten der Komponente gemessen wird, so daß das Verhalten der Komponente schnell und einfach optimiert werden kann. Die gewählte Anordnung der Abstandshalter minimiert die lokale elektrische Diskontinuität und verursacht somit nur eine minimale Störung der Kopplung und der Impedanz. Im Gegensatz zu großen Diskontinuitäten, die bei Anwendung von Verfahren mit Standard-Abstandshaltern auftreten würden, kann die geringe Diskontinuität, die durch diese Anordnung verursacht wird, mit bekannten Techniken zur Minimierung des Einflusses auf die Kopplung kompensiert werden, und zwar durch kleine Ausschnitte in der Streifenleitung neben dem Abstandshalter.
Die Abstandshalter 5 lassen sich beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff oder Kunststoff wie etwa Polyamid herstellen. Die Erfindung ist auf alle Komponenten anwendbar, bei denen gekoppelte Übertragungsleitungen in einem Luftvolumen verwendet werden. Die Erfindung kann sowohl auf versetzte breitseitengekoppelten Leitungen als auch auf nicht versetzte Streifenleitungen angewandt werden.
An den vorgenannten Ausführungsformen sind verschiedene Modifikationen und Veränderungen möglich. So ist bei den vorgenannten Ausführungsformen beispielsweise die Einstellbarkeit der Abstandshalter derzeit nur auf der vertikalen Achse gegeben. Alternativ dazu wäre es aber auch möglich, die Abstandshalter in einem Winkel verstellbar zu machen.

Claims

Richtkoppler, beinhaltend ein Paar von Streifenleitungen (S1, S2), die in einem Gehäuse (1) mit einem Spalt (s) zwischen den beiden Streifenleitungen (S1, S2) untergebracht sind, wobei mindestens eine der besagten Streifenleitungen (S1, S2) fest mit einem nichtmetallischen Abstandshalter (3) verbunden ist, der einstellbar in einer zugehörigen Bohrung in besagtem Gehäuse (1) gehalten wird, wobei besagte Streifenleitungen (S1, S2) im wesentlichen parallel verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Abstandshalter (3) gegenüber besagtem Gehäuse (1) entlang einer rechtwinklig zu besagten Streifenleitungen (S1, S2) verlaufenden Achse beweglich ist.
Richtkoppler gemäß Anspruch (1), ferner beinhaltend mindestens eine Einstellschraube (5), welche so angeordnet ist, daß sie eine Einstellung des zugehörigen Abstandshalters (3) gestattet.
Richtkoppler gemäß Anspruch (1), wobei besagter Abstandshalter (3) an seiner Streifenleitung (S1, S2) über einen Schlitz in besagtem Abstandshalter (3) befestigt ist.
Richtkoppler gemäß Anspruch (1), ferner beinhaltend einen zweiten Abstandshalter, welcher an der zweiten der besagten beiden Streifenleitungen (S1, S2) befestigt ist und einstellbar in einer zugehörigen zweiten Bohrung im Gehäuse (1) gehalten wird.
Richtkoppler gemäß Anspruch (1), ferner beinhaltend einen zweiten Abstandshalter, welcher an der zweiten der besagten beiden Streifenleitungen befestigt ist und einstellbar in einer zugehörigen zweiten Bohrung im Gehäuse (1) gehalten wird, und wobei der besagte erste und zweite Abstandshalter (3) eine Einstellung der beiden Streifenleitungen (S1, S2) gegenüber oberen und unteren Masseflächen des Gehäuses (1) gestatten.
Richtkoppler gemäß Anspruch (1), wobei die besagte erste und die besagte zweite Streifenleitung TEM-Übertragungsmedien sind.