DE69623921T2

DE69623921T2 - Oberflächenmontierter richtungskoppler

Info

Publication number: DE69623921T2
Application number: DE69623921T
Authority: DE
Inventors: J. Culling
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1995-06-30
Filing date: 1996-07-01
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2016-07-02
Also published as: ATE225083T1; EP0783773B1; DE69623921D1; US5539362A; CA2202364C; WO1997002620A1; EP0783773A1; CA2202364A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrowellen- Richtungskoppler, und insbesondere einen solchen Koppler mit Doppelkamm-Kopplungsleitungselementen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten eines dielektrischen Substrats angeordnet sind, die die kopplerunabhängigen Impedanzen des geradzahligen und ungeradzahligen Modus der Trägerleiterplatte bestimmen, auf der der Koppler montiert ist.
Ein Mikrowellen-Richtungskoppler ist eine Vier-Port-Mikrowellenvorrichtung, die als Stromteiler oder -kombinierer benutzt wird. Die vier Ports werden bezeichnet als Port 1, Port 2, Port 3 und Port 4. Wenn ein Signal in Port 1 eingegeben wird, wird es mit Port 2 und 3, jedoch nicht mit Port 4 gekoppelt. Eine Signaleingabe in Port 4 wird auf ähnliche Weise mit den Ports 2 und 3, jedoch nicht mit Port 1 gekoppelt. Weil es keine Kopplung zwischen den Ports 1 und 4 gibt, sind diese Ports als nicht gekoppelte oder gegeneinander isolierte Ports bekannt. Signale können auch in die Ports 2 und 3 eingegeben werden oder aus Reflexionen entstehen. Ein Signaleingang in Fort 2 wird mit Port 1 und 4, jedoch nicht mit Port 3 gekoppelt, während ein Signaleingang in Port 3 mit Ports 1 und 4, jedoch nicht mit Port 2 gekoppelt wird. Auf diese Weise sind die Ports 2 und 3 gegeneinander isoliert.
Eine typische Anwendung für einen Richtungskoppler ist ein Radarsystem zum Überwachen der Senderleistung. In einem Radarsystem liegt der Radarsender an Port 1 des Richtungskopplers. Die Antenne ist dann an Port 2 angeschlossen, ein Mikrowellen-Leistungsdetektor liegt an Port 3, und Port 4 endet in einer angepaßten Last. Bei dieser Konfiguration führt eine Impedanz-Fehlanpassung der Antenne nicht dahin, daß die reflektierte Leistung, die in Port 2 übertragen wird, in Port 3 als Leistungsausgang des Senders gemessen wird. Das ist so, weil die Ports 2 und 3 isolierte Ports sind, und ein in Port 2 eingegebenes Signal nicht an Port 3 gekoppelt ist.
In der Beschreibung des US-Patents Nr. 4,823,097 wird ein Mikrostrip-Richtungskoppler geoffenbart. Der Koppler umfaßt eine erste dielektrische Platine, die senkrecht auf einer dielektrischen Trägerleiterplatte steht. Auf jeder Seite der ersten dielektrischen Platine ist ein Kopplungsleiterteil angeordnet. Auf der oberen Fläche der dielektrischen Trägerleiterplatte sind Leiterbahnen angeordnet und sind mit beiden Enden jedes Kopplungsleiterteils verbunden. Eine Masse-Ebene wird aus einer leitenden Schicht gebildet, die auf der unteren Fläche der dielektrischen Trägerleiterplatte angeordnet wird. Dieser physikalische Aufbau führt dazu, daß die geradzahligen und ungeradzahligen Impedanzen des Kopplers sowohl durch Koppeln zwischen den Kopplungsleiterteilen als auch durch Koppeln zwischen jedem einzelnen Kopplungsleiterteil und der Masse-Ebene bestimmt werden. Weil die Impedanzen teilweise durch Koppeln an die Masse-Ebene bestimmt werden, beeinflussen die Zusammensetzung und die physikalischen Abmessungen der Trägerleiterplatte die Impedanzen. Daher erfordert die Konstruktion des Kopplers die Kenntnis und Berücksichtigung des Typs der dielektrischen Trägerleiterplatte, auf der die obige dielektrische Platine montiert wird.
Eine weitere Ausführungsform eines Mikrostrip-Richtungskopplers ist im beschreibenden Teil des US-Patents Nr. 5,373,266 geoffenbart. Dieser Koppler besteht aus einem Paar Mikrostrip- Kopplungselementen, die entfernt liegende Kanten aufweisen, die gerade und aneinanderliegende Kanten sind, die gekrümmten Pfaden folgen, die Umkehrungen in den Krümmungsrichtungen haben, wie z. B. Sinus- oder Halbkreismuster. Die Kopplungselemente sind auf einer Oberfläche eines dielektrischen Substrats angeordnet. Eine Masse-Ebene aus einer leitenden Schicht ist auf der gegenüberliegenden Fläche des dielektrischen Substrats angeordnet. In diesem Koppler wird die geradzahlige Impedanz durch Koppeln zwischen den geraden entfernt liegenden Kanten der Mikrostrip-Kopplungselemente und der Masse-Ebene gebildet. Somit beeinflussen die Zusammensetzung und die physikalischen Abmessungen des einzigen dielektrischen Substrats die geradzahlige Impedanz des Kopplers und somit die Kopplerkonstruktion.
Ein Richtungskoppler einschließlich Kammelektroden mit einer gelängten Sammelschiene mit einer Vielzahl von beabstandeten Zähnen wird in der Beschreibung in US-Patent Nr. 4,394,630 geoffenbart. In einer Ausführungsform ist eine erste Kammelektrode auf einer Seite eines dielektrischen Substrats angeordnet, und eine zweite Kammelektrode ist auf der anderen Seite des dielektrischen Substrats angeordnet. Ein im allgemeinen rechtwinkliger hohler Leiter umhüllt und trägt das dielektrische Substrat. Ein Füllmaterial mit vorgegebenen dielektrischen Merkmalen wird zum Auffüllen des Volumens zwischen der einen Seite des dielektrischen Substrats und der anliegenden Seite des hohlen rechtwinkligen Leiters benutzt. Auf gleiche Weise wird ein Füllmaterial zum Auffüllen des Volumens zwischen der anderen Seite des dielektrischen Substrats und der anliegenden Seite des hohlen rechtwinkligen Leiters benutzt. Die geradzahligen und ungeradzahligen Impedanzen des Kopplers werden bestimmt durch die Zusammensetzung und physikalischen Abmessungen sowohl des dielektrischen Substrats als auch des Füllmaterials.
Ein gemeinsamer Nachteil aller diesen Koppler auf dem Stand der Technik ist, daß die Leiterbahnenmuster, die die Kopplungselemente bilden, auf der gedruckten Trägerleiterplatte aufgedruckt sein müssen, die den anderen peripheren elektronischen Schaltungskomplex trägt. In dieser Situation kommt es zu einem Konstruktionskonflikt, wenn der Richtungskoppler ein aufwendiges dielektrisches Material voraussetzt, um die benötigte Leistung zu erbringen, während für den peripheren Schaltungskomplex ein billigeres Material ausreichend wäre. Weil der Koppler und der periphere Schaltungskomplex auf der gleichen Leiterplatte sitzen, muß ein aufwendiges Material für die ganze Leiterplatte verwendet werden, um den Konstruktionskriterien des Kopplers zu genügen.
Ein weiterer Nachteil der Koppler auf dem Stand der Technik ergibt sich, wenn das Koppeln von Strukturen erzeugt wird, die gemischte Dielektrika haben, oder wenn die Felder in Medien enthalten sind, die unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Die unterschiedlichen Werte der Dielektrizitätskonstanten erzeugen unterschiedliche Phasengeschwindigkeiten der Felder, was zu einer nicht-optimalen Koppler- Richtwirkung führt. Ferner ist dem Fachmann bekannt, daß andere Wirkungen, die die Leistungen der Richtungskoppler einschränken, die sogenannten "Endeffekte" sind, wobei Unstetigkeiten zwischen den unausgeglichenen Speiseanschlüssen und den ausgeglichenen gekoppelten Leitungen auftreten. Zusätzlich wird angesichts des zunehmenden Trends in Richtung auf das automatisierte Bauteil-Aufsetzen und Aufschmelzlöten einige Kopplertypen nicht für den automatischen Zusammenbau geeignet sind und von Hand zusammengebaut werden müssen.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet einen Mikrowellen- Richtungskoppler, der umfaßt:
Eine Trägerleiterplatte, die einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist;
eine dielektrische Kopplerplatine, die einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist und mit den einander gegenüberliegenden Oberflächen im wesentlichen senkrecht stehend auf einer der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerleiterplatte montiert ist;
erste und zweite obere, elektrisch leitende Doppelkamm- Elemente, die entsprechend auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der dielektrischen Kopplerleiterplatte angeordnet sind, wobei die oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente zusammengekoppelt sind, um zu bewirken, daß der Koppler eine ungeradzahlige Impedanz zeigt, die eine Funktion des Koppelns ist; und
erste und zweite untere elektrisch leitende Doppelkamm-Elemente entsprechend auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der dielektrischen Kopplerleiterplatte angeordnet sind, wobei jedes der unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente beabstandet von dem entsprechenden oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Element angeordnet ist, die unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente und die oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente elektrisch zusammengekoppelt sind, um zu bewirken, daß der Koppler eine geradzahlige Impedanz zeigt, die eine Funktion des Koppelns zwischen den unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elementen und den oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elementen ist.
Die Erfindung umfaßt ferner einen Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß obiger Beschreibung, in dem die oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente eine gerade obere Kante und eine untere Kante mit einer Vielzahl darauf angeordneter Zähne aufweisen, die unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente eine gerade untere Kante und eine obere Kante mit einer Vielzahl von darauf angeordneten Zähnen aufweisen, wobei die Zähne zwischen die Zähne auf den entsprechenden unteren Kanten der oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente eingeschoben angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung zielt auf einen Mikrowellen- Richtungskoppler, der auf einer Trägerleiterplatte montiert ist. Der Koppler umfaßt eine dielektrische Kopplerleiterplatte, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Trägerleiterplatte montiert ist. Obere Doppelkamm-Elemente sind auf einander gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Kopplerleiterplatte angeordnet. Elektrisches Koppeln zwischen den oberen Doppelkamm-Elementen bestimmt die ungeradzahlige Impedanz Zoo des Mikrowellenrichtungskopplers. Auch untere Doppelkamm-Elemente sind auf einander gegenüberliegenden Oberflächen der dielektrischen Kopplerleiterplatte angeordnet. Die unteren Doppelkamm-Elemente liegen an Masse und sind so angeordnet, daß die elektrische Kopplung zwischen den unteren Doppelkamm-Elementen und den oberen Doppelkamm-Elementen die geradzahlige Impedanz Zoe des Mikrowellenrichtungskopplers bestimmt.
Jetzt wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in denen
Fig. 1 ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht von einer Seite der dielektrischen Koppler-Leiterplatte 22 der Fig. 1 aus;
Fig. 3 ist eine Seitenansicht von der anderen Seite der dielektrischen Koppler-Leiterplatte 22 der Fig. 2 aus;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Mikrowellen-Richtungskopplers;
Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Mikrowellen-Richtungskopplers, die das der geradzahligen Impedanz Zoe zugeordnete elektrische Feld zeigt;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht des Mikrowellen-Richtungskopplers, die das der ungeradzahligen Impedanz Zoo zugeordnete elektrische Feld zeigt;
Fig. 7 ist eine grafische Darstellung und zeigt die Leistungsabgabe aus den gekoppelten Ports des Mikrowellen- Richtungskopplers als Funktion der Frequenz;
Fig. 8 ist eine grafische Darstellung und zeigt die Eingangsreflexionsdämpfung des Mikrowellenrichtungskopplers als Funktion der Frequenz; und
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung und zeigt die Isolierung des Mikrowellenrichtungskopplers als Funktion der Frequenz.
In Fig. 1-3 wird ein Mikrowellenrichtungskopplers 20 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Koppler 20 umfaßt eine dielektrische Koppler-Leiterplatte 22 mit ebenen Oberflächen 22a und 22b. Der Koppler 20 ist auf einer Trägerleiterplatte 24 mit den ebenen Oberflächen 24a und 24b montiert. Der Koppler 20 ist mit seinen ebenen Oberflächen 22a und 22b senkrecht auf den ebenen Oberflächen 24a und 24b der Trägerleiterplatte 24 stehend montiert. Zwar in den Fig. 1-3 nicht dargestellt, sind jedoch auch noch weitere der Schaltung zugeordnete periphere Schaltungskomplexe, in denen der Koppler 20 benutzt wird, auf der Trägerleiterplatte 24 montiert.
Der Koppler 20 beinhaltet Doppelkamm-Kopplerelemente 26 und 28, die auf Oberflächen 22a und 22b entsprechend angeordnet sind. Das Doppelkamm-Kopplerelement 26 beinhaltet ein oberes Doppelkamm-Element 26a und eine unteres Doppelkamm-Element 26b. Das obere Doppelkamm-Element 26a umfaßt zwei Seitenabschnitte 30 und 32, die jeweils an ein Ende eines Längsabschnitts 34 angeschlossen sind, der eine vorgegebene Länge und Breite aufweist. Der Längsabschnitt 34 weist eine gerade obere Kante 36 und eine untere Kante 38 mit Zähnen 40 auf. Zwischen den Zähnen 40 liegen die Zähne 42, die von einer oberen Kante 44 des unteren Doppelkamm-Elements 26b her ausgebildet sind.
Das Doppelkamm-Kopplungselement 28 ist symmetrisch auf der ebenen Oberfläche 22b angeordnet. Das Doppelkamm-Kopplungselement 28 beinhaltet ein oberes Doppelkamm-Element 28a und ein unteres Doppelkamm-Element 28b. Das obere Doppelkamm-Element 28a beinhaltet zwei Seitenteile 46 und 48, die jedes mit einem Ende eines Längsabschnitts 50 verbunden sind, der eine vorgegebene Länge und Breite aufweist. Der Längsabschnitt 50 weist eine gerade Oberkante 52 und eine untere Kante mit Zähnen 56 auf. Zwischen die Zähne 56 eingeschoben sind Zähne 58, die von einer Oberkante 60 des unteren Doppelkamm-Elements 28b aus vorstehend ausgebildet sind.
Die Kopplungselemente 26 und 28 werden zwar symmetrisch gezeigt und beschrieben, das muß jedoch nicht so sein. Zum Beispiel könnten die Breiten der oberen Doppelkamm-Elemente 26a und 28a unterschiedlich sein, um den erwünschten Kopplungsfaktor des Kopplers 20 einzustellen. Die Längen sowohl der oberen Doppelkamm-Elemente 26a und 28a als auch der unteren Doppelkamm-Elemente 26b und 28b (in Fig. 2 dargestellt als W2) sind ebenfalls angepaßt. Diese Längen sind skaliert als Funktion der gewünschten Betriebsfrequenz des Kopplers 20.
Die Doppelkamm-Kopplungselemente 26 und 28 werden gebildet durch Ätzen der Oberflächen der dielektrischen Koppler- Leiterplatte 22 gemäß fotografischen Kopiervorlagen, die mit einem hohen Grad an Genauigkeit angefertigt wurden. Vor dem Ätzen wird die Oberfläche der dielektrischen Kopplerleiterplatte 22 auf ihren glatten Flächen 22a und 22b mit einer Lage gewalzter oder galvanisch aufgebrachter Kupferfolie bedeckt. Paßmarkierungen auf den fotografischen Kopiervorlagen stellen einen hohen Grad von Rücken-Front-Paßgenauigkeit der Muster sicher.
Es gibt auch Leiterbahnen, die auf der Trägerleiterplatte 24 aufgebracht werden müssen, um das Montieren des Kopplers 20 zu ermöglichen. Auf der ebenen Oberfläche 24a der Trägerleiterplatte 24 sind vier Leiterbahnen 62, 64, 66 und 68 aufgebracht. Die Leiterbahnen 62, 64, 66 und 68 ermöglichen einen direkten Anschluß an die Abschnitte 30, 32, 46 und 48 mit minimalen Endeffekten. Das bewirkt eine gute Impedanzangleichung zwischen einer Leiterbahn und ihrem zugeordneten Seiten-Abschnitt. Zusätzlich zu den Leiterbahnen 62, 64, 66 und 68 sind auch zwei Masse-Flächen 70 und 72 auf der ebenen Oberfläche 24a der Trägerleiterplatte 24 angeordnet. Die Masse- Flächen 70 und 72 sind mit der gleichen Breite W2 wie die unteren Doppelkamm-Kopplerelemente 26b und 28b gefertigt. Eine untere Masse-Fläche 74 ist auf der ebenen Fläche 24b der Trägerleiterplatte 24 angeordnet. Jede Masse-Fläche 70, 72 liegt an dieser unteren Masse-Fläche 74 über eine Vielzahl Verbindungslöcher 76. Die untere Masse-Fläche 74 liegt am System-Massepotential, und die Verbindungslöcher 76 liegen an den Masse-Flächen 70 und 72 ebenfalls am Massepotential des Systems.
Der Richtungskoppler 20 wird an die Trägerleiterplatte 24 angeschlossen durch Löten der auf der dielektrischen Kopplerleiterplatte 22 angeordneten Leiterbahnen an die, die auf der Trägerleiterplatte vorgesehen sind. Die Seitenabschnitte 30 und 32 werden mit der unteren Kante 78 der dielektrischen Kopplerleiterplatte 22 an die Leiterbahnen 62 bzw. 64 gelötet. Die Seitenanschnitte 46 und 48 werden gleicherweise mit der unteren Kante 78 an die Leiterbahnen 66 und 68 gelötet. Das untere Doppelkamm-Kopplungselement 26b wird mit der unteren Kante 78 an die Masse-Fläche 70 gelötet, während das untere Doppelkamm-Kopplungselement 28b mit der unteren Kante 78 an die Masse-Fläche 72 gelötet wird. Alle diese Lötverbindungen bilden Lotkegel-Lötverbindungen 80. Auch andere Verfahren, wie z. B. ein geeigneter leitender Kleber kann anstelle der Lotkegel- Lötverbindungen 80 benutzt werden.
Eine korrekte mechanische Ausrichtung der dielektrischen Kopplerleiterplatte 22 während des Lötens bzw. Anwendens anderer Mittel zum Verbinden werden erreicht durch die Verwendung von Montagestiften 82 und 84. Jeder Montagestift 82, 84 paßt in ein zugeordnetes Montageloch (nicht dargestellt) auf der Trägerleiterplatte 24. Die Anwendung der Montagestifte 82 und 84 zur Ausrichtung und die Anwendung der Lotkegelverbindungen 80 zur mechanischen und elektrischen Verbindung läßt sich durch Verwenden bekannter "Aufnahme-und- Einsetz"-Zusammenbautechniken leicht automatisieren.
Die elektrischen Merkmale der Richtungskoppler 20 werden bestimmt durch den Kopplungsfaktor C des Kopplers. Wenn Ströme gleicher Größe in den beiden oberen Doppelkamm- Kopplungselementen 26a und 28a in der gleichen Richtung fließen, existiert eine geradzahlige Impedanz, bezeichnet Zoe, zwischen jedem Element und der Masse. Wenn auf ähnliche Weise Ströme gleicher Größe, jedoch in entgegengesetzter Richtung, in den oberen Doppelkamm-Kopplungselementen 26a und 28a fließen, existiert eine ungeradzahlige Impedanz, bezeichnet Zoo, zwischen jedem Element und der Masse. Die geradzahligen bzw. ungeradzahligen Impedanzen für ein gekoppeltes Leitungspaar sind gegeben durch die Gleichungen:
Zoo = Zo (1)
Zoe = Zo (2)
wobei c der Kopplungsfaktor und Zo die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung ist, mit der der Koppler 20 verbunden ist (d. h. Leiterbahnen 62-68). Die Gleichungen (1) und (2) zeigen die funktionelle Beziehung zwischen dem Kopplungsfaktor C und den geradzahligen und ungeradzahligen Impedanzen Zoe und Zoo. Bei der Konstruktion des Kopplers 20 wird ein gewünschter Kopplungsfaktor C gewählt (z. B. 3 dB) Aus dem gewählten Kopplungsfaktor C ergeben die Gleichungen (1) und (2) die geradzahlige und ungeradzahlige Impedanz Zoe und Zoo, die erforderlich sind, um diesen Kopplungsfaktor zu erhalten. Die erforderlichen geradzahligen und ungeradzahligen Impedanzen Zoe und Zoo müssen auch der Beziehung Zo = (ZoeZoo)1/2 genügen, wie im Fachbereich bekannt ist, um den Impedanzübereinstimmungserfordernissen zu genügen.
Für die Gleichungen (1) und (2) wird angenommen, daß die Phasengeschwindigkeiten der den geradzahligen und ungeradzahligen Impedanzen Zoe und Zoo zugeordneten Wellen gleich sind. Wenn diese Phasengeschwindigkeiten nicht gleich sind, muß die für jeden Modus spezifische Phasengeschwindigkeit benutzt werden, um die zugehörige Impedanz zu bestimmen. Anderenfalls werden die Bandbreite und die Richtwirkung des Richtungskopplers durch die unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten ungünstig beeinflußt.
Fig. 5 und 6 illustrieren die Ursache für die unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten. Die allgemeine Gleichung für die Phasengeschwindigkeit ist:
Vp = c/( eff)1/2
dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum (3 · 10&sup8; m/s) und eff ist die effektive Dielektrizitätskonstante des Mediums, durch das sich das elektrische Feld fortpflanzt. Wie in Fig. 5 gezeigt wird, pflanzt sich das elektrische Feld 86, das der geradzahligen Impedanz Zoe zugeordnet ist, teilweise durch die dielektrische Kopplerleiterplatte 22 und teilweise durch die Luft 88 fort. Daraus ergibt sich, daß die effektive Dielektrizitätskonstante eff irgendwo zwischen den Dielektrizitätskonstanten des freien Raums o und der relativen Dielektrizitätskonstanten r der dielektrischen Leiterplatte 22 liegt. Die effektive Dielektrizitätskonstante eff für die geradzahlige Impedanz Zoe unterscheidet sich jedoch von der ungeradzahligen Impedanz Zoo, wie in Fig. 6 gezeigt wird. Das elektrische Feld 90, das der ungeradzahligen Impedanz Zoo zugeordnet ist, pflanzt sich in erster Linie durch die dielektrische Leiterplatte 22 fort und hat daher eine effektive Dielektrizitätskonstante eff, die näher an der relativen Dielektrizitätskonstante r der dielektrischen Leiterplatte liegt.
Die Gleichungen für die geradzahligen und die ungeradzahligen Impedanzen Zoe und Zoo als Funktionen der zugehörigen Phasengeschwindigkeiten sind:
Zoo = 1/(Vpo · Coo) (4)
Zoe = 1/(Vpe · Coe) (5)
dabei ist Vpo die Phasengeschwindigkeit, die der ungeradzahligen Impedanz Zoo zugeordnet ist, Vpe ist die Phasengeschwindigkeit, die der geradzahligen Impedanz Zoe zugeordnet ist, Coo ist die effektive Kapazitanz per Einheitslänge einer Leitung zur Masse für die ungeradzahlige Impedanz, und Coe ist die effektive Kapazitanz per Einheitslänge einer Leitung zur Masse für die geradzahlige Impedanz.
Die vorliegende Erfindung kompensiert die unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten durch Gleichmachen der Fortpflanzungsverzögerungen für jeden Modus. Zum Gleichmachen der Fortpflanzungsverzögerungen wird bewirkt, daß die der geradzahligen Impedanz ZOE zugeordnete Welle sich um die Spalten herumschlängelt, die durch die Zähne 40, 42, 56 und 58 gebildet werden, die das Doppelkamm-Muster darstellen. Die Fortpflanzungsverzögerung für die Welle, die der geradzahligen Impedanz ZOE zugeordnet ist, ist eine Funktion der Zahl oder Periodizität der Zähne.
In der Praxis können die Gleichungen (4) und (5) nicht direkt zur Bestimmung von Zoo und Zoe benutzt werden, weil die Phasengeschwindigkeiten VPO und VPE nicht leicht gemessen werden können. Statt dessen müssen die Kapazitanzwerte COO und COE durch Modellieren, Abbilden, Messen oder Berechnen bestimmt werden. Dann werden die bestimmten Kapazitanzen COO und COE bestimmt, die die ungeradzahligen und geradzahligen Impedanzen ZOO und ZOE runden. Dann werden die Phasengeschwindigkeiten durch Verändern der physikalischen Anordnung der Doppelkamm- Muster angeglichen, bis man erkennt, daß die benötigten ZOO und ZOE den gewünschten Kopplungsfaktor C erzielen.
Eine Ausführungsform des Richtungskopplers 20 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben gezeigt, wurde gebaut und getestet. Die physikalischen Parameter dieser Ausführungsform waren wie folgt:
Mittlere Länge der oberen Doppelkamm-Kopplungselemente 58,6 mm
Länge der unteren Doppelkamm-Kopplungselemente 46,0 mm
Zahnbreite 1,0 mm
Zahnabstand 2,5 mm
Gesamtdicke der folienbildenden Kopplungselemente 0,038 mm
Dicke der dielektrischen Kopplerleiterplatte 0,813 mm
Konstante der dielektrischen Kopplerleiterplatte 2,5
Verlustfaktor der dielektrischen Kopplerleiterplatte 0,0025
bei 10 GHz
Die dielektrische Kopplerleiterplatte 22 in der vorliegenden Ausführungsform wurde aus Glasgewebe/PTFE-Verbundwerkstoff (PTFE - Polytetrafluorethylen) hergestellt.
Die Testergebnisse der bevorzugten Ausführungsform werden in den Fig. 7 bis 9 gezeigt. In Fig. 7 sind die Kurven 92 und 94 Kurven, die die Ausgänge an Port 2 bzw. 3 zeigen, wenn ein Signal in Port 1 eingegeben wird und Port 4 in einer angepaßten Last endet. Auf der senkrechten Achse ist die Leistung aufgetragen, wobei jede Unterteilung in der Senkrechten 1 dB beträgt. Auf der waagrechten Achse ist die Frequenz aufgetragen, die von 450 MHz bis 950 MHz läuft. Pfeil 96 zeigt die Halbwertsleistung, d. i. -3dB relativer Pegel. Über dem gesamten 500 MHz Frequenzbereich zeigt der Graph in Fig. 7 eine gute Leistung des Kopplers 20. Der Leistungseingang in Port 1 wird ungefähr zur Hälfte mit Port 2 und zur Hälfte mit Port 3 gekoppelt. An der mittleren Frequenz von 700 MHz, angezeigt durch Pfeil 98, beträgt die Leistung in Port 3 etwa -2,76 dB, während die Leistung in Port 2 in etwa -3,45 dE beträgt.
Fig. 8 zeigt, daß der Koppler 20 eine gute Eingangs-Rückflußdämpfung zeigt. In Fig. 8 ist wieder auf der senkrechten Achse die Leistung, und auf der waagrechten Achse die Frequenz aufgetragen. Jede Unterteilung in der Senkrechten bedeutet 10 dB, und Pfeil 100 zeigt den relativen 0 dB-Pegel an. Linie 102 ist eine Kurve der reflektierten Leistung aus einem Eingangssignal zu einem der Ports des Kopplers 20, wenn die anderen drei Ports angepaßt abgeschlossen sind. Im Idealfall sollte die reflektierte Leistung bei dieser Konfiguration gleich Null sein. Die Linie 102 zeigt, daß die reflektierte Leistung über den gesamten Frequenzbereich auf einem Pegel von etwa -25 dB oder weniger liegt. An der zentralen Frequenz von 700 MHz liegt die reflektierte Feldstärke bei -27,917 dB wie Pfeil 104 zeigt.
Fig. 9 zeigt, daß der Koppler 20 eine gute Isolierung und damit Richtwirkung über den angesprochenen Frequenzbereich aufweist. Wieder ist auf der senkrechten Achse die Leistung mit Unterteilungen in der Senkrechten von je 10 dB aufgetragen. Auf der waagrechten Achse wird wieder die Frequenz aufgetragen. Pfeil 106 zeigt den relativen Pegel 0 dB an. Die Linie 108 ist eine Kurve des Leistungsausgangs an Port 4, wenn ein Signal in Port 1 eingegeben wird und die Ports 2 und 3 angepaßt abgeschlossen sind. Hier wird daran erinnert, daß die Ports 1 und 4 im Idealfall voll gegeneinander isoliert sind, was bedeutet, daß keine Leistung von Port 1 zu Port 4 gekoppelt wird (d. i. Richtwirkung unendlich). An der zentralen Frequenz von 700 MHz, gezeigt durch Pfeil 110, ist die Leistung in Port 4 etwa -47,015 dE. Die Linie 108 zeigt über den gesamten Frequenzbereich, daß die Leistung in Port 4 auf dem Pegel von - 38 dE oder weniger steht, was für eine ausgezeichnet Isolierung und Richtwirkung für einen solchen Koppler spricht.
Ein Mikrowellen-Richtungskoppler beinhaltet eine dielektrische Kopplerleiterplatte, die im wesentlichen senkrecht auf der Oberfläche einer Trägerleiterplatte steht. Obere Doppelkamm- Elemente sind auf einander gegenüberliegenden Oberflächen der dielektrischen Kopplerleiterplatte angeordnet. Die Kopplung zwischen den oberen Doppelkamm-Elementen bestimmt die ungeradzahlige Impedanz Zoo des Mikrowellen-Richtungskopplers. Auch untere Doppelkamm-Elemente sind auf einander gegenüberliegenden Flächen der dielektrischen Kopplerleiterplatte angeordnet. Die unteren Doppelkamm-Elemente liegen an Masse und sind so angeordnet, daß die Kopplung zwischen den unteren Doppelkamm-Elementen und den oberen Doppelkamm-Elementen die geradzahlige Impedanz Zoe des Mikrowellen-Richtungskopplers bestimmt.

Claims

1. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler, der umfaßt:

Eine Trägerleiterplatte, die einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist;

eine dielektrische Kopplerplatine, die einander gegenüberliegende Oberflächen aufweist und mit den einander gegenüberliegenden Oberflächen im wesentlichen senkrecht stehend auf einer der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerleiterplatte montiert ist;

erste und zweite obere, elektrisch leitende Doppelkamm- Elemente, die entsprechend auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der dielektrischen Kopplerleiterplatte angeordnet sind, wobei die oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente zusammengekoppelt sind, um zu bewirken, daß der Koppler eine ungeradzahlige Impedanz zeigt, die eine Funktion des Koppelns ist; und

erste und zweite untere elektrisch leitende Doppelkamm-Elemente entsprechend auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen der dielektrischen Kopplerleiterplatte angeordnet sind, wobei jedes der unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente beabstandet von dem entsprechenden oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Element angeordnet ist, die unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente und die oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente elektrisch zusammengekoppelt sind, um zu bewirken, daß der Koppler eine geradzahlige Impedanz zeigt, die eine Funktion des Koppelns zwischen den unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elementen und den oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elementen ist.

2. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß Anspruch 1, in dem die ersten und die zweiten oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente symmetrisch sind, und in dem die ersten und die zweiten unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente symmetrisch sind.

3. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, in dem die dielektrische Kopplerleiterplatte eine Dielektrizitätskonstante r aufweist und die Trägerleiterplatte eine Dielektrizitätskonstante aufweist, und die Werte der Dielektrizitätskonstanten r und nicht gleich sind.

4. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, einschließlich Mittel zum elektrischen Anschließen der ersten und der zweiten unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente an das Massepotential, und in dem vorzugsweise die ersten und die zweiten oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente nicht gleich breit sind.

5. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, der eine gewünschte Betriebsfrequenz hat, und in dem die ersten und die zweiten oberen und unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente Längen aufweisen, die als Funktion der gewünschten Betriebsfrequenz skaliert sind.

6. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß Anspruch 1, in dem die oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente eine gerade obere Kante und eine untere Kante mit einer Vielzahl darauf angeordneter Zähne aufweisen, die unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente eine gerade untere Kante und eine obere Kante mit einer Vielzahl von darauf angeordneten Zähnen aufweisen, wobei die Zähne zwischen die Zähne auf den entsprechenden unteren Kanten der oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente eingeschoben angeordnet sind.

7. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß Anspruch 6, in dem die Anzahl der auf der unteren Kante der oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente angeordneten Zähne eine gerade Zahl ist, und in dem vorzugsweise die Anzahl der auf der oberen Kante der unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente angeordneten Zähne eine ungerade Zahl ist.

8. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß Anspruch 6, in dem in dem die ersten und die zweiten oberen elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente symmetrisch sind, und in dem die ersten und die zweiten unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente symmetrisch sind.

9. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß einem beliebigen der Ansprüche 6 bis 8, in dem die dielektrische Kopplerleiterplatte eine Dielektrizitätskonstante r aufweist und die Trägerleiterplatte eine Dielektrizitätskonstante aufweist, und die Werte der Dielektrizitätskonstanten r und nicht gleich sind.

10. Ein Mikrowellen-Richtungskoppler gemäß einem beliebigen der Ansprüche 6 bis 9, einschließlich Mittel zum elektrischen Anschließen der ersten und der zweiten unteren elektrisch leitenden Doppelkamm-Elemente an Masse-Potential.