NO970558L - Wilkinson-deleanordning som kan omgås - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår høyfrekvensteknikk, og mer presist effektdelere som benyttes i mikrobølge- og radioteknikk.

Når det gjelder høye frekvenser, og særlig innen mikrobølge- og radioteknikk, er det ofte nødvendig å dele et signal i to eller flere utgangs-porter, eller å kombinere flere signaler i en utgangs-port. I noen løsninger må den samme koplingsanordning benyttes, enten som en effektdeler fra en inngangs-port til to utgangs-porter, eller som en tapsfri transmisjonslinje fra en inngangs-port til en utgangs-port, etter behov hver gang. Dette implementeres vanligvis ved velgeranordninger, slik som broer, plassert på kretskort. For eksempel kan en overflatemontert motstand på null ohm fungere som en bro-komponent som er egnet for industriell masseproduksjon. Standard koplingsledninger (junction lines) kan også benyttes.

En passiv koplingsanordning som er i generell bruk, er en såkalt Wilkinson-deleanordning. Hvordan en standard Wilkinson-deler fungerer, fremgår av fig. IA. Figuren viser en situasjon hvor signaler deles fra en inngangs-port til to utgangs-porter. Med hensyn til foreliggende oppfinnelse kan deleren også benyttes i motsatt retning for å kombinere et signal fra to inngangs-porter til en utgangs-port.

Når Wilkinson-deleren fungerer som en effekt-deler, omfatter den en inngangs-port INN, utgangs-porter UTI og UT2, en T-avgrening 1, en transmisjonslinje 2 som forbinder inngangs-porten INN og utgangs-porten UTI, og en transmisjonslinje 3 som forbinder inngangs-porten INN og utgangs-porten UT2. Utgangs-portene UTI og UT2 er dessuten for-bundet ved hjelp av en motstand R. Lengden av transmisjonslinjene er en kvart bølgelengde.

Den karakteristiske impedansen for inngangs-porten INN er Zo. De karakteristiske impedansene for utgangs-portene UTI og UT2 er henholdsvis Zi og Z2.1 et enkelt tilfelle, når Z0=Zi=Z2, er den karakteristiske impedansen for transmisjonslinjene Z0V2, og impedansen for motstanden R er 2Zo.

I et generelt tilfelle, når ikke nødvendigvis Z0=Z i=Z2, er den karakteristiske impedansen for transmisjonslinjen 2, lik\2ZoZi, og tilsvarende er den karakteristiske impedansen for transmisjonslinjen 3 lik V2ZoZ2. Impedansen for motstanden R er da 2VZiZ2."

Et kjent arrangement for å omforme Wilkinson-deleanordningen til en tapsfri transmisjonslinje, fremgår av fig. 1 A, 2A og 2B. Kretsen i fig. IB omfatter en transmisjonslinje 5 i forhold til fig. IA, samt bro-anordninger B1-B5. Fig. 2A viser hvordan Wilkinson-deleren som er omformet slik, omformes til en Wilkinson-deler i samsvar med Fig. IA. I dette tilfellet er motstanden R og broene Bl, B4 og B5 installert, men ikke broene B2 og B3. Transmisjonslinjen 5 har i dette tilfelle ingen virkning på deleanordningens funksjon.

Det vises i fig. 2B hvordan Wilkinson-deleanordningen omgås eller forbikoples, dvs. hvordan den omformes til en tapsfri transmisjonslinje. I dette tilfellet er ikke motstanden R installert, og heller ikke broene Bl, B4 og B5. Når bare broene B2 og B3 er installert, er kretsen som vises i fig. 2B, en tapsfri transmisjonslinje mellom inngangs-porten INN og utgangs-porten UT 1.

En ulempe ved kretsen i fig. IB er f.eks. det store antall (5 i denne utførelsen) bro-steder som fungerer som velgeranordninger, og det høye antallet installerte broer (3 i bruk som delere, og 2 som transmisjonsbane). En ytterligere ulempe ved den tidligere kjente kretsen er at broene B2 og B3 som er nødvendige for funksjon som en transmisjonsbane, ikke er enkle å fremstille med små strø-impedanser, siden de kombinerer brede linjer. En annen ulempe ved den tidligere kjente kretsen blir åpenbar når inngangs-porten INN og utgangs-portene UTI og UT2 ikke er stilt mot hverandre, særlig når Wilkinson-deleren er foldet for å redusere størrelsen av den. Det er vanskeligere å implementere en transmisjonslinje med lav impedans enn en med høy impedans på mange substrater. Særlig i tilfeller slik som dette, er det vanskelig, eller til og med umulig, å innpasse en bred transmisjonslinje i deleanordningen. Dessuten kan arrangementet ikke benyttes i det hele tatt når deleanordningen samtidig benyttes som en impedans-adapter, dvs. Z\...Z0.

Formålet ved foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en effekt-deler som kan installeres på fleksibel måte, med små forandringer enten som en deler eller som en tapsfri

transmisjonslinje, og som ikke har de problemer som er knyttet til det tidligere kjente arrangementet som er beskrevet ovenfor. Formålet oppnås med arrangementet ifølge den karak-teriserende del av krav 1, hvor omformingen av effekt-deleren til en tapsfri transmisjonslinje realiseres ved hjelp av en parallell kopling av to ikke-symmetriske transmisjonslinjer som vanligvis har forskjellige impedanser. En av transmisjonslinjene er en gren 2 som er til stede i Wilkinson-deleren, og den andre er en ekstra gren 4 som dannes inne i deleanordningen.

Den foretrukne utførelse av oppfinnelsen forklares ved hjelp av figurer, hvor fig.IA viser en standard Wilkinson-deleanordning;

fig. IB viser en tidligere kjent måte å omforme Wilkinson-deleren til en tapsfri transmisjonsbane på;

fig. 2A illustrerer en koplingsanordning som vises i fig. IB installert som en Wilkinson-deler;

fig. 2B illustrerer en koplingsanordning vist i fig. IB, installert som en tapsfri transmisjonsbane;

fig. 3 A viser en modifisert Wilkinson-deler i samsvar med oppfinnelsen;

fig. 3B viser en modifisert Wilkinson-deler i samsvar med oppfinnelsen, foldet sammen til et så lite rom som mulig,

fig. 4A viser en koplingsanordning i samsvar med oppfinnelsen, installert som en Wilkinson-deler; og

fig. 4B viser en koplingsanordning i samsvar med oppfinnelsen, installert som en tapsfri transmisjonsbane.

Løsningen ifølge oppfinnelsen vises i fig. 3 A. Det antas her av Zi=Z0, men kretsen fungerer på samme måte dersom Zi...Zo.

Ideen ved oppfinnelsen er å implementere en transmisjonslinje med en karakteristisk impedans Z0ved hjelp av en parallell-kopling av to smale, høy-impedante transmisjonslinjer: en transmisjonslinje 2 med impedans Z0V2, som allerede er til stede i en standard Wilkinson-deler, og en annen transmisjonslinje 4 med impedans 2Zo/(2-V2). Når Z0=50S, bør impedansen for transmisjonslinjen 2 være omkring 70S, og impedansen for transmisjonslinjen 4 bør være omkring 170S. Den sistnevnte impedansen kan ikke frembringes på de fleste substrater uten spesielle prosedyrer. En slik prosedyre er å etse et jordplan under linjen 4 med impedans 170S. En annen måte er å plassere linjen 4 med impedans 170S svært nær 70S-linjen 2, hvorved vekselvirkningen mellom linjene 2 og 4 vil heve impedansen for linjen 4. Det ville ikke gjøre noe særlig om impedansen ikke lå eksakt på sin optimale verdi. For eksempel er den maksimalt oppnåelige karakteristiske impedansen på et 1,6 mm substrat at type FR-4, eller et 0,76 mm teflon-substrat, mellom 140 og 150S. Med denne impedansen vil det ståen-de bølge-forholdet (VSWR) være omkring 1,1.

Funksjonen av oppfinnelsen kan undersøkes nærmere på basis av fig. 4A. Bare broen Bl og motstanden R er installert for delings-funksjonen. Siden broene B2 og B3 ikke er til stede, er både grenene 2 og 3 i Wilkinson-deleren veier for signalet. Kretsen fungerer nå som en standard Wilkinson-deler.

Ikke-delende drift studeres i fig. 4B. Broen Bl og motstanden R er ikke installert, men broene B2 og B3 er installert. I dette tilfellet møter signalet parallell-koplingen av transmisjonslinjene 2 og 4 på en kvart bølgelengde, og impedansene av disse er henholdsvis Z0/V2 og 2Z0/(2->/2). En transmisjonslinje på en kvart bølgelengde og med impedans Z0frembringes av parallell-koplingen av impedansene.

Fig. 3B viser hvordan en modifisert Wilkinson-deler ifølge oppfinnelsen kan foldes for å minimalisere rommet som deleanordningen opptar på et kretskort.

En fordel med løsningen i følge oppfinnelsen er at Wilkinson-deleren på samme kretskort kan benyttes etter behov hver gang, både med delende og ikke-delenede funksjon, hvilket vil redusere det nødvendige antall forskjellige kretskort. I løsningen ifølge oppfinnelsen behøves det også bare et lavere antall broer og steder for broer, enn i tidligere kjente løsninger.

En ytterligere fordel ved løsningen ifølge oppfinnelsen er at svært liten strø-impedans frembringes, ettersom broer bare er nødvendige i linjer med høy impedans. En annen fordel er at den ekstra linjen som er nødvendig i Wilkinson-deleren, enkelt kan inn-passes i et begrenset rom, siden den ekstra linjen er svært smal. Den ekstra linjen 4 kan også føres nær grenen 2 i Wilkinson-deleren, så lenge koplingen tas i betraktning ved planlegnin-gen. Se f.eks. Matthaei, Young and Jones, Microwave filters, impedance-matching networks and coupling structures, Artech House Books, 1980, Fig. 5.09-1, side 219. Ved hjelp av meander-tilforming kan en linje på en kvart bølgelengde plasseres inn i det tilgjen-gelige rommet.

I arrangementet ifølge oppfinnelsen kan en effekt-deleanordning, slik som en Wilkinson-deler, utformes slik at det samme komponent-substratet, slik som et kretskort, kan benyttes enten som en effekt-deler fra en inngangs-port til to utgangs-porter, eller som en tapsfri transmisjonsbane fra en inngangs-port til en utgangs-port. Forandringene i funk-sjonsmåte bevirker færre endringer i kretsen enn i konvensjonelle løsninger.

Det er åpenbart for fagfolk innen teknikken at teknikken i samsvar med foreliggende oppfinnelse kan benyttes sammen med andre transmisjonslinjer, slik som mikrostrips, mikrostrips på opphengte substrater (suspended substrate microstrips), strip-linjer, koaksial-linjer, ko-planare bølgeledere eller kombinasjoner av de ovennevnte typene. Produksjon av transmisjonslinjer og broanordninger er ikke begrenset til det eksempel som er beskrevet ovenfor, men feltet for oppfinnelsen kan variere innen kravenes omfang.

Claims (10)

1. Koplingsanordning til anvendelse med høye frekvenser, omfattende: en første port (INN), en andre port (UTI) og en tredje port (UT2); en første transmisjonslinje (2) på en kvart bølgelengde, som når den er koplet mellom den første porten (INN) og den andre porten (UTI), kombinerer portene med hverandre; en andre transmisjonslinje (3) på en kort bølgelengde, som når den er koplet mellom den første porten (INN) og den tredje porten (UT2), kombinerer portene med hverandre; første velgeranordninger (R) som skal installeres og andre velgeranordninger (Bl) som skal installeres, slik at bare når de første og andre velgeranordningene (R, Bl) er installert, innkopler de minst en av transmisjonslinjene (2, 3) mellom porten (INN) og portene (UT1. UT2); karakterisert ved at den videre omfatter: en tredje transmisjonslinje (4) på en kvart bølgelengde; og tredje velgeranordninger (B2, B3) som skal installeres, og som når de er installert, kopler den tredje transmisjonslinjen (4) i parallell med den første transmisjonslinjen (2).

2. Koplingsanordning ifølge krav 1, hvor den første porten (INN) har en første karakteristisk impedans Z0 , den andre porten (UTI) har en andre karakteristisk impedans Z|, og den tredje porten (UT2) har en tredje karakteristisk impedans Z2 , karakterisert ved at den karakteristiske impedansen for den tredje transmisjonslinjen (4) på en kvart bølgelengde, er dimensjonert slik at den impedans som frembringes av parallell-koplingen av den første transmisjonslinjen (2) og den tredje transmisjonslinjen (4), i hovedsak er lik VZ0Zi .

3. Koplingsanordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at summen av antallene av de første, andre og tredje velgeranordningene er lavere enn 6.

4. Koplingsanordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at summen av antallene av de første, andre og tredje velgeranordningene er 4.

5. Koplingsanordning ifølge krav 2, 3 eller 4, karakterisert ved at den første velgeranordningen (R) er en motstand hvis resis-tans hovedsakelig er lik 2VZ1Z2, og at resistansen til de andre og tredje velgeranordningene (Bl til B3) er hovedsakelig lik null.

6. Koplingsanordning ifølge et hvilket som helst av kravene 2-5, karakterisert ved at den tredje transmisjonslinjen (4) er dannet ved etsing av et grunnplan under den tredje transmisjonslinjen (4).

7. Koplingsanordning ifølge et hvilket som helst av kravene 2-6, karakterisert ved at den tredje transmisjonslinjen (4) er plassert spesielt nær den første transmisjonslinjen (2), hvorved vekselvirkningen mellom den første transmisjonslinjen (2) og den tredje transmisjonslinjen (4) vil heve impedansen for den tredje transmisjonslinjen (4).

8. Koplingsanordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at at koplingsanordningen er foldet ved å plassere både kon-vekse og konkave kurver i transmisjonslinjene (2, 3, 4).

9. Koplingsanordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at at koplingsanordningen er foldet slik at transmisjonslinjene (2, 3, 4) ikke befinner seg i samme plan.

10. Koplingsanordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at at koplingsanordningen er implementert ved hjelp av en strip-linje plassert på overflaten av et kretskort.