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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
mit einer passiven, um 180° phasenverschiebenden
Kopplungsschaltung.
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Die Erfindung findet in der Industrie
der integrierten Schaltungen Anwendung, und insbesondere in der
Industrie der integrierten monolithischen Hyperfrequenzschaltungen
(MMIC).
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Eine passive Kopplung für Hyperfrequenzmischer
ist bereits aus einem allgemeinen Lehrbuch mit dem Titel „MICROWAVE
MIXERS, Second Edition" von
Stephen A. MAAS, herausgegeben von „Artech House, Boston, London" bekannt.
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Dieses Dokument beschreibt S. 254
in Bezug auf eine 7.16a eine 180°-Kopplung mit vier Abschnitten
in Π und
T zur Modellierung der Elemente von Übertragungsleitungen, um diese
Schaltung mit einer in Bezug auf eine 7.14
beschriebene Struktur äquivalent
zu machen. Die Abschnitte in Π enthalten
eine Selbstinduktivität
zwischen zwei Kapazitäten
an der Masse, und der Abschnitt in T enthält zwei Kapazitäten in Serie
und eine Selbstinduktivität
an der Masse. Die Abschnitte in Π modellieren Viertel-Wellenlinien, und
die Abschnitte in T modellieren Dreiviertel-Wellenlinien.
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Andere um 180° phasenverschiebende passive
Kopplungsschaltungen sind bekannt aus dem Dokument US-A-S 023 576
und dem Dokument RADIO AND ELEC-TRONIC
ENGINEER, Band 54, Nr. 11/12, November 1984 LONDON GB, Seiten 473-489, R.G. MANTON: „Hybrid
networks and their use in redio-frequency circuits".
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Ein Ziel dieser Erfindung ist die
Bereitstellung einer Vorrichtung mit einer passiven Kopplungsschaltung
mit lokalisierten Elementen zur Kopplung mindestens eines primären Wechselstromsignals
mit zwei um 180° phasenverschobenen
sekundären Wechselstromsignalen.
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Ein Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer
solchen Vorrichtung kompatibel mit integrierten monolithischen Hyperfrequenzschaltungen
und die folglich eine geringere Oberfläche und/oder verbesserte Leistungen
in Bezug auf nach dem Stand der Technik bekannte Kopplungen aufweisen.
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Diese Probleme werden mit einer Vorrichtung
einschließlich
einer passiven Kopplungsschaltung mit lokalisierten Elementen gelöst, um ein
erstes Wechselstromsignal mit bestimmter Mittelfrequenz, vorhanden
an einem ersten primären
Port, mit zwei zweiten um 180° phasenverschobenen
Wechselstromsignalen, vorhanden an zwei sekundären Ports, zu koppeln, mit
einer ersten und einer zweiten um 180° phasenverschiebenden Elementarschaltung
mit respektive einem Differenz-Eingangspol und einem Summier-Eingangspol,
und dementsprechenden ersten und zweiten Ausgangspolen, wobei die
besagten Elementarschaltungen derart zusammen geschaltet sind, dass
der Differenz-Eingangspol der ersten Schaltung den besagten ersten
primären
Port liefert, der Differenz-Eingangspol der zweiten Schaltung einen
zweiten primären
Port liefert, über
eine Impedanz mit der Masse verbunden, dass die Ausgangspole der
ersten und der zweiten Schaltung respektive kreuzweise gekoppelt
sind und die besagten sekundären
Ports liefern, und dass die Summier-Eingangspole kurzgeschlossen sind.
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Die folgenden schematischen Figuren
zeigen Ausführungsbeispiele
von Kopplungsschaltungen und Vorrichtungen nach der Erfindung, worunter:
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die 1A, 1B und 1C eine erste um 180° phasenverschiebende Elementarschaltung
mit lokalisierten Elementen in verschiedenen Formen äquivalenter
Ausführungen
zeigen, und die 2A, 2B und 2C eine entsprechende zweite phasenverschiebende Elementarschaltung
zeigen;
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die 3A bis 3D Elementarzellen von phasenverschiebenden
Schaltungen zeigen;
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die 4A und 4B Schaltschemen der ersten
und zweiten phasenverschiebenden Schaltungen zur Bildung einer um
180° phasenverschiebenden symmetrischen
Kopplungsschaltung zeigen;
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die 5A bis 5C zwei vereinfachte Ausführungsbeispiele
von um 180° phasenverschiebenden symmetrischen
Kopplungsschaltungen zeigen;
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die 6 ein
Schaltschema zur Bildung eines um 180° phasenverschiebenden asymmetrischen
Kopplungsschaltung zeigt;
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die 7A und 7B zwei Ausführungsbeispiele
von um 180° phasenverschiebenden
asymmetrischen Kopplungsschaltungen zeigen;
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die 8A und 8B respektive äquivalente Schemen
der vorangehenden symmetrischen und asymmetrischen Kopplungen sind;
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die 9 eine
Vorrichtung vom abgeglichenen Verstärkertyp mit zwei der vorangehenden
Kopplungen zeigt.
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Es folgt nun die Beschreibung mehrerer
passiver Kopplungsschaltungen mit lokalisierten Elementen. Jede
passive Kopplungsschaltung führt
eine Kopplung zwischen einem ersten Wechselstromsignal mit bestimmter
Mittelfrequenz fo, vorhanden an einem ersten primären Port
P1, und zwei zweiten um 180° phasenverschobenen
Wechselstromsignalen, vorhanden an zwei sekundären Ports P3, P4, durch. Der
Erfindung zufolge enthält
eine Kopplungsschaltung eine erste und eine zweite, um 180° phasenverschobene
Elementarschaltung B, B' mit
lokalisierten Elementen, auf besondere Art geschaltet.
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So wie respektive von den Schemen
der 1A und 2A dargestellt haben die
Elementarschaltungen B, B' respektive
einen ersten und einen zweiten Eingangspol 1,2 und 1', 2' und einen ersten und
einen zweiten Ausgangspol 3, 4 und 3', 4',
die respektive diametral entgegengesetzt sind. Die Elementarschaltungen
B, B' enthalten
eine Verbindung aus einer Selbstinduktivität des Wertes L bezeichnet 10,13,12
und bezeichnet 10',
13', 12', respektive angeordnet
zwischen den Polen 1, 4, 2, 3 und 1', 4',
2', 3', und aus Kapazitäten des
Wertes C bezeichnet 14, 15 und 14', 15',
respektive die Pole 1,3 und 1',
3' mit der Masse
verbindend, und aus Kapazitäten
16, 17 und 16'17' des Wertes 2C, die
Pole 2, 4 und 2'4' mit der Masse verbindend.
Das Produkt der Werte der Selbstinduktivitäten L und Kapazitäten C wird
mit der Mittelfrequenz fo verbunden über das Verhältnis: Lω = 1/Cω wobei ω = 2πfo.
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Zwischen respektive den Polen 1,
3 und 1', 3' enthalten die Elementarschaltungen
Zellen in T wie auf der 3A dargestellt,
bezeichnet T1, T'1,
respektive gebildet aus einer Selbstinduktivität 11, 11' des Wertes L, verbunden mit der Masse
und angeordnet zwischen zwei Kapazitäten 18, 19 und 18'19' des Wertes C, z.
B. Zellen 3λ/4
bildend, wobei λ die mit
fo verbundene Wellenlänge
ist.
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In Bezug auf die 1B und 2B werden
die elementaren Schaltschemen B,B' respektive umgebildet durch Austausch
der Zellen T1, T' 1
durch die Zellen in Π,
wie auf der 3B dargestellt
und Π1, Π'1 bezeichnet, respektive
gebildet aus einer Kapazität
21, 12' des Wertes
C, angeordnet zwischen zwei Selbstinduktivitäten 28, 29 und 28', 29', verbunden mit der
Masse, z. B. Zellen 3λ/4
bildend.
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Die elementaren Schaltschemen B,
B', die die Zellen
in Π enthalten,
werden unter Berücksichtigung
dessen vereinfacht, dass die Selbstinduktivitäten L und die Kapazitäten C parallel
zur Masse die Zellen L–C
bezeichnet K bilden, so wie die Zellen 28–14, 28'–14', 29–15 und
29'15' respektive die Zellen
K1, K'1, K2 und
K'2 bilden. Die
Zellen L-C werden als äquivalent
mit offenen Schaltungen mit der Mittelfrequenz fo betrachtet, woraus
die Schemen der Elementarschaltungen B,B', auf den 1C und 2C dargestellt, hervorgehen.
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Der Erfindung zufolge kann jedes
zuvor beschriebene elementare Schaltungspaar B,B' unterschiedslos zur Bildung einer der
Erfindung entsprechenden Kopplung verwendet werden, dank einer besonderen,
hiernach beschriebenen Anordnung. Umbildungen von Zellen in T in
Zellen in Π und
Vereinfachungen, um die Zellen L-C offen zu schalten, können nach
dieser besonderen Anordnung gemacht werden, wenn diese Änderungen
nicht vorher vorgenommen wurden.
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Diese passiven Elementarschaltungen
mit lokalisiertem Element B, B' bilden
eine Phasenverschiebfamilie mit der Aufgabe: zwischen ihrem ersten und
zweiten Ausgangspol, bezeichnet 3, 3' und 4, 4', um 180° phasenverschobene Signale zu
liefern, wenn man ein Wechselstromsignal an ihrem, ersten sogenannten
Differenz-Eingangspol Δ, Δ', hier bezeichnet
1, 1', anlegt, und
ein über
ihren zweiten, sogenannten Summier-Eingangspol Σ, Σ', hier bezeichnet 2, 2', ein summiertes
Signal zu liefern, wenn man Signale in Phase an ihren respektiven
Ausgangsklemmen 3, 3' und
4, 4' anlegt.
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Diese Eigenschaften werden für die besagte besondere,
der Erfindung entsprechende Anordnung verwendet.
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Ein erstes Beispiel betrifft symmetrische Kopplungsschaltungen,
von der besonderen Anordnung des vereinfachten elementaren Schaltungspaars
B, B' abgeleitet,
auf den 1C und 2C dargestellt. In Bezug
auf die 4A zur Bildung
einer um 180° phasenverschiebenden
symmetrischen Kopplung, bezeichnet So, werden die elementaren phasenverschiebenden
Schaltungen B, B' derart
angeschlossen, dass das zu koppelnde Wechselstromsignal am Differenzpol
des Eingangs 1 der ersten elementaren Schaltung B zur Bildung eines
ersten primären
Ports P1 angelegt wird; die ersten Ausgangspole 3', 3 der Elementarschaltungen
werden kreuzweise mit respektive den zweiten Ausgangspolen 4, 4' verbunden, um einen
ersten und einen zweiten sekundären
Port P4, P3 zu bilden; die Summier-Eingangspole 2 und 2' der beiden Elementarschaltungen werden
verbunden; der Differenz-Eingangspol 1' der zweiten Elementarschaltung B' bildet einen zweiten primären Port
P'1, über eine
an die Mittelfrequenz gebundene Impedanz Zo mit der Masse verbunden. Diese
Impedanz Zo ist z. B. ein Widerstand Ro, gebunden an das Verhältnis: Lω = 1/Cω = 2/2 Ro
wobei z. B. Ro = 50 Ω.
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In Bezug auf die 4B ist das Schaltschema So der 4A vereinfacht nach einem
Schema S'o, in dem
die Selbstinduktivitäten
12, 13' und 13, 12' des Wertes L der
elementaren phasenverschiebenden Schaltungen B, B' parallel geschaltet
sind, und die Kapazitäten
16, 16' des Wertes
2C sind parallel geschaltet. Der erste und der zweite sekundäre Port
P4, P3 werden respektive über
die Kapazitäten 17
und 17' des Wertes
2C an die Masse geführt.
In Bezug auf die 5A bis 5C resultiert das Schema der
vereinfachten Kopplungsschaltung S'o der 4B in
zwei Ausführungsformen
symmetrischer Koppler nach der Erfindung.
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In Bezug auf die 5A in einer ersten Ausführungsform
des symmetrischen Kopplers mit der Bezeichnung S resultieren die
Selbstinduktivitäten 12,
13' und 13, 12' des Wertes L der
elementaren phasenverschiebenden Schaltungen B, B' in paralleler Anordnung
in Selbstinduktivitäten
33, 32 halben Wertes L/2, und die Kapazitäten 16, 16' des Wertes 2C in paralleler Anordnung
resultieren in einer Kapazität
26 doppelten Wertes 4C. Die aus der Kapazität 26 des Wertes 4C gebildete
Zelle, zwischen den Selbstinduktivitäten 32,33 des Wertes L/2 angeordnet,
ist eine elementare Zelle in T, z. B. 3λ/4, bezeichnet T2, auf der 3C dargestellt.
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In Bezug auf die 5C in einer zweiten Ausführungsform
der symmetrischen Kopplung mit der Bezeichnung S' wird die Zelle T2 durch eine elementare
Zelle in Π ersetzt,
bezeichnet Π 2,
z. B. 3λ4, wie
auf der 3D dargestellt,
und gebildet aus einer Selbstinduktivität 36 des Wertes L/2, zwischen
zwei Kapazitäten
43, 42 der Werte 2C angeordnet.
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In dieser Anordnung und wie von dem
Schema der 8A dargestellt
enthalten die vereinfachten Kopplungen S und S' 4 Zweiganschlüsse b1, b2, b3 und b4 zur Bildung
einer kreisförmigen
Struktur, um die die primären
P1, P'1 und sekundären P4,
P3 Ports respektive diametral entgegengesetzt und symmetrisch angeordnet
sind. Die sekundären
Ports P4, P3 sind über
einen transversalen Zweig d, gebildet entweder aus der elementaren
Zelle T2 oder aus der elementaren Zelle Π2, und sind außerdem respektive über die
Kapazitäten
17, 17' des Wertes
2C mit der Masse verbunden. Der erste primäre Port P1 dient dem Wechselstromsignal,
und der zweite primäre
Port P'1 ist über die
Impedanz Zo mit der Masse verbunden.
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In Bezug auf die 5A, 5B wird
die kreisförmige
Struktur aus den Zweigen b1, b2, b3 und b4 gebildet, mit einer Wechselfolge
von Selbstinduktivitäten
10, 10' des Wertes
L in den gegenüberliegenden Zweigen
b1, b3 und von Kapazitäten
21, 21' des Wertes
C in den gegenüberliegenden
Zweigen b2, b4. Der transversale Zweig d enthält die Zellen T2 oder Π2, wie bereits
beschrieben. In der Schaltung S mit dem transversalen Zweig d mit
T2 sind die sekundären
Ports P4, P3 über
die Kapazitäten
17, 17' des Wertes
2C, wie auf der 5A gezeigt,
mit der Masse verbunden. In der Kopplungsschaltung S' mit dem transversalen
Zweig d mit Π2
ist der besagte Zweig d auf eine Selbstinduktivität 36 des
Wertes L/2 beschränkt,
und die sekundären
Ports P4, P3 sind über die
Kapazitäten
47, 47' des Wertes
4C, über
die Gruppierung der Kapazitäten
43 und 42 von dem transversalen Zweig d in Π, mit den respektive parallelen
Kapazitäten
17, 17', wie auf
der 5B gezeigt, mit
der Masse verbunden.
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Ein zweites Beispiel betrifft asymmetrische Kopplungsschaltungen
mit der Fähigkeit,
um 180° phasenverschobene
Ausgangssignale zu liefern. Diese Kopplungsschaltungen werden von
vereinfachten besonderen Anordnungen der Schaltungen S, S' der 5A und 5B abgeleitet.
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In Bezug auf die 6 wird in den Schaltungen S und S' der zweite primäre Port
P'1 mit der Masse
kurzgeschlossen (Zo = 0), woraus ein Schema mit asymnietrischer
Kopplungsschaltung ASo resultiert. Der Zweig b2 wird von der Kapazität 21' des Wertes C gebildet,
mit der Masse verbunden und parallel zur Kapazität 17 des Wertes 2C angeordnet,
und der Zweig b3 wird aus der Selbstinduktivität 10' des Wertes L gebildet, mit der Masse
verbunden. In dieser besonderen Anordnung wird die Kapazität 17' des Wertes 2C in
zwei parallele Kapazitäten
27' und 27", jede des Wertes
C, geteilt. Die Kapazität
27" ist mit der
Selbstinduktivität
10' des Wertes L
verbunden, um eine wie bereits beschrieben als offene Schaltung betrachtete
Zelle K3 zu bilden, um die Schemen der Kopplungsschaltungen AS und
AS' zu liefern.
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In Bezug auf die 7A und 7B enthalten die
asymmetrischen Kopplungsschaltungen AS und AS' in zwei Ausführungsformen zwei Zweige b1,
b4, die sich alleine vom primären
Port P1 zu den sekundären
Ports P3, P4 erstrecken und respektive eine Selbstinduktivität 10 des
Wertes L und eine Kapazität 21
des Wertes C enthalten. Die sekundären Ports sind über einen
transversalen Zweig d wir am ersten Beispiel beschrieben angeschlossen.
In der Schaltung AS sind die sekundären Ports P4, P3 über die Kapazität 37 des
Wertes 3C, über
die Gruppierung der parallelen Kapazitäten 17, 21' und über die Kapazität 27' des Wertes C, mit
der Masse verbunden. In der Schaltung AS' sind die sekundären Ports über die Kapazität 57 des
Wertes 5C, über
die Gruppierung der parallelen Kapazitäten 17, 21' und 43, und über die Kapazität 37' des Wertes 3C, über die
Gruppierung der parallelen Kapazitäten 27' und 42, mit der Masse verbunden.
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Bei der Erstellung von z. B. Halbleitervorrichtungen,
und insbesondere für
Telekommunikationssysteme mit einer Kopplungsschaltung nach der
Erfindung wie an dem Beispiel auf den 5A, 5B und 8A, 8B vorgeschlagen,
liegen die Vorteile darin, dass die Schaltungen kompakt sind, die
Selbstinduktivitäten
schwach sind, was Verluste begrenzt, die Anzahl der Massepunkte
in Bezug auf dem Stand der Technik nach bekannte Kopplungen vermindert
sind, was die Leistungen in Hoch- und Hyperfrequenz erhöht, die
Anschlüsse
erleichtert und die Integration vereinfacht und die Zuverlässigkeit
dieser Vorrichtungen steigert.
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Diese Kopplungsschaltungen sind sehr
vorteilhaft in Frequenzbereichen in der Höhe der Hochfrequenzen (etwa
100 MHz bis einige GHz) oder Hyperfrequenzen (etwa 1 GHz bis 30
GHz). Diese Kopplungsschaltungen wie S und S' sind breitbandig. Die Schaltung S' der 5B kann z. B. eine Bandbreite von 750
MHz bis 1,1 GHz oder aber von 24 GHz bis 40 GHz aufweisen.
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Die asymmetrischen Kopplungsschaltungen haben
theoretisch aufgrund der Tatsache, dass Zo = 0, auf Null reduzierte
Verluste. Die symmetrischen Kopplungen sind sehr vorteilhaft zum
Erzeugen komplementärer
Signale an doppelt abgeglichenen, in Telekommunikationssystemen
nützlichen
Mischern.
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In Bezug auf die 9 enthält an einem dritten Beispiel
eine Vorrichtung zwei Kopplungen mit der Bezeichnung S1, S2 eines
des an den vorhergehenden Beispielen beschriebenen Typs in Verbindung
mit zwei Verstärkern
mit der Bezeichnung A1, A2 eines dem Fachmann bekannten Typs, um
eine abgeglichene, in Telekommunikationssystemen, und insbesondere
für Hochfrequenzempfänger nützliche Verstärkervorrichtung
zu bilden. Es wird z. B. ein Hochfrequenzsignal HF an den ersten
primären
Port P1 des Kopplers S1 geführt.
Die sekundären
Ports P4,P3 sind mit den Eingängen
I1, I2 der beiden Verstärker
A1, A2 verbunden, deren Ausgänge
01,02 mit den sekundären
Ports Q4, Q3 der zweiten Kopplung S2 verbunden sind. Der Ausgang
so gebildeten des abgeglichenen Verstärkers ist am ersten Differenz-Port
der zweiten Kopplung S2 verfügbar.
Die zweiten primären
Ports P'1, Q'1 sind über eine
Impedanz Zo mit der Masse verbunden.
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Die hiervor beschriebenen Schaltungen
und Vorrichtungen werden vorzugsweise mit der Halbleiteriechnologie
für integrierie
monolithische Hyperfrequenzschaltungen (MMIC) verwirklicht.