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Title:
DIRECTIONAL COUPLER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/185424
Kind Code:
A1
Abstract:
A directional coupler (100) having an improved coupling and directional accuracy comprises: - a main line (1), which is designed to transmit a signal having a frequency in the range of 1-200 MHz, a power greater than 1 kW and a voltage greater than 200 V, and - at least one secondary line (2), which is electromagnetically coupled to the main line (1) in a coupling region (K) and has an output (3) for outputting an output signal, wherein a) the main line in the coupling region extends in a straight line in a longitudinal direction (LR), b) the main line has a width of at least 3 mm in a width direction (BR) perpendicular to the longitudinal direction (LR), c) the longitudinal direction (LR) and the width direction (BR) define a main line plane, d) the secondary line (2) has a first secondary line portion (2a) and a second secondary line portion (2b), which are arranged in different parallel planes, e) the first secondary line portion is arranged in a plane that is spaced apart from the main line plane and that is parallel to the main line plane.

Inventors:
WANGLER, Christian (Neumatten 4, March, 79232, DE)
Application Number:
EP2019/056996
Publication Date:
October 03, 2019
Filing Date:
March 20, 2019
Export Citation:
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Assignee:
TRUMPF HÜTTINGER GMBH + CO. KG (Bötzinger Strasse 80, Freiburg, 79111, DE)
International Classes:
H01P5/18
Domestic Patent References:
WO2008095708A12008-08-14
WO2013143537A12013-10-03
WO2017001596A12017-01-05
Foreign References:
JPH0955608A1997-02-25
US2749519A1956-06-05
US20180070196A12018-03-08
CN1747226A2006-03-15
US7132906B22006-11-07
EP1837946A12007-09-26
DE102007006225A12008-08-14
DE102008005204A12009-07-23
DE202011051371U12011-10-11
Other References:
JIA-LIANG CHEN ET AL: "A high-directivity microstrip directional coupler with feedback compensation", 2002 IEEE MTT-S INTERNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM DIGEST (CAT. NO.02CH37278) IEEE PISCATAWAY, NJ, USA; [IEEE MTT-S INTERNATIONAL MICROWAVE SYMPOSIUM], IEEE, 2 June 2002 (2002-06-02), pages 101 - 104vol.1, XP032408207, ISBN: 978-0-7803-7239-9, DOI: 10.1109/MWSYM.2002.1011569
Attorney, Agent or Firm:
TRUMPF PATENTABTEILUNG (TRUMPF GmbH & Co. KG, TH501 Patente und LizenzenJohann-Maus-Strasse 2, Ditzingen, 71254, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Richtkoppler (100, 200, 300) mit

- einer Hauptleitung (1), die ausgelegt ist, ein Signal mit einer Frequenz im Bereich 1 - 200 MHz, einer Leistung > 1 kW und einer Spannung > 200 V zu übertragen, und

- zumindest einer in einem Koppelbereich (K) mit der Hauptleitung (1) elektromagnetisch gekoppelten Nebenleitung (2, 2 2"), die einen Aus- gang (3) zur Ausgabe eines Ausgabesignals aufweist, wobei a) sich die Hauptleitung (1) im Koppelbereich (K) in einer

Längsrichtung (LR) geradlinig erstreckt,

b) die Hauptleitung (1) in einer zur Längsrichtung (LR)

senkrechten Breitenrichtung (BR) eine Breite von min- destens 3 mm aufweist,

c) die Längsrichtung (LR) und die Breitenrichtung (BR) eine

Hauptleitungsebene definieren,

d) die Nebenleitung (2, 2 2") einen ersten Nebenleitungs- abschnitt (2a, 2a', 2a”) und einen zweiten Nebenlei- tungsabschnitt (2b, 2b”, 2b”) aufweisen, die in unter- schiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sind,

e) der erste Nebenleitungsabschnitt (2a, 2a', 2a”) in einer

von der Hauptleitungsebene beabstandeten zur Haupt- leitungsebene parallelen Ebene angeordnet ist.

2. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Nebenleitungsabschnitt (2b, 2b', 2b”) in der Hauptleitungsebene beab- standet von der Hauptleitung (1) angeordnet ist.

3. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der erste Nebenleitungsabschnitt (2a, 2a', 2a”) zumindest abschnittsweise zu der Hauptleitung (1) überlappend angeordnet ist. 4. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der erste und der zweite Nebenleitungsabschnitt (2a, 2b) elektrisch in Serie geschaltet sind.

5. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Nebenleitungsabschnitt (2a'', 2b”) elektrisch parallel geschaltet sind.

6. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Nebenleitungsabschnitt (2a') als mit dem zweiten Nebenlei- tungsabschnitt (2b') elektrisch leitend verbundene Kapazitätsfläche (4) aus- gebildet ist.

7. Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass der erste Nebenleitungsabschnitt (2a') als von dem zweiten Nebenleitungsabschnitt (2b') ausgehende Stichleitung ausgebildet ist.

8. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass zumindest ein Nebenleitungsabschnitt (2a, 2a', 2a", 2b, 2b', 2b"), insbesondere der erste Nebenleitungsabschnitt, in der Breitenrichtung eine geringere Breite aufweist als die Hauptleitung (1).

9. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Nebenleitung (2, 2', 2") ausgelegt ist, weniger als ein Hundertstel, insbesondere weniger als ein Tausendstel, vorzugsweise weni- ger als ein Zehntausendstel der auf der Hauptleitung (1) übertragenen Leis- tung auszukoppeln.

10. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Richtkoppler (100, 200, 300) ein Substrat aufweist und die Hauptleitung (1) zumindest im Koppelbereich (K) im Inneren des Sub- strats angeordnet ist.

11. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Nebenleitungsabschnitt (2a, 2a', 2a", 2b, 2b', 2b") zu- mindest im Koppelbereich (7) schleifenfrei verläuft.

12. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass einer der Nebenleitungsabschnitte (2a, 2a', 2a'') überwie- gend elektrisch und einer der Nebenleitungsabschnitte (2b, 2b', 2b'') über- wiegend magnetisch mit der Hauptleitung (1) gekoppelt ist.

13. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass sich zumindest ein Nebenleitungsabschnitt (2a, 2a", 2b, 2b', 2b")in Längsrichtung erstreckt.

14. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Nebenleitung (2, 2', 2") zu der Hauptleitung (1) elektrisch isoliert ist.

15. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine zweite Nebenleitung (20, 20', 20") vorgesehen ist.

16. Richtkoppler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Nebenleitung (20, 20', 20") gleich wie die erste Nebenleitung (2, 2', 2") ausgebildet ist.

17. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Abmessungen des Richtkopplers (100, 200, 300) um mehr als den Faktor 10 kleiner sind als die Wellenlänge der Frequenz, bei der der Richtkoppler (100, 200, 300) betrieben wird.

18. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Richtkoppler (100, 200, 300) auf einer mehrlagigen Lei- terkarte (7) realisiert ist.

19. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Richtkoppler eine Masselage (6), eine Lage in der der erste Nebenleitungsabschnitt (2a, 2a', 2a") angeordnet ist, eine Lage, in der die Hauptleitung (1) und der zweite Nebenleitungsabschnitt (2b, 2b', 2b") angeordnet sind und eine Schaltungslage aufweist.

20. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Lei- tung 21 zwischen dem Ausgang (3) und dem ersten und/oder zweiten Nebenlei- tungsabschnitt vorgesehen ist.

21. Richtkoppler nach Anspruch 20, wobei die Leitung vom Ausgang (3) zum ersten Nebenleitungsabschnitt und die Leitung vom Ausgang (3) zum zweiten Nebenleitungs- abschnitt ganz oder zum Teil zusammengeführt sind. 22. Richtkoppler nach Anspruch 20, wobei die Leitung vom Ausgang zum ersten Ne- benleitungsabschnitt und die Leitung vom Ausgang (3) zum zweiten Nebenleitungsab- schnitt sich vor Erreichen der Nebenleitungsabschnitte verzweigen.

23. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche inklusive seiner Verwendung als Leistungsmessvorrichtung in einem Leistungsgenerator, insbesondere zur Versor- gung eines Plasmas, mit einem Signal mit einer Frequenz im Bereich 1-200 MHz, einer Leistung > 1 kW und einer Spannung > 200 V.

24. Leistungsmessvorrichtung mit einem Richtkoppler nach einem der vorher- gehenden Ansprüche und einem HF-Leistungserzeuger zur Versorgung eines Plasmas, wobei vorzugsweise ein Signal bei einer Frequenz in einem Bereich von 1-200 MHz, einer Leistung > 1 kW und einer Spannung > 200 V gemes- sen werden kann. 25. Leistungsmessvorrichtung nach Anspruch 24, wobei der Richtkoppler zwi- schen dem HF-Leistungserzeuger und einer Plasmakammer angeordnet ist und insbesondere ausgelegt ist, als Teil des HF-Leistungserzeugers für des- sen Steuerung verwendet werden zu können.

Description:
Richtkoppler

Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler mit einer Hauptleitung, die ausgelegt ist, ein Signal mit einer Frequenz im Bereich 1-200 MHz, einer Leistung > 1 kW und einer Spannung > 200 V zu übertragen, und zumindest einer in einem Koppelbe- reich mit der Hauptleitung elektromagnetisch gekoppelten Nebenleitung, die einen Ausgang zur Ausgabe eines Ausgabesignals aufweist.

Hochfrequenzgeneratoren werden dafür eingesetzt, eine Hochfrequenzleistung zu erzeugen und an eine Last zu liefern. Als Last kommen beispielsweise Plasmapro- zesse, wie Plasma beschichten und Plasma ätzen, oder Laserprozesse (Laseranre- gung) in Frage. Da sich die Impedanz der Last ändern kann und es somit bei Fehl- anpassung zur (teilweisen) Reflektion der von dem Hochfrequenzgenerator gelie- ferten Leistung kommen kann, wird häufig nicht die gesamte von dem Hochfre- quenzgenerator gelieferte Leistung in der Last (dem Plasma) absorbiert. Um die in die Last gelieferte Hochfrequenzleistung genau einstellen bzw. regeln zu können, ist es wünschenswert, die in der Last absorbierte Leistung zu bestimmen. Um sowohl die in Richtung Last gelieferte Hochfrequenzleistung als auch die re- flektierte Leistung erfassen zu können, ist es bekannt, Richtkoppler einzusetzen, die neben einer Hauptleitung, über die die Hochfrequenzleistung in Richtung Last gesendet wird, zwei Nebenleitungen aufweisen. Über eine Nebenleitung kann dabei die in Richtung Last gelieferte Leistung gemessen werden und über die andere Nebenleitung kann die reflektierte Leistung gemessen werden. Aufgrund der Lie- ferung der Hochfrequenzleistung über die Hautleitung entstehen elektromagneti- sche Felder, die auf die Nebenleitungen gekoppelt werden, so dass an den Neben- leitungen ein Messsignal erfasst werden kann, welches mit der Leistung auf der Hauptleitung in Beziehung steht. Mit dem Begriff Richtschärfe (gleichbedeutend mit Richtwirkung, directivity) wird die Qualität der Messung beschrieben. Ziel ist es, auf der einen Nebenleitung möglichst nur Anteile der in Richtung Last geliefer- ten Leistung zu detektieren und mit der anderen Nebenleitung möglichst nur An- teile der reflektierten Leistung zu detektieren. In der Praxis wird dies jedoch nicht vollständig erreicht. Das bedeutet, dass mit der einen Nebenleitung, mit der nur die in Richtung Last gelieferte Leistung detektiert werden soll, auch immer ein kleiner Anteil der reflektierten Leistung detektiert wird. Mit der Richtschärfe wird das Verhältnis von der Leistungsdetektion des gewünschten Signals zu der Leis- tungsdetektion des unerwünschten Signals bezeichnet. Die Richtschärfe sollte möglichst groß sein.

Leistungsrichtkoppler, die als mehrlagige Leiterkarte realisiert werden, stehen vor dem Problem, dass bei Frequenzen > 40 MHz die elektrische und magnetische Kopplung allgemein sehr hoch und deswegen das Koppelverhältnis zwischen der magnetischen und elektrischen Kopplung bei herkömmlichen Koppelstrukturen ungleichmäßig sind. Somit ist ein Richtkoppler mit guter Richtschärfe nur schwer realisierbar. Liegt die Nebenleitung unterhalb der Hauptleitung, ist die elektrische Kopplung im Vergleich zur magnetischen Kopplung zu hoch. Liegt die Nebenleitung auf der gleichen Ebene wie die Hauptleitung, ist die elektrische Kopplung zu gering.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Richtkoppler bereitzustellen, der eine gute Kopplung und eine hohe Richtschärfe aufweist. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Richtkoppler mit einer Hauptleitung, die ausgelegt ist, ein Signal mit einer Frequenz im Bereich 1- 200 MHz, einer Leistung > 1 kW und einer Spannung > 200 V zu übertragen und zumindest einer in einem Koppelbereich mit der Hauptleitung elektromagnetisch gekoppelten Nebenleitung, die einen Ausgang zur Ausgabe eines Ausgabesignals aufweist, wobei a) sich die Hauptleitung im Koppelbereich in einer Längsrich- tung geradlinig erstreckt, b) die Hauptleitung in einer zur Längsrichtung senkrechten

Breitenrichtung eine Breite von mindestens 3 mm aufweist, c) die Längsrichtung und die Breitenrichtung eine Hauptlei- tungsebene definieren, d) die Nebenleitung einen ersten Nebenleitungsabschnitt und

einen zweiten Nebenleitungsabschnitt aufweisen, die in un- terschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sind, e) der erste Nebenleitungsabschnitt in einer von der Hauptleis- tungsebene beabstandeten zur Hauptleitungsebene paralle- len Ebene angeordnet ist.

Die Ausgestaltung der Hauptleitung mit einer Breite von mindestens 3 mm ge- währleistet, dass der Richtkoppler geeignet ist, ein Signal mit einer Frequenz im Bereich von 1-200 MHz, einer Leistung > 1 kW und einer Spannung > 200 V zu übertragen. Dieses Signal kann insbesondere für eine elektrische Leistungsüber- tragung zur Anregung eines Plasmas verwendet werden. Der Richtkoppler kann dazu zwischen einem HF-Leistungserzeuger und einer Plasmakammer angeordnet sein und insbesondere als Teil des HF-Leistungserzeugers für dessen Steuerung verwendet werden. Das Vorsehen einer Nebenleitung mit mehreren Nebenlei- tungsabschnitten, die in unterschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sind, führt dazu, dass ein Nebenleitungsabschnitt für eine überwiegend elektrische Kopplung und ein Nebenleitungsabschnitt für eine überwiegend magnetische Kopplung eingesetzt werden kann. Dadurch lässt sich eine sehr hohe Richtschärfe realisieren. Würde nur ein Nebenleitungsabschnitt für eine elektrische Kopplung vorgesehen, so würde dieser Abschnitt nur eine sehr schlechte Richtschärfe erzie- len, da die magnetische Kopplung zu gering ist. Würde andererseits die Nebenlei- tung so positioniert, dass eine überwiegend magnetische Kopplung erfolgt, so wäre die elektrische Kopplung zu klein und auch so keine gute Richtschärfe erzielbar. Durch die Kombination von zwei Nebenleitungsabschnitten in unterschiedlichen Höhenebenen des Richtkopplers, können die beiden Vorteile miteinander kombi- niert und die Nachteile minimiert werden. Für einen Richtkoppler mit hoher Richtschärfe müssen die elektrische und magne- tische Feldkopplung, die auf die Nebenleitung wirken, im richtigen Verhältnis zu- einander stehen. Zwischen Hauptleitung und Masse bildet sich das elektromagne- tische Feld aus und es gilt eine Geometrie für die Nebenleitung zu finden und zu platzieren, die zur gewünschten Kopplung und einer hohen Richtschärfe führt. Bei Richtkopplern für große Leistungen (> 1 kW) sind die Felder sehr stark und die Kopplungsgeometrie muss entsprechend klein gewählt werden.

Der zweite Nebenleitungsabschnitt kann in der Hauptleitungsebene beabstandet von der Hauptleitung angeordnet sein. Der zweite Nebenleitungsabschnitt befindet sich somit in derselben Ebene wie die Hauptleitung und verläuft insbesondere pa- ra Mel zur Hauptleitung. Dadurch kann eine überwiegend magnetische Kopplung realisiert werden.

Der erste Nebenleitungsabschnitt kann zumindest abschnittsweise zur Hauptlei- tung überlappend angeordnet sein. Der zweite Nebenleitungsabschnitt befindet sich somit im Bereich der Hauptleitung über oder unter der Hauptleitung. Dadurch kann eine überwiegend elektrische Kopplung realisiert werden.

Der erste und der zweite Nebenleitungsabschnitt können elektrisch in Serie ge- schaltet sein. Alternativ können der erste und der zweite Nebenleitungsabschnitt elektrisch parallel geschaltet sein. Eine weitere Alternative sieht vor, dass der erste Nebenleitungsabschnitt als mit dem zweiten Nebenleistungsabschnitt elektrisch leitend verbundene Kapazitätsfläche ausgebildet ist. Dadurch kann eine besonders gute elektrische, insbesondere kapazitive, Kopplung zur Hauptleitung realisiert werden.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der erste Nebenleitungsabschnitt als von dem zweiten Nebenleitungsabschnitt ausgehende Stichleitung ausgebildet ist. Die Stichleitung reicht dabei bis in den Bereich der Hauptleitung, endet also unterhalb der Hauptleitung, um eine möglichst gute elektrische bzw. kapazitive Kopplung zu realisieren.

Eine Verbesserung der Richtschärfe kann weiterhin dadurch erreicht werden, dass zumindest ein Nebenleitungsabschnitt, insbesondere der erste Nebenleitungsab- schnitt, in der Breitenrichtung eine geringere Breite aufweist als die Hauptleitung. Durch die Wahl des Breitenverhältnisses von Hauptleitung und Nebenleitungsab- schnitt kann insbesondere die kapazitive Kopplung eingestellt werden. Die Neben- leitung kann ausgelegt sein, weniger als ein Hundertstel, insbesondere weniger als ein Tausendstel, vorzugsweise weniger als ein Zehntausendstel der auf der Haupt- leitung übertragenen Leistung auszukoppeln. Somit entsteht ein am Richtkoppler ausgegebenes Messsignal, welches gut weiterverarbeitet werden kann.

Der Richtkoppler kann ein Substrat aufweisen und die Hauptleitung kann zumin- dest im Koppelbereich im Inneren des Substrats angeordnet sein. Als Substrat kann beispielsweise eine Leiterkarte, insbesondere eine mehrlagige Leiterkarte, vorgesehen sein. Eine hohe Spannung auf der Hauptleitung gegenüber Masse kann zu hohen elektrischen Feldstärken an den Kanten der Hauptleitung führen. Bei einer Verlegung der Hauptleitung auf der Ober- oder Unterseite des Substrats kann an den Kanten der Hauptleitung, verursacht durch die hohen Feldstärken, eine Korona-Entladung, die sich negativ auf die Zuverlässigkeit und Messgenauigkeit auswirkt, auftreten. Außerdem führt sie zur Zerstörung des Substrats und der Hauptleitung selbst, was weiter zu einer Messwertverfälschung führt. Um die Feld- stärke zu reduzieren, können die Kanten abgerundet werden. Dies kann für be- stimmte Anwendungen vorteilhaft sein, ist aber ein aufwändiger und teurer Pro- zess. Die oben beschriebenen Probleme können vermieden werden, wenn die Hauptleitung im Inneren des Substrats angeordnet ist, also umfangsmäßig von Substratmaterial umgeben ist. Ein Nebenleitungsabschnitt kann zumindest im Koppelbereich schleifenfrei verlau- fen. Mit dem Begriff „schleifenfrei" ist gemeint, dass ein Nebenleitungsabschnitt keinen rücklaufenden Anteil aufweist. Ein schleifenförmiger Verlauf wäre ein Ver- lauf des Nebenleitungsabschnitts in eine Richtung entlang der Hauptleitung und dann die Richtung wechselnd, um in entgegengesetzter Richtung weiterzulaufen, um dann evtl wieder in die erste Richtung zu verlaufen. Ein schleifenfreier Neben- leitungsabschnitt muss dabei nicht zwingend geradlinig verlaufen, er kann auch kurvenförmig, mäanderförmig oder zickzackförmig verlaufen. Parallel verlaufende und parallel geschaltete Nebenleitungsabschnitte können zu einem Nebenleitungs- abschnitt zusammengefasst werden. Ein solcher Nebenleitungsabschnitt stellt im Sinne der Erfindung ebenfalls keine Schleife dar und wird im Sinne der Erfindung als schleifenfreier Verlauf angesehen.

Weitere Vorteile ergeben sich, wenn einer der Nebenleitungsabschnitte überwie- gend elektrisch und einer der Nebenleitungsabschnitte überwiegend magnetisch mit der Hauptleitung gekoppelt ist. Dadurch können die Vorteile sowohl einer elektrischen als auch einer magnetischen Kopplung vereint werden.

Zumindest ein Nebenleitungsabschnitt kann sich in Längsrichtung der Hauptleitung erstrecken. Insbesondere kann sich ein Nebenleitungsabschnitt parallel zur Erstre- ckungsrichtung der Hauptleitung erstrecken. Die Nebenleitung kann zur Hauptleitung elektrisch isoliert sein. Somit kann ein Gleichstrom zwischen der Nebenleitung und der Hauptleitung soweit reduziert wer- den, dass er zu keiner Verfälschung des Messergebnisses mehr führen kann.

Eine Leitung kann vom Ausgang zum ersten und/oder zweiten Nebenleitungsab- schnitt führen. Mit der Länge und Breite dieser Leitung kann eine Induktivität und/oder eine Phasenverschiebung eingestellt werden.

Eine Leitung kann vom ersten zum zweiten Nebenleitungsabschnitt führen. Mit der Länge und Breite dieser Leitung kann eine Induktivität und/oder eine Phasenver- schiebung eingestellt werden. Die Leitung vom Ausgang zum ersten Nebenleitungsabschnitt und die Leitung vom Ausgang zum zweiten Nebenleitungsabschnitt können ganz oder zum Teil zusam- mengeführt sein. Die Leitung vom Ausgang zum ersten Nebenleitungsabschnitt und die Leitung vom Ausgang zum zweiten Nebenleitungsabschnitt können sich vor Erreichen der Nebenleitungsabschnitte verzweigen.

Es kann eine zweite Nebenleitung vorgesehen sein. Somit kann eine Nebenleitung vorgesehen sein, um ein in der ersten Richtung übertragenes Signal auf der Haupt- leitung zu messen und eine zweite Nebenleitung kann vorgesehen sein, um ein in entgegengesetzter Richtung auf der Hauptleitung übertragenes Signal zu messen. Die zweite Nebenleitung kann gleich wie die erste Nebenleitung ausgebildet sein. Somit kann ein symmetrischer Aufbau des Richtkopplers realisiert werden. Die Vorteile für die Messung mit der ersten Nebenleitung gelten dann auch für die Messung mit der zweiten Nebenleitung.

Die Abmessungen des Richtkopplers können um mehr als den Faktor 10 kleiner sein als die Wellenlänge der Frequenz, bei der der Richtkoppler betrieben wird. Dadurch ergibt sich eine kompakte Ausgestaltung des Richtkopplers. Zudem fallen Ungenauigkeiten beim Herstellungsprozess weniger ins Gewicht. Außerdem wird eine ungleichmäßige Temperaturverteilung reduziert. So kann die Messgenauigkeit des Richtkopplers weiter verbessert werden. Wie bereits erwähnt, kann der Richtkoppler auf einer mehrlagigen Leiterkarte re- alisiert sein. Der Lagenaufbau könnte dabei folgendermaßen aussehen : Als un- terste Lage kann eine Masselage vorgesehen sein. In der darüber liegenden Lage kann ein erster Nebenleitungsabschnitt angeordnet sein. In einer weiteren Lage können ein zweiter Nebenleitungsabschnitt und die Hauptleitung angeordnet sein. Darüber kann wiederum eine Masse- und Schaltungslage vorgesehen sein. Mit ei- nem solchen Leiterkartenaufbau, der automatisiert hergestellt werden kann, wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit erzielt.

Als Basismaterial für die Leiterkarten kann beispielsweise eine mit Epoxidharz ge- tränkte Glasfasermatte mit der Materialkennung FR4 vorgesehen sein. FR4 hat eine bessere Kriechstromfestigkeit und bessere Hochfrequenzeigenschaften sowie eine geringere Wasseraufnahme als Hartpapier mit der Materialkennung FR2. Ver- wendung finden kann auch ein Basismaterial mit noch besseren Hochfrequenzei- genschaften wie z.B. Teflon, Aluminiumoxid oder Keramik in LTCC (Low Tempe- rature Cofired Ceramics, dt. : Niedertemperatur-Einbrand-Keramiken) und HTCC (High Temperature Cofired Ceramics dt. Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik) z.B. mit den Firmenbezeichnungen : Rogers RO4350, R04835 oder ArlonTC350. Grund- sätzlich sind jedoch auch andere Leiterkartenmaterialien denkbar. Mit einem sol- chen Leiterkartenaufbau, der automatisiert hergestellt werden kann, wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit erzielt. Eine besonders gute Wärmeabführung und damit hohe Zuverlässigkeit und Mess- genauigkeit kann mit Basismaterialien mit Metallkernen wie Aluminium oder Kup- fer erzielt werden.

Die Dicke der Leiterkarte kann weniger als 6 mm, vorzugsweise 4-5 mm, betragen. Die Breite der Nebenleitung beträgt vorzugsweise mehr als 100 pm. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Nebenleitung bei einem Ätzprozess nicht verse- hentlich aufgrund üblicher Ätztoleranzen zu schmal ausgeführt wird bzw. vollstän- dig unterbrochen wird. Mit einem solchen Leiterkartenaufbau, der automatisiert hergestellt werden kann, wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Messgenauigkeit erzielt. Der Richtkoppler kann als Leistungsmessvorrichtung in einem Leistungsgenerator, insbesondere zur Versorgung eines Plasmas, verwendet werden, wobei vorzugs- weise ein Signal bei einer Frequenz in einem Bereich von 1-200 MHz, einer Leis- tung > 1 kW und einer Spannung > 200 V gemessen werden kann.

Ähnliche Richtkoppler und deren Anwendungen sind z.B. beschrieben in : EP 1 837 946 Bl, DE 10 2007 006 225 Al, DE 10 2008 005 204 Al,

WO 2008/095708 Al, DE 20 2011 051 371 Ul, WO 2013/143537 Al, WO 2017/001596 Al. Die vorliegende Erfindung ist geeignet, solche Richtkoppler und deren Anwendungen zu verbessern und die Kopplung und zugleich die Richt- schärfe dieser Richtkoppler zu steigern. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.

In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in ver- schiedenen Stadien der Benutzung dargestellt und in der nachfolgenden Beschrei- bung näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform ei- nes Richtkopplers;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Richtkoppler der Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform

eines Richtkopplers;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Richtkoppler der Fig. 3;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform

eines Richtkopplers;

Fig. 6 eine Draufsicht auf den Richtkoppler der Fig. 5.

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform ei- nes Richtkopplers; Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Leiterkarte 7, auf der eine Richtkoppler 100 im Bereich zwischen den Linien A, B ausgebildet ist. Der Richtkoppler 100 weist eine Hauptleitung 1 auf, die ausgelegt ist, ein Signal mit einer Frequenz im Bereich 1-200 MHz, einer Leistung > 1 kW und einer Spannung > 200 V zu übertragen. In einem Koppelbereich K ist eine Nebenleitung 2 vorgesehen, die mit der Hauptlei- tung 1 elektromagnetisch gekoppelt ist. Die Nebenleitung 2 weist einen Ausgang 3 zur Ausgabe eines Ausgabesignals auf. Die Hauptleitung 1 erstreckt sich im Kop- pelbereich K in einer Längsrichtung LR geradlinig. In einer zur Längsrichtung LR senkrechten Breitenrichtung BR weist die Hauptleitung 1 eine Breite von mindes- tens 3 mm auf. Die Längsrichtung LR und die Breitenrichtung BR definieren eine Hauptleitungsebene. Die Nebenleitung 2 weist einen ersten Nebenleitungsab- schnitt 2a und einen zweiten Nebenleitungsabschnitt 2b auf, die in unterschiedli- chen parallelen Ebenen angeordnet sind. Dabei ist der erste Nebenleitungsab- schnitt 2a in einer von der Hauptleitungsebene beabstandeten und zur Hauptlei- tungsebene parallelen Ebene angeordnet. Insbesondere ist der erste Nebenlei- tungsabschnitt 2a im gezeigten Ausführungsbeispiel unterhalb der Hauptleitung 1 angeordnet und überlappt diese somit. Die Nebenleitung 2 und insbesondere der Nebenleitungsabschnitt 2a ist schmaler ausgebildet als die Hauptleitung 1. Der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b ist elektrisch in Serie zum ersten Nebenleitungs- abschnitt 2a geschaltet. Der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b ist in der Hauptlei- tungsebene angeordnet. Der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b ist parallel beab- standet von der Hauptleitung 1 angeordnet. Durch den ersten Nebenleitungsab- schnitt 2a erfolgt eine im Wesentlichen elektrische Kopplung mit der Hauptlei- tung 1. Durch den zweiten Nebenleitungsabschnitt 2b erfolgt eine im Wesentlichen magnetische Kopplung mit der Hauptleitung 1.

Die Nebenleitung 2 ist dafür vorgesehen, ein Signal, welches in einer Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird, zu messen. Eine analog ausgebildete Neben- leitung 20 ist dafür vorgesehen, ein Signal, welches in entgegengesetzter Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird, zu messen. Der Richtkoppler 100 ist auf einem als Leiterkarte 7 ausgebildeten Substrat reali- siert. Insbesondere handelt es sich bei der Leiterkarte 7 um eine mehrlagige Lei- terkarte. Die unterste Lage 6 kann als Masselage ausgebildet sein. Die Hauptleitung 1 und/oder die Nebenleitungen 2 oder 3 können im Inneren des Sub- strats 7 angeordnet sein. Dadurch können sie vor äußeren Einflüssen geschützt angeordnet sein. Außerdem können Korona-Entladungen auf der Hauptleitung 1 vermieden werden. Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß der Fig. 1. Hier wird nochmals deutlich, dass der erste Nebenleitungsabschnitt 2a überlappend zur Hauptleitung 1 angeordnet ist und der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b neben der Hauptleitung 1 angeordnet ist. Auch ist deutlich zu erkennen, dass die Ne- benleitungsabschnitte 2a, 2b in Serie geschaltet sind. Eine entsprechende Anord- nung ergibt sich für die Nebenleitungsabschnitte 20a, 20b der zweiten Nebenlei- tung 20. Außerdem ist erkennbar, dass der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b breiter ausgebildet ist als der erste Nebenleitungsabschnitt 2a. Grundsätzlich gilt - für alle Ausführungsformen - dass der erste Nebenleitungsabschnitt 2a und der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b unterschiedliche Breiten aufweisen können. Es ist jedoch auch denkbar, dass sie dieselbe Breite aufweisen.

Die Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Richtkopplers 200, der auf einer Leiterkarte 7 im Bereich zwischen den Linien A, B ausgebildet ist. Der Richt- koppler 200 weist eine Hauptleitung 1 auf, die ausgelegt ist, ein Signal mit einer Frequenz im Bereich 1-200 MHz, einer Leistung > 1 kW und einer Spannung > 200 V zu übertragen. In einem Koppelbereich K ist eine Nebenleitung 2' vorgesehen, die mit der Hauptleitung 1 elektromagnetisch gekoppelt ist. Die Nebenleitung 2' weist einen Ausgang 3 zur Ausgabe eines Ausgabesignals auf. Die Hauptleitung 1 erstreckt sich im Koppelbereich K in einer Längsrichtung LR geradlinig. In einer zur Längsrichtung LR senkrechten Breitenrichtung BR weist die Hauptleitung 1 eine Breite von mindestens 3 mm auf. Die Längsrichtung LR und die Breitenrichtung BR definieren eine Hauptleitungsebene. Die Nebenleitung 2' weist einen ersten Ne- benleitungsabschnitt 2a' und einen zweiten Nebenleitungsabschnitt 2b' auf, die in unterschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sind. Dabei ist der erste Neben- leitungsabschnitt 2a' in einer von der Hauptleitungsebene beabstandeten und zur Hauptleitungsebene parallelen Ebene angeordnet. Insbesondere ist der erste Ne- benleitungsabschnitt 2a' im gezeigten Ausführungsbeispiel abschnittsweise unter- halb der Hauptleitung 1 angeordnet und überlappt diese somit. Die Nebenleitung 2' und insbesondere der Nebenleitungsabschnitt 2a' ist schmaler ausgebildet als die Hauptleitung 1. Der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b' ist in der Hauptleitungs- ebene angeordnet. Der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b' ist parallel beabstandet von der Hauptleitung 1 angeordnet. Durch den ersten Nebenleitungsabschnitt 2a' erfolgt eine im Wesentlichen elektrische Kopplung mit der Hauptleitung 1. Durch den zweiten Nebenleitungsabschnitt 2b' erfolgt eine im Wesentlichen magnetische Kopplung mit der Hauptleitung 1.

Der erste Nebenleitungsabschnitt 2a' geht als Stichleitung von dem zweiten Ne- benleitungsabschnitt 2b' ab und endet in einer Kapazitätsfläche 4, die unterhalb der Hauptleitung 1 angeordnet ist. Somit ist die Kapazitätsfläche 4 überlappend zur Hauptleitung 1 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei erste Nebenleitungsabschnitte 2a' dargestellt. Für die Funktion des Richtkopplers 200 könnte es ausreichend sein, lediglich eine der ersten Nebenleitungsabschnitte 2a' vorzusehen. Die Nebenleitung 2' ist dafür vorgesehen, ein Signal, welches in einer Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird, zu messen. Eine analog ausgebildete Neben- leitung 20' ist dafür vorgesehen, ein Signal, welches in entgegengesetzter Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird, zu messen.

Der Richtkoppler 200 ist auf einem als Leiterkarte 7 ausgebildeten Substrat reali- siert. Insbesondere handelt es sich bei der Leiterkarte 7 um eine mehrlagige Lei- terkarte. Die unterste Lage 6 kann als Masselage ausgebildet sein. Die Hauptlei- tung 1 und/oder die Nebenleitungen 2' oder 20' können im Inneren des Substrats 7 angeordnet sein. Dadurch können sie vor äußeren Einflüssen geschützt angeord- net sein. Außerdem können Korona-Entladungen auf der Hauptleitung 1 vermieden werden.

Die Fig. 4 hat die Draufsicht auf die Anordnung gemäß der Fig. 3. Hier ist auch zu erkennen, dass der erste Nebenleitungsabschnitt 2a' zum einen deutlich schmaler ausgebildet ist als die Hauptleitung 1 und zum anderen eine andere Breite aufweist als der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b', insbesondere schmaler ausgebildet ist. Die Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Richtkopplers 300, der auf einer Leiterkarte 7 im Bereich zwischen den Linien A, B ausgebildet ist. Der Richtkoppler 300 weist eine Hauptleitung 1 auf, die ausgelegt ist, ein Signal mit einer Frequenz im Bereich 1-200 MHz, einer Leistung > 1 kW und einer Spannung > 200 V zu übertragen. In einem Koppelbereich K ist eine Nebenleitung 2" vorgesehen, die mit der Hauptleitung 1 elektromagnetisch gekoppelt ist. Die Nebenleitung 2" weist einen Ausgang 3 zur Ausgabe eines Ausgabesignals auf. Die Hauptleitung 1 er- streckt sich im Koppelbereich K in einer Längsrichtung LR geradlinig. In einer zur Längsrichtung LR senkrechten Breitenrichtung BR weist die Hauptleitung 1 eine Breite von mindestens 3 mm auf. Die Längsrichtung LR und die Breitenrichtung BR definieren eine Hauptleitungsebene. Die Nebenleitung 2" weist einen ersten Ne- benleitungsabschnitt 2a" und einen zweiten Nebenleitungsabschnitt 2b" auf, die in unterschiedlichen parallelen Ebenen angeordnet sind. Dabei ist der erste Neben- leitungsabschnitt 2a" in einer von der Hauptleitungsebene beabstandeten und zur Hauptleitungsebene parallelen Ebene angeordnet. Insbesondere ist der erste Ne- benleitungsabschnitt 2a" im gezeigten Ausführungsbeispiel abschnittsweise unter- halb der Hauptleitung 1 angeordnet und überlappt diese somit. Die Nebenleitung 2" und insbesondere der Nebenleitungsabschnitt 2a" ist schmaler ausgebildet als die Hauptleitung 1. Der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b" ist in der Hauptleitungs- ebene angeordnet. Der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b" ist parallel beabstandet von der Hauptleitung 1 angeordnet. Durch den ersten Nebenleitungsabschnitt 2a" erfolgt eine im Wesentlichen elektrische Kopplung mit der Hauptleitung 1. Durch den zweiten Nebenleitungsabschnitt 2b" erfolgt eine im Wesentlichen magnetische Kopplung mit der Hauptleitung 1. In diesem Fall sind der erste Nebenleitungsabschnitt 2a" der ersten Nebenlei- tung 2" und der zweite Nebenleitungsabschnitt 2b" elektrisch parallel geschaltet. Da es sich bei den Nebenleitungsabschnitten 2a" und 2b" um in unterschiedlichen Ebenen angeordnete Nebenleitungsabschnitte 2a" und 2b" handelt, ist deutlich, dass jeder einzelne Nebenleitungsabschnitt 2a", 2b" geradlinig und insbesondere schleifenfrei ausgebildet ist.

Die Nebenleitung 2" ist dafür vorgesehen, ein Signal, welches in einer Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird, zu messen. Eine analog ausgebildete Nebenleitung 20" ist dafür vorgesehen, ein Signal, welches in entgegengesetzter Richtung auf der Hauptleitung 1 übertragen wird, zu messen.

Der Richtkoppler 300 ist auf einem als Leiterkarte 7 ausgebildeten Substrat reali- siert. Insbesondere handelt es sich bei der Leiterkarte 7 um eine mehrlagige Lei- terkarte. Die unterste Lage 6 kann als Masselage ausgebildet sein. Die Hauptlei- tung 1 und/oder die Nebenleitungen 2" oder 20" können im Inneren des Substrats angeordnet sein. Dadurch können sie vor äußeren Einflüssen geschützt angeordnet sein. Außerdem können Korona-Entladungen auf der Hauptleitung 1 vermieden werden. Die Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß der Fig. 5. Hier ist die Parallelschaltung der Nebenleitungsabschnitte 2a" und 2b" besonders gut zu se- hen.

In Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines Richtkopplers gezeigt. Der einzige Unterschied der Ausführungsform in Fig. 7 ge- genüber Fig. 3 ist, dass der Verbindungspunkt 22 der zwei ersten Nebenleitungs- abschnitte 2a'" nicht direkt am Nebenleitungsabschnitt 2b" liegt wie in Fig. 3 son- dern im Verlauf der Leitung 22, die vom Ausgang 3 zum Nebenleitungsabschnitt 2b" führt.