DE4208058A1 - Waveguide to microstrip transition for micro and millimetre range - has planar substrate with microstrip line and coupling slot to waveguide formed on separate planar layer. - Google Patents

Waveguide to microstrip transition for micro and millimetre range - has planar substrate with microstrip line and coupling slot to waveguide formed on separate planar layer.

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Abstract

The waveguide to microstrip transition has a planar substrate (1) with a microstrip line (2). Beneath this line there is a coupling slot (3), at a quarter wavelength from the end (20), in the ground surface (7). On the back surface there is a rectangular waveguide (6) with a second planar substrate (5) having a dipole element (4) on its surface. The boundary contour (30) of the coupling slot is rectangular with sides (140) parallel to the waveguide. High frequency power is coupled between the microstrip, the coupling slot and the dipole in the waveguide. ADVANTAGE - Simple construction.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlleiter/Mikro­ streifenleitungs-Übergang für den Mikrowellen- und Milli­ meterwellenbereich nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.The invention relates to a waveguide / micro Stripline transition for the microwave and milli meter wave range according to the generic term of Pa claim 1.

Für sehr viele Anwendungen auf dem Gebiet der Mikro- und Millimeterwellen-Technik werden heute planare Schaltungen eingesetzt, sei es in hybrid oder monolithisch integrier­ ter Form. Eine häufig dafür eingesetzte Leitungsform ist die Mikrostreifenleitung. Trotz aller Vorteile der plana­ ren Leitungen werden aber immer wieder Übergänge auf Hohl­ leiter benötigt; so basieren z. B. viele Antennen auf Hohl­ leitertechniken. Ein bisher häufig benutzter Übergang zwi­ schen Mikrostreifenleitung und Hohlleiter ist z. B. in dem Artikel von T. Q. Ho und Yi-Chi Shih: "Spectral Domain Analysis of E-Plane Waveguide to Microstrip Transitions"; in: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 37, No. 2, February 1989, Seiten 388-392 beschrieben.Planar circuits are used today for a great many applications in the field of micro- and millimeter-wave technology, whether in hybrid or monolithically integrated form. A common form of line used for this is the microstrip line. Despite all the advantages of the planar lines, transitions to waveguides are always required; so based z. B. many antennas on waveguide techniques. A previously frequently used transition between the microstrip line and waveguide is z. B. in the article by TQ Ho and Yi-Chi Shih: "Spectral Domain Analysis of E-Plane Waveguide to Microstrip Transitions"; in: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 37, No. 2 , February 1989, pages 388-392.

Bei diesem bekannten Übergang wird die Mikrostreifenlei­ tung durch einen relativ kleinen Kanal in den Hohlleiter geführt. Nach der einen Seite führt der Anschlußhohlleiter weg; auf der anderen Seite ist ebenfalls ein ca. eine viertel Wellenlänge langes, kurzgeschlossenes Hohlleiter­ stück angebracht. Diese Anordnung erfordert eine komplexe Hohlleiterstruktur, die sich zudem noch auf beiden Seiten der planaren Struktur befindet.In this known transition, the microstrip line tion through a relatively small channel in the waveguide guided. The connecting waveguide leads to one side path; on the other side there is also an approx quarter wavelength long, short-circuited waveguide piece attached. This arrangement requires a complex one Waveguide structure, which is also on both sides the planar structure.

Ferner ist in dem Artikel von P.L. Sullivan und D.H. Schaubert: "Analysis of an Aperture Coupled Microstrip An­ tenna"; in: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No. 8, August 1986, Seiten 977-984 eine Kop­ pelstruktur zur Speisung einer offenen, planaren Antenne beschrieben, bei der auf einem planaren Substrat eine leerlaufende Mikrostreifenleitung über einem Koppelschlitz in der Massegrundfläche des Substrats angeordnet ist und sich oberhalb des Koppelschlitzes die planare Antenne befindet.Furthermore, in the article by P.L. Sullivan and D.H. Schaubert: "Analysis of an Aperture Coupled Microstrip An tenna "; in: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No. 8, August 1986, pages 977-984 a cop pel structure for feeding an open, planar antenna described in which a on a planar substrate idle microstrip line over a coupling slot is arranged in the ground plane of the substrate and the planar antenna is above the coupling slot located.

Bei dieser Anordnung wird die Hochfrequenzenergie über die Mikrostreifenleitung herangeführt und über den Koppel­ schlitz in die planare Antenne eingekoppelt und von dort abgestrahlt. In this arrangement, the radio frequency energy over the Microstrip line brought up and over the paddock slotted into the planar antenna and from there emitted.  

Schließlich ist in dem Artikel von H. O. Scheck: "A Novel Method of Cavity Resonator Coupling to Microstrip Lines"; in: Proceeding of the European Microwave Conference (EMC), 09.09. bis 12. 09. 1991 in Stuttgart, Seiten 807-811 eine Koppelstruktur bekannt, mit der ein Hohlraumresonator an ein Mikrostreifenleitung angekoppelt ist. Bei dieser An­ ordnung ist auf einem ersten planaren Substrat die Mi­ krostreifenleitung mit einem Anpaß-Netzwerk über einem Koppelschlitz in der Massegrundfläche des Substrats ange­ ordnet. Auf einem zweiten Substrat unterhalb des Koppel­ schlitzes ist ein Dipolelement angeordnet, das sich im In­ neren eines Hohlraumresonators befindet. Die Hochfrequenz­ energie wird bei dieser Anordnung über das Anpaßnetzwerk und den Koppelschlitz auf das Dipolelement geführt. Von dort wird die Energie in den Hohlraumresonator eingekop­ pelt und regt diesen bei der Resonanzfrequenz zum Schwin­ gen an.Finally in the article by H. O. Scheck: "A Novel Method of Cavity Resonator Coupling to Microstrip Lines "; in: Proceeding of the European Microwave Conference (EMC), 09.09. to September 12, 1991 in Stuttgart, pages 807-811 a Coupling structure known with which a cavity resonator a microstrip line is coupled. At this time Order is the Mi on a first planar substrate stripline with a matching network over one Coupling slot in the ground plane of the substrate arranges. On a second substrate below the paddock slot is arranged a dipole element, which is in the In neren of a cavity resonator. The radio frequency With this arrangement, energy is supplied via the matching network and the coupling slot on the dipole element. From there the energy is injected into the cavity pelt and excites it to vibrate at the resonance frequency to.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hohllei­ ter/Mikrostreifenleitungsübergang der eingangs genannten Art zu schaffen, der möglichst einfach im Aufbau ist.The object of the invention is a Hohllei ter / microstrip line transition of the aforementioned To create a type that is as simple as possible to set up.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergege­ ben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.The achievement of the object is by characteristic features of claim 1 reproduced ben. The remaining claims contain advantageous training and Developments of the invention.

Der erfindungsgemäße Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs­ übergang ist dadurch gekennzeichnet, daß auf einem ersten planaren Substrat eine leerlaufende Mikrostreifenleitung über einem Koppelschlitz in der Massegrundfläche des Sub­ strats angeordnet ist und daß sich unterhalb des Koppel­ schlitzes in der Öffnung eines bis an die Massegrundfläche herangeführten Hohlleiters ein zweites planares Substrat mit einem Dipolelement befindet.The waveguide / microstrip line according to the invention transition is characterized in that on a first planar substrate an empty microstrip line over a coupling slot in the ground plane of the sub strats is arranged and that below the paddock  slot in the opening up to the ground plane introduced waveguide a second planar substrate with a dipole element.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Übergang einen sehr einfachen Aufbau aufweist, bei demA major advantage of the invention is that the transition has a very simple structure in which

  • - die Hohlleiterstrukturen nur noch unterhalb der planaren Schaltung angeordnet sind;- The waveguide structures only below the planar circuit are arranged;
  • - der Hohlleiter mit einem einfachen offenen Ende auf die Unterseite des ersten Substrats mit der planaren Schaltung trifft (lediglich ein kleines Stück zusätzliches planares Substrat mit einem Di­ polelement ist an dieser Stelle unter der planaren Schaltung angebracht);- The waveguide with a simple open end on the underside of the first substrate with the planar circuit meets (just a small one Piece of additional planar substrate with a Di pole element is at this point under the planar Circuit attached);
  • - die planare Schaltung oberhalb des Hohlleiters nicht mehr speziell geformt, sondern beliebig aus­ gedehnt sein kann (dies erlaubt z. B. auch eine einfache Anordnung mehrerer dieser Übergänge dicht nebeneinander);- The planar circuit above the waveguide no longer specially shaped, but any shape can be stretched (e.g. this also allows one simple arrangement of several of these transitions tight side by side);
  • - durch geeignete Wahl von Abmessungen und Materia­ lien (z. B. unterschiedliche Dicken und/oder Di­ elektrizitätskonstanten der beiden Substratmate­ rialien) die Hochfrequenzleistung von der Mi­ krostreifenleitung praktisch ausschließlich in den Hohlleiter eingekoppelt werden kann und die Ab­ strahlung dabei minimiert werden kann; - through suitable choice of dimensions and materia lien (e.g. different thicknesses and / or di electricity constants of the two substrate materials rialien) the high-frequency power of the Mi stainless steel pipe practically exclusively in the Waveguide can be coupled and the Ab radiation can be minimized;  
  • - die Verbindung zwischen dem Hohlleiter und einer planaren integrierten Schaltung (z. B. einem Milli­ meterwellen-Schaltkreis (MMIC)) durch das Grund­ substrat eines hermetisch dichten Gehäuses hin­ durch ohne weiteres herstellbar ist.- The connection between the waveguide and one planar integrated circuit (e.g. one milli Meter Wave Circuitry (MMIC)) through the reason substrate of a hermetically sealed housing is easily produced by.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur näher er­ läutert. Dort ist eine besonders vorteilhafte Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Hohlleiter/Mikrostreifen­ leitungs-Übergangs gezeigt, und zwar eines Übergangs von einem Rechteckhohlleiter auf eine Mikrostreifenleitung.In the following the invention with reference to the figure he purifies. There is a particularly advantageous embodiment form of the waveguide / microstrip according to the invention line transition shown, namely a transition from a rectangular waveguide on a microstrip line.

Bei diesem Übergang ist auf einem ersten planaren Substrat 1 eine leerlaufende Mikrostreifenleitung 2 angeordnet. Un­ terhalb dieser Leitung, etwa eine viertel Wellenlänge (λ/4) vor deren Ende 20, befindet sich in der Massegrund­ fläche 7 des Substrats 1 ein Koppelschlitz 3. Auf die Rückseite des planaren Substrats 1 stößt ein Rechteckhohl­ leiter 6, in dessen Ende sich ein zweites planares Sub­ strat 5 befindet, auf dessen Unterseite im Inneren des Hohlleiters 6 ein Dipolelement 4 ("Patch") angeordnet ist.During this transition, an idle microstrip line 2 is arranged on a first planar substrate 1 . Un Below this line, about a quarter wavelength (λ / 4) the end 20, is located in the mass of base 7 of the substrate 1, an coupling slot. 3 A rectangular waveguide abuts on the back of the planar substrate 1 conductors 6, in the end of which a second planar sub strate to 5 is, on its underside in the interior of the waveguide 6, a dipole element 4 ( "patch") is arranged.

Die Umrißkonturen 30 bzw. 40 des Koppelschlitzes 3 bzw. des Dipolelements 4 sind rechteckförmig ausgebildet und verlaufen parallel zur Umrißkontur 60 des Querschnitts des Hohlleiters 6; Koppelschlitz 3 und Dipolelement 4 sind da­ bei mit ihrer Flächenausdehnung quer und symmetrisch zur Längsächse des Hohlleiters 6 angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie besonders einfach berechnet wer­ den kann. The contour contours 30 and 40 of the coupling slot 3 and of the dipole element 4 are rectangular and run parallel to the contour contour 60 of the cross section of the waveguide 6 ; Coupling slot 3 and dipole element 4 are arranged there with their surface extension transverse and symmetrical to the longitudinal axis of the waveguide 6 . This arrangement has the advantage that it can be calculated in a particularly simple manner.

Die Hochfrequenzleistung wird von der Mikrostreifenleitung 2 über den Koppelschlitz 3 und das Dipolelement 4 in den Hohlleiter 6 eingekoppelt. Durch geeignete Wahl der Ele­ mentabmessungen und der Materialien läßt sich erreichen, daß die Hochfrequenzleistung über eine ausreichend große Bandbreite mit gutem Wirkungsgrad in den Hohlleiter einge­ koppelt wird. Eine wichtige Rolle spielt dabei, daß der Koppelschlitz erheblich unterhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben wird; dadurch wird die Hochfrequenzleistung fast vollständig in den Hohlleiter eingekoppelt, und nur ein verschwindend geringer Teil wird von der planaren Schal­ tung nach oben ins Freie abgestrahlt.The high-frequency power is coupled into the waveguide 6 from the microstrip line 2 via the coupling slot 3 and the dipole element 4 . By a suitable choice of the element dimensions and the materials, it can be achieved that the high-frequency power is coupled into the waveguide over a sufficiently large bandwidth with good efficiency. An important role here is that the coupling slot is operated significantly below its resonance frequency; As a result, the high-frequency power is almost completely coupled into the waveguide, and only a negligible part is emitted upwards from the planar circuit.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt, sondern vielmehr auf weitere über­ tragbar. So ist es z. B. möglich, mehrere dieser Übergänge in einer einzigen Anordnung zusammenzufassen mit einem einzigen gemeinsamen ersten Substrat, auf dem die leerlau­ fenden Mikrostreifenleitungen der einzelnen Übergänge an­ geordnet sind, bzw. mit einer einzigen gemeinsamen Masse­ grundfläche des gemeinsamen ersten Substrats, in der sich die Koppelschlitze der einzelnen Übergänge befinden und an die die Hohlleiter der einzelnen Übergänge herangeführt sind.The invention is not based on the embodiment described example limited, but rather to more about portable. So it is z. B. possible several of these transitions to be combined in one arrangement with one single common first substrate on which the empty blue apply microstrip lines of the individual transitions are ordered, or with a single common mass footprint of the common first substrate in which the coupling slots of the individual transitions are and on which leads the waveguide of the individual transitions are.

Ferner ist es möglich, anstelle des Rechteckhohlleiters einen Hohlleiter mit einem anderen, z. B. kreis- oder el­ lipsenförmigen Querschnitt zu verwenden bzw. anstelle der rechteckförmigen Umrißkonturen des Koppelschlitzes bzw. des Dipolelements in Fig. 1 andere Umrißkonturen dieser Schaltungselemente zu wählen, beispielsweise kreis- oder ellipsenförmige Konturen. Dabei kann es sich als zweck­ mäßig erweisen, die Umrißkontur des Koppelschlitzes bzw. des Dipolelements so zu wählen, daß sie parallel oder zu­ mindest annähernd parallel zur Umrißkontur des Quer­ schnitts des Hohlleiters verläuft.It is also possible, instead of the rectangular waveguide, a waveguide with another, for. B. circular or el lip-shaped cross section or instead of the rectangular outline contours of the coupling slot or the dipole element in Fig. 1 to choose other outline contours of these circuit elements, for example circular or elliptical contours. It may prove expedient to choose the contour of the coupling slot or the dipole element so that it runs parallel or at least approximately parallel to the contour of the cross section of the waveguide.

Auch kann der in Fig. 1 gezeigte Schichtaufbau abgeändert werden. Beispielsweise ist es möglich, das zweite Substrat mit weiteren Schichten zu versehen, um die Bandbreite der Anordnung zu erhöhen bzw. um das Dipolelement vor mechani­ scher Zerstörung zu schützen. Ferner kann das zweite Sub­ strat in einem definierten Abstand vom ersten Substrat im Hohlleiter angeordnet werden. Der so geschaffene Luftspalt zwischen den beiden Substraten erhöht ebenfalls die Band­ breite der Anordnung. Er bietet ferner die Möglichkeit, das Dipolelement in ihm (d. h. auf der Oberseite des zwei­ ten Substrats) anzuordnen, um es auf die Art und Weise si­ cher vor mechanischer Zerstörung zu schützen. Eine solche Anordnung von zwei voneinander getrennten Substraten läßt sich außerdem sehr einfach herstellen.The layer structure shown in FIG. 1 can also be modified. For example, it is possible to provide the second substrate with further layers in order to increase the bandwidth of the arrangement or to protect the dipole element from mechanical destruction. Furthermore, the second substrate can be arranged at a defined distance from the first substrate in the waveguide. The air gap created between the two substrates also increases the bandwidth of the arrangement. It also offers the possibility of arranging the dipole element in it (ie on the top of the second substrate) in order to protect it from mechanical destruction in the manner. Such an arrangement of two separate substrates is also very easy to manufacture.

Claims (8)

1. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang für den Mi­ krowellen- und Millimeterwellenbereich, dadurch gekenn­ zeichnet,
  • - daß auf einem ersten planaren Substrat (1) eine leerlaufende Mikrostreifenleitung (2) über einem Koppelschlitz (3) in der Massegrundfläche (7) des Substrats (1) angeordnet ist;
  • - daß sich unterhalb des Koppelschlitzes (3) in der Öffnung eines bis an die Massegrundfläche (7) herangeführten Hohlleiters (6) ein zweites plana­ res Substrat (5) mit einem Dipolelement (4) befin­ det.
1. waveguide / microstrip line transition for the microwave and millimeter wave range, characterized in that
  • - That an idling microstrip line ( 2 ) is arranged on a first planar substrate ( 1 ) above a coupling slot ( 3 ) in the ground plane ( 7 ) of the substrate ( 1 );
  • - That underneath the coupling slot ( 3 ) in the opening of a waveguide ( 6 ) brought up to the ground plane ( 7 ), a second plana res substrate ( 5 ) with a dipole element ( 4 ) is found.
2. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelschlitz (3) in einem Abstand von λ/4 oder annähernd λ/4 vom freien Ende (20) der Mikrostreifenleitung (2) angeordnet ist mit λ gleich der Signalwellenlänge bei der Betriebsfrequenz.2. waveguide / microstrip line transition according to claim 1, characterized in that the coupling slot ( 3 ) at a distance of λ / 4 or approximately λ / 4 from the free end ( 20 ) of the microstrip line ( 2 ) is arranged with λ equal to Signal wavelength at the operating frequency. 3. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (6) ein Rechteckhohlleiter oder ein Hohl­ leiter mit rundem oder ellipsenförmigem Querschnitt ist.3. waveguide / microstrip line transition according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide ( 6 ) is a rectangular waveguide or a hollow conductor with a round or elliptical cross section. 4. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und/oder die Dielektrizitätskonstante (εr1, εr2) der beiden Substrate (1, 5) unterschiedlich ist (sind).4. waveguide / microstrip line transition according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness and / or the dielectric constant (ε r1 , ε r2 ) of the two substrates ( 1 , 5 ) is (are) different. 5. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere das zweite Substrat (5) geschichtet ausge­ führt ist.5. waveguide / microstrip line transition according to one of the preceding claims, characterized in that in particular the second substrate ( 5 ) is layered out leads. 6. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Di­ polelement (4) auf der im Inneren des Hohlleiters (6) be­ findlichen Unterseite des zweiten Substrats (5) angeordnet ist.6. waveguide / microstrip line transition according to one of claims 1 to 5, characterized in that the Di polelement ( 4 ) on the inside of the waveguide ( 6 ) be sensitive underside of the second substrate ( 5 ) is arranged. 7. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen erstem und zweitem Substrat ein Luftspalt vorgesehen ist und daß das Dipolelement in dem Luftspalt auf der Oberseite des zweiten Substrats angeordnet ist. 7. Waveguide / microstrip transition after one of claims 1 to 5, characterized in that between an air gap is provided between the first and second substrates and that the dipole element in the air gap on the Top of the second substrate is arranged.   8. Anordnung mehrerer Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs- Übergänge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der ersten Sub­ strate, vorzugsweise jedoch alle ersten Substrate der ein­ zelnen Übergänge zu einem gemeinsamen ersten Substrat mit einer gemeinsamen Massegrundfläche zusammengefaßt ist (sind).8. Arrangement of several waveguides / microstrip lines Transitions according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least part of the first sub strate, but preferably all of the first substrates individual transitions to a common first substrate a common ground plane is summarized (are).
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