AT508750A1

AT508750A1 - Vorrichtung zum übertragen von hochfrequenzsignalen

Info

Publication number: AT508750A1
Application number: AT0129909A
Authority: AT
Inventors: Andreas Dr Stelzer; Ziqiang Tong
Original assignee: Austrian Ct Of Competence In Mechatronics Gmbh
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2011-03-15
Also published as: AT508750B1; DE102010034525A1

Description

(36 608) jel

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Übertragen von Hochfrequenzsignalen mit einem Hohlleiter, mit mindestens einer mit dem Hohlleiter gekoppelten Antenne, die insbesondere eine Patch-Antenne aufweist, und mit wenigstens einer planaren Wellenleitung, insbesondere Mikrostreifenleitung, welche planare Wellenleitung entlang einer insbesondere nutenförmigen Wandausnehmung des Hohlleiters verlaufend mit der Antenne zur Signalübertragung verbunden ist.

Um für kompakte Bauverhältnisse bei einer Hochfrequenzanordnung sorgen zu können, ist es aus dem Stand der Technik bekannt (DE102006019054A1), in einem Hohlleiter eine nutenförmigen Wandausnehmung vorzusehen, entlang der eine planare Wellenleitung verläuft. Bekannte planare Wellenleitungen, die oftmals auch als Streifenleitung bezeichnet werden, sind Mikrostreifenleitungen, Koplanleitungen, Schlitzleitungen und dergleichen. Gemäß der DE102006019054A1 wird eine Mikrostreifenleitung vorgeschlagen, die mit einem Kopplungselement bzw. einer Antenne elektrisch verbunden ist, um so für einen Übergang von hochfrequenter Energie zwischen der Mikrostreifenleitung und dem mit der Antenne gekoppelten Hohlleiter zu sorgen. Als Antenne wird eine Patch-Antenne verwendet, wobei außerdem die Patch-Antenne und Mikrostreifenleitung aufweisende Mikrostreifenleiter-Struktur auf einem Träger bzw. einer Platine vorgesehen ist. Gerade die für kompakte Verhältnisse vorteilhafte Wandausnehmung erfordert jedoch nachteilig einen erhöhten Konstruktionsaufwand am Hohlleiter, weil aufgrund der Ausnehmung mit Strahlungsverlusten des Hohlleiters zu rechnen ist, was es zu vermeiden gilt. Außerdem führt eine Wandausnehmung zu einer unterbrochenen Grenzfläche des Hohlleiters,

NACHGEREICHT -2- wodurch sich einen Übergang zwischen Mikrostreifenleitung und Hohlleiter verschlechtern kann.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art derart zu verbessern, dass trotz einer Kompaktheit höchsten Ansprüchen im Übergang zwischen einer planaren Wellenleitung und einem Hohlleiter genügt werden kann. Außerdem soll die Vorrichtung konstruktiv einfach aufgebaut und kostengünstig sein.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Antenne mit zwei planaren Wellenleitungen für eine differentielle Signalübertragung verbunden ist.

Ist die Antenne mit zwei planaren Wellenleitungen für eine differentielle Signalübertragung verbunden, so kann ohne einen konstruktiven Mehraufwand am Hohlleiter die bei differentiell beaufschlagten Antennen bekannte Abstrahlung genützt werden, deren abgegebene Energie auf solche Grenzflächen des Hohlleiters einzukoppeln, die im Gegensatz zum Stand der Technik nicht durch Ausnehmung verkleinert bzw. unterbrochen sind. Damit kann erfindungsgemäß zwischen den planaren Wellenleitungen bzw. der differentiellen planaren Wellenleitung und dem Hohlleiter ein derartiger Übergang ermöglicht werden, der sich durch eine hervorragende und insbesondere auch verlustarme Übertragung auszeichnet. Letzteres kann insbesondere auch für eine störungsfreie Übertragung der hochfrequenten Strahlung sorgen, weil mit einer Reduktion eines unerwünschten Strahlungsaustritts durch die Wandausnehmung gerechnet werden kann. Außerdem kann die Wahl der Wandausnehmung deutlich unabhängiger als beim Stand der Technik gestaltet werden, sodass mit geringen konstruktiven Voraussetzungen eine kostengünstige Vorrichtung geschaffen werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung genügt daher nicht nur geringsten Abmessungen, sondern kann auch mit einfachen konstruktiven Maßnahmen für einen besonderen Übergang zwischen den planaren Wellenleitungen und dem Hohlleiter sorgen. Einfache Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die planaren Wellenleitungen als Mikrostreifenleitung und die Antenne wenigstens eine Patch-Antenne aufweist. Ebenso sind Dipolantennen als Antennen vorstellbar.

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Weist die Antenne wenigstens eine mit der Patch-Antenne parasitär zusammenwirkende Patch-Antenne auf, dann kann es erfindungsgemäß möglich werden, über die parasitäre Patch-Antenne die Bandbreite der Antenne zu vergrößern, was vorteilhafte Übertragungsverhältnisse sichersteilen kann. Insbesondere kann die parasitäre Patch-Antenne gegenüber der mit der differentiellen planaren Wellenleitung verbundenen Patch-Antenne verstimmt ausgebildet sein, in dem die parasitäre Patch-Antenne eine zur Resonanzfrequenz der Patch-Antenne verschiedene Resonanzfrequenz aufweist. Mit wenigstens einer an der Patch-Antenne, insbesondere in Längsrichtung anschließende parasitäre Patch-Antenne, kann daher auf einfache konstruktive Weise eine breitbandigere Abstrahlung der Vorrichtung geschaffen werden.

Um eine konstruktiv einfache Impedanzanpassung schaffen zu können, kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine parasitäre Patch-Antenne zur Impedanzanpassung mit der Masse der planaren Wellenleitung verbunden ist. Signaltransformatoren (unter anderem auch unter „matching network“ bekannt) zwischen den Mikrostreifenleitungen und der Patch-Antenne können so vermieden werden, wodurch der Übergang zwischen planaren Wellenleitung und Hohlleiter verbessert werden kann. Außerdem kann dadurch die Möglichkeit geschaffen werden, einen eventuellen Signaltransformator zwischen planaren Wellenleitung und Patch-Antenne zu vereinfachen bzw. können damit dessen konstruktive Voraussetzungen vermindert werden. Mit einer derartigen Verbindung der parasitären Patch-Antenne kann daher vorteilhaft selbst bei vergleichsweise hohen Signalfrequenzen eine konstruktiv einfache und damit vergleichsweise leicht realisierbare Impedanzanpassung ermöglicht werden.

Aufgrund der erfindungsgemäßen differentiellen Anspeisung der Antenne kann es auch möglich werden, dass der Hohlleiter mit seinem mit der Antenne gekoppelten Ende im Bereich der Antenne mündet, so dass auf die aus dem Stand der Technik bekannten Ausnehmungen zwischen Hohlleiter und Antenne verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß können so die Konstruktionsverhältnisse der Hochfre-

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-4- quenzanordnung noch weiter kompakter gestaltet werden, ohne mit Nachteilen beim Signalübergang zwischen den planaren Wellenleitungen und dem Hohlleiter rechnen zu müssen.

Um eine verbesserte Abschirmung der strahlungsaktiven Antenne zu schaffen, kann der Hohlleiter an seinem mit der Antenne gekoppelten Ende mit der Masse der planaren Wellenleitung mehrmals verbunden sein. Dadurch kann ein Art Gitter beispielsweise mit Hilfe von Durchkontaktierungen geschaffen werden, was für einen verlustarmen Übergang zwischen Mikrostreifenleitung und Hohlleiter sorgen kann.

Vorteilhafte Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die Wandausnehmung des Hohlleiters in der Breite kleiner gleich der Breite der Anschlussseite der Antenne ist. Damit kann vermieden werden, dass eine Strahlungsenergie der Antenne eine unerwünschte Öffnung durch den Hohlleiter findet, was so einen verlustarmen Strahlungsübergang ermöglichen kann. Vorteilhaft kann sich weiter heraussteilen, wenn Wandausnehmung eine Höhe entsprechend oder kleiner 1/4 der Wellenlänge des abgestrahlten elektromagnetischen Hochfrequenzsignals aufweist. Diese Wahl kann sich deshalb als vorteilhaft herausstellen, da auf der einen Seite die Höhe der Wandausnehmen nicht zu klein sein soll, um damit die elektromagnetische Feldausbreitung in den planaren Wellenleitung nicht zu stören, und auf der anderen Seite nicht zu hoch sein soll, um damit nicht mit Strahlungsverlusten des Hohlleiters rechnen zu müssen.

Weist der Hohlleiter wenigstens zwei übereinander vorgesehene Hohlleiterteile auf, wobei der eine geschlitzte Hohlleiterteil mit seinem Schlitz zusammen mit dem anderen Hohlleiterteil die Wandausnehmung des Hohlleiters bildet, dann kann auf einfache Weise der konstruktive Aufwand für den Hohlleiter vermindert werden. Außerdem kann mit dem geschlitzten Hohlleiterteil ein Basisteil geschaffen werden, auf dem unterschiedliche Hohlleiter aufsetzbar sind.

In den Figuren ist der Erfindungsgegenstand anhand von mehreren Ausführungsbeispielen beispielsweise dargestellt. Es zeigen

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Fig. 1 eine aufgerissene Seitenansicht auf eine Vorrichtung zum Übertragen von Hochfrequenzsignalen,

Fig. 2 eine Frontansicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine abgerissene Draufsicht im Schnitt der nach den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die in der Vorrichtung nach Figuren 1 und 2 verwendeten Mikrostreifenleiter-Struktur,

Fig. 5 eine abgerissene Draufsicht einer anderen Mikrostreifenleiter-Struktur,

Fig. 6 eine weitere Mikrostreifenleiter-Struktur in abgerissener Draufsicht,

Fig. 7 eine anstatt einer Patch-Antenne nach Fig. 3 vorgesehene Dipolantenne und

Fig. 8 einen zweigeteilten Hohlleiter.

Die beispielsweise nach den Figuren 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 1 dient zum Senden und/oder Empfangen bzw. zum Übertragen von angedeutet dargestellten elektromagnetischen Hochfrequenzsignalen 2. Insbesondere zeigt diese Vorrichtung 1 einen Übergang zwischen einer als Mikrostreifenleitung ausgeführten planaren Wellenleitung 3 und einem Hohlleiter 4. Zu diesem Zweck ist mit dem Hohlleiter 4 ein Kopplungselement bzw. eine Antenne 5 gekoppelt. Die Antenne 5 ist als Patch-Antenne 6 ausgeführt und mit der planaren Wellenleitung 3 elektrisch verbunden, um hochfrequente elektrische Energie der planaren Wellenleitung 3 in den Hohlleiter 4 einkoppeln zu können. Es versteht sich von selbst, dass anstatt einer Patch-Antenne 6 auch ein anderes strahlendes Element als Antenne 5 verwendet werden kann. Zur Bildung einer Mikrostreifenleiter-Struktur 7 ist auf einem Träger 8 eine als Masse 9 dienende untere Leiterschicht, darüberliegend ein Dielektrikum 10 und auf dieser eine obere Leiterschicht 11 vorgesehen. Ein Teil dieser Leitschicht 11 bildet die planare Wellenleitung 3 aus. Diese planare Wellenleitung 3 verläuft entlang einer nutenförmigen Wandausnehmung 12 der Hohlleiterwand 13 des Hohlleiters 4 zur Patch-Antenne 6. Dabei kann im allgemeinen gesprochen die planare Wellenleitung 3 in die Wandausnehmung 12 ragen und/oder der Hohlleiter 13 weist lediglich im Bereich des Verlaufs der planaren Wellenleitung 3 eine Wandausnehmung 12 auf. Um einen besonderen Übergang zwischen der planaren Wellenleitung

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-6- 3 und dem Hohlleiter 4 zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass die Patch-Antenne 6 der Antenne 5 mit einer differentiellen Mikrostreifenleitung bzw. differentiellen planaren Wellenleitung 3 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist die Patch-Antenne 6 mit zwei, einer differentielle Signalübertragung dienenden planaren Wellenleitung 3’ und 3” verbunden, die mit Abstand zueinander parallel verlaufen. Durch diesen differentiellen Anschluss 14 der Patch-Antenne 6 kann deren bekannte Abstrahlung über die Längsseiten 15 für eine besondere Einkopplung in den Hohlleiter 4 genützt werden, weil die gegenüberliegenden Grenzflächen 16 des Hohlleiters 4 ohne Unterbrechung an die obere Leiterschicht 11 anschließen können. Dies wird im Gegensatz zum Stand der Technik möglich, weil an diesen Grenzflächen 16 keine Ausnehmung zur Führung eventueller planarer Wellenleitungen 3 vorgesehen werden müssen. Erfindungsgemäß befindet sich nämlich die Ausnehmung 12 an einer Grenzfläche 17 der Hohlleiterwand 13, die aufgrund des differentiellen Anschluss 14 der Patch-Antenne 6 nicht direkt angestrahlt wird, was der Fig. 3 besser entnommen werden kann. Damit kann der Übergang zwischen einer Mikrostreifenleitung bzw. Wellenleitung 3 und einem Hohlleiter 4 verbessert werden, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad im Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen 2 mitsamt vereinfachten Konstruktionsverhältnissen führt.

Der auf dem Träger 8 angeordnete Hohlleiter 4 ist über elektrisch leitende Stifte 18 mit der oberen und unteren Leiterschicht und damit mit der Masse 9 der Mikrostreifenleiter-Struktur 7 mehrmals verbunden, was der Fig. 4 besser entnommen werden kann. Ebenso können die elektrisch leitenden Stifte 18, in dem diese in den Träger 8 und die Hohlleiterwand 13 ragen, zur Befestigung des Hohlleiters 4 auf dem Träger 8 dienen. Diese Stifte 18 können auch in bekannter Art und Weise in Form von Durchkontaktierungen ausgeführt sein. Die Stifte 8 bzw. Durchkontaktierungen bilden eine Art Gitter um den Freiraum 19 der Schichten 9 bis 11, was einen Verlust an Strahlungsenergie verhindern kann. Vorteilhaft mündet das Ende 20 des Hohlleiters 4 im Bereich der Antenne 5 aus, so dass die Masse 9 an die Antenne 5 seitlich nahe herangezogen werden kann.

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Weist die Antenne 5 der Fig. 5 gegenüber der nach Fig. 4 dargestellten Mikrostreifenleiter-Struktur 7 eine der Patch-Antenne 6 zugeordnete bzw. zusammenwirkende parasitäre Patch-Antenne 21 auf, dann kann damit die Bandbreite der Antenne 5 vergrößert werden. Die parasitäre Patch-Antenne 21 weist unterschiedliche Abmessungen auf, wodurch diese konstruktiv einfach verstimmt werden kann, um eine zur Resonanzfrequenz der Patch-Antenne 6 verschiedene Resonanzfrequenz schaffen zu können.

Ist gemäß Fig. 6 die parasitäre Patch-Antenne 21 zur Impedanzanpassung mit der Masse 9 der planaren Wellenleitung 3 bzw. der Mikrostreifenleiter-Struktur 7, beispielsweise über eine Verbindungsleitung 22 mit der oberen Leiterschicht 11, verbunden, dann können einfache Verhältnisse zur Bildung einer Impedanzanpassung geschaffen werden. Übliche in der planaren Wellenleitung 3 bzw. zwischen der Mikrostreifenleitung und der Patch-Antenne 6 vorgesehene Transformatoren („matching network“), die nicht dargestellt worden sind, können damit vereinfacht oder selbst vernachlässigt werden. Außerdem können damit auf einfache konstruktive Weise hohe Übertragungsfrequenzen ermöglicht werden.

Besondere Verhältnisse ergeben sich, wenn die Wandausnehmung 12 des Hohlleiters 4 eine Breite 23 entsprechend der Breite der Anschlussseite 24 der Patch-Antenne 6 aufweist. Insbesondere kann die Wandausnehmung 12 in der Höhe 25 entsprechend 1/4 der Wellenlänge des elektromagnetischen Hochfrequenzsignals 2 des Hohlleiters 4 ausgebildet sein, was der Fig. 2 besser entnommen werden kann.

Anstatt der Patch-Antenne 6 kann auch eine gemäß Fig. 7 dargestellte Dipol-Antenne 26 verwendet werden, wobei andere Antennen als Kopplungselement zwischen der planaren Wellenleitung 3 und dem Hohlleiter 4 vorstellbar sind. An die Dipol-Antenne 26 kann dann wieder, wie in Fig. 3 dargestellt eine nicht näher dargestellte parasitäre Patch-Antenne anschließen und/oder kann die Dipol-Antenne auch aus zwei voneinander getrennten Patch-Antennen, die je an eine planare Wellenleitung 3 angeschlossen ist, aufgebaut sein.

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Gegenüber Fig. 1 ist der Hohlleiter 4 in Fig. 8 zweiteilig ausgeführt, um damit den Konstruktionsaufwand hinsichtlich der Wandausnehmung 12 am Hohlleiter 4 zu verringern. Die beiden Hohlleiterteile 4’ und 4” sind übereinander vorgesehen und durch nicht näher dargestellte Verbindungsmittel miteinander verbunden. Der eine Hohlleiterteil 4' weist einen Schlitz 27 auf, und bildet so die seitlichen Begrenzungsflächen der Wandausnehmung 12. Der andere Hohlleiterteil 4’ bildet die Stegfläche der Wandausnehmung, so dass der geschlitzte Hohlleiterteil 4’ mit seinem Schlitz 27 zusammen mit dem anderem Hohlleiterteil 4” die Wandausnehmung 12 des Hohlleiters 4 bildet.

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Claims

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Dipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich Dipl.-Ing. Friedrich Jell Spittelwiese 7, A 4020 Linz (36 608) jel Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Übertragen von Hochfrequenzsignalen (2) mit einem Hohlleiter (4), mit mindestens einer mit dem Hohlleiter (4) gekoppelten Antenne (5), die insbesondere eine Patch-Antenne (6) aufweist, und mit wenigstens einer planaren Wellenleitung (3), insbesondere Mikrostreifenleitung, welche planare Wellenleitung (3) entlang einer insbesondere nutenförmigen Wandausnehmung (12) des Hohlleiters (4) verlaufend mit der Antenne (5) zur Signalübertragung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (5) mit zwei planaren Wellenleitungen (3’, 3”) für eine differentielle Signalübertragung verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (5) wenigstens eine mit der Patch-Antenne (6) parasitär zusammenwirkende Patch-Antenne (21) aufweist, die insbesondere eine zur Resonanzfrequenz der Patch-Antenne (6) verschiedene Resonanzfrequenz aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine parasitäre Patch-Antenne (21) zur Impedanzanpassung mit der Masse (9) der planaren Wellenleitung (3) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (4) mit seinem mit der Antenne (5) gekoppelten Ende (20) im Bereich der Antenne (5) mündet.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (4) an seinem mit der Antenne (5) gekoppelten Ende (20) mit der Masse (9) der planaren Wellenleitung (3) mehrmals verbunden ist. NACHGEREICHT # · · • · · -2-
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandausnehmung (12) des Hohlleiters (4) in der Breite (23) kleiner gleich der Breite der Anschlussseite (24) der Antenne (5) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (4) wenigstens zwei übereinander vorgesehene Hohlleiterteile (4’, 4”) aufweist, wobei der eine geschlitzte Hohlleiterteil (4’) mit seinem Schlitz (27) zusammen mit dem anderen Hohlleiterteil (4”) die Wandausnehmung (12) des Hohlleiters (4) bildet. Linz, am 18. August 2009 Austrian Center of Competence in Mechatronics GmbH durch

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