DE10022098A1 - Hohlleiter-/Mikrostreifenleitungs-Übergang - Google Patents

Abstract

Bei einem Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang für den Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich, bei welchem auf einem ersten planaren Substrat (1) eine leerlaufende Mikrostreifenleitung (2) über einen Koppelschlitz (3) in einer Massegrundfläche (7) des ersten Substrats (1) und unterhalb des Koppelschlitzes (3) in der Öffnung eines bis an die Massegrundfläche (7) herangeführten Hohlleiters (6) mindestens eine dielektrische Schicht (5) angeordnet sind, ist erfindungsgemäß für einen besonders einfachen Aufbau und zur Erhöhung der Bandbreite die dielektrische Schicht (5) beidseitig metallisch strukturiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter- Mikrostreifenleitungs-Übergang für den Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für sehr viele Anwendungen auf dem Gebiet der Mikro- und Millimeterwellen-Technik werden heute planare Schaltungen eingesetzt, sei es in hybrid oder monolithisch integrierter Form. Eine häufig dafür eingesetzte Leitungsform ist die Mikrosteifenleitung. Trotz aller Vorteile der planaren Leitungen werden aber immer wieder Übergänge auf Hohlleitier benötigt; so basieren z. B. viele Antennen auf Hohlleitertechniken. Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs- Übergänge sind beispielsweise aus der DE 43 29 570 C2 bekannt, bei der auf einem planaren Substrat eine leerlaufende Mikrostreifenleitung über einem Koppelschlitz in der Massegrundfläche des Substrats und unterhalb des Koppelschlitzes in der Öffnung eines bis an die Massegrundfläche herangeführten Hohlleiters eine dielektrische Schicht angeordnet sind. Nachteilig dabei ist, daß derartige Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs- Übergange aufgrund der geringen Bandbreite sehr toleranzempfindlich und somit sehr kostenintensiv sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang für den Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich anzugeben, der einen besonders einfachen Aufbau aufweist, und dessen Bandbreite gegenüber dem Stand der Technik vergrößert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang für den Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich, bei welchem auf einem ersten planaren Substrat eine leerlaufende Mikrostreifenleitung über einen Koppelschlitz in einer Massegrundfläche des ersten Substrats und unterhalb des Koppelschlitzes in der Öffnung eines bis an die Massegrundfläche herangeführten Hohlleiters mindestens eine dielektrische Schicht angeordnet ist, wobei die dielektrische Schicht beidseitig metallisch strukturiert ist. Vorzugsweise ist auf der Ober- und Unterseite der dielektrischen Schicht eine metallische Strukturierung vorgesehen. Eine derartige beidseitige metallische Strukturierung der dielektrischen Schicht ermöglicht in besonders einfacher Art und Weise eine Vergrößerung der Bandbreite bei gleichzeitig beliebiger Gestaltung der planaren Schaltung oberhalb des Hohlleiters. Insbesondere führt die Bandbreitenvergrößerung zu einer gegenüber mechanischen Toleranzen weniger empfindlichen Anordnung, wodurch wiederum ein kostengünstiger Aufbau ermöglicht ist. Darüber hinaus ist beispielsweise eine mehrere solche Übergänge aufweisende Anordnung ermöglicht. Durch eine geeignete Wahl von Abmessungen und Materialien kann die Hochfrequenzleistung von der Mikrostreifenleitung praktisch ausschließlich in den Hohlleiter eingekoppelt werden, wodurch die Abstrahlung minimiert werden kann.

Zweckmäßigerweise ist als metallische Strukturierung mindestens ein Dipolelement vorgesehen. Alternativ ist als metallische Strukturierung ein Metallgitter oder eine andere beliebig geformte metallische Strukturierung vorgesehen, sofern diese aufgrund ihrer Geometrie eine Transmission elektromagnetischer Energie ermöglicht.

Vorzugsweise ist als dielektrische Schicht ein planares Substrat oder ein Hohlraum vorgesehen. Vorteilhafterweise sind unterhalb des Koppelschlitzes mehrere dielektrische Schichten angeordnet. Bevorzugt sind zwischen den dielektrischen Schichten, insbesondere an deren Grenzflächen, z. B. Unter- und/oder Oberseite, metallische Strukturierungen angeordnet. Eine derartige beliebig geschichtete Mehrlagenstruktur umfassend mehrere metallische Strukturierungen innerhalb des Hohlleiterbereichs führt zu einer Erhöhung der Bandbreite sowie zu einem erhöhten Schutz der metallischen Strukturierung vor mechanischer Zerstörung. Je nach Art und Ausführung der Mehrlagenstruktur sind die metallischen Strukturierungen auf der Ober- und Unterseite der gesamten Mehrlagenstruktur oder auf der Ober- und Unterseite jeder einzelnen Schicht angeordnet. Als metallische Strukturierungen dienen bevorzugt einzelne oder mehrere Dipolelemente.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Hohlleiter-/Mikrostrei­ fenleitungs-Übergang mit einer beidseitig metallisch strukturierten dielektrischen Schicht, und

Fig. 2 schematisch einen Hohlleiter-/Mikrostrei­ fenleitungs-Übergang gemäß Fig. 1 mit mehreren dielektrischen Schichten.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist beispielhaft ein Übergang von einem Rechteckhohlleiter auf eine Mikrostreifenleitung dargestellt.

Bei diesem Übergang ist auf einem ersten planaren Substrat 1 eine leerlaufende Mikrostreifenleitung 2 angeordnet. Unterhalb dieser Mikrostreifenleitung 2, etwa eine Viertel Wellenlänge (λ/4) vor deren Ende, ist in der Massegrundfläche 7 des ersten planaren Substrats ein Koppelschlitz angeordnet. Auf der Rückseite des ersten planaren Substrats 1 ist ein Rechteckhohlleiter 6, 8 vorgesehen, in dessen Ende eine dielektrische Schicht 5, z. B. ein zweites planares Substrat, angeordnet ist. Die dielektrische Schicht 5 ist beidseitig metallisch strukturiert. Beispielsweise sind auf der Ober- und Unterseite jeweils metallische Strukturierungen 4, z. B. Dipolelemente oder Metallgitter, angeordnet.

Die Umrißkonturen des Koppelschlitzes bzw. der metallischen Strukturierungen 4 sind bevorzugt rechteckförmig ausgebildet und verlaufen parallel zur Umrißkontur des Querschnitts des Hohlleiters 6, 8. Der Koppelschlitz 3 und die metallischen Strukturierungen 4 sind dabei mit ihrer Flächenausdehnung quer und symmetrisch zur Längsachse des Hohlleiters 6, 8 angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sie besonders einfach berechnet werden kann. Darüber hinaus ist durch die beidseitige metallische Strukturierung der dielektrischen Schicht 5 eine Vergrößerung der Bandbreite bei gleichzeitig hoher Bautoleranz ermöglicht.

Zwischen dem planaren Substrat 1 und der dielektrischen Schicht 5 ist beispielhaft als weitere dielektrische Schicht ein Luftspalt vorgesehen, der durch eine entsprechende Anordnung der als zweites planares Substrat ausgeführten ersten dielektrischen Schicht 5 in dem Hohlleiter 6, 8, insbesondere durch den mittels des Abstands gebildeten Hohlraums, ermöglicht ist. Je nach Art und Ausführung des Übergangs können weitere dielektrische Schichten 5 als planare Substrate oder Luftspalte vorgesehen sein. Eine derartige beliebig geschichtete Mehrlagenstruktur innerhalb des Hohlleiters 6, 8 ermöglicht das Hinzufügen von weiteren metallischen Strukturierungen 4 in Form von Dipolelementen oder Metallgitter, wodurch die Bandbreite entsprechend erhöht werden kann. Je nach Art und Ausführung sind die metallischen Strukturierungen 4 allein auf der Unter- und Oberseite der gesamten Mehrlagenstruktur und/oder auf der Unter- und Oberseite der jeweiligen dielektrischen Schicht 5, d. h. an deren Grenzflächen, angeordnet.

Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform für einen Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang, bei welchem der Querschnitt des Hohlleiterbereichs 8 zwischen dem ersten planaren Substrat 1 und der dielektrischen Schicht 5 größer ist als der des abgehenden Hohlleiters 6 unterhalb der dielektrischen Schicht 5. Die Querschnittsverkleinerung erfolgt in Form einer rechtwinkligen Stufe, so daß eine Auflagefläche für die dielektrische Schicht 5 gegeben ist und damit eine exakte Justierung und Fixierung dieser Schicht 5 ermöglicht ist. Bevorzugt ist die Schicht 5 mit einer rahmenförmigen Metallisierung 9 versehen, so daß eine hermetische Abdichtung des Hohlleiters 6, 8 an der Auflagefläche möglich ist, z. B. durch Verlöten oder Verschweißen oder Verkleben der rahmenförmigen Metallisierung 9 mit der Auflagefläche des Hohlleiters 6, 8. Zweckmäßigerweise wird dabei als Material für die als planares Substrat ausgeführte dielektrische Schicht 5 z. B. Quarz verwendet.

Bei den oben beschriebenen Übergängen wird die Hochfrequenzleistung von der Mikrostreifenleitung 2 über den Koppelschlitz 3 und die metallischen Strukturierungen 4 in den Hohlleiter 6, 8 eingekoppelt. Durch geeignete Wahl der Abmessungen der einzelnen Elemente und der Materialien läßt sich erreichen, daß die Hochfrequenzleistung über eine besonders große Bandbreite mit gutem Wirkungsgrad in den Hohlleiter 6, 8 eingekoppelt wird. Eine wichtige Rolle spielt dabei, daß der Koppelschlitz 3 erheblich unterhalb der Resonanzfrequenz betrieben wird; dadurch wird die Hochfrequenzleistung fast vollständig in den Hohlleiter eingekoppelt, und nur ein verschwindend geringer Teil wird von der planaren Schaltung nach oben ins Freie abgestrahlt.

Im folgenden werden weitere Ausführungsarten der Erfindung angesprochen: Es ist möglich mehrere der beanspruchten Übergänge in einer einzigen Anordnung zusammenzufassen mit einem einzigen gemeinsamen planaren Substrat 1, auf dem die leerlaufenden Mikrostreifenleitungen der einzelnen Übergänge angeordnet sind, bzw. mit einer einzigen gemeinsamen Massegrundfläche des gemeinsamen ersten Substrats 1, in der sich die Koppelschlitze 3 der einzelnen Übergänge befinden und an die die Hohlleiter der einzelnen Übergänge herangeführt sind. Darüber hinaus sind im Bereich des Hohlleiters mehrere dielektrische Schichten angeordnet, die je Schicht bzw. über die gesamte Mehrlagenstruktur beidseitig metallisch strukturiert sind. Dabei kann die Abmessung der jeweiligen metallischen Strukturierung gleich, größer oder kleiner sein. Ebenso kann der Hohlleiterquerschnitt über die gesamte Länge variieren, d. h. bei einem im Hohlleiter angeordneten Substrat kann der Querschnitt des Hohlleiters oberhalb des Substrats kleiner, größer oder gleich dem Querschnitt des Hohlleiters unterhalb des Substrat sein. Beispielsweise wie in Fig. 2 gezeigt kann der Querschnitt des Hohlleiterbereichs 6 unterhalb der Oberseite der dielektrischen Schicht 5 größer sein als derjenige des Hohlleiterbereichs 8 oberhalb der dielektrischen Schicht 5, wodurch die dielektrische Schicht 5 mit der Oberseite an der dadurch entstehenden Auflagefläche im Hohlleiter fixiert ist. Dies ist i. a. nur möglich, wenn der Hohlleiterbereich unterhalb der dielektrischen Schicht 5 nicht allzu lang ist oder eine Trennstelle umfaßt.

Ferner ist es möglich, anstelle des Rechteckhohlleiters einen Hohlleiter mit einem anderen, z. B. kreis- oder ellipsenförmigen Querschnitt zu verwenden bzw. anstelle der rechteckförmigen Umrißkonturen des Koppelschlitzes bzw. der metallischen Strukturierungen in den Fig. 1 und 2 andere Umrißkonturen dieser Schaltungselemente zu wählen, beispielsweise kreis- oder ellipsenförmige Konturen. Dabei kann beispielsweise die Umrißkontur des Koppelschlitzes bzw. der metallischen Strukturierungen so gewählt werden, daß sie parallel oder zumindest annähernd parallel zur Umrißkontur des Querschnitts des Hohlleiters verläuft.

Auch kann der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Schichtaufbau abgeändert werden. Beispielsweise ist es möglich, abwechselnd Luftspalte und planare Substrate als dielektrische Schichten mit jeweils an den Grenzflächen versehene metallische Strukturierungen vorzusehen, um die Bandbreite der Anordnung zu erhöhen.

Claims (7)

1. Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang für den Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich, bei welchem auf einem ersten planaren Substrat (1) eine leerlaufende Mikrostreifenleitung (2) über einen Koppelschlitz (3) in einer Massegrundfläche (7) des ersten Substrats (1) angeordnet ist und sich unterhalb des Koppelschlitzes (3) in der Öffnung eines bis an die Massegrundfläche (7) herangeführten Hohlleiters (6) mindestens eine dielektrische Schicht (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (5) beidseitig metallisch strukturiert ist.

2. Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ober- und Unterseite der dielektrischen Schicht (5) eine metallische Strukturierung vorgesehen ist.

3. Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische Strukturierung (4) mindestens ein Dipolelement vorgesehen ist.

4. Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische Strukturierung ein Metallgitter vorgesehen ist.

5. Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Koppelschlitzes (3) mehrere dielektrische Schichten (5, 8) angeordnet sind.

6. Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als dielektrische Schicht (5, 8) ein planares Substrat oder ein Hohlraum vorgesehen ist.

7. Hohlleiter-Mikrostreifenleitungs-Übergang nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Strukturierungen an Grenzflächen zwischen den dielektrischen Schichten (5, 8) angeordnet sind.