DE102006019054B4 - High frequency arrangement with a transition between a waveguide and a microstrip line - Google Patents

High frequency arrangement with a transition between a waveguide and a microstrip line Download PDF

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Abstract

Hochfrequenzanordnung mit einem Hohlleiter (22) und einer auf einer Platine (10) gebildeten Mikrostrip-Leitung (26), die mit einem im Feld des Hohlleiters (22) angeordneten Kopplungselement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement eine durch eine Mikrostrip-Struktur (12) gebildete Patch-Antenne (28) ist, die im Nahfeld vor einem als Antenne wirkenden Ende des Hohlleiters (22) liegt, und daß der Hohlleiter (22) und die Patch-Antenne (28) auf derselben Seite einer dielektrischen Schicht (16) und gegenübeliegend zu einer Masseschicht (14) der Mikrostrip-Struktur (12) angeordnet sind.High-frequency arrangement comprising a waveguide (22) and a microstrip line (26) formed on a printed circuit board (10), which is connected to a coupling element arranged in the field of the waveguide (22), characterized in that the coupling element has a microstrip structure (12) formed in the near field in front of an antenna acting as an end of the waveguide (22), and that the waveguide (22) and the patch antenna (28) on the same side of a dielectric layer ( 16) and opposite to a ground layer (14) of the microstrip structure (12) are arranged.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzanordnung mit einem Hohlleiter und einer auf einer Platine gebildeten Mikrostrip-Leitung, die mit einem im Feld des Hohlleiters angeordneten Kopplungselement verbunden ist.The invention relates to a high frequency arrangement with a waveguide and a microstrip line formed on a circuit board, which is connected to a coupling element arranged in the field of the waveguide.

In der Radartechnik, beispielsweise bei Radarsensoren, die in Kraftfahrzeugen als Abstandssensoren eingesetzt werden, besteht häufig das Erfordernis, einen Übergang zwischen einem Hohlleiter und einer Mikrostrip-Leitung herzustellen, so das beispielsweise ein mit Hilfe einer Gunn-Diode in den Hohlleiter eingespeistes Mikrowellensignal auf die Mikrostrip-Leitung übertragen werden kann oder umgekehrt ein über die Mikrostrip-Leitung zugeführtes Signal in den Hohlleiter eingekoppelt werden kann.In radar technology, for example in radar sensors, which are used in motor vehicles as distance sensors, there is often the need to make a transition between a waveguide and a microstrip line, so for example a fed using a Gunn diode in the waveguide microwave signal on the Microstrip line can be transmitted or, conversely, fed via the microstrip line signal can be coupled into the waveguide.

Üblicherweise wird zu diesem Zweck eine Anordnung benutzt, bei der der Hohlleiter an einem Ende durch eine elektrisch leitende Wand, einem sogenannten Backshort kurzgeschlossen ist. Das Kopplungselement ist dann im Inneren des Hohlleiters in einem Abstand von einer viertel Wellenlänge vor dieser Wand angeordnet, so daß sie im E-Schwingungsbauch des Mikrowellenfeldes liegt.Usually, an arrangement is used for this purpose, in which the waveguide is short-circuited at one end by an electrically conductive wall, a so-called backshort. The coupling element is then arranged in the interior of the waveguide at a distance of a quarter wavelength in front of this wall, so that it lies in the E-vibration of the microwave field.

Ein Beispiel für diese bekannte Anordnung zeigt DE 102 31 688 A1 . Dort sind die Mikrostrip-Leitung und das Kopplungselement auf einer dem Hohlleiter zugewandten Seite der Platine angeordnet, und der Backshort wird durch eine metallisierte Schicht auf der vom Hohlleiter abgewandten Rückseite der Platine gebildet, die über. Durchkontaktierungen durch die Platine hindurch mit dem Hohlleiter verbunden ist. Wesentlich ist dabei, daß die Platine am Ende des Hohlleiters eine Dicke hat, die einem Viertel der mittleren Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung entspricht, für die die Anordnung ausgelegt ist. Außerdem muß eine Masseschicht der die Mikrostrip-Leitung bildenden Mikrostrip-Struktur auf dem gesamten Querschnitt des Hohlleiters entfernt werden, was beispielsweise durch Ausfräsen der Platine erreicht werden kann.An example of this known arrangement shows DE 102 31 688 A1 , There, the microstrip line and the coupling element are arranged on a side facing the waveguide side of the board, and the backshort is formed by a metallized layer on the side facing away from the waveguide back of the board over. Through holes through the board is connected to the waveguide. It is essential that the board at the end of the waveguide has a thickness which corresponds to a quarter of the average wavelength of the microwave radiation, for which the arrangement is designed. In addition, a ground layer of the microstrip line forming microstrip structure must be removed on the entire cross section of the waveguide, which can be achieved for example by milling the board.

DE 197 41 944 A1 und EP 1 367 668 A1 beschreiben ähnliche Anordnungen, bei denen jedoch die Mikrostrip-Leitung auf der vom Hohlleiter abgewandten Seite der Platine liegt und der Backshort durch eine in Abstand über dem Kopplungselement angeordnete Kappe gebildet wird. DE 197 41 944 A1 and EP 1 367 668 A1 describe similar arrangements in which, however, the microstrip line is located on the side facing away from the waveguide side of the board and the backshort is formed by a spaced above the coupling element cap.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der oben genannten Art zu schaffen, die sich einfacher herstellen läßt.The object of the invention is to provide an arrangement of the type mentioned above, which is easier to manufacture.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kopplungselement eine durch eine Mikrostrip-Struktur gebildete Patch-Antenne ist, die im Nahfeld vor einem als Antenne wirkenden Ende des Hohlleiters liegt, und daß der Hohlleiter und die Patch-Antenne auf derselben Seite einer dielektrischen Schicht und gegenübeliegend zu einer Masseschicht der Mikrostrip-Struktur angeordnet sind.This object is achieved in that the coupling element is formed by a microstrip structure patch antenna, which is in the near field in front of acting as an antenna end of the waveguide, and that the waveguide and the patch antenna on the same side of a dielectric layer and are arranged opposite to a ground layer of the microstrip structure.

Das offene Ende des Hohlleiters wirkt in diesem Fall als Antenne, und bei Signalübertragung vom Hohlleiter auf die Mikrostrip-Leitung wird die vom Ende des Hohlleiters abgestrahlte Leistung im Nahfeld durch die Patch-Antenne aufgefangen und dann in der Mikrostrip-Leitung weitergeführt.The open end of the waveguide acts in this case as an antenna, and in signal transmission from the waveguide to the microstrip line radiated from the end of the waveguide power in the near field is captured by the patch antenna and then continued in the microstrip line.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß der Hohlleiter nicht aufgetrennt zu werden braucht und kein Backshort erforderlich ist. Es ist daher keine zusätzliche mechanische Bearbeitung der Platine wie Auffräsen oder dergleichen notwendig. Da der Hohlleiter nicht mit 1/4 kurzgeschlossen ist, entfällt der auch bisher notwendige Abgleich der Kurzschlußebene.A major advantage of this solution is that the waveguide does not need to be separated and no backshort is required. There is therefore no additional mechanical processing of the board such as milling or the like necessary. Since the waveguide is not shorted to 1/4, eliminates the previously necessary adjustment of the short circuit level.

Die Patch-Antenne läßt sich durch Einsatz üblicher Ätztechniken einfach auf der Platine herstellen. Durch geeignete Dimensionierung der Mikrostrip-Leitung, der Patch-Antenne sowie des Hohlleiterquerschnitts und des Abstands zwischen dem Ende des Hohlleiters und der Patch-Antenne läßt sich eine einfache Impedanzanpassung erreichen.The patch antenna can be easily produced on the board by using standard etching techniques. By suitable dimensioning of the microstrip line, the patch antenna and the waveguide cross section and the distance between the end of the waveguide and the patch antenna, a simple impedance matching can be achieved.

Das den Hohlleiter bildende Bauteil kann durch SMD-Montage direkt auf der Platine angebracht werden. Durch geeignete Gestaltung des Hohlleiter-Bauteils läßt sich dabei ein definierter Abstand zwischen dem Ende des Hohlleiters und der Patch-Antenne erreichen.The component forming the waveguide can be mounted directly on the board by SMD mounting. By suitable design of the waveguide component, a defined distance between the end of the waveguide and the patch antenna can be achieved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Das Hohlleiter-Bauelement ist vorzugsweise direkt auf die metallische, beispielsweise aus Kupfer bestehende obere Schicht der Mikrostrip-Struktur aufgeklebt, genietet, geschraubt oder geklemmt. Der Hohlleiter kann dann in bekannter Weise über Durchkontaktierungen mit der Masseschicht der Mikrostrip-Struktur verbunden sein. Diese Durchkontaktierungen verhindern zugleich eine unkontrollierte Ausbreitung der Hochfrequenz auf der Platine und damit unerwünschte Abstrahlungen von Mikrowellenleistung.The waveguide component is preferably glued, riveted, screwed or clamped directly onto the metallic, for example made of copper upper layer of the microstrip structure. The waveguide can then be connected in a known manner via plated-through holes with the ground layer of the microstrip structure. These vias also prevent uncontrolled propagation of high frequency on the board and thus unwanted emissions of microwave power.

Der Abstand zwischen dem Ende des Hohlleiters und der Patch-Antenne wird vorzugsweise durch eine in dem Hohlleiter-Bauelement gebildete Ausnehmung definiert, in die der Hohlleiter mündet und die einen Freiraum um die Patch-Antenne herum bildet. Um zu vermeiden, daß Kleber unkontrolliert in diesen Freiraum gelangt, kann die Ausnehmung des Hohlleiter-Bauelements vorzugsweise von einer Nut umgeben sein.The distance between the end of the waveguide and the patch antenna is preferably defined by a recess formed in the waveguide device into which the waveguide terminates and which forms a clearance around the patch antenna. In order to avoid that adhesive enters uncontrolled in this space, the recess of the waveguide device may preferably be surrounded by a groove.

Figurenlistelist of figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.

Es zeigen:

  • 1 einen Schnitt durch eine Hochfrequenzanordnung gemäß der Erfindung, entsprechend der Schnittebene I-I in 2;
  • 2 eine Platine der Anordnung gemäß 1 in der Draufsicht; und
  • 3 und 4 modifizierte Ausführungsformen einer Anordnung aus Mikrostrip-Leitung und Patch-Antenne auf der Platine.
Show it:
  • 1 a section through a high frequency arrangement according to the invention, corresponding to the sectional plane II in 2 ;
  • 2 a board of the arrangement according to 1 in the plan view; and
  • 3 and 4 modified embodiments of an arrangement of microstrip line and patch antenna on the board.

I zeigt eine Platine 10, auf deren oberer Oberfläche eine dreilagige Mikrostrip-Struktur 12 mit einer unteren, als Masse dienenden Leiterschicht 14, einem Dielektrikum 16 und einer oberen Leiterschicht 18 aus Kupfer gebildet ist. Auf die obere Leiterschicht 18 ist ein Hohlleiter-Bauelement 20 aufgeklebt, genietet, geschraubt oder geklemmt, das einen sich rechtwinklig zur Ebene der Platine 10 erstreckenden Hohlleiter 22 bildet. Das Hohlleiter-Bauelement 20 weist auf seiner der Mikrostrip-Struktur 12 zugewandten Seite eine erweiterte, im Grundriß rechteckige Ausnehmung 24 auf, in die der Hohlleiter 22 mit seinem unteren Ende mündet. I shows a board 10 , on its upper surface a three-layered microstrip structure 12 with a lower, serving as a mass conductor layer 14 a dielectric 16 and an upper conductor layer 18 made of copper. On the upper conductor layer 18 is a waveguide device 20 glued, riveted, screwed or clamped, the one at right angles to the plane of the board 10 extending waveguide 22 forms. The waveguide device 20 indicates on its the microstrip structure 12 facing side an extended, rectangular in plan recess 24 on, in which the waveguide 22 with its lower end opens.

Aus der Mikrostrip-Struktur 12 sind eine Mikrostrip-Leitung 26 und eine leitend mit dieser verbundene Patch-Antenne 28 herausgeätzt. Die Patch-Antenne 28 liegt mittig und in einem durch die Höhe der Ausnehmung 24 definierten Abstand vor dem Ende des Hohlleiters 22 und ist von einem Freiraum 30 umgeben, der mit dem Grundriß der Ausnehmung 24 kongruent ist, wie deutlicher in 2 zu erkennen ist.From the microstrip structure 12 are a microstrip line 26 and a patch antenna conductively connected thereto 28 etched out. The patch antenna 28 is centered and in one by the height of the recess 24 defined distance before the end of the waveguide 22 and is of a free space 30 surrounded with the outline of the recess 24 is congruent, as more clearly in 2 can be seen.

Im gezeigten Beispiel ist die Patch-Antenne 28 mit der Mikrostrip-Leitung 26 über einen schmaleren Abschnitt der Mikrostrip-Struktur 12 verbunden, die einen Mikrowellentransformator 32 zur Impedanzanpassung bildet.In the example shown is the patch antenna 28 with the microstrip line 26 over a narrower section of the microstrip structure 12 connected to a microwave transformer 32 forms for impedance matching.

Das Hohlleiter-Bauelement 20 besteht entweder ganz aus Metall oder ist an den Innenflächen des Hohlleiters 22 und der Ausnehmung 24 metallisiert. Diese Metallisierung ist über Durchkontaktierungen 34 der Platine 10 leitend mit der unteren Leiterschicht 14 der Mikrostrip-Struktur verbunden. Die Mikrostrip-Leitung 26 auf der Platine 10 ist durch eine an der Unterseite des Hohlleiter-Bauelements gebildete Nut 36 (1) aus dem Hohlleiter-Bauelement herausgeführt.The waveguide device 20 is either entirely made of metal or is on the inner surfaces of the waveguide 22 and the recess 24 metallized. This metallization is via vias 34 the board 10 conductive with the lower conductor layer 14 connected to the microstrip structure. The microstrip line 26 on the board 10 is formed by a groove formed on the underside of the waveguide device 36 ( 1 ) led out of the waveguide device.

In 2 ist die obere Leiterschicht 18 der Mikrostrip-Struktur 12 schraffiert dargestellt. Man erkennt hier, daß die Durchkontaktierungen 34 nach Art eines Gitters um den Freiraum 30 und die Mikrostrip-Leitung 26 herum angeordnet sind, so daß sie eine Abstrahlung von Mikrowellenenergie durch die Platine 10 hindurch verhindern. Die Mikrostrip-Struktur 12 nimmt nahezu den gesamten Grundriß des Hohlleiter-Bauelements 20 ein, mit Ausnahme des Freiraums 30 und schmaler Zwischenräume, die die Mikrostrip-Leitung 26 begrenzen. Die obere Leiterschicht 18 bildet eine Klebefläche, mit der sich das Hohlleiter-Bauelement 20 sicher durch Klebung auf der Platine befestigen läßt. Eine in der Unterseite des Hohlleiter-Bauelements 20 ausgebildete, den Freiraum 30 umgebende Nut 40 nimmt etwa herausquellenden Kleber auf und verhindert, daß dieser Kleber unkontrolliert in den Freiraum 30 gelangt. Wahlweise kann das Hohlleiter-Bauelement jedoch auch durch Schrauben, Löten, Nieten oder dergleichen mit der Platine 10 verbunden werden.In 2 is the upper conductor layer 18 the microstrip structure 12 hatched shown. It can be seen here that the vias 34 like a grid around the open space 30 and the microstrip line 26 are arranged around so that they transmit a radiation of microwave energy through the board 10 prevent it from happening. The microstrip structure 12 takes almost the entire outline of the waveguide device 20 with the exception of the free space 30 and narrow spaces, the microstrip line 26 limit. The upper conductor layer 18 forms an adhesive surface with which the waveguide component 20 securely fastened by gluing on the board. One in the bottom of the waveguide device 20 educated, the free space 30 surrounding groove 40 picks up about swelling glue and prevents this glue uncontrolled in the space 30 arrives. Optionally, however, the waveguide device can also by screwing, soldering, rivets or the like with the board 10 get connected.

Mikrowellenstrahlung, die sich in dem Hohlleiter 22 in Richtung auf die Platine 10 ausbreitet, wird durch das untere Ende des Hohlleiters 22, am Übergang zu der Ausnehmung 24, wie von einer Hornantenne abgestrahlt. Die Patch-Antenne 28 liegt im Nahfeld dieser Homantenne und fängt die abgestrahlte Leistung nahezu vollständig auf und leitet sie in die Mikrostrip-Leitung 26 weiter. Der Hohlleiter 22 und die Patch-Antenne 28 sind in ihren Abmessungen aufeinander abgestimmt und durch die Ausnehmung 24 aneinander angepaßt. Die Höhe, Breite und Länge dieser Ausnehmung 24 sind auf minimale Übertragungsverluste optimiert. Die Abmessungen der Patch-Antenne 28 sind außer von den Abmessungen des Hohlleiters 22 auch von der Dicke und der Dielektrizitätskonstanten des Basismaterials der Leiterplatte abhängig.Microwave radiation, located in the waveguide 22 towards the board 10 propagates through the lower end of the waveguide 22 , at the transition to the recess 24 as if radiated from a horn antenna. The patch antenna 28 lies in the near field of this Homantenne and absorbs the radiated power almost completely and directs them into the microstrip line 26 further. The waveguide 22 and the patch antenna 28 are matched in their dimensions and through the recess 24 adapted to each other. The height, width and length of this recess 24 are optimized for minimal transmission losses. The dimensions of the patch antenna 28 are other than the dimensions of the waveguide 22 also dependent on the thickness and the dielectric constant of the base material of the printed circuit board.

3 und 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsformen der Mikrostrip-Leitung 26 und der Patch-Antenne 28. In 3 erfolgt der Anschluß der Patch-Antenne 28 an die Mikrostrip-Leitung 26 niederohmig in der Mitte des Antennen-Patches, so daß der Mikrowellentransformator 32 entfallen kann. Die Ausführungsform nach 4 unterscheidet sich von derjenigen nach 2 dadurch, daß die Patch-Antenne 28 von Balken 38 flankiert ist, die eine breitbandigere Abstrahlung ermöglichen. 3 and 4 shows a modified embodiments of the microstrip line 26 and the patch antenna 28 , In 3 the connection of the patch antenna takes place 28 to the microstrip line 26 low impedance in the middle of the antenna patch, so that the microwave transformer 32 can be omitted. The embodiment according to 4 differs from the one after 2 in that the patch antenna 28 from beams 38 flanked, which allow a broadbandigere radiation.

Claims (9)

Hochfrequenzanordnung mit einem Hohlleiter (22) und einer auf einer Platine (10) gebildeten Mikrostrip-Leitung (26), die mit einem im Feld des Hohlleiters (22) angeordneten Kopplungselement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement eine durch eine Mikrostrip-Struktur (12) gebildete Patch-Antenne (28) ist, die im Nahfeld vor einem als Antenne wirkenden Ende des Hohlleiters (22) liegt, und daß der Hohlleiter (22) und die Patch-Antenne (28) auf derselben Seite einer dielektrischen Schicht (16) und gegenübeliegend zu einer Masseschicht (14) der Mikrostrip-Struktur (12) angeordnet sind.High-frequency arrangement comprising a waveguide (22) and a microstrip line (26) formed on a printed circuit board (10) and connected to a coupling element arranged in the field of the waveguide (22) is connected, characterized in that the coupling element is a patch antenna (28) formed by a microstrip structure (12) which lies in the near field in front of an end of the waveguide (22) acting as an antenna, and in that the waveguide (22) and the patch antenna (28) are disposed on the same side of a dielectric layer (16) and opposite a ground plane (14) of the microstrip structure (12). Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (22) in einem auf der Platine (10) montierten Hohlleiter-Bauelement (20) gebildet ist, das auf seiner der Platine (10) zugewandten Unterseite eine Ausnehmung (24) aufweist, in die der Hohlleiter (22) senkrecht zur Ebene der Platine (10) mündet und die in ihren Abmessungen für eine verlustarme Übertragung der Hochfrequenzenergie zwischen dem Hohlleiter (22) und der Patch-Antenne (28) ausgelegt ist.High frequency arrangement after Claim 1 , characterized in that the waveguide (22) in a on the board (10) mounted waveguide component (20) is formed, on its the circuit board (10) facing underside has a recess (24) into which the waveguide ( 22) perpendicular to the plane of the board (10) opens and in their dimensions for a low-loss transmission of the high-frequency energy between the waveguide (22) and the patch antenna (28) is designed. Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlleiter-Bauelement (20) unmittelbar auf einer oberen Leiterschicht (18) der Mikrostrip-Struktur (12) auf der Platine (10) montiert ist.High frequency arrangement after Claim 2 , characterized in that the waveguide device (20) is mounted directly on an upper conductor layer (18) of the microstrip structure (12) on the circuit board (10). Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochlleiter-Bauelement (20) auf die Leiterschicht (18) aufgeklebt ist.High frequency arrangement after Claim 3 , characterized in that the high-conductor component (20) is glued to the conductor layer (18). Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Leiterschicht (18) der Mikrostrip-Struktur (12) aus Kupfer besteht.High frequency arrangement after Claim 4 , characterized in that the upper conductor layer (18) of the microstrip structure (12) consists of copper. Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (24) von einer in dem Hohlleiter-Bauelement (20) gebildeten Nut (40) umgeben ist.High frequency arrangement after Claim 4 or 5 , characterized in that the recess (24) by a in the waveguide component (20) formed groove (40) is surrounded. Hochfrequenzanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (22) über Durchkontaktierungen (34) in der Platine (10) mit einer als Masse dienenden Leiterschicht (16) der Mikrostrip-Struktur (12) leitend verbunden ist.High frequency arrangement according to one of Claims 3 to 6 , characterized in that the waveguide (22) via vias (34) in the circuit board (10) with a serving as a ground conductor layer (16) of the microstrip structure (12) is conductively connected. Hochfrequenzanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrip-Leitung (26) mit der Patch-Antenne (28) über einen Mikrowellentransformator (32) zur Impedanzanpassung verbunden ist.Radio-frequency arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the microstrip line (26) is connected to the patch antenna (28) via a microwave transformer (32) for impedance matching. Hochfrequenzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrip-Leitung (26) sich in die Patch-Antenne (28) hinein erstreckt und eine bis zu ihrem innerhalb der Patch-Antenne (28) liegende Ende von dieser Patch-Antenne getrennte, angepaßte Zuleitung für die Patch-Antenne (28) bildet.High frequency arrangement according to one of Claims 1 to 7 , Characterized in that the microstrip line (26) extending into said patch antenna (28) extends and to its inside of the patch antenna (28), opposite end separated from the patch antenna, adapted to supply for the patch -Antenna (28) forms.
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