DE102006053389B4 - Waveguide arrangement for transmitting electromagnetic waves with a waveguide and a planar conductor arranged in the waveguide - Google Patents
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Abstract
Wellenleiteranordnung (1) zur Übertragung elektromagnetischer Wellen mit einem Hohlleiter (2) und einem im Hohlleiter (2) angeordneten planaren Leiter, dadurch gekennzeichnet, dass ein strukturiertes Substrat (3) mit elektrisch leitenden Strukturen, das als dielektrische Platte mit auf einer Seite der Oberfläche der Platte aufgebrachten metallischen Leiterbahnen vollständig im Innenraum des Hohlleiters (2) im Abstand zu einem Ende des Hohlleiters (2) parallel zu dem Hohlleiterquerschnitt zur Ankoppelung an den Hohlleiter (2) über ein Magnetfeld angeordnet ist, und der planare Leiter elektrisch leitend mit den elektrisch leitenden Strukturen und den Leiterbahnen des Substrats (3) verbunden ist.Waveguide arrangement (1) for the transmission of electromagnetic waves with a waveguide (2) and a planar conductor arranged in the waveguide (2), characterized in that a structured substrate (3) with electrically conductive structures, which acts as a dielectric plate with on one side of the surface the plate applied metallic conductor tracks is arranged completely in the interior of the waveguide (2) at a distance from one end of the waveguide (2) parallel to the waveguide cross section for coupling to the waveguide (2) via a magnetic field, and the planar conductor is electrically conductive with the conductive structures and the conductor tracks of the substrate (3) is connected.
Description
Die Erfindung betrifft eine Wellenleiteranordnung zur Übertragung elektromagnetischer Wellen mit einem Hohlleiter und einem im Hohlleiter angeordneten planaren Leiter.The invention relates to a waveguide arrangement for transmitting electromagnetic waves with a waveguide and a planar conductor arranged in the waveguide.
Zur Überführung von in einem Hohlleiter übertragenen elektromagnetischen Wellen in planare Wellen und umgekehrt ist bekannt, einen Übergang vom Hohlleiter zu einer koaxialen Leitung mit sich daran anschließendem Baluns zu verwenden der die radial symmetrische Feldverteilung der Koaxialleitung in eine planar symmetrische Feldverteilung einer planaren Leitung umwandelt. Ein Balun (BALanced-UNbalanced) ist ein Impedanz- und Isolationswandler, der entweder im Nebenschluss oder im Reihenschluss als Ausgleich zwischen zwei Leitungen oder leitende Bauteile geschaltet wird, die eine unterschiedliche Impedanz und eine unterschiedliche Symmetrie haben. Im einfachsten Fall besteht ein Balun aus einigen Windungen eines Koaxialkabels oder aus aufgeschobenen Ferrit-Ringkernen. Der Einsatz eines Baluns erfordert eine sorgfältige Anpassung und eine mit hohen Kosten verbunden Aufwand. Wenn diese Signalquelle oder Signalsenke innerhalb des Hohlleiters liegen soll, ist die Nutzung eines Baluns unpraktikabel.For the transfer of electromagnetic waves transmitted in a waveguide into planar waves and vice versa, it is known to use a transition from the waveguide to a coaxial line with subsequent balun which converts the radially symmetric field distribution of the coaxial line into a planar symmetric field distribution of a planar line. A Balun (BALanced-UNbalanced) is an impedance and isolation converter that is shunted or shunted in series to balance two lines or conductive components that have different impedance and symmetry. In the simplest case, a balun consists of a few turns of a coaxial cable or of defeated ferrite ring cores. The use of a balun requires careful adaptation and a high cost of effort. If this signal source or signal sink is to lie within the waveguide, the use of a balun is impractical.
Es ist auch bekannt, in einen Hohlleiter eine antipodale Flossenleitung längs der Hohlleiterachse zu bringen. Die Platzierung der antipodalen Flossenleitung in Hohlleiter erfordert einen hohen apparativen und räumlichen Aufwand, da die antipodale Flossenleitung in der Mitte des Querschnitts anzubringen ist und die Länge der Flossenleitung mit dem Hohlleiterradius steigt.It is also known to bring into a waveguide an antipodal fin line along the waveguide axis. The placement of the antipodal fin line in waveguides requires a lot of equipment and space, since the antipodal fin line is to be mounted in the middle of the cross section and the length of the fin line increases with the waveguide radius.
Das Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen über einen Hohlleiter zu einer planaren Leitung wird bspw. benötigt, um einen im inneren Hohlraum eines metallischen Bauteils eingebauten Radiofrequenz-Identifikationstransponder (RFID-Chip) anzusprechen und in einer solchen Kommunikationselektronik gespeicherte Informationen über das Bauteil auszulesen oder dort abzuspeichern. Solche Informationen können beispielsweise die mechanische Beanspruchung des Bauteils während der Lebensdauer sein.The coupling of electromagnetic waves via a waveguide to a planar line is required, for example, in order to address a radio-frequency identification transponder (RFID chip) installed in the inner cavity of a metallic component and to read or store information stored in such communication electronics about the component. Such information may be, for example, the mechanical stress of the component during its lifetime.
Bislang werden die RFID-Chips außerhalb oder auf der Oberfläche des Bauteils angebracht. Aufgrund der rauen Umgebungsbedingungen ist es jedoch vorteilhaft, wenn die Kommunikationselektronik im Innenraum der zugeordneten Komponenten eingebaut ist. Das Problem hierbei ist jedoch, dass metallische Oberflächen der Bauteile elektromagnetische Welle reflektieren, so dass die Integration der Kommunikationselektronik im Inneren des Bauteils problematisch ist.So far, the RFID chips are mounted outside or on the surface of the component. Due to the harsh environmental conditions, however, it is advantageous if the communication electronics are installed in the interior of the associated components. The problem here, however, is that metallic surfaces of the components reflect electromagnetic wave, so that the integration of the communication electronics inside the component is problematic.
M. Khallouk, B. Svensson, P. Ligander: „CPW-to-waveguide transitions using a three step Chebyshev transformer”, in: Electronics Letters, 25th November 2004, Vol. 40, No. 24 offenbart die Ankopplung einer koplanaren Leitung an den Wellenleiter mit Hilfe eines dreistufigen Chebyshev Transformators.M. Khallouk, B. Svensson, P. League Santander: "CPW-to-waveguide transitions using a three step Chebyshev transformer", in: Electronics Letters, 25 th November 2004, Vol 40, No.. 24 discloses the coupling of a coplanar line to the waveguide by means of a three-stage Chebyshev transformer.
G. C. Dallmann: „New waveguide-to-coplanar waveguide transition for centimeter and milimeter wave applications”, in: Electronic Letters, 21st June 1990, Vol. 26, No. 13, S. 830–831 offenbart die Ankopplung einer koplanaren Leitung an einen Wellenleiter durch Ausgestaltung der oberen Wand des Wellenleiters als integraler Teil der ausgehenden Übertragungsleitung. Hierzu wird eine Flosse in den Wellenleiter eingebaut, die sich in eine Öffnung in der oberen Wand des Wellenleiters erstreckt.GC Dallmann: "New wave guide-to-coplanar waveguide transition for centimeter and millimeter wave applications", in:. 21 Electronic Letters, st June 1990, Vol 26, No. 13, p. 830-831 discloses the coupling of a coplanar line to a waveguide by configuring the top wall of the waveguide as an integral part of the outgoing transmission line. For this purpose, a fin is incorporated into the waveguide, which extends into an opening in the upper wall of the waveguide.
W. Simon, S. Holzwarth, A. Wien, I. Wolff: „Rectangular wave guide to planar structural transitions for antenna applications”, in: AP2000 Millennium Conf. on Antennas and Propagation, Davos, Switzerland, April 2000 beschreibt die Anordnung eines Substrats an die Oberseite einer Wellenleitung, um einer Ankopplung des Wellenleiters an eine koplanare Leitung zu ermöglichen.W. Simon, S. Holzwarth, A. Wien, I. Wolff: "Rectangular wave guide to planar structural transitions for antenna applications", in: AP2000 Millennium Conf. on Antennas and Propagation, Davos, Switzerland, April 2000 describes placing a substrate on top of a waveguide to allow coupling of the waveguide to a coplanar line.
W. Simon, M. Werthen, I. Wolff: „A novel coplanar transmission line to rectangular wave guide transition in: IEEE MTT-S Intern. Symp. Digest., 1998, S. 257–260 beschreibt die Ankopplung einer koplanaren Leitung an eine Wellenleitung mit Hilfe eines Substrates, durch das das elektromagnetische Feld zwischen einer Streifenleitung und einer Rückseitenmetallisierung konzentriert wird. Via-Löcher verbinden den Wellenleiter mit dem Substrat und verhindern eine laterale Abstrahlung.W. Simon, M. Werthen, I. Wolff: "A novel coplanar transmission line to rectangular wave guide transition in: IEEE MTT-S Intern. Symp. Digest., 1998, pp. 257-260 describes the coupling of a coplanar line to a waveguide by means of a substrate by which the electromagnetic field is concentrated between a stripline and a backside metallization. Via holes connect the waveguide to the substrate and prevent lateral radiation.
N. Kaneda, Y. Qian, T. Itoh: „A broadband CPW-to-waveguide transition using quasi Yagi antenna”, in: IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2000, S. 617–620 offenbart die Ankopplung einer koplanaren Leitung an einen Wellenleiter mit Hilfe eines Substrates und eines Metallblocks wobei die Masseebenen der koplanaren Leitung in Kontakt mit dem Metallblock stehen.N. Kaneda, Y. Qian, T. Itoh: "A broadband CPW-to-waveguide transition using quasi Yagi antenna", in: IEEE MTT-S Int. Microwave Symp., 2000, pp. 617-620 discloses the coupling of a coplanar line to a waveguide by means of a substrate and a metal block, the ground planes of the coplanar line being in contact with the metal block.
V. S. Möttönen: ”Receiver front end circuits and components for millimetre and submillimetre wave lengths”, Dissertation, Helsinki University of Technology, Department Electrical and Communications Engineering Radio Laboratory, 2005 offenbart eine Zusammstellung von möglichen Ankopplungen eines Wellenleiters an einen planaren Leiter. Der planare Mikrostreifenleiter wird hierbei durch Masseebenen oder aus dem Wellenleiter herausgeführten Hohlleitern oder Flossenleitern herausgeführt. VS Mottonen: "Receiver front end circuits and components for millimeter and submillimetre wave lengths", dissertation, Helsinki University of Technology, Department Electrical and Communications Engineering Radio Laboratory, 2005 discloses a collection of possible couplings of a waveguide to a planar conductor. The planar microstrip conductor is led out here by ground planes or waveguides or fin conductors brought out of the waveguide.
Bei all den beschriebenen Wellenleiteranordnungen ist eine Ankopplung des Hohlleiters an einen planaren Leiter innerhalb des Hohlleiters nicht möglich.In all the waveguide arrangements described coupling of the waveguide to a planar conductor within the waveguide is not possible.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Wellenleiteranordnung zu schaffen, die bei geringem apparativem Aufwand und geringem Positionierungsaufwand sowie geringen Herstellungskosten eine Ankopplung eines Hohlleiters an einen im Innenraum des Hohlleiters angeordneten planaren Leiter ermöglicht, wobei der planare Leiter beispielsweise ein Teil der Kommunikationselektronik ist.The object of the present invention is therefore to provide a waveguide arrangement which enables coupling of a waveguide to a arranged in the interior of the waveguide planar conductor with low equipment cost and low positioning costs and low production costs, the planar conductor is for example a part of the communication electronics.
Die Aufgabe wird mit der Wellenleiteranordnung der eingangs genannten Art gelöst durch ein strukturiertes Substrat mit elektrisch leitenden Strukturen, das als dielektrische Platte mit auf einer Seite der Oberfläche der Platte aufgebrachten metallischen Leiterbahnen ausgebildet ist, vollständig im Innenraum des Hohlleiters im Abstand zu einem Ende des Hohlleiters parallel zu dem Hohlleiterquerschnitt zur Ankopplung an den Hohlleiter über ein Magnetfeld angeordnet ist und der planare Leiter elektrisch leitend mit den elektrisch leitenden Strukturen und den Leiterbahnen des Substrates verbunden ist.The object is achieved with the waveguide arrangement of the type mentioned by a structured substrate with electrically conductive structures, which is formed as a dielectric plate with applied on one side of the surface of the plate metallic interconnects, completely in the interior of the waveguide at a distance from one end of the waveguide is arranged parallel to the waveguide cross section for coupling to the waveguide via a magnetic field and the planar conductor is electrically conductively connected to the electrically conductive structures and the conductor tracks of the substrate.
Anstelle der an sich bekannten Verwendung eines Baluns und eines Übergangs von einem Hohlleiter zu einem Koaxialleiter oder anstelle einer Verwendung einer justierten antipolaren Flossenleitung ist bei der erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung lediglich erforderlich, dass ein strukturiertes Substrat in einem Abstand vom Hohlleiterende parallel zu dem Hohlleiterquerschnitt im Innenraum des Hohlleiters eingebracht werden muss. Das strukturierte Substrat regt mit seinen elektrisch leitenden Strukturen ein Magnetfeld an, das vorzugsweise an einen Hohlleitermode angepasst ist. Die Auskopplung einer im Hohlleiter übertragenen Welle zum planaren Leiter erfolgt dann durch elektrischen Abgriff der in der elektrisch leitenden Struktur laufenden Welle.Instead of the known per se use of a balun and a transition from a waveguide to a coaxial or instead of using an adjusted antipolar fin line is only required in the waveguide assembly according to the invention that a structured substrate at a distance from the waveguide end parallel to the waveguide cross section in the interior of the waveguide must be introduced. The structured substrate, with its electrically conductive structures, stimulates a magnetic field, which is preferably adapted to a waveguide mode. The coupling of a wave transmitted in the waveguide to the planar conductor is then carried out by electrical tapping of the current in the electrically conductive structure shaft.
Das strukturierte Substrat ist eine dielektrische Platte mit auf einer Seite der Oberfläche der Platte aufgebrachten metallischen Leiterbahnen. Der planare Leiter ist dann mit den Leiterbahnen elektrisch kontaktiert. Das dielektrische Substrat ist somit einseitig mit einer Metallschicht ohne Rückmetallisierung bedeckt, wobei die Metallschicht die elektrisch leitenden Strukturen ausbilden.The patterned substrate is a dielectric plate having metallic traces deposited on one side of the surface of the plate. The planar conductor is then electrically contacted with the conductor tracks. The dielectric substrate is thus covered on one side with a metal layer without back metallization, the metal layer forming the electrically conductive structures.
Der planare Leiter ist vorzugsweise an eine Kommunikationselektronik angeschlossen, wie beispielsweise einem Radio-Frequenz-Identifikationstransponder-Chip, der neben einer die Antenne der Kommunikationselektronik bildenden planaren Leitung ein Hochfrequenzmodul, einen Mikrokontroller und Speicher enthält.The planar conductor is preferably connected to a communication electronics, such as a radio-frequency identification transponder chip, which contains a radio frequency module, a microcontroller and memory in addition to a planar line forming the antenna of the communication electronics.
Die Kommunikationselektronik hat vorzugsweise einen differentiellen Signaleingang, der mit zwei Anschlüssen der elektrisch leitenden Strukturen verbunden ist.The communication electronics preferably have a differential signal input, which is connected to two terminals of the electrically conductive structures.
Die elektrisch leitenden Strukturen können beispielsweise mindestens eine Stichleitung und eine an die Stichleitung angeschlossene Leiterschleife haben. Vorzugsweise sind die leitenden Strukturen aus zwei oder mehr Stichleitungen mit jeweils daran angeschlossenen Leiterschleifen ausgebildet. Die Stichleitungen sollten dann punktsymmetrisch zueinander ausgerichtet sein. The electrically conductive structures may, for example, have at least one stub line and a conductor loop connected to the stub line. Preferably, the conductive structures are formed of two or more stub lines, each connected thereto conductor loops. The stub lines should then be point-symmetrical to each other.
Die günstigsten Geometrie- und Substratparameter des Übergangs sowie der Abstand zwischen Substrat und Hohlleiterende hängen im Wesentlichen von der Querschnittsgeometrie des Hohlleiters, dem Betriebsfrequenzbereich sowie von der Art des Hohlleiterabschlusses ab. Je nach Abwendung müssen zur Erzielung der gewünschten Eingangsimpedanz diese Parameter anhand von Simulationen ermittelt werden.The most favorable geometry and substrate parameters of the transition and the distance between the substrate and the waveguide end depend essentially on the cross-sectional geometry of the waveguide, the operating frequency range and on the type of waveguide termination. Depending on the degree of avoidance, these parameters must be determined by means of simulations in order to achieve the desired input impedance.
Insbesondere die realen Impedanzen hängen von dem Abstand der von Stichleitungen der punktsymmetrisch ausgerichteten Strukturen und dem Abstand der Stichleitungen von jeweils daran angrenzenden Leiterschleifen ab.In particular, the real impedances depend on the spacing of the struc- tures of the point-symmetrically aligned structures and the spacing of the stubs from respectively adjoining conductor loops.
Die Leiterschleifen können beispielsweise rechteckförmig oder teilkreisförmig sein.The conductor loops can be, for example, rectangular or part-circular.
Die elektrisch leitenden Strukturen haben vorzugsweise zwei oder mehr metallische Arme, die punksymmetrisch zueinander ausgerichtet sind. Die Anzahl der Arme und der Winkel der Arme zueinander wird dann in Abhängigkeit von dem Hohlleitermode festgelegt, so dass die Arme ein an den Hohlleitermode angepasstes Magnetfeld anregen.The electrically conductive structures preferably have two or more metallic arms, which are aligned with point symmetry to one another. The number of arms and the angle of the arms to each other is then determined in dependence on the waveguide mode, so that the arms excite a magnetic field adapted to the waveguide mode.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Die Wände des Rundhohlleiters
Der Abstand b zwischen zwei Stichleitungen
In dem dargestellten Beispiel eines strukturierten Substrates sind die Leiterschleifer
Wiederum hängt der Abstand zwischen dem strukturierten Substrat
Die Breite der Leiterbahnen ist mit g bezeichnet und die Breite der Stichleitungen
Der planare Leiter der Kommunikationselektronik beispielsweise eines RFID-Chips wird mit den Stichleitungen
Für beide dargestellten Ausführungsformen ist zu bemerken, dass das Substrat nur auf einer Seite mit elektrisch leitenden Strukturen versehen ist, d. h. keine Rückmetallisierung hat.For both illustrated embodiments, it should be noted that the substrate is provided with only one side with electrically conductive structures, i. H. has no back metallization.
Die günstigsten Geometrie- und Substratparameter des direkten planaren Übergangs des Hohlleiters
Die den Übergang bildenden elektrisch leitenden Strukturen auf dem Substrat
Im Falle der Anregung der Grundmode besteht der Übergang aus zwei auf einem dielektrischen Substrat
Die gegenüberliegenden Enden
Die prinzipiellen Geometrien von Übergängen sowie von einem einseitig kurzgeschlossenen Rundhohlleiter
Als Substratparameter kann beispielsweise als dielektrisches Material FR4 mit der Dielektrizitätskonstanten εR ≈ 4,4 gewählt werden. Die elektrisch leitenden Strukturen können beispielsweise aus Kupfer mit einer Metallschichtdicke von 35 μm ausgeführt werden.As a substrate parameter, it is possible to choose, for example, as the dielectric material FR4 with the dielectric constant ε R ≈ 4.4. The electrically conductive structures may, for example, be made of copper with a metal layer thickness of 35 μm.
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