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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Hochfrequenzbauteil mit einer
Innenleiterstruktur, die mit mindestens einem Isolationselement
elektrisch gegen einen Außenleiter
isoliert ist, wobei das Isolationselement die Innenleiterstruktur
mechanisch stützt.
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In
der Hochfrequenztechnik werden häufig Hochfrequenzbauteile
eingesetzt, bei denen eine Innenleiterstruktur nicht nur gegen den
Außenleiter
isoliert, sondern auch mechanisch gestützt werden muss. Beispiele
hierfür
sind Filter, Koppler, Splitter oder Multiplexer.
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So
werden bspw. Diplexer zwischen Basisstationen und Mobilfunkantennen
eingesetzt, um über
die Mobilfunkantennen Signale in unterschiedlichen Frequenzbereichen,
bspw. für
GSM und UMTS, abstrahlen zu können.
Der Diplexer führt
zu einer Einfügedämpfung,
die möglichst
gering ausfallen sollte. Bei bekannten Diplexern ist die Innenleiterstruktur,
die die Frequenzweiche bildet, in Sandwichbauweise zwischen zwei
massive Platten aus Polytetrafluorethylen (PTFE) eingebettet. Diese
Isolationselemente dienen der elektrischen Isolation der Innenleiterstruktur
gegenüber
dem Außenleiter,
der durch das Gehäuse
des Diplexers gebildet wird oder in dieses integriert ist. Gleichzeitig
dienen die Isolationselemente auch der Stützung bzw. Fixierung der oftmals
dünnen
Innen leiterstruktur im Gehäuse,
um einen gleich bleibenden definierten Abstand zum Außenleiter
zu gewährleisten.
Das Material PTFE wird aufgrund seiner geringen dielektrischen Verluste
für Hochfrequenzsignale
als Isolationsmaterial genutzt, um die Einfügedämpfung durch den Diplexer möglichst
gering zu halten. Die beiden Platten aus PTFE müssen allerdings in der Dicke
sehr genau gefertigt werden, um eine zuverlässige Stützung bzw. Fixierung der Innenleiterstruktur
im Gehäuse
zu erreichen. Dies erhöht
die Kosten für
die Herstellung dieser Isolationselemente.
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Die
GB 1185232 beschreibt den
Aufbau eines Koaxialkabels, bei dem das Isolationselement zwischen
dem Innen- und dem Außenleiter
durch eine gefaltete Folie aus einem elektrisch isolierenden Material
wie bspw. PTFE gebildet ist. Bei dieser Folie handelt es sich um
eine bereits gesinterte Folie, aus der dann die entsprechende Form
herausgestanzt wird. Für
die dreidimensionale Formung zum Einsatz im Koaxialkabel wird die
ausgestanzte Folie an den entsprechenden Stellen durch Schnitte
oder lokale Verringerung der Dicke geschwächt, um sie an diesen Stellen
schließlich
falten zu können.
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Die
DE 2756644 A1 beschreibt
die Herstellung von Gegenständen
aus porösem
PTFE, bspw. für
die Verwendung als Filtermaterial. Hierzu wird teilchenförmiges PTFE
in einer geeigneten Form in einem Ofen gesintert. Aus einem derart
hergestellten porösen
Zylinder kann anschließend
auf einer Drehbank ein poröses
Band abgespalten werden.
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Die
CH 292165 beschreibt schließlich ein Verfahren
zur Herstellung von blattförmigen
Gegenständen
aus PTFE, bei dem PTFE-Pulver in eine Form eingebracht und unter
Druck zu einem Pressling verfestigt wird. Der Pressling wird anschließend aus
der Form genommen und in einem Ofen gesintert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Hochfrequenzbauteil
anzugeben, das eine geringe Einfügedämpfung aufweist
und sich kostengünstig
herstellen lässt.
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Die
Aufgabe wird mit dem Hochfrequenzbauteil sowie dem darin verwendeten
Isolationselement gemäß den Patentansprüchen 1 und
14 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Hochfrequenzbauteils bzw. des Isolationselementes
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Das
vorgeschlagene Hochfrequenzbauteil weist in bekannter Weise eine
Innenleiterstruktur auf, die mit mindestens einem Isolationselement
elektrisch gegen einen Außenleiter
isoliert ist, wobei das Isolationselement die Innenleiterstruktur
mechanisch stützt.
Das Hochfrequenzbauteil zeichnet sich dadurch aus, dass das Isolationselement
aus einer zu einer dreidimensionalen Struktur in einer Heißpresse gesinterten
Folie eines elektrisch isolierenden Materials mit einer Wandstärke gebildet
ist, die geringer als eine durch die dreidimensionale Struktur bewirkte Dicke
des Isolationselementes ist. Als Isolationselement wird dabei vorzugsweise
eine zu der dreidimensionalen Struktur gesinterte PTFE-Folie eingesetzt.
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Durch
Nutzung der zu der dreidimensionalen Struktur verfestigten Folie
werden die Anforderungen an die Genauigkeit der Abmessungen des
Isolationselementes deutlich verringert. Die Dicke dieses Isolationselementes
kann hierbei etwas größer gewählt werden
als für
die Einpassung in das Gehäuse
des Hochfrequenzbauteils erforderlich. Durch eine gewisse Federwirkung
oder Kompressibilität
der dreidimensionalen Struktur lässt
sich das Isolationselement beim Verschließen des Gehäuses auf das gerade erforderliche
Maß zusammendrücken, wobei dann
die Stützung
bzw. Fixierung der Innenleiterstruktur, beispielsweise einer Streifenleiterstruktur, optimal
gewährleistet
ist. Ein wesentlicher weiterer Vorteil der Nutzung der dreidimensionalen
Struktur besteht darin, dass das vom Isolationselement eingenommene
Volumen einen deutlich geringeren Anteil an Folien- oder Plattenmaterial
aufweist, als ein massives Bauteil gleichen Volumens. So kann der
Luftanteil innerhalb dieses Volumens bis zu 90% und darüber betragen.
Aufgrund des geringen dielektrischen Verlustfaktors von Luft für Hochfrequenzstrahlung
im Vergleich zu PTFE oder anderen elektrischen Isolationsmaterialien
wird die Dämpfung
gegenüber
den bekannten Hochfrequenzbauteilen mit massiven Isolationselementen
reduziert. Das Gleiche gilt natürlich auch,
wenn im Gehäuse
des Hochfrequenzbauteils andere Gase eingeschlossen werden. Das
vorgeschlagene Hochfrequenzbauteil weist damit geringere dielektrische
Verluste auf und lässt
sich aufgrund der geringeren Genauigkeitsanforderungen bei der Herstellung
des oder der Isolationselemente auch kostengünstig produzieren.
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Eine
Nutzung des bevorzugten Materials PTFE wird durch ein besonderes
Verfahren zur Herstellung der dreidimensionalen Struktur ermöglicht, da
PTFE aufgrund seiner hohen Schmelzviskosität nicht für die gängigen Techniken der Kunststoffverarbeitung
zur Herstellung dreidimensional geformter Bauteile geeignet ist.
Bei diesem Verfahren wird ein Abschnitt einer ungesinterten PTFE-Folie
zwischen einen Stempel und eine Matrize gebracht, die eine Oberflächenstruktur
für eine
dreidimensionale Formung der Folie aufweisen. Der Abschnitt der
Folie wird dann durch Zusammenwirken von Stempel und Matrize in
einer durch die Oberflächenstruktur
vorgegebenen dreidimensionalen Form gehalten, während er auf die Sintertemperatur
von PTFE aufgeheizt und durch Sinterung in der dreidimensionalen
Form dauerhaft verfestigt wird. Anschließend wird der dreidimensional
geformte und verfestigte Abschnitt der Folie abgekühlt.
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Die
dreidimensionale Struktur wird bei dem vorliegenden Hochfrequenzbauteil
vorzugsweise in einer Wandstärke
zwischen 100 μm
und 500 μm
ausgebildet. Grundsätzlich
ist die Wandstärke
jedoch selbstverständlich
nicht auf diese Dickenbereiche beschränkt, solange die Wandstärke geringer
als die Dicke des Isolationselementes ist. Zur deutlichen Reduzierung
der dielektrischen Verluste gegenüber einem massiven Isolationselement
ist die dreidimensionale Struktur vorzugsweise so ausgebildet, dass der
Anteil an dem eingesetzten elektrisch isolierenden Material an dem
vom Isolationselement eingenommenen Volumen ≤ 25%, besonders bevorzugt ≤ 10% beträgt. Diese
Forderung lässt
sich über
die Wandstärke
sowie den Verlauf der dreidimensionalen Struktur in gewissen Grenzen
einstellen. Die dreidimensionale Struktur kann hierbei in einfachen
Fällen lediglich
in einer Richtung zickzack-förmig
oder wellenförmig
verlaufen. Grundsätzlich
wechseln bei der bevorzugten Struktur Vertiefungen und Erhöhungen einander
ab, die bspw. auch konzentrisch um ein Zentrum ausgebildet sein
können.
Die höchsten
Bereiche der Erhebungen bzw. die tiefsten Bereiche der Vertiefungen
können
hierbei beliebige Formen aufweisen, insbesondere rund oder eckig
oder auch als plane Bereiche ausgebildet sein. Der Abstand der Vertiefungen
bzw. Erhöhungen
zueinander kann konstant sein oder je nach Bedarf variieren. Weiterhin sind
selbstverständlich
auch komplexere dreidimensionale Strukturen möglich, solange diese noch die erforderliche
Stützfunktion
der Innenleiterstruktur gewährleisten.
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Vorzugsweise
wird der Außenleiter
durch das Gehäuse
des Hochfrequenzbauteils gebildet oder ist an der Innenseite dieses
Gehäuses
angebracht, bspw. als metallische Schicht. Bei Hochfrequenzbauteilen
in einer Sandwichbauweise, bei dem die Innenleiterstruktur zwischen
zwei Isolationselementen angeordnet ist, wird vorzugsweise jedes
dieser Isolationselemente gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet. Hierbei kann das eine Isolationselement eine
andere Struktur aufweisen als das andere Isolationselement. Weiterhin
können
identisch strukturierte Isolationselemente auch um 90° oder einen
anderen Winkel um eine Achse in Dickenrichtung gegeneinander verdreht
im Hochfrequenzbauteil angeordnet sein, um dadurch die mechanische
Stützung
der Innenleiterstruktur zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich für
unterschiedliche gattungsgemäße Hochfrequenzbauteile
einsetzen. Die Funktion des Bauteils ist dabei unerheblich, solange
ein oder mehrere entsprechende Isolationselemente zur elektrischen
Isolation und gleichzeitigen Stützung
der Innenleiterstruktur erforderlich sind. Dies betrifft vor allem
passive Hochfrequenzbauteile, wie Diplexer bzw. Multiplexer, HF-Koppler
oder HF-Splitter, Hochfrequenzfilter, usw. Grundsätzlich ist
auch der Einsatz des vorgeschlagenen Isolationselementes zur Stützung der
Innenleiterstruktur (und daran angeordneter elektrischer Bauelemente)
in aktiven Hochfrequenzbauteilen möglich.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 ein
Beispiel für
einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzbauteils;
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2 ein
Beispiel für
den Aufbau eines der 1 vergleichbaren Hochfrequenzbauteils
gemäß dem Stand
der Technik;
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3 ein
erstes Beispiel für
die dreidimensionale Struktur eines Isolationselementes;
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4 ein
zweites Beispiel für
die dreidimensionale Struktur eines Isolationselementes; und
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5 ein
Beispiel für
die Herstellung des dreidimensional geformten Isolationselementes.
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In 1 ist
schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzbauteils dargestellt,
das in diesem Beispiel als Diplexer 1 ausgebildet ist.
Die für
die Realisierung eines Diplexers erforderliche Innenleiterstruktur 2 ist
hierbei nur stark schematisiert angedeutet. Dem Fachmann ist das Design
einer derartigen Innenleiterstruktur für die Ausbildung eines Diplexers
geläufig.
Im linken Teil der Figur ist der Diplexer 1 im Querschnitt
senkrecht zur Innenleiterstruktur 2, im rechten Teil im
Schnitt durch die Ebene der Innenleiterstruktur 2 zu erkennen.
Das Gehäuse 3 des
Diplexers bildet den Außenleiter.
Im rechten Teil der Figur sind der Ausgang 6 und die Eingänge 7 des
Diplexers 1 angedeutet. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Innenleiterstruktur 2 zwischen zwei Isolationselementen 4, 5 eingebettet,
die einerseits der elektrischen Isolation zwischen der Innenleiterstruktur 2 und
dem Gehäuse 3 als
Außenleiter
und zum anderen der mechanischen Stützung der Innenleiterstruktur 2 dienen.
Die beiden Isolationselemente 4, 5 sind in diesem
Beispiel aus einer zu einer dreidimensionalen Struktur geformten
PTFE-Folie 10 einer Dicke von 100 μm gebildet, die durch Sinterung
in der Form der dreidimensionalen Struktur verfestigt wurde. Die
Innenleiterstruktur 2 wird durch diese dreidimensionalen
Strukturen gestützt,
wie dies im linken Teil der 1 zu erkennen
ist. Aufgrund der Federwirkung der dreidimensionalen Strukturen
kann die Dicke jedes Isolationselementes 4, 5 etwas
größer als
der Abstand zwischen Innenleiterstruktur 2 und Gehäuseinnenwandung
gewählt
werden, wobei dann die Isolationselemente 4, 5 beim
Schließen
des Gehäuses 3 leicht
zusammengedrückt
werden. Dies ermöglicht
eine gute Fixierung bzw. Stützung
der Innenleiterstruktur 2 und reduziert die Genauigkeitsanforderungen
an die Herstellung der Isolationselemente 4, 5 erheblich.
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2 zeigt
im Vergleich hierzu eine Ausgestaltung eines derartigen Diplexers 1 gemäß dem Stand
der Technik, bei dem die beiden Isolationselemente aus massiven
PTFE-Platten 8, 9 gebildet sind. Zur zuverlässigen Stützung der
Innenleiterstruktur 2 müssen
diese PTFE-Platten 8, 9 in der Dicke sehr genau
gefertigt werden. Weiterhin verursachen die massiven PTFE-Platten
trotz der geringen dielektrischen Verluste von PTFE eine deutlich
größere Dämpfung der
Hochfrequenzsignale als die Isolationselemente 4, 5 der 1,
bei denen zwischen der Innenleiterstruktur 2 und dem Gehäuse 3 ein
sehr hoher Luftanteil vorhanden ist. Luft verursacht geringere dielektrische
Verluste der Hochfrequenzsignale als PTFE, so dass die Ausgestaltung
gemäß 1 zu
einer geringeren Einfügedämpfung führt.
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3 zeigt
schließlich
ein Beispiel einer möglichen
dreidimensionalen Struktur der Isolationselemente 4 bzw. 5,
im linken Teil der Figur im Querschnitt, im rechten Teil der Figur
in Draufsicht. In diesem Beispiel ist die PTFE-Folie 10 so
geformt, dass sie konzentrische Vertiefungen und Erhöhungen um einen
zentralen Bereich bildet, die durch flache Plateaus abgeschlossen
sind. Die Abstände
der Erhebungen bzw. Vertiefungen können hierbei je nach Anwendungsfall
unterschiedlich gewählt
werden, um die jeweilige Stützfunktion
zuverlässig
zu erfüllen. Diese
Stützfunktion
hängt auch
von der Dicke bzw. Eigentragfähigkeit
der Innenleiterstruktur ab.
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Ein
weiteres Beispiel einer Ausgestaltung eines derartigen Isolationselementes 4, 5 zeigt 4. In
diesem Beispiel ist die PTFE-Folie 10 zur Bildung der dreidimensionalen
Struktur in einer Richtung wellenartig geformt, wie dies ebenfalls
im linken Teil der Figur im Querschnitt und im rechten Teil der
Figur in Draufsicht zu erkennen ist.
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Es
versteht sich von selbst, dass die Isolationselemente des vorgeschlagenen
Hochfrequenzbauteils nicht auf die hier dargestellten Strukturen
beschränkt
ist. Vielmehr können
beliebige dreidimensionale Strukturen genutzt werden, solange durch
diese Strukturen die erforderliche Stützung der Innenleiterstruktur
auf der einen Seite und der erforderliche Abstand zwischen der Innenleiterstruktur
und dem Außenleiter
gewährleistet
wird.
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5 zeigt
schließlich
schematisch einen Verfahrensablauf zur Herstellung eines derartigen, dreidimensional
geformten Isolationselementes. Hierbei wird als Halbzeug eine ungesinterte PTFE-Folie 11 mit
einer Dicke von 100 μm
auf einer Rolle 12 bereit gestellt, wie sie bspw. durch
eine Pastenextrusion ohne abschließende Sinterung erhalten werden
kann.
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Die
Folie 11 wird mit dem zu formenden Abschnitt 13 zwischen
den Stempel 14 und die Matrize 15 einer Heißpresse 16 gefördert, wie
dies in der 5a zu erkennen ist. Anschließend werden
Stempel 14 und Matrize 15 in bekannter Weise gegeneinander
bewegt, um den dazwischen liegenden Abschnitt 13 der Folie
entsprechend der Oberflächenstruktur
von Stempel und Matrize in eine dreidimensionale Form zu bringen
(vgl. 5b). Diese Oberflächenstruktur 17 ist
in 5 nur schematisch angedeutet. Nach dem Zusammenbringen
von Stempel und Matrize wird der Abschnitt 13 der Folie über in Stempel
und Matrize integrierte Heizspiralen 18 auf Sintertemperatur
aufgeheizt. Im vorliegenden Beispiel erfolgt diese Aufheizung auf
eine Temperatur im Bereich zwischen von 350° und 360°C, die für die Verfestigung der Folie
in der dreidimensionalen Form optimal ist. Bei dieser Temperatur
wird der Folienabschnitt 13 in der dreidimensionalen Form
durch Sinterung verfestigt, in der er durch Zusammenwirken von Stempel
und Matrize gehalten wird. Eine Aufwendung von hohem Druck ist hierbei
nicht erforderlich. Auch andere Möglichkeiten der Aufheizung
sind hierbei möglich,
beispielsweise über
ein Heißluftgebläse oder
induktiv.
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Nach
der Verfestigung des Folienabschnitts 13 durch die Sinterung
wird der Folienabschnitt 13 abgekühlt. Stempel 14 und
Matrize 15 werden dann wieder auseinander bewegt, wie in 5c angedeutet ist. Anschließend wird
die Folie 11 weiter gefördert,
so dass der dreidimensional geformte und verfestigte Abschnitt,
das dreidimensional geformte Isolationselement 4, aus der
Heißpresse 16 bewegt
wird (5d). Das fertig gestellte Isolationselement 4 kann
durch geeignete Trennverfahren, bspw. durch Stanzen, vom Rest der
Folie abgetrennt werden.
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- 1
- Diplexer
- 2
- Innenleiterstruktur
- 3
- Gehäuse
- 4
- oberes
Isolationselement
- 5
- unteres
Isolationselement
- 6
- Ausgang
- 7
- Eingänge
- 8
- untere
PTFE-Platte
- 9
- obere
PTFE-Platte
- 10
- verfestigte
PTFE-Folie
- 11
- ungesinterte
PTFE-Folie
- 12
- Rolle
- 13
- Folienabschnitt
- 14
- Stempel
- 15
- Matrize
- 16
- Heißpresse
- 17
- Oberflächenstruktur
- 18
- Heizspiralen