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Die
gegenwärtige
Erfindung bezieht sich auf ein dielektrisches Substrat und auf eine
Vorrichtung, die das elektrische Substrat verwendet, wie z. B. ein Wellenhohlleiter
oder ein Übertragungsleitungsübergang.
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Gewöhnlich wird
ein Wellenhohlleiter aus mehreren dielektrischen Substraten gebildet,
von welchen jedes ein Loch oder einen Hohlraum aufweist. Die Umfangswandung
des Lochs ist mit einem Leiterfilm beschichtet, wie es in der JP-P3347626
offenbart ist. Wenn ein Wellenhohlleiter hergestellt wird, wird
auf die Umfangswandung eine leitfähige Tinte gedruckt, um einen
leitfähigen
Film auszuformen. Aufgrund seiner Oberflächenspannung ist es jedoch
schwierig, einen flachen leitfähigen
Film auszuformen, wie in 8 gezeigt ist. Darüber hinaus kann
eine unebene Oberfläche
des leitfähigen
Films, der an der Umfangswandung ausgebildet ist, die Leistungsfähigkeit
des Wellenhohlleiters vermindern.
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Andererseits
kann als Umfangswandung des Lochs anstelle des Leiterfilms eine
Gruppe von mehreren Durchkontaktierungslöchern oder Durchgangsausnehmungen
ausgeformt sein, wie es in der JP-P2001-196815A offenbart ist. Die
Gruppe von Durchkontaktierungslöchern
muss an dem dielektrischen Substrat an einem bestimmten Abstand
(wie z. B. 0,5 mm) von der Kante bzw. Ecke oder von der Umfangswandung
des Lochs ausgeformt sein, um seine mechanische Festigkeit zu sichern.
Dieser Abstand kann jedoch auch die Leistungsfähigkeit des Wellenhohlleiters
vermindern.
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Es
ist Aufgabe der gegenwärtigen
Erfindung, ein verbessertes dielektrisches Substrat für einen Wellenhohlleiter
und für
einen Übertragungsleitungsübergang
bereitzustellen. Ferner soll ein Schritt zum Ausformen einer flachen
leitfähigen
Schicht an der Durchgangsausnehmung beseitigt werden.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der Erfindung eines dielektrischen Substrats, das
für einen
Wellenhohlleiter zur Übertragung
einer elektromagnetischen Welle verwen det wird, dessen Wellenlänge λg beträgt, weist
das dielektrische Substrat ein Loch und eine Vielzahl von Durchkontaktierungslöchern auf, die
um das Loch in einem Abstand δ angeordnet sind,
der einer ganzen Zahl n × der
Wellenlänge λg/2 von der
Umfangswandung des Lochs entspricht.
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Daher
kann ein Wellenhohlleiter mit guter Leistungsfähigkeit und mechanischer Festigkeit
ohne zusätzlichen
Bearbeitungsschritt bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise
sind die Durchkontaktierungslöcher
an gleichen Abständen
angeordnet, von welchen jeder kleiner als λg/4 ist.
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Die
gegenwärtige
Erfindung stellt auch einen verbesserten Wellenhohlleiter bereit,
der einen Stapel aus einer Vielzahl von dielektrischen Substraten aufweist,
die wie oben erwähnt
aufgebaut sind.
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Darüber hinaus
stellt die gegenwärtige
Erfindung einen Übertragungsleitungsübergang
bereit, der einen Wellenhohlleiterabschnitt, welcher einen Wellenhohlleiter
aufweist und aus wenigstens dem obigen dielektrischen Substrat ausgeformt
ist, und einen Leitungsübergangsabschnitt
aufweist, der aus wenigstens dem obigen dielektrischen Substrat,
das angrenzend an den Wellenhohlleiterabschnitt derart angeordnet
ist, dass es das Loch bedeckt, einer Übertragungsleitung zum Übertragen
der elektromagnetischen Welle und einem Antennenstruktur, das in dem
Loch derart angeordnet ist, dass es mit der Übertragungsleitung elektromagnetisch
gekoppelt ist, gebildet wird.
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der gegenwärtigen Erfindung sowie Funktionen
von betreffenden Teilen der gegenwärtigen Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung, den angehängten Ansprüchen und
der Zeichnung ersichtlich.
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Es
zeigen:
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1A und 1B eine
schematische Draufsicht und einen Querschnitt eines dielektrischen
Substrats gemäß der ersten
Ausführungsform der
Erfindung;
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2A und 2B grafische
Darstellungen, die Übertragungseigenschaften
des Wellenleiters zeigen;
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3 einen
schematischen Querschnitt von einem Stapel von dielektrischen Substraten;
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4A und 4B schematische
Perspektivansichten eines Übertragungsleitungsübergangs gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung und eine Querschnittsansicht von der Seite des Übertragungsleitungsübergangs
gemäß der zweiten
Ausführungsform,
die entlang der Linie IVB-IVB geschnitten ist;
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5A-5B jeweils
Musterschichten bzw. Strukturschichten;
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6A eine
schematische Perspektivansicht eines Übertragungsleitungsübergangs
gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung und 6B eine Querschnittsansicht
von der Seite des in 6A gezeigten Übertragungsleitungsübergangs, wobei
ein Schnitt entlang der Linie VIB-VIB erfolgt;
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7 eine
schematische Seitenansicht eines Übertragungsleitungsübergangs,
die eine Variation der zweiten Ausführungsform ist; und
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8 eine
schematische Querschnittsansicht eines dielektrischen Substrats
aus dem Stand der Technik.
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Die
gegenwärtige
Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf die 1A, 1B, 2A, 2B und 3 wird
ein dielektrisches Substrat 1 gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Das
dielektrische Substrat 1 weist leitfähige Schichten 3, 5 auf,
die jeweils an seiner oberen und unteren Fläche ausgeformt sind, von welchen
jede eine Erdungsstruktur und eine Signalleitungsstruktur aufweist.
Das dielektrische Substrat 1 weist auch eine Dicke d (wie
z. B. etwa 100 μm)
und ein rechtwinkliges Loch H auf, dessen Abmessung (z. B. 2,54 mm × 1,27 mm)
im Wesentlichen die gleiche ist wie die des Lochs eines Wellenhohlleiters
zum Übertragen
einer elektromagnetischen Welle mit einem bestimmten Frequenzband
(wie z. B. 75-110 GHz).
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An
gleichen Abständen
W sind in einem Streifenabschnitt bzw. Bandabschnitt des dielektrischen
Substrats 1 in einem Abstand δ von der Wandung 9 des
Lochs H mehrere Durchkontaktierungslöcher 7 ausgeformt.
Wenn angenommen wird, dass die Wellenlänge des Übertragungssignals λg beträgt, ist
der Abstand δ so
ausgestaltet, dass er λg/2
beträgt,
und der Abstand W ist so ausgestaltet, dass er kleiner als λg/4 ist.
In dem Fall, dass die Frequenz des Übertragungssignals beispielsweise
76,5 GHz beträgt,
liegen der Abstand δ bei
0,65 mm und der Abstand W bei 0,4 mm.
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Weil
das dielektrische Substrat 1 an der Umfangswandung 9 des
Lochs H keine leitfähige
Schicht aufweist, können
das dielektrische Substrat 1 und ein Wellenhohlleiter mit
geringeren Kosten hergestellt werden als ein dielektrisches Substrat,
das an der Umfangswandung 9 eine leitfähige Schicht besitzt.
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Das
Loch H des dielektrischen Substrats 1 kann für einen
Wellenhohlleiter dadurch verwendet werden, dass die leitfähigen Schichten 3, 5 geerdet sind,
die mit den Durchkontaktierungslöchern 7 verbunden
sind. Die Wandung 9 des Lochs H, die von den geerdeten
Durchkontaktierungslöchern
um λg/2 entfernt
liegt, kann so behandelt werden, als ob sie praktisch kurzgeschlossen
ist. Weil die Durchkontaktierungslöcher an Abständen W ausgeformt
sind, die kleiner als λg/4
sind, kann ein Wellenhohlleiter mit geringen Kosten bereitgestellt
werden.
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Wie
in 2A gezeigt ist, wird die Übertragungseigenschaft S21
des Wellenhohlleiters maximal, wenn die Durchkontaktierungslöcher an
einem Abstand δ von
der Umfangswandung 9 ausgeformt sind, der ungefähr 0,65
mm beträgt,
was λg/2
entspricht. Das heißt
der dielektrische Verlust des Wellenhohlleiters ist minimal.
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Wie
in 2B gezeigt ist, verringert sich die Übertragungseigenschaft
S21 des Wellenhohlleiters um ungefähr 0,035 dB, wenn sich die
Dicke des dielektrischen Substrats von 100 μm in ungefähr 500 μm ändert, was fünfmal so
dick wie 100 μm
ist. Mit anderen Worten der dielektrische Verlust erhöht sich
sogar dann nicht viel, wenn sich die Dicke des dielektrischen Substrats
um einen bestimmten Grad erhöht.
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Daher
kann ein dielektrisches Substrat 10 aus einem Stapel von
mehreren dielektrischen Substraten ausgeformt sein, wie es in 3 gezeigt
ist.
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Unter
Bezugnahme auf die 4A, 4B und 5A-5D wird
ein Übertragungsleitungsübergang 20 gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Der Übertragungsleitungsübergang 20 ist aus
drei dielektrischen Substraten P1 bis P3 und vier Strukturschichten
L1 bis L4 hergestellt, die einander überlappen, so dass das dielektrische
Substrat P1 und die Strukturschichten L1, L2 einen Leitungs übergangsabschnitt 20a und
die dielektrischen Substrate P2, P3 und die Strukturschichten L2-L4
einen Wellenhohlleiterabschnitt 20b ausformen.
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Der Übertragungsleitungsübergang 20 weist einen
rechtwinkligen Hohlraum 21 auf, der sich entlang der Mittelachse
des Wellenhohlleiterabschnitts 20b derart erstreckt, dass
er mit einem Wellenhohlleiter G verbunden ist, der an dem Wellenhohlleiterabschnitt 20b angebracht
ist. Der Wellenhohlleiter G weist ein rechtwinkliges Loch von 2,54
mm × 1,27 mm
auf, um eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz zwischen
75 GHz und 110 GHz (beispielsweise 76,5 GHz) zu übertragen.
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Der
Wellenhohlleiterabschnitt 20b weist mehrere Durchkontaktierungslöcher 23 auf,
die in den dielektrischen Substraten P2, P3 und den Strukturschichten
L2 bis L4 an einem Abstand δ (Durchkontaktierungsverschiebung)
von der Umfangswandung des entgegengesetzten abgesetzten Lochs 21 ausgeformt
sind, das in den dielektrischen Substraten P2, P3 ausgebildet ist.
Der Abstand δ beträgt 0,65
mm, was λg/2
entspricht.
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Die
Strukturschichten L1-L4 sind in den 5A-5D gezeigt.
Die Strukturschicht L4, die auf der Seite des dielektrischen Substrats
P3 ausgeformt ist, an der der Wellenhohlleiter G angebracht ist,
weist eine Erdungsstruktur GP4 auf, welche die gesamte Oberfläche des
dielektrischen Substrats P4 mit Ausnahme des Hohlraums 21 bedeckt.
Die Strukturschicht L3, die zwischen den dielektrischen Substraten
P2 und P3 ausgeformt ist, weist eine Erdungsstruktur GP3 auf, welche
die gesamten Oberflächen der
dielektrischen Substrate P2, P3, die einander gegenüberstehen,
mit Ausnahme der Oberflächen
innerhalb der Durchkontaktierungslöcher 23 bedeckt, und
die Strukturschicht L2, die zwischen den dielektrischen Substraten
P1 und P2 oder zwischen dem Leitungsübergangsabschnitt 20a und
dem Wellenhohlleiterabschnitt 20b ausgeformt ist, weist
eine Erdungsstruktur GP2, welche die gesamten Oberflächen der
dielektrischen Substrate P1, P2, die einander gegenüberstehen,
mit Ausnahme der Oberfläche innerhalb
der Durchkontaktierungslöcher 23 bedeckt, und
eine Antennenstruktur AP auf, welche an der Unterseite des Hohlraums 21 angeordnet
ist.
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Die
Strukturschicht L1, die an der Außenfläche des dielektrischen Substrats
P1 ausgeformt ist, weist eine Übertragungsleitung
SP (wie z. B. eine Streifenleitung, eine Mikrostreifenleitung, eine
koplanare Leitung und dergleichen), welche ein Ende aufweist, das
zu der Antennenstruktur AP gegenüberstehend
angeordnet ist, und eine Erdungsstruktur GP1, welche von der Antennenstruktur
AP elektrisch getrennt angeordnet ist und den Umfang des Hohlraums 21 bedeckt,
auf. Die Erdungsstruktur GP1 und die Erdungsstruktur GP2 sind durch
Durchkontaktierungslöcher 25 miteinander
verbunden. Im Übrigen kann
die Übertragungsleitung
SP mit der Antennenstruktur AP durch die Durchkontaktierungslöcher 25 gekoppelt
sein. Die Durchkontaktierungslöcher 25 sind
zu dem Hohlraum 21 näher
angeordnet als die Durchkontaktierungslöcher 23, um den dielektrischen
Verlust zu verringern.
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Die
Durchkontaktierungslöcher 23 und 25 sind
jeweils so ausgebildet, dass sie an Abständen W, die ≤ λg/4 sind,
ausgerichtet sind. Mit anderen Worten in dem Übertragungsleitungsübergang 20 weist
der Wellenhohlleiterabschnitt 20b im Wesentlichen den gleichen
Aufbau auf wie das dielektrische Substrat gemäß der ersten Ausführungsform.
An einem Abstand λg/4
ist eine andere Reihe von Durchkontaktierungslöchern 23a derart ausgeformt,
dass sie die Durchkontaktierungslöcher 23, 24 umgibt.
Der Abstand zwischen der Reihe bzw. Gruppe von Durchkontaktierungslöchern 23 und
der Reihe bzw. Gruppe von Durchkontaktierungslöchern 23a ist kleiner
als λg/2.
Daher werden elektromagnetische Wellen, die durch die Reihe von
Durchkontaktierungslöchern 23 hindurchgelangen,
durch die Durchkontaktierungslöcher 23a reflektiert.
Die elektromagnetische Welle, die durch die Reihe von Durchkontaktierungslöchern 23a reflektiert
wird, wird zu dem Hohlraum 21 reflektiert, ohne dass sie
von der Gruppe von Durchkontaktierungslöchern 23 reflektiert
wird. Daher kann ein beträchtlicher
dielektrischer Verlust verhindert werden.
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Der
Leitungsübergangsabschnitt 20a bedeckt
ein Ende des Wellenhohlleiterabschnitts 20b, so dass die
Antennenstruktur AP, welche mit der Übertragungsleitung SP elektromagnetisch
gekoppelt ist, in dem Wellenhohlleiter ausgebildet sein kann. Die
Antennenstruktur AP weist eine Form und eine Abmessung auf und ist
so angeordnet, dass ein Umwandlungsverlust minimal sein kann.
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Daher
liegt die Umfangswandung des Hohlraums 21 von dem Übertragungsleitungsübergang 20,
der in den dielektrischen Substraten P1 und P2 ausgeformt ist, um
einen Durchkontaktierungsversatz δ (λg/2) von
den Durchkontaktierungslöchern 23 entfernt,
so dass er als kurzgeschlossen behandelt werden kann. Daher kann
der Verlust des Wellenhohlleiterabschnitts 20b minimiert
werden.
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Wie
oben beschrieben kann die Dicke der dielektrischen Substrate P1
bis P3 unter verschiedenen Bedingungen geändert werden, weil sich der
dielektrische Ver lust sogar dann nicht viel erhöht, wenn sich die Dicke des
dielektrischen Substrats um einen bestimmten Grad vergrößert.
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Unter
Bezugnahme auf die 6A und 6B wird
ein Übertragungsleitungsübergang 30 gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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Der Übertragungsleitungsübergang 30 ist aus
drei dielektrischen Substraten P1 bis P3 und vier Strukturschichten
L1 bis L4 hergestellt, die einander überlappen, so dass das dielektrische
Substrat P1 und die Strukturschichten L1, L2 einen Leitungsübergangsabschnitt 30a und
die dielektrischen Substrate P2, P3 und die Strukturschichten L2
bis L4 einen Wellenhohlleiterabschnitt 30b ausformen. Der
Wellenhohlleiterabschnitt 30b ist der gleiche wie der Wellenhohlleiterabschnitt 20b der
zweiten Ausführungsform.
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Der
Leitungsübergangsabschnitt 30a ist
aus dem dielektrischen Substrat P1 und den Strukturschichten L1
und L2 ausgeformt. Die Strukturschicht L2 weist eine Erdungsstruktur
GP2 auf, welche die gesamten Oberflächen der dielektrischen Substrate P1,
P2, die einander gegenüberliegen,
mit Ausnahme der Oberfläche
innerhalb der Durchkontaktierungslöcher 23 bedeckt. Die
Antennenstruktur AP, welche an der Unterseite des Hohlraums 21 in
der zweiten Ausführungsform
angeordnet ist, ist weggelassen.
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Die
Strukturschicht L1, die an der Außenfläche des dielektrischen Substrats
P1 ausgeformt ist, weist die Übertragungsleitung
SP und die Erdungsstruktur GP1 auf, welche so angeordnet ist, dass
sie von der Wellenleitung SP elektrisch getrennt ist und den Umfang
des Hohlraums 21 bedeckt. An der Erdungsstruktur GP1 ist
ein kurzschließender
Wellenhohlleiter GT angebracht, so dass er ein Ende des Wellenhohlleiters
kurzschließt.
Die Übertragungsleitung
SP ist von dem kurzschließenden
Ende des Wellenhohlleiters GT um ungefähr λg/4 beabstandet. Der Abstand
kann ±20
% kürzer
oder länger
sein als der Abstand λg/4.
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Der
obige Übertragungsleitungsübergang 30 weist
denselben Aufbau auf wie der Übertragungsleitungsübergang 20 gemäß der zweiten
Ausführungsform
mit Ausnahme des Leitungsübergangsabschnitts 30a.
Im Übrigen
sind in der Anordnung, in welcher die Innenfläche des kurzschließenden Wellenhohlleiters
GT an der gleichen Ebene der Innenfläche des Wellenhohlleiters ausgeformt
ist, die Durchkontaktierungslöcher 25 unter
dem 24 kurzschließenden
Wellenhohlleiter GT entlang seiner Innenfläche ausgeformt.
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Erfindungsgemäß können folgende
Abwandlungen der obigen Ausführungsformen
durchgeführt werden:
Der Durchkontaktierungsversatz δ kann
ein ganzzahlig Mehrfaches von λ/2
sein, das heißt
n × λ/2; das dielektrische
Substrat P1 kann aus mehreren dielektrischen Substraten P11, P12
ausgeformt sein, wie es in 7 gezeigt
ist; der Wellenhohlleiterabschnitt 20b oder 30b kann
aus einem dielektrischen Substrat oder aus drei oder mehr dielektrischen
Substraten ausgebildet sein; und/oder die Durchkontaktierungslöcher 25 sind
in Doppelgruppen bzw. Doppelreihen näher an dem Hohlraum 21 ausgeformt
als die Durchkontaktierungslöcher 23 oder
sie sind an einem Abstand, der kleiner als die Hälfte der Wellenlänge in dem
dielektrischen Substrat ist, wie es in 7 gezeigt
ist, ausgeformt, um den dielektrischen Verlust zu verringern.
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Erfindungsgemäß weißt ein Übertragungsleitungsübergang
einen Wellenhohlleiterabschnitt 20b mit einem Wellenhohlleiter
G, wobei der Wellenhohlleiterabschnitt 20b aus wenigstens
einem dielektrischen Substrat P2, P3 ausgeformt ist, und einen Leitungsübergangsabschnitt 20a auf,
der wenigstens aus einem dielektrischen Substrat P1, das angrenzend
an den Wellenhohlleiterabschnitt 20b angeordnet ist, so
dass es das Mittelloch 9, 21 bedeckt, aus einer Übertragungsleitung
SP zum Übertragen
der elektromagnetischen Welle und aus einer Antennenstruktur AP,
die in dem Mittelloch 9 angeordnet ist, so dass sie mit
der Übertragungsleitung
SP elektromagnetisch verbunden ist, ausgeformt ist. Jedes der dielektrischen
Substrate P1, P2, P3 weist eine Vielzahl von Durchkontaktierungslöchern 7 auf,
die an einem Abstand δ =
ganze Zahl n × Wellenlänge λg/2 von der Umfangswandung 9 des
Mittellochs H, 21 derart angeordnet sind, dass sie das
Mittelloch H, 21 umgeben.