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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Übertragen
von Hochfrequenzsignalen mit einem Hohlleiter, mit mindestens einer
mit dem Hohlleiter gekoppelten Antenne, die insbesondere eine Patch-Antenne
aufweist, und mit wenigstens einer planaren Wellenleitung, insbesondere
Mikrostreifenleitung, welche planare Wellenleitung entlang einer insbesondere
nutenförmigen Wandausnehmung des Hohlleiters verlaufend
mit der Antenne zur Signalübertragung verbunden ist.
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Um
für kompakte Bauverhältnisse bei einer Hochfrequenzanordnung
sorgen zu können, ist es aus dem Stand der Technik bekannt
(
DE 10 2006 019 054
A1 ), in einem Hohlleiter eine nutenförmigen Wandausnehmung
vorzusehen, entlang der eine planare Wellenleitung verläuft.
Bekannte planare Wellenleitungen, die oftmals auch als Streifenleitung
bezeichnet werden, sind Mikrostreifenleitungen, Koplanleitungen,
Schlitzleitungen und dergleichen. Gemäß der
DE 10 2006 019 054
A1 wird eine Mikrostreifenleitung vorgeschlagen, die mit
einem Kopplungselement bzw. einer Antenne elektrisch verbunden ist,
um so für einen Übergang von hochfrequenter Energie
zwischen der Mikrostreifenleitung und dem mit der Antenne gekoppelten
Hohlleiter zu sorgen. Als Antenne wird eine Patch-Antenne verwendet,
wobei außerdem die Patch-Antenne und Mikrostreifenleitung
aufweisende Mikrostreifenleiter-Struktur auf einem Träger
bzw. einer Platine vorgesehen ist. Gerade die für kompakte
Verhältnisse vorteilhafte Wandausnehmung erfordert jedoch
nachteilig einen erhöhten Konstruktionsaufwand am Hohlleiter,
weil aufgrund der Ausnehmung mit Strahlungsverlusten des Hohlleiters
zu rechnen ist, was es zu vermeiden gilt. Außerdem führt
eine Wandausnehmung zu einer unterbrochenen Grenzfläche
des Hohlleiters, wodurch sich einen Übergang zwischen Mikrostreifenleitung
und Hohlleiter verschlechtern kann.
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Die
Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung
der eingangs geschilderten Art derart zu verbessern, dass trotz
einer Kompaktheit höchsten Ansprüchen im Übergang
zwischen einer planaren Wellenleitung und einem Hohlleiter genügt
werden kann. Außerdem soll die Vorrichtung konstruktiv
einfach aufgebaut und kostengünstig sein.
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Die
Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die
Antenne mit zwei planaren Wellenleitungen für eine differentielle
Signalübertragung verbunden ist.
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Ist
die Antenne mit zwei planaren Wellenleitungen für eine
differentielle Signalübertragung verbunden, so kann ohne
einen konstruktiven Mehraufwand am Hohlleiter die bei differentiell
beaufschlagten Antennen bekannte Abstrahlung genützt werden, deren
abgegebene Energie auf solche Grenzflächen des Hohlleiters
einzukoppeln, die im Gegensatz zum Stand der Technik nicht durch
Ausnehmung verkleinert bzw. unterbrochen sind. Damit kann erfindungsgemäß zwischen
den planaren Wellenleitungen bzw. der differentiellen planaren Wellenleitung
und dem Hohlleiter ein derartiger Übergang ermöglicht
werden, der sich durch eine hervorragende und insbesondere auch
verlustarme Übertragung auszeichnet. Letzteres kann insbesondere
auch für eine störungsfreie Übertragung
der hochfrequenten Strahlung sorgen, weil mit einer Reduktion eines
unerwünschten Strahlungsaustritts durch die Wandausnehmung
gerechnet werden kann. Außerdem kann die Wahl der Wandausnehmung
deutlich unabhängiger als beim Stand der Technik gestaltet
werden, sodass mit geringen konstruktiven Voraussetzungen eine kostengünstige
Vorrichtung geschaffen werden kann. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung genügt daher nicht nur geringsten Abmessungen,
sondern kann auch mit einfachen konstruktiven Maßnahmen
für einen besonderen Übergang zwischen den planaren
Wellenleitungen und dem Hohlleiter sorgen. Einfache Konstruktionsverhältnisse
ergeben sich, wenn die planaren Wellenleitungen als Mikrostreifenleitung und
die Antenne wenigstens eine Patch-Antenne aufweist. Ebenso sind
Dipolantennen als Antennen vorstellbar.
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Weist
die Antenne wenigstens eine mit der Patch-Antenne parasitär
zusammenwirkende Patch-Antenne auf, dann kann es erfindungsgemäß möglich
werden, über die parasitäre Patch-Antenne die
Bandbreite der Antenne zu vergrößern, was vorteilhafte Übertragungsverhältnisse
sicherstellen kann. Insbesondere kann die parasitäre Patch-Antenne
gegenüber der mit der differentiellen planaren Wellenleitung
verbundenen Patch-Antenne verstimmt ausgebildet sein, in dem die
parasitäre Patch-Antenne eine zur Resonanzfrequenz der Patch-Antenne
verschiedene Resonanzfrequenz aufweist. Mit wenigstens einer an
der Patch-Antenne, insbesondere in Längsrichtung anschließende
parasitäre Patch-Antenne, kann daher auf einfache konstruktive
Weise eine breitbandigere Abstrahlung der Vorrichtung geschaffen
werden.
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Um
eine konstruktiv einfache Impedanzanpassung schaffen zu können,
kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine parasitäre Patch-Antenne
zur Impedanzanpassung mit der Masse der planaren Wellenleitung verbunden
ist. Signaltransformatoren (unter anderem auch unter „matching
network” bekannt) zwischen den Mikrostreifenleitungen und
der Patch-Antenne können so vermieden werden, wodurch der Übergang
zwischen planaren Wellenleitung und Hohlleiter verbessert werden
kann. Außerdem kann dadurch die Möglichkeit geschaffen
werden, einen eventuellen Signaltransformator zwischen planaren
Wellenleitung und Patch-Antenne zu vereinfachen bzw. können
damit dessen konstruktive Voraussetzungen vermindert werden. Mit
einer derartigen Verbindung der parasitären Patch-Antenne kann
daher vorteilhaft selbst bei vergleichsweise hohen Signalfrequenzen
eine konstruktiv einfache und damit vergleichsweise leicht realisierbare
Impedanzanpassung ermöglicht werden.
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen differentiellen Anspeisung
der Antenne kann es auch möglich werden, dass der Hohlleiter
mit seinem mit der Antenne gekoppelten Ende im Bereich der Antenne mündet,
so dass auf die aus dem Stand der Technik bekannten Ausnehmungen
zwischen Hohlleiter und Antenne verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß können
so die Konstruktionsverhältnisse der Hochfrequenzanordnung
noch weiter kompakter gestaltet werden, ohne mit Nachteilen beim
Signalübergang zwischen den planaren Wellenleitungen und
dem Hohlleiter rechnen zu müssen.
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Um
eine verbesserte Abschirmung der strahlungsaktiven Antenne zu schaffen,
kann der Hohlleiter an seinem mit der Antenne gekoppelten Ende mit der
Masse der planaren Wellenleitung mehrmals verbunden sein. Dadurch
kann ein Art Gitter beispielsweise mit Hilfe von Durchkontaktierungen
geschaffen werden, was für einen verlustarmen Übergang
zwischen Mikrostreifenleitung und Hohlleiter sorgen kann.
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Vorteilhafte
Konstruktionsverhältnisse ergeben sich, wenn die Wandausnehmung
des Hohlleiters in der Breite kleiner gleich der Breite der Anschlussseite
der Antenne ist. Damit kann vermieden werden, dass eine Strahlungsenergie
der Antenne eine unerwünschte Öffnung durch den
Hohlleiter findet, was so einen verlustarmen Strahlungsübergang ermöglichen
kann. Vorteilhaft kann sich weiter herausstellen, wenn Wandausnehmung
eine Höhe entsprechend oder kleiner 1/4 der Wellenlänge
des abgestrahlten elektromagnetischen Hochfrequenzsignals aufweist.
Diese Wahl kann sich deshalb als vorteilhaft herausstellen, da auf
der einen Seite die Höhe der Wandausnehmen nicht zu klein
sein soll, um damit die elektromagnetische Feldausbreitung in den planaren
Wellenleitung nicht zu stören, und auf der anderen Seite
nicht zu hoch sein soll, um damit nicht mit Strahlungsverlusten
des Hohlleiters rechnen zu müssen.
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Weist
der Hohlleiter wenigstens zwei übereinander vorgesehene
Hohlleiterteile auf, wobei der eine geschlitzte Hohlleiterteil mit
seinem Schlitz zusammen mit dem anderen Hohlleiterteil die Wandausnehmung
des Hohlleiters bildet, dann kann auf einfache Weise der konstruktive
Aufwand für den Hohlleiter vermindert werden. Außerdem
kann mit dem geschlitzten Hohlleiterteil ein Basisteil geschaffen
werden, auf dem unterschiedliche Hohlleiter aufsetzbar sind.
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In
den Figuren ist der Erfindungsgegenstand anhand von mehreren Ausführungsbeispielen
beispielsweise dargestellt. Es zeigen
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1 eine
aufgerissene Seitenansicht auf eine Vorrichtung zum Übertragen
von Hochfrequenzsignalen,
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2 eine
Frontansicht auf die Vorrichtung nach 1,
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3 eine
abgerissene Draufsicht im Schnitt der nach den 1 und 2 dargestellten
Vorrichtung,
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4 eine
Draufsicht auf die in der Vorrichtung nach 1 und 2 verwendeten
Mikrostreifenleiter-Struktur,
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5 eine
abgerissene Draufsicht einer anderen Mikrostreifenleiter-Struktur,
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6 eine
weitere Mikrostreifenleiter-Struktur in abgerissener Draufsicht,
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7 eine
anstatt einer Patch-Antenne nach 3 vorgesehene
Dipolantenne und
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8 einen
zweigeteilten Hohlleiter.
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Die
beispielsweise nach den 1 und 2 dargestellte
Vorrichtung 1 dient zum Senden und/oder Empfangen bzw.
zum Übertragen von angedeutet dargestellten elektromagnetischen
Hochfrequenzsignalen 2. Insbesondere zeigt diese Vorrichtung 1 einen Übergang
zwischen einer als Mikrostreifenleitung ausgeführten planaren
Wellenleitung 3 und einem Hohlleiter 4. Zu diesem
Zweck ist mit dem Hohlleiter 4 ein Kopplungselement bzw.
eine Antenne 5 gekoppelt. Die Antenne 5 ist als
Patch-Antenne 6 ausgeführt und mit der planaren
Wellenleitung 3 elektrisch verbunden, um hochfrequente
elektrische Energie der planaren Wellenleitung 3 in den
Hohlleiter 4 einkoppeln zu können. Es versteht
sich von selbst, dass anstatt einer Patch-Antenne 6 auch
ein anderes strahlendes Element als Antenne 5 verwendet
werden kann. Zur Bildung einer Mikrostreifenleiter-Struktur 7 ist
auf einem Träger 8 eine als Masse 9 dienende
untere Leiterschicht, darüberliegend ein Dielektrikum 10 und
auf dieser eine obere Leiterschicht 11 vorgesehen. Ein
Teil dieser Leitschicht 11 bildet die planare Wellenleitung 3 aus.
Diese planare Wellenleitung 3 verläuft entlang
einer nutenförmigen Wandausnehmung 12 der Hohlleiterwand 13 des Hohlleiters 4 zur
Patch-Antenne 6. Dabei kann im allgemeinen gesprochen die
planare Wellenleitung 3 in die Wandausnehmung 12 ragen
und/oder der Hohlleiter 13 weist lediglich im Bereich des
Verlaufs der planaren Wellenleitung 3 eine Wandausnehmung 12 auf.
Um einen besonderen Übergang zwischen der planaren Wellenleitung 3 und
dem Hohlleiter 4 zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass
die Patch-Antenne 6 der Antenne 5 mit einer differentiellen
Mikrostreifenleitung bzw. differentiellen planaren Wellenleitung 3 verbunden
ist. Zu diesem Zweck ist die Patch-Antenne 6 mit zwei,
einer differentielle Signalübertragung dienenden planaren
Wellenleitung 3' und 3'' verbunden, die mit Abstand
zueinander parallel verlaufen. Durch diesen differentiellen Anschluss 14 der Patch-Antenne 6 kann
deren bekannte Abstrahlung über die Längsseiten 15 für
eine besondere Einkopplung in den Hohlleiter 4 genützt
werden, weil die gegenüberliegenden Grenzflächen 16 des
Hohlleiters 4 ohne Unterbrechung an die obere Leiterschicht 11 anschließen
können. Dies wird im Gegensatz zum Stand der Technik möglich,
weil an diesen Grenzflächen 16 keine Ausnehmung
zur Führung eventueller planarer Wellenleitungen 3 vorgesehen
werden müssen. Erfindungsgemäß befindet
sich nämlich die Ausnehmung 12 an einer Grenzfläche 17 der
Hohlleiterwand 13, die aufgrund des differentiellen Anschluss 14 der
Patch-Antenne 6 nicht direkt angestrahlt wird, was der 3 besser
entnommen werden kann. Damit kann der Übergang zwischen
einer Mikrostreifenleitung bzw. Wellenleitung 3 und einem
Hohlleiter 4 verbessert werden, was zu einem erhöhten
Wirkungsgrad im Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen 2 mitsamt
vereinfachten Konstruktionsverhältnissen führt.
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Der
auf dem Träger 8 angeordnete Hohlleiter 4 ist über
elektrisch leitende Stifte 18 mit der oberen und unteren
Leiterschicht und damit mit der Masse 9 der Mikrostreifenleiter-Struktur 7 mehrmals
verbunden, was der 4 besser entnommen werden kann. Ebenso
können die elektrisch leitenden Stifte 18, in dem
diese in den Träger 8 und die Hohlleiterwand 13 ragen,
zur Befestigung des Hohlleiters 4 auf dem Träger 8 dienen.
Diese Stifte 18 können auch in bekannter Art und
Weise in Form von Durchkontaktierungen ausgeführt sein.
Die Stifte 8 bzw. Durchkontaktierungen bilden eine Art
Gitter um den Freiraum 19 der Schichten 9 bis 11,
was einen Verlust an Strahlungsenergie verhindern kann. Vorteilhaft
mündet das Ende 20 des Hohlleiters 4 im
Bereich der Antenne 5 aus, so dass die Masse 9 an
die Antenne 5 seitlich nahe herangezogen werden kann.
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Weist
die Antenne 5 der 5 gegenüber der
nach 4 dargestellten Mikrostreifenleiter-Struktur 7 eine
der Patch-Antenne 6 zugeordnete bzw. zusammenwirkende parasitäre
Patch-Antenne 21 auf, dann kann damit die Bandbreite der
Antenne 5 vergrößert werden. Die parasitäre
Patch-Antenne 21 weist unterschiedliche Abmessungen auf,
wodurch diese konstruktiv einfach verstimmt werden kann, um eine
zur Resonanzfrequenz der Patch-Antenne 6 verschiedene Resonanzfrequenz
schaffen zu können.
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Ist
gemäß 6 die parasitäre Patch-Antenne 21 zur
Impedanzanpassung mit der Masse 9 der planaren Wellenleitung 3 bzw.
der Mikrostreifenleiter-Struktur 7, beispielsweise über
eine Verbindungsleitung 22 mit der oberen Leiterschicht 11,
verbunden, dann können einfache Verhältnisse zur
Bildung einer Impedanzanpassung geschaffen werden. Übliche
in der planaren Wellenleitung 3 bzw. zwischen der Mikrostreifenleitung
und der Patch-Antenne 6 vorgesehene Transformatoren („matching
network”), die nicht dargestellt worden sind, können
damit vereinfacht oder selbst vernachlässigt werden. Außerdem
können damit auf einfache konstruktive Weise hohe Übertragungsfrequenzen
ermöglicht werden.
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Besondere
Verhältnisse ergeben sich, wenn die Wandausnehmung 12 des
Hohlleiters 4 eine Breite 23 entsprechend der
Breite der Anschlussseite 24 der Patch-Antenne 6 aufweist.
Insbesondere kann die Wandausnehmung 12 in der Höhe 25 entsprechend
1/4 der Wellenlänge des elektromagnetischen Hochfrequenzsignals 2 des
Hohlleiters 4 ausgebildet sein, was der 2 besser
entnommen werden kann.
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Anstatt
der Patch-Antenne 6 kann auch eine gemäß 7 dargestellte
Dipol-Antenne 26 verwendet werden, wobei andere Antennen
als Kopplungselement zwischen der planaren Wellenleitung 3 und dem
Hohlleiter 4 vorstellbar sind. An die Dipol-Antenne 26 kann
dann wieder, wie in 3 dargestellt eine nicht näher
dargestellte parasitäre Patch-Antenne anschließen
und/oder kann die Dipol-Antenne auch aus zwei voneinander getrennten
Patch-Antennen, die je an eine planare Wellenleitung 3 angeschlossen ist,
aufgebaut sein.
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Gegenüber 1 ist
der Hohlleiter 4 in 8 zweiteilig
ausgeführt, um damit den Konstruktionsaufwand hinsichtlich
der Wandausnehmung 12 am Hohlleiter 4 zu verringern.
Die beiden Hohlleiterteile 4' und 4'' sind übereinander
vorgesehen und durch nicht näher dargestellte Verbindungsmittel
miteinander verbunden. Der eine Hohlleiterteil 4' weist einen
Schlitz 27 auf, und bildet so die seitlichen Begrenzungsflächen
der Wandausnehmung 12. Der andere Hohlleiterteil 4' bildet
die Stegfläche der Wandausnehmung, so dass der geschlitzte
Hohlleiterteil 4' mit seinem Schlitz 27 zusammen
mit dem anderem Hohlleiterteil 4'' die Wandausnehmung 12 des
Hohlleiters 4 bildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006019054
A1 [0002, 0002]
