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STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Hochfrequenz-Signalübertrager,
und insbesondere einen Hochfrequenz-Signalübertrager mit einem Streifenleitungs-Koplanar-Übergang.
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Zur Übertragung von hochfrequenten
Signalen, z.B. in der Mi-krowellentechnik, sind aperturgekoppelte
Patch-Antennen bekannt. Diese finden sowohl in Antennen-Arrays,
d.h. Antennenanordnungen mit mehreren solcher Patch-Antennen, oder
als Einzelabstrahler bzw. -koppler Verwendung.
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In 4 ist
eine übliche
Apertur- bzw. schlitzgekoppelte Patch-Antenne dargestellt. Bei dieser
wird ein Antennen-Patch 19 über einen
Koppelschlitz 17 in einer Massefläche 18 erregt, welcher wiederum
durch eine eingebettete Speiseleitung 16 in einer vergrabenen
Ebene gespeist wird. Unter dieser Ebene 16 befindet sich
eine weitere Massefläche 12,
welche über
Durchkontaktierungen 20' mit
der mit der Kopplungsöffnung 17 versehenen
Massefläche 18 elektrisch
leitend verbunden ist. Eine solche Konstruktion zeichnet sich durch
eine hohe Übertragungsbandbreite
aus. Herkömmlicherweise
befindet sich zwischen der Speiseleitung 16 und dem Koppelschlitz
ein Substrat 11, in welchem die Hochfrequenz- Energie des zu übertragenden
oder einzukoppelnden Signalls an den Schlitz bzw. die Kopplungsöffnung 17 herangeführt wird.
Die im Substrat eingebettete Speiseleitung 16 ist bei solchen
Mikrowellen-Antennenanordnungen bzw. -Schaltungen meist als Streifenleitung
(triplate) vorgesehen. Dabei wird die HF-Energie des Signals zwischen
der Streifenleitung 16 im Substrat und einer Massefläche 12, 18 auf der
Substratober- und -unterseite geführt.
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Problematisch dabei ist die HF-Energie
aus Substraten 11 insbesondere mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten
nach außen,
beispielsweise in Luft, abzustrahlen. Setzt man als Substratmaterial beispielsweise
low temperature cofired ceramic (LTCC) ein, welches als Basismaterial
für Mikrowellenschaltungen
geeignet ist, so muß man
sich mit der oben genannten Problemstellung auseinandersetzen, da
LTCC eine recht hohe Dielektrizitätskonstante εr > 4 aufweist. Dies führt zu einem
herabgesetzten Antennengewinn, ebenso wie zu einem verschlechterten
Antennenwirkungsgrad.
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Der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Signalübertrager
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem bekannten Lösungsansatz
den Vorteil auf, dass die HF-Energie des Signals im Bereich des
Koppelschlitzes des Übertragers
bzw. der Antenne konzentriert ist und der Antennenwirkungsgrad und
der Antennengewinn steigt.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde
liegende Idee besteht im wesentlichen darin, von einer Speiseleitung
in Mikrostreifentechnik mittels eines Mikrostreifen-Koplanar- Überganges auf eine Koplanarleitung
zu wechseln, welche mittels einer Durchkontaktierung mit der eigentlichen
Antennenspeiseleitung eingebettet in einem Substrat verbunden ist. Dadurch
wird die Signalenergie im Umfeld der Kopplungsöffnung der Antenne konzentriert,
welches einen höheren
Wirkungsgrad ermöglicht,
als wenn man beispielsweise direkt die Mikrostreifenleitung mit der
im Substrat eingebetteten Speiseleitung mittels einer Durchkontaktierung
verbinden würde.
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Mit anderen Worten wird durch den
Hochfrequenz-Signalübertrager
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Vorrichtung mit einer ersten Streifenleitung an der
Oberfläche
eines dielektrischen Substrats zum Bereitstellen eines Signals,
einer zweiten Streifenleitung im dielektrischen Substrat zur Aus- und/oder
Einkopplung eines Hochfrequenzsignals, einer ersten Durchkontaktierungseinrichtung
im Substrat zum Bereitstellen einer leitfähigen Verbindung zwischen der
ersten und der zweiten Streifenleitung, einer ersten Massefläche im wesentlichen
parallel zur Mikrostreifenleitung als untere Begrenzungsfläche des
Substrats in vertikaler Richtung zum Bereitstellen einer Abschirmung;
einer zweiten Massefläche
im wesentlichen parallel zur ersten Massefläche zumindest im Bereich über der
zweiten Streifenleitung auf dem Substrat zum Bereitstellen einer
Abschirmung, einer Kopplungsöffnung
in der zweiten Massefläche
zum Abstrahlen hochfrequenter Energie, einer Planaren Kopplungseinrichtung über und im
wesentlichen parallel zur Kopplungsöffnung und einer zweiten Durchkontaktierungseinrichtung
zwischen der ersten Massefläche
und der zweiten Massefläche
im Bereich der ersten Durchkontaktierungseinrichtung vorgesehen,
um die Effizienz des Übertragers
zu verbessern.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen
Hochfrequenz-Signalübertragers.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist
das Substrat ein keramisches Material, vorzugsweise low temperature
cofired ceramic (LTCC), auf. Keramische Substrate und vor allem
LTCC weisen den Vorteil auf, dass sie gute Hochfreqenzeigenschaften
besitzen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung weist das Substrat eine hohe Dielektrizitätszahl,
insbesondere größer als
4, auf. Dadurch können
vorteilhafte Substratmaterialien ausgewählt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung weist die zweite Durchkontaktierungseinrichtung mehrere
diskrete Durchkontaktierungselemente auf. Dies birgt den Vorteil,
einen möglichst
homogenen und gleichmäßigen Feldübergang
im Übergangsbereich
zwischen der Mikrostreifenleitung und der Koplanarleitung von der
unteren ersten Massefläche
auf die obere zweite Massefläche
zu gewährleisten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung sind die diskreten Durchkontaktierungselemente im
Bereich der ersten Durchkontaktierungseinrichtung senkrecht zur
zweiten Massefläche
betrachtet trichterförmig
angeordnet, wobei die zweite Massefläche in diesem Bereich ebenfalls
eine trichterförmige
Ausnehmung aufweist. Auch diese Maßnahme dient dem homogenen
Feldübergang
im Bereich des Wechsels von der Mikrostreifenleitung auf die Koplanarleitung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung geht die erste Streifenleitung benachbart der ersten
Durchkontaktierung in eine Koplanarleitung über. Dies ist von Vorteil,
da auf diese Weise in Verbindung mit den beiden vorgenannten Merkmalen
ein Großteil
der HF-Energie nicht mehr nur zwischen der Streifenleitung und der
unteren ersten Massefläche geführt wird
und somit besser aus. dem Substrat ausgekoppelt werden kann im Vergleich
zu einer Anordnung, in welcher die speisende Mikrostreifenleitung lediglich
mit einer Durchkontaktierung (Via) mit der im Substrat eingebetteten
Leitung verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung weist die zweite Streifenleitung einen geringeren
Abstand zu der zweiten Massefläche
als zu der ersten Massefläche
auf. Daraus folgen die Vorteile einer unsymmetrischen Triplate-Streifenleitung bei
der gegebenen Antennenanordnung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung weist ein Ende der zweiten Streifenleitung in longitudinaler
Richtung in etwa einen Abstand von einer viertel Wellenlänge der
Nutzsignalwelle auf der Streifenleitung zur Kopplungsöffnung auf.
Dadurch wird die Auskopplung des Hochfrequenzsignals durch die Kopplungsöffnung vorteilhaft
optimiert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
schematische Schrägansicht
zur Erläuterung
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalübertragers;
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2 eine
schematische Längsschnittsansicht
zur Erläuterung
der Ausführungsform
gemäß 1;
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3 eine
schematische Detailansicht in Draufsicht zur Erläuterung der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß 1 und 2; und
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4 eine
schematische Schrägansicht
eines herkömmlichen
Hochfrequenz-Signalübertragers.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In den Figuren bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.
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1 zeigt
eine schematische Schrägansicht
zur Erläuterung
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Signalübertragers.
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In 1 ist
eine erste Mikrostreifenleitung 10 dargestellt, welche
auf einem dielektrischen Substrat 11, vorzugsweise aus
einem keramischen Material, wie beispielswei se low temperature cofired
ceramic (LTCC), besteht. Eine erste Massefläche 12 bildet in vertikaler
Richtung vorzugsweise eine untere Begrenzungsebene des dielektrischen
Substrats 11 und ist elektrisch leitend, beispielsweise
aus einem Metall. In einem Übergangsbereich 13 von
der Streifenleitung 10 in eine Koplanarleitung 14 auf
der Oberfläche
des Substrats 11 erfolgt eine Umstrukturierung der Speiseleitung 10, 14.
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Die Koplanarleitung 14 wird
mittels einer ersten Durchkontaktierungseinrichtung 15 auf
eine zweite Streifenleitung 16 geführt, welche im Substrat 11 eingebettet
ist. Die eingebettete Streifenleitung 16 verläuft vorzugsweise
parallel zur ersten Streifenleitung und ebenfalls parallel zur ersten
Massefläche 12.
Die Durchkontaktierungseinrichtung 15 zwischen der Koplanarleitung 14 und
der eingebetteten Streifenleitung 16 ist elektrisch leitend
und weist vorzugsweise ein Metall auf, wobei diese Durchkontaktierungseinrichtung 15 vorzugsweise
lotrecht verläuft. Das
freilaufende Ende 16' der
eingebetteten Streifenleitung 16 liegt im Bereich einer
Koppelöffnung 17 bzw.
eines Koppelschlitzes, welcher sich in einer zweiten Massefläche 18 auf
der Oberfläche
des Substrats 11 im wesentlichen parallel zur ersten Massefläche 12 befindet. Über der
Kopplungsöffnung 17 ist im
wesentlichen parallel zur zweiten Massefläche 18 eine Koppeleinrichtung,
vorzugsweise ein Antennen-Patch-Element 19,
vorgesehen, welches über die
Koppelöffnung 17 mit
der eingebetteten. Leitung 16 elektromagnetisch verkoppelt
ist. Der Koppelschlitz 17 ist quer zur Leitung 16, ähnlich einem Kreuz,
ausgerichtet, über
welchem sich das vorzugsweise rechteckförmige Patch-Element mit seinen Kanten
jeweils parallel dazu ausrichtet erstreckt.
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Die zweite Massefläche 18 ist
mit der ersten Massefläche 12 über eine
Durchkontaktierungseinrichtung 20, vorzugsweise aus mehreren
diskreten Durchkontaktierungselementen 20', elektrisch leitend verbunden.
Die zweite Massefläche 18 erstreckt sich
vorzugsweise in Längsrichtung
parallel der Streifenleitung 10, 16 bis über die
Erstreckung des Patch-Antennen-Elements 19 und
in der anderen Richtung bis über
den Übergangsbereich 13 zwischen
der Streifenleitung 10 und der Koplanarleitung 14.
Im Bereich dieses Übergangs 13 weist
die zweite Massefläche 18 einen
vorzugsweise trichterförmigen Einschnitt
bzw. eine trichterförmige
Ausnehmung auf und umgibt den Übergang 13,
die Koplanarleitung 14 und den Bereich der Durchkontaktierung 15,
ohne die jeweiligen Einrichtungen elektrisch zu kontaktieren.
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Die diskreten Durchkontaktierungselemente 20' zwischen der
ersten Massefläche 12 und
der zweiten Massefläche 18 weisen
vorzugsweise ebenfalls eine trichterförmige Anordnung auf, welche
in etwa der Gestalt des trichterförmigen Einschnitts in der zweiten
Massenfläche 18 entspricht.
Ein diskretes Durchkontaktierungselement 20' ist beispielsweise rund und/oder
zylinderförmig
lotrecht zwischen der ersten Massefläche 12 und der zweiten
Massefläche 18 vorgesehen.
Darüber
hinaus ist die Durchkontaktierungseinrichtung 20 zwischen
den Masseflächen 12, 18 vorzugsweise
spiegelsymmetrisch zu einer gedachten Spiegelebene durch die Mitte
der Streifenleitung 10 bzw. der Koplanarleitung 14 vorgesehen.
Auch eine durchgängige
elektrisch leitende Wand als Kontaktierungseinrichung 20 zwischen
den Masseflächen 12 und 18 ist
vorstellbar, welche beispielsweise entlang der dann substituierten
Kontaktierungselemente 20' verlaufen
könnte.
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2 zeigt
eine schematische Längsschnittsansicht
zur Erläuterung
der Ausführungsform
gemäß 1.
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In 2 ist
ein Längsschnitt
entlang der Mitte der Streifenleitung 10 bzw. der Koplanarleitung 14 dargestellt.
Auf dem Substrat 11 ist eine Streifenleitung 10 vorgesehen,
welche in einem Übergangsbereich 13 auf
die Koplanarleitung 14 übergeht.
Diese Koplanarleitung 14 ist über eine elektrisch leitende Durchkontaktierung 15 mit
einer Streifenleitung 16 verbunden, welche sich im Substrat 1i eingebettet parallel
zur Streifenleitung 10 und zu einer ersten Massefläche 12 erstreckt.
Im Bereich der Durchkontaktierungseinrichtung 15 zwischen
der Koplanarleitung 14 und der Streifenleitung 16 endet
die Koplanarleitung 14 und die Streifenleitung 16 beginnt.
Am anderen Endabschnitt 16' der
Streifenleitung 16 befindet sich an der Oberfläche des
Substrats 11 in der Ebene der ersten Streifenleitung 10 eine
zweite Massefläche 18 mit
einer Kopplungsöffnung 17.
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Der Abstand zwischen der Kopplungsöffnung 17 und
dem Ende 16' der
eingebetteten Streifenleitung 16 in Längsrichtung, d. h. in Richtung
der Streifenleitung 16 betrachtet, beträgt vorzugsweise in etwa ein
viertel der Wellenlänge
des über
die Speiseleitung 10, 13, 14, 15 und 16 zu übertragenden
hochfrequenten Signals. Bei einem Abstand von λ/4 der Signalwellenlänge zwischen
dem Ende 16',
der Streifenleitung 16 und der Öffnung 17 in der Massefläche 18 erfolgt
eine maximale Kopplung und der Planarstrahler 19 bzw. die
Kopplungseinrichtung wird maximal angeregt.
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Die Durchkontaktierungseinrichtung 20 zwischen
der ersten Massefläche 12 und
der zweiten Massefläche 18 ist
in 2 nur exemplarisch
dargestellt, um eine vorhandene Verbindung zwischen beiden Flächen 18 und 12 zu
verdeutlichen (eine Entsprechung in 1 an
vergleichbarer Stelle ist nicht dargestellt). Obwohl die erste Massefläche 12 eine Begrenzung
des Substrats 11 nach unten hin, d. h. in vertikaler Richtung
zu begründen
scheint, besteht durchaus die Möglichkeit,
dass das Substrat 11 auch unterhalb der Massefläche 12 vorgesehen
ist und insgesamt ein mehrschichtiger Aufbau bzw. eine mehrschichtige
Struktur vorhanden ist.
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3 zeigt
eine schematische Detailansicht in Draufsicht zur Erläuterung
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
gemäß 1 und 2.
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In 3 ist
in erster Linie der Übergang 13 von
der Streifenleitung 10 auf der Oberfläche des Substrats in die Koplanarleitung 14 auf
der Oberfläche
des Substrats 11 dargestellt. Dieser Übergang 13, welcher
vorzugsweise einen konischen Verlauf aufweist, ist vorzugsweise
in einem trichterförmigen Schlitz
bzw. einer trichterförmigen
Ausnehmung der zweiten Massefläche 18 vorgesehen,
welche über die
Durchkontaktierungseinrichtung 20 bzw. die diskreten Durchkontaktierungselemente 20' mit der in 3 nicht dargestellten ersten
Massefläche 12 verbunden
ist. Auch die vorzugsweise spiegelsymmetrisch zur Koplanar- bzw.
Streifenleitung 10 angeordneten Durchkontaktierungselemente 20' sind trichterförmig angeordnet.
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Wird vor der Durchkontaktierung 15 in
die vergrabene Ebene 16 von einer Mikrostreifenleitung 10 auf
eine Koplanarlei tung 14 mittels des Übergangs 13 gemäß 1 bis 3 gewechselt, so wird die HF-Energie überwiegend
im Schlitz der Koplanarleitung 14 geführt. Dadurch wird nach der Durchkontaktierung 15 in
die eingebettete Leitung 16 die HF-Energie bei der verwendeten
asymmetrischen Streifenleitung hauptsächlich zwischen der oberen
Massefläche 18 (mit
Koppelschlitz 17) und der vergrabenen Leitung 16 geführt. Somit
kann die HF-Energie leichter über
den Koppelschlitz 17 ausgekoppelt werden und der Antennengewinn
und der Antennenwirkungsgrad steigt. Die Funktionsweise der Antenne
wird mittels des zwischengeschalteten Koplanarübergangs 10, 13, 14 in
erster Linie deshalb verbessert, weil die Bezugsmasse für das HF-Signal von
der unteren Massefläche 12 auf
die obere Massefläche 18 ohne
unstetigen Übergang
verlaufen kann. Dadurch wird verhindert, dass die HF-Energie im
Substrat 11 verbleibt und nicht abgestrahlt werden kann.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar.
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Insbesondere Materialien wie das
keramische Substratmaterial LTCC sind beispielhaft zu sehen. Darüber hinaus
ist auch die angesprochene Trichterform der Ausnehmung in der zweiten
Massefläche
im Bereich des Übergangs
zwischen der Streifenleitung und der Koplanarleitung beispielhaft
und ein in Draufsicht betrachteter runder Übergang ist ebenfalls vorstellbar.