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Die
Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen einem koaxialen und
einem koplanaren Leitungssystem.
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Mikrowellenschaltungen,
beispielsweise ultrabreitbandige Koppler zur Trennung von in unterschiedlichen
Richtungen laufenden Wellen auf einer Leitung, z. B. für einen
Netzwerkanalysator, werden heute vielfach in planarer Wellenleitertechnik
integriert. Diese integrierten Mikrowellenschaltungen bieten gegenüber der
Koaxial- oder Hohlleitertechnik erhebliche Vorteile (z. B. Gewichtsreduzierung,
einfache und reproduzierbare Herstellbarkeit komplexer Strukturen,
hohe Zuverlässigkeit).
Die Verbindung dieser integrierten Mikrowellenschaltungsmodule mit anderen
Funktionseinheiten, Geräten
und Systemen der Hochfrequenztechnik, z. B. mit einem Netzwerkanalysator
und mit einem Prüfling
(DUT), erfolgt über Koaxialleitertechnik.
Der Koaxialleiter steht über
eine koaxiale Einbaubuchse mit dem Gehäuse des Mikrowellenschaltungsmoduls
in Verbindung.
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Die
Verbindung zwischen der planaren Mikrowellenschaltung im Gehäuse und
der Koaxialleitung in der koaxialen Einbaubuchse des Gehäuses soll
einen breitbandigen Übergang
mit möglichst
geringer Reflexion und Durchlaßdämpfung aufweisen. Hierzu
sind unter Beibehaltung des Wellenwiderstandes das Feldbild der
planaren Mikrowellenschaltung an das Feldbild der Koaxialleitung
anzupassen. Dies gilt insbesondere für den Übergang von einem koaxialen
Leitungssystem zu einem koplanaren Leitungssystem, das im folgenden
weiter betrachtet wird.
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Bei
der Ausgestaltung des Übergangs
vom koaxialen zum koplanaren Leitungssystem ist, ferner zu berücksichtigen,
dass es aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen den beiden
Leitungssystemen und der unterschiedlichen temperaturbedingten Ausdehnungskoeffizienten
der verschiedenen an der Übergangsstelle
beteiligten Materialien nicht zu streßbedingten Zerstörungen der
Löt- oder
Klebestelle und auch des wegen seiner Sprödigkeit empfindlichen Substratmaterials
des koplanaren Leitungssystems, kommt.
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In
der
US 5,046,966 A ist
ein Verbindungssystem zwischen einem Koaxialleiter und einem in Multi-Layer-Technologie
bedruckten Schaltungsträger
und in der
CH 572 698
A ist eine in einem Gehäuse
eingebaute bedruckte Leiterplatte – Printplatte – offenbart.
In beiden Fällen
liegt kein koplanares Streifenleitersystem vor.
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In
der
DE 101 19 778
C1 wird für
eine hochbitratige Übertragung
zwischen einer Koaxialleitung und einer auf einer Leiterplatte befindlichen
Schaltungsanordnung eine Verbindung mittels koplanarer Leitung realisiert.
Die Verbindung zwischen dem Innenleiter der Koaxialleitung und dem
Mittelleiter der koplanaren Leitung erfolgt durch Lötung. Analog
wird der Schirmmantel der Koaxialleitung mit den Masseleitungen
der koplanaren Leitung mittels Oberflächenmontage-Technik gelötet. Nachteilig
an dieser wegen der Lötung
mechanisch starren Verbindung zwischen dem koaxialen und koplanaren
Leitungssystemen ist die oben genannte temperaturbedingte unterschiedliche
Ausdehnung des Substratsmaterials in Relation zum metallenen Leitungsmaterial
mit der Gefahr der Zerstörung
der Lötstelle
oder des empfindlichen unter Belastung gesetzten Substratmaterials.
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Eine
Lösung
zur Vermeidung einer derartigen Zerstörung des Substratmaterials
des koplanaren Leitungssystems ist in der
EP 0 031 869 A2 dargestellt,
bei der eine mechanische Fixierung zwischen Mittelleiter und Innenleiter
bzw. Masseleiter und Schirmmantel beim Übergang zwischen koplanarem
und koaxialem Leitungssystem vermieden wird. Die Verbindung zwischen
dem koplanaren und koaxialen Leitungssystem wird über Bonddrähte realisiert,
so dass die mechanisch starre Verbindung der einzelnen am Übergang
beteiligten Materialien aufgehoben ist. Diese Lösung weist aber wiederum den Nachteil
auf, dass durch das Hinzufügen
der Bonddrähte
der Übergang
zusätzliche
Induktivitäten
besitzt, die den Wellenwiderstand stören und die Feldanpassung erschweren
und damit das Übertragungsverhalten
bei hohen und höchsten
Frequenzen verschlechtern.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung zwischen
einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem zu realisieren,
die in elektrischer und mechanischer Hinsicht optimiert ist.
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Bezüglich der
elektrischen Optimierung der Verbindung ist zur Reduzierung der
Reflexion und der Durchlaßdämpfung ein
möglichst
kontinuierlicher Übergang
des Feldverlaufes zu bewerkstelligen. Die mechanische Optimierung
der Verbindung erfordert eine Neugestaltung des Übergangs, bei dem es zu keinen
temperaturbedingten mechanischen Belastungen und damit einhergehend
zu einer eventuellen Zerstörung
der verwendeten Materialien oder der Verbindung kommt.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Verbindung zwischen einem koaxialen
und einem koplanaren Leitungssystem gemäß den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
elektrische Optimierung der Verbindung wird durch eine Übergangsstelle
realisiert, die möglichst
geringe zusätzliche
Kapazitäten
und Induktivitäten
aufweist, um den Wellenwiderstand an der Übergangsstelle nicht zu verzerren.
Um die Induktivitäten
zu reduzieren, sind zusätzliche
elektrische Verbindungsleitungen bzw. -drähte zwischen dem koaxialen
und dem koplanaren Leitungssystem zu vermeiden. Die Reduzierung
der Kapazitäten
erfolgt durch möglichst
geringe Berührungsflächen zwischen
den beiden Leitungssystemen.
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Bei
der mechanischen Optimierung der Verbindung wird eine beidseitige
Schweiß-
bzw. Lötverbindung
vermieden, um eine temperaturbedingte Verspannung der beiden Berührungsmaterialien
auszuschließen.
Statt dessen wird eine Klemmverbindung bevorzugt, bei der die beiden
Berührungsmaterialien
bei Temperaturdrift nicht in formschlüssiger sondern nur in kraftschlüssiger Verbindung
stehen und somit bei unterschiedlichen temperaturbedingten Ausdehnungskoeffizienten
eine relative Ausgleichsbewegung durchführen können.
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Die
Montage- und Reparaturfreundlichkeit wird durch eine derartige Klemmverbindung
erhöht, da
eine vergleichsweise einfache und zerstörungsfreie Demontage möglich ist.
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Die
elektrische und gleichzeitig mechanische Optimierung des Übergangs
zwischen koaxialem und koplanarem Leitungssystem erfolgt, indem
das koplanare Leitungssystem im Randbereich der Masseleiter gegen
Anlageelemente, vorzugsweise Stege, die an der Innenseite des Gehäuses angebracht sind,
geklemmt wird. Dadurch ist es möglich,
dass sich bei einer Temperaturänderung
das empfindliche Substrat des koplanaren Leitungssystems in horizontaler
Richtung in einem anderen Ausmaß ausdehnen kann
als die metallenen Stege des Gehäuses.
Es entsteht somit ein gleitender Kontakt zwischen den Stegen des
Gehäuses
und den Masseleitern des koplanaren Leitungssystems.
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Um
die vorgenannten Kapazitäten
am Übergang
zwischen koplanarem und koaxialem Leitungssystem möglichst
minimal zu halten, sind die Breiten der Stege möglichst gering auszuführen. Da
der Übergang
zwischen koplanarem Leitungssystem und Koaxialleitungssystem hinsichtlich
der Massen nur durch die Flächenberührung zwischen
den Stegen des Gehäuses
und den Randflächen
der Masseleiter erfolgt, sind keine zusätzlichen Bonddrähte erforderlich,
die unnötige
Induktivitäten
darstellen würden. Auch
der Übergang
zwischen dem Innenleiter des koaxialen Leitungssystems und dem Mittelleiter
des koplanaren Leitungssystems verursacht keine unnötigen zusätzlichen
Induktivitäten,
da der Übergang über einen
Schiebekontakt mit einer auf dem Mittelleiter aufgeschweißten Fahne
realisiert ist.
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Hinzu
kommt, dass eine deratige Verbindung durch eine hohe Reproduzierbarkeit
des Übergangs bestimmt
ist, da die Masseverbindung ohne Löt-, Klebe- oder Bondvorgänge hergestellt
wird. Die Güte des
elektrischen Übergangs
wird nicht durch den Verbindungsvorgang – z. B. Löten oder Kleben –, sondern
durch die Genauigkeit der Substrat- und Gehäuseherstellung bestimmt.
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Das
Feldbild des koplanaren Leitungssystems wird an das Feldbild des
Koaxialleitungssystems durch Festlegung der Spaltbreite – Abstand
zwischen den beiden seitlichen Masseleitern – angepasst. Die Ausnehmung
in den Stegen des Gehäuses
ist etwas größer aber
nicht wesentlich größer als die
Spaltbreite ausgeführt,
um auch bei einer temperatur- oder
fertigungstechnisch bedingten geringfügigen Verschiebung sicherzustellen,
dass die Stege nicht in den Spalt zwischen Masseleiter und Mittelleiter
hineinragen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Querschnitt der erfindungsgemäßen Verbindung
zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem;
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2 ein
dreidimensionaler Schnitt der Verbindung zwischen einem koaxialen
und einem koplanaren Leitungssystem von schräg oben und
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3 eine
dreidimensionale Sicht der Verbindung zwischen einem koaxialen und
einem koplanaren Leitungssystem von schräg unten.
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Die
erfindungsgemäße Verbindung
zwischen einem koplanaren und einem koaxialen Leitungssystem wird
nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Die
Verbindung 1 besteht, wie in 1 und 2 dargestellt,
zwischen einem koplanaren Leitungssystem 2 und einem koaxialen
Leitungssystem 3. Das koplanare Leitungssystem 2 basiert
auf einem Substrat 4 aus beispielsweise Aluminiumoxidkeramik.
Auf diesem Substrat 4 sind entsprechend dem Schaltungsdesign
in koplanarer Streifenleitertechnik Mittelleiter 5 und über Schlitze 6 davon
seitlich getrennte Masseleiter 7 aufgebracht.
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Das
koaxiale Leitungssystem 3 hat einen Koaxialstecker 11.
Dieser setzt sich aus einem Innenleiter 8, eine um den
Innenleiter 8 rotationssymmetrisch angebrachte Isolation 9 und
einen die rotationssymmetrische Isolation 9 vollständig umhüllenden Schirmmantel 10 zusammen.
Am Anschluß-Ende des
Koaxialsteckers 11 liegt der Innenleiter 8 frei.
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Die
Verbindung 1 zwischen dem koplanaren Leitungssystem 2 und
dem koaxialen Leitungssystem 3 erfolgt innerhalb eines
Gehäuses 12.
Zur Aufnahme des koplanaren Leitungssystems 2 ist das Gehäuse 12 in
ein Rahmengehäuse
mit zwei Deckeln geteilt.
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Das
koaxiale Leitungssystem 3 wird über den Koaxialstecker 11 in
einer koaxialen Einbaubuchse 13 mechanisch befestigt, die
von der Außenseite
in das Gehäuse 12 an
der Stelle eingebracht ist, an der gehäuseinnenseitig der Innenleiter 8 mit
dem dazugehörigen
Mittelleiter 5 in Verbindung stehen soll. Um die Verbindung
zwischen dem Innenleiter 8 und dem dazugehörigen Mittelleiter 5 zu
ermöglichen,
ist an die Einbaubuchse 13 stirnseitig eine zweifach gestufte
Ausnehmung 14 im Gehäuse 12 angefügt, die
bis in den Innenraum 15 des Gehäuses 12 reicht. Ist
der Koaxialstecker 11 in die koaxiale Einbaubuchse 13 eingeschraubt,
so ist dessen Innenleiter 8 mit seinem stirnseitigen Ende über die zweifach
gestufte Ausnehmung 14 bis an den Beginn des Innenraums 15 des
Gehäuses 12 geführt, da
die Länge
der Ausnehmung 14 der Länge
des frei liegenden Innenleiters 8 entspricht.
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Das
koplanare Leitungssystem 2 befindet sich im Innenraum 15 des
Gehäuses 12 und
ist über eine
Schraub-Klemm-Verbindung
in dem Gehäuse 12 befestigt.
Hierzu wird das koplanare Leitungssystem 2 mit der die
Mittel- und Masseleiter 5 und 7 tragenden Seite 16 des
Substrats 5 gegen die Unterflächen 17 der als Stege 18 ausgebildeten
Anlageelemente geklemmt. Diese Stege 18 sind an den innen liegenden
Seitenwänden 19 des
Gehäuses 12 umlaufend
parallel zur Bodenfläche
des Gehäuses 12 angebracht.
Die Stege 18 weisen in dem Bereich, in dem die zweifach
gestuften Ausnehmungen 14 in den Innenraum 15 des
Gehäuses 12 münden – dies ist
der gesamte Bereich oberhalb des Mittelleiters 5 und der
dazugehörigen
Schlitze 6 des koplanaren Leitungssystems 2 –, Unterbrechungen
in Form von Ausnehmungen 20 auf. Auf diese Weise ist gewährleistet,
dass zwischen dem Mittelleiter 5 und dem Gehäuse 12 kein
elektrischer Kontakt besteht und der Mittelleiter in diesem Bereich
mit dem Innenleiter 8 des Koaxialsystems verbunden werden
kann.
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Die
Kraft für
die kraftschlüssige
Klemmverbindung des koplanaren Leitungssystems 2 an den Stegen 18 des
Gehäuses 12 wird über die
Verschraubung von Klemmhalterungen 21 am Gehäuse 12 im Bereich
der Verbindungsstellen zwischen dem koplanaren Leitungssystem 2 und
dem koaxialen Leitungssystem 3 an der Unterseite realisiert.
Die Unterseite ist in 3 dargestellt. Jede Klemmhalterung 21 weist
hierzu im Ausführungsbeispiel
eine C-förmige
Grundstruktur mit oben- und unterseitig planaren Grundflächen auf.
An den beiden Enden der C-förmigen
Grundstruktur der Klemmhalterung 21 sind jeweils Bohrungen 22 vorgesehen,
in die Schrauben 23 eingeführt sind, die die Klemmhalterung 21 über eine Schraub-Verbindung
am Gehäuse 12 befestigen.
An den Bohrungen 22 der Klemmhalterung 21 gegenüberliegenden
Positionen im Gehäuse 12 sind
hierzu Ausnehmungen 24 mit Bohrungen vorgesehen, in die die
Schrauben 23 zur Realisierung der Schraub-Verbindung eingeschraubt
sind.
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Durch
die Verschraubung der Klemmhalterung 21 am Gehäuse 12 an
der Unterseite wird die für die
kraftschlüssige
Klemmverbindung zwischen dem koplanaren Leitungssystem 2 und
dem Gehäuse 12 nötige Klemmkraft
erzeugt, die vom mittleren Bereich des C-förmigen Grundkörpers der
Klemmhalterung 21 dämpfend über ein
in 1 dargestelltes weichelastisches Dämpfungselement 26,
beispielsweise aus Silikon, auf die Unterseite 27 des Substrats 4 übertragen
wird. Die Klemmhalterung 21 weist zur formschlüssigen Halterung
des weichelastischen Dämpfungselements 26 im
mittleren Bereich des C-förmigen
Grundkörpers
auf der zum koplanaren Leitungssystem 2 weisenden Grundfläche eine
quaderförmige
Ausnehmung 28 auf, deren Breite etwas größer als
die Breite des quaderförmigen
Volumens des weichelastischen Dämpfungselements 26 ist.
Da das koplanare Leitungssystem 2 über mehrere Klemmhalterungen 21,
die die Schraub-Klemm-Verbindungen
zwischen dem koplanaren Leitungssystem 2 und dem Gehäuse 12 im
Bereich der Einbaubuchsen 13 verwirklichen, an die Unterflächen 17 der Stege 18 des
Gehäuses 12 geklemmt
wird, ist eine zuverlässige
formschlüssige
Befestigung des koplanaren Leitungssystem 2 am Gehäuse 12 sichergestellt.
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Die
elektrische Verbindung zwischen den Masseleitern 7 des
koplanaren Leitungssystems 2 und dem Schirmmantel 10 des
koaxialen Leitungssystems 3 erfolgt über das Gehäuse 12, indem über die
Stege 18 bzw. die Einbaubuchse 13 zwischen den
Masseleitern 7 und dem Gehäuse 12 einerseits bzw.
dem Schirmmantel 10 und dem Gehäuse 12 andererseits
ein elektrischer Kontakt hergestellt wird.
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Die
elektrische Verbindung zwischen dem Mittelleiter 5 des
koplanaren Leitungssystems 2 und dem Innenleiter 8 des
Koaxialleitungssystems 3 wird im Ausführungsbeispiel über einen
Schiebekontakt 29 realisiert. Dieser Schiebekontakt 29 besteht
aus einem hülsenförmigen,
federelastischen Grundkörper 30,
der einen über
die gesamte Hülsenlänge verlaufenden
Schlitz 31 aufweist. Der Innendurchmesser des hülsenförmigen Grundkörpers 30 ist
geringfügig
geringer als der Durchmesser des Innenleiters 8, so dass,
sobald der hülsenförmige Grundkörper 30 des
Schiebekontakts 29 über
den Innenleiter 8 geführt
ist, eine Preßpassung
zwischen dem Innenleiter 8 und dem Schiebekontakt 29 hergestellt
ist. An den hülsenförmigen Grundkörper 30 des
Schiebekontakts 29 ist stirnseitig an der dem Schlitz 31 gegenüberliegenden
Mantelfläche
des hülsenförmigen Grundkörpers 30 eine
planare Fahne 32 angefügt. Die
planare Fahne 32 ist zur Herstellung der elektrischen Verbindung
zwischen dem Mittelleiter 5 und dem Innenleiter 8 flächig mit
dem Mittelleiter 5 verbunden, z. B. verschweißt.