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Querverweis
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Diese Patentanmeldung beansprucht Priorität der vorläufigen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 61/294,503 vom 13. Januar 2010.
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Hintergrund
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Koaxiale Thermistor-Bolometer nach dem Stand der Technik, zu denen beispielsweise Hewlett-Packard Modell 478 und Weinschel (oder TEGAM) M1110 gehören, benutzten ”Perlen”-Thermistore, die auf feinen Drähten in Abständen in komplexen, dreidimensionalen Strukturen aufgehängt waren, welche den zentralen Leiter eines koaxialen Luftleiters bildeten. Andere veröffentlichte Bolometer platzierten das Widerstandselement radial zwischen zentralem Leiter und äußerem Leiter eines koaxialen Luftleiters. Wenn der Abschluss ein Thermistor war, war dieser erneut an einem feinen Draht aufgehängt. In einem veröffentlichten Konzept war ein Nickel-Barretter radial ausgeführt, wozu eine Nickel-Dünnschicht auf einem Substrat verwendet wurde.
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In allen diesen Konzepten erforderte die Anordnung des temperaturempfindlichen Elements eine scharfe Stufe im Leiter. Perlen-Thermistore, die auf feinen Drähten aufgehängt sind, ergeben eine Stufe in der Breite des zentralen Leiters von typischerweise vielen Zehntausendstel eines Inch bis unter einem Tausendstel eines Inch. Die sich daraus ergebende induktive Diskontinuität brachte bei höheren Frequenzen eine nicht zufriedenstellende Reflexion mit sich.
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Die Verwendung von feinem Draht hat zudem zu einer Struktur geführt, die schwierig zu montieren und leicht zu beschädigen ist. Die Metall-Barretter im Fall von Dünnschicht-Abschlüssen werden durch eine Überlast leicht beschädigt.
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Es besteht demnach seit langem in der Fachwelt der Bedarf nach einem koaxialen Thermistor-Bolometer, das die Reflexion infolge der scharfen Diskontinuität zwischen dem Wellenleiter und dem feinen Draht des Thermistors eliminiert und sich gleichzeitig dank einer Verbesserung der mechanischen Fragilität des Drahtes durch eine höhere Robustheit und einfachere Herstellbarkeit auszeichnet. Insbesondere bedarf es einer Bolometerstruktur, in der Struktur des zum Thermistor führenden Wellenleiters leicht an ein neues Thermistor-Design angepasst werden kann, das nicht von feinen Drähten für die Wärmeisolierung abhängig ist.
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Kurzer Abriss
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Es folgt eine vereinfachte Zusammenfassung, um ein Grundverständnis einiger neuer hierin beschriebener Ausführungsformen zu schaffen. Diese Zusammenfassung ist kein erschöpfender Überblick und nicht zur Identifizierung von Schlüsselelementen oder kritischen Elementen oder zur Abgrenzung von deren Geltungsbereich geeignet. Ihr einziger Zweck ist die Darstellung einiger Konzepte in vereinfachter Form als Einleitung in eine weiter unten zu gebende, detaillierte Beschreibung.
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Eine duale, koplanare Sensorarchitektur wird ausgeführt, indem Hochfrequenzenergie von einem koaxialen Luftleiter an eine spezifische Anordnung koplanarer Wellenleiter angekoppelt wird, die symmetrisch zu beiden Seiten eines dünnen dielektrischen Substrats angeordnet sind. Der zentrale Leiter des koaxialen Luftleiters stellt einen elektrischen Kontakt mit dem mittleren Leiter des oberen und unteren koplanaren Wellenleiters her. Der Wellenwiderstand des oberen und unteren koplanaren Wellenleiters ist so gestaltet, dass die Parallelkombination der zwei koplanaren Wellenleiter dem Wellenwiderstand des koaxialen Luftleiters entspricht.
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Ferner werden Stufen in den Masseflächen und im zentralen Leiter am Übergangspunkt von koaxial zu koplanar dazu verwendet, die Ankopplung zu steuern und die Reflexion dabei zu minimieren. Die koplanaren Wellenleiter sind verjüngt und behalten gleichzeitig die erforderliche Impedanz bis zu einer Breite, bei der der zentrale Leiter annähernd dieselbe Breite wie ein temperaturabhängiges Widerstandsabschlusselement aufweist, welches für den Abschluss des koplanaren Wellenleiters verwendet wird. Zudem sind die Masseflächen in der Nachbarschaft des Abschlusses abgestuft oder verjüngt, um eine Reflexion zu minimieren.
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Außerdem sind zwischen dem Ende der Abschlusswiderstände, das nicht an den Eingang angeschlossen ist, und den Masseflächen Kondensatoren angeordnet, um einen Weg für den Hochfrequenzstrom zu komplettieren. Ein Gleichstrompfad besteht von dem Ende eines Abschlusswiderstands, das an die Kondensatoren angeschlossen ist, durch den Widerstand, durch den zentralen Leiter des koplanaren Wellenleiters auf dieser Seite des Substrats, bis zur Ankoppelung, wo die zwei koplanaren und ein koaxialer zentraler Leiter elektrisch verbunden sind, zurück durch den anderen Widerstand.
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Zur Verwirklichung des oben genannten und verwandter Zwecke werden hier bestimmte illustrative Aspekte in Verbindung mit der nachstehenden Beschreibung und den angehängten Zeichnungen beschrieben. Diese Aspekte sind beispielhaft für die unterschiedlichen Möglichkeiten, wie die hier offenbarten Grundsätze umgesetzt werden können, und sämtliche Aspekte und Äquivalente derselben sind vom Geltungsbereich des beanspruchten Gegenstands erfasst. Andere Vorteile und Neuerungen ergeben sich aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in gemeinsamer Betrachtung mit den angehängten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer dual-koplanaren Sensoranordnung gemäß der offenbarten Architektur.
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2 ist eine perspektivische Ansicht des vorderen Anschlussblocks der dual-koplanaren Sensoranordnung gemäß der offenbarten Architektur.
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3 ist eine perspektivische Ansicht des unteren Gehäuses der dual-koplanaren Sensoranordnung gemäß der offenbarten Architektur.
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4 ist eine Draufsicht des die elektrischen Substrats der dual-koplanaren Sensoranordnung gemäß der offenbarten Architektur.
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5 ist eine perspektivische Ansicht der dual-koplanaren Sensoranordnung gemäß der offenbarten Architektur.
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6 ist eine Draufsicht der dual-koplanaren Sensoranordnung gemäß der offenbarten Architektur.
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Detaillierte Beschreibung
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Herkömmliche koaxiale Thermistor-Bolometer benutzten ”Perlen”-Thermistore, die an feinen Drähten in Abständen in komplexen, dreidimensionalen Strukturen aufgehängt sind, welche den zentralen Leiter eines koaxialen Luftleiters bildeten. Andere veröffentlichte Bolometer platzierten das Widerstandselement radial zwischen zentralem Leiter und äußerem Leiter eines koaxialen Luftleiters, oder ein Nickel-Baretter wurde radial ausgeführt, welche eine dünne Nickelschicht auf einem Substrat verwendete.
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Diese Strukturen sind jedoch komplex und führen mittels einer dimensionalen Diskontinuität eine übermäßige Induktivität ein. Diese Komplexität bedingt außerdem niedrige Produktionserträge. Die Anordnung erfordert die Platzierung von Bypass-Kondensatoren in der Luftspalte des koaxialen Luftleiters, wo sie in der Größe beschränkt sind. Diese Einschränkung der Kondensatoren begrenzt den unteren Frequenzbereich des Sensors. Die Verwendung großer Kondensatoren, um kleinere Frequenzen zu erreichen, bringt Induktivität mit sich und beschränkt die höheren Frequenzen.
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Außerdem erforderte die Anordnung des temperaturempfindlichen Elements eine scharfe Stufe im Leiter. Perlen-Thermistore, die von feinen Drähten hängen, ergeben eine Stufe in der Breite des zentralen Leiters von typischerweise vielen Zehntausendstel eines Inch bis unter einem Tausendstel eines Inch. Die sich daraus ergebende induktive Diskontinuität brachte bei höheren Frequenzen eine nicht zufriedenstellende Reflexion mit sich.
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Die Ankopplung an einen symmetrisch angeordneten, koplanaren Wellenleiter ist folglich in Leistungssensoren einzigartig, und es besteht keine bekannte Anwendung einer solchen Einkopplung durch einen koaxialen Luftleiter. Das heißt, die Konstruktion eines Bolometers auf Basis zweier symmetrisch angeordneter Widerstände mit einem starken Temperaturkoeffizienten (Thermistore) in einem wie immer gearteten koplanaren Wellenleiter ist bisher noch nicht ausgeführt worden.
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Insbesondere verwendet diese Erfindung Thermistore, die spezifisch so entwickelt wurden, dass sie planar sind und annähernd dieselbe Breite wie der zentrale Leiter der koplanaren Wellenleiter aufweisen. Daraus folgt, dass die Reflexion infolge der scharfen Diskontinuität zwischen dem Wellenleiter und dem feinen Draht des Thermistors eliminiert wird. Nunmehr sind geringe Reflexionen bei höheren Frequenzen möglich, als dies bisher gezeigt worden ist.
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Die physische Anordnung der Flächen erleichtert die Verwendung einer Reihe von Bypass-Kondensatoren: kleine niederwertige Kondensatoren in einer kleinen Stromschleife parallel mit physisch größeren, höherwertigen Kondensatoren zur Ableitung von Niederfrequenzstrom in einen Pfad mit größerer Induktivität. Diese Anordnung ermöglicht Hochfrequenzsensoren mit mindestens 50 GHz oberer Frequenz im Betrieb mit niedrigeren Frequenzen unterhalb jener, die bisher in Bolometersensoren mit niedriger Reflexion möglich waren.
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Die Konstruktion des koaxialen Luftleiterabschnitts der Ankopplung ist technologisch vergleichbar einer Standard-Ankopplung, ausgenommen kleine geometrische Unterschiede zur Ermöglichung des symmetrischen Anschlusses an den Rand des koplanaren Substrats. Der koplanare Wellenleiter wird mittels normaler Dünnschicht- oder Dickschichtverfahren ausgeführt. Der planare Thermistor wird unter Anwendung normaler Dickschichtverfahren ausgeführt. Die Anordnung ist im Vergleich mit Thermistor-Bolometer-Ausführungen nach dem Stand der Technik relativ unkompliziert. Alle diese Merkmale ermöglichen eine rasche und wiederholbare Montage des neuen Sensors, wobei einige Schritte, wie etwa die Platzierung des Kondensators, automatisierbar sind.
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Die offenbarte Architektur schafft einen Mikrowellen-Bolometer-Leistungssensor, der durch die Ankopplung vom koaxialen Luftleiter an eine einzigartige Anordnung koplanarer Wellenleiter, die symmetrisch zu beiden Seiten eines dünnen dielektrischen Substrats angeordnet sind, ausgeführt wird. Der zentrale Leiter des koaxialen Luftleiters stellt einen elektrischen Kontakt mit dem mittleren Leiter des oberen und unteren koplanaren Wellenleiters her. Der Wellenwiderstand des oberen und unteren koplanaren Wellenleiters ist so gestaltet, dass die parallele Kombination der zwei koplanaren Wellenleiter dem Wellenwiderstand des koaxialen Luftleiters entspricht. Ferner werden Stufen in den Masseflächen und im zentralen Leiter am Übergangspunkt von koaxial zu koplanar dazu verwendet, die Ankopplung fein einzustellen und eine Reflexion bei der Ankopplung zu minimieren.
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Die koplanaren Wellenleiter sind verjüngt und behalten gleichzeitig die erforderliche Impedanz bis zu einer Breite, bei der der zentrale Leiter annähernd dieselbe Breite wie ein temperaturabhängiges Widerstandsabschlusselement aufweist, welches für den Abschluss des koplanaren Wellenleiters verwendet wird. Die Ähnlichkeit der Breiten bringt eine vergleichsweise minimale Reflexion an der Schnittstelle zwischen der Wellenleiterstruktur und dem Widerstandselement mit sich. Zudem sind die Masseflächen in der Nachbarschaft des Abschlusses abgestuft oder vejüngt, um die Reflexion zu minimieren.
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Zwischen dem Ende der Abschlusswiderstände, das nicht an den Eingang angeschlossen ist, und den Masseflächen sind Kondensatoren angeordnet, um einen Pfad für den Hochfrequenzstrom zu komplettieren.
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Ein Gleichstrompfad besteht von dem Ende eines Abschlusswiderstands, das an die Kondensatoren angeschlossen ist, durch den Widerstand, durch den zentralen Leiter des koplanaren Wellenleiters auf dieser Seite des Substrats, bis zur Ankopplung, wo die zwei koplanaren und ein koaxialer zentraler Leiter elektrisch verbunden sind, und zurück durch den anderen Widerstand. Dieser Pfad verfügt innerhalb des Sensors über keinen Gleichstromanschluss an die Masse. Dieser Pfad kann zur Zuführung von Gleichstromenergie an den Abschlusswiderstand unabhängig von der durch den koaxialen Luftleiter zugeführten Hochfrequenzenergie verwendet werden.
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Das dielektrische Substrat ist in der prototypischen Ausführungsform aus amorphem Quarz mit einer Dicke zwischen etwa 0,005'' und 0,0030'' ausgeführt, in einer bevorzugten Ausführungsform jedoch von annähernd 0,010''. Die Dicke des Substrats sollte bei Erhaltung der mechanischen Stärke so klein wie möglich sein, und nicht dicker als der Durchmesser des zentralen Leiters des zugehörigen koaxialen Luftleiters. Die verwendete Dicke wurde aus handelsüblichen Beständen ausgewählt und ist nicht repräsentativ für eine spezifisch erforderliche Dicke. Amorpher Quarz wurde wegen seiner niedrigen dielektrischen Konstante und des hohen thermischen Widerstands ausgewählt. Mikrowellensubstrate werden normalerweise mit einem niedrigen thermischen Widerstand ausgewählt, um zur Kühlung der Komponenten beizutragen; bei Mikrowellen-Bolometern ist es jedoch wichtig, den Temperaturanstieg im Bereich des Abschlusswiderstands zu konzentrieren. Andere geeignete Materialien können bestehen und verwendet werden, ohne das übergreifende Konzept dieser Erfindung zu beeinträchtigen, einschließlich bei niedrigeren Frequenzen glasgefülltes Teflon, wie beispielsweise ”Rogers Material”, oder auch glasfaserverstärkte Verbundstoffe aus Polyester oder Epoxidharzen.
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Insofern schafft die dual-koplanare Sensoranordnung das mit der geringsten Unsicherheit behaftete Verfahren zum Messen von Mikrowellenenergie bis mindestens 50 GHz. Diese Anwendung umfasst auch die Verwendung als nationalen Primärstandard und als Übertragungsstandard in Kalibrierungslaboren. Zudem ist der Frequenzbereich ohne weiteres mittels Änderungen in der koaxialen Eingangsleitung auf mindestens 70 GHz erweiterbar, und möglicherweise noch höher. Auch das Konzept der Abstimmung der Leitungsgeometrie auf einen spezifisch angefertigten Thermistor hat Potenzial für die Konstruktion wellenleiterbasierter Thermistor-Bolometer-Sensoren für sehr hochfrequente Mikrowellenenergie bis zu mindestens 100 GHz, möglicherweise noch höher.
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Im Folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Elemente verwendet werden. In der nachstehenden Beschreibung sind für Erklärungszwecke zahlreiche spezifische Details ausgeführt, um ein gründliches Verständnis zu ermöglichen. Es versteht sich jedoch, dass die neuen Ausführungsformen auch ohne diese spezifischen Details durchgeführt werden können. In anderen Fällen sind allgemein bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Form von Blockdiagrammen dargestellt, um deren Beschreibung zu erleichtern. Es ist beabsichtigt, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen zu erfassen, die dem Prinzip und Geltungsumfang des beanspruchten Gegenstands unterworfen sind.
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In 1 ist eine dual-koplanare Sensoranordnung 100 gemäß der offenbarten Architektur dargestellt. Die Konfiguration aus vorderem Anschlussblock 102 und unterem Gehäuse 104 erhöht die Fähigkeit zum Aufbringen eines physischen Drucks und damit eines elektrischen Kontakts auf den zentralen Leiter und die Masserückleitung. Die Schrauben 106 üben eine Kraft auf den zentralen Leiter aus, während die Ausgleichsfedern 108 für einen adäquaten Masseanschluss sorgen. Insbesondere dienen die Ausgleichsfedern 108 zur Herstellung eines Gleichstrom- und niederfrequenten Masseanschlusses. Der Schlitz 110 verbessert die AC-Kopplung der Masserückleitung, und das Bezugszeichen 112 zeigt das Ende des koaxialen Luftleiters an. Das koaxiale Anschlussteil 120 befindet sich dort, wo die Hochfrequenzenergie (RF) in die Anordnung 100 eintritt, um zum koaxialen Luftleiter hinab zu wandern und in die koplanaren Wellenleiter 116 eingekoppelt und schließlich im Thermistor 118 dissipiert zu werden. Das dielektrische Substrat 114 ist mit metallischen Masseflächen und koplanarem Wellenleiter dargestellt. Die koplanaren Wellenleiter 116 sind verjüngt ausgeführt und halten die erforderliche Impedanz bis zu einer Breite aufrecht, wo der zentrale Leiter dieselbe Breite wie ein temperaturabhängiges Widerstandsabschlusselement aufweist, das für den Abschluss des koplanaren Wellenleiters 116 verwendet wird. Die Anpassung der Breiten bringt eine minimale Reflexion an der Schnittstelle zwischen der Wellenleiterstruktur und dem Widerstandselement mit sich.
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Die koplanaren Wellenleiter 116 sind zu beiden Seiten des dünnen dielektrischen Substrats 114 symmetrisch angeordnet. Der zentrale Leiter des koaxialen Luftleiters stellt mit dem mittleren Leiter des oberen und unteren koplanaren Wellenleiters 116 einen elektrischen Kontakt her. Der Wellenwiderstand des oberen und unteren koplanaren Wellenleiters 116 ist so vorgesehen, dass er annähernd dem Zweifachen des Wellenwiderstands des koaxialen Luftleiters entspricht, so dass die Parallelkombination der zwei koplanaren Wellenleiter 116 den Wellenwiderstand des koaxialen Luftleiters ergeben. Stufen in den Masseflächen und im zentralen Leiter an der Übergangsstelle von koaxial zu koplanar dienen dazu, die Einkopplung fein einzustellen und eine Reflexion bei der Einkopplung zu minimieren.
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Ferner umfasst das dielektrische Substrat 114 einen (nicht dargestellten) Spalt im Metall zwischen der Masse und dem inneren Anschluss sowie einen Thermistor 118, der im koplanaren Wellenleiter 116 angeordnet ist. Der planare Metallleiter des Thermistors 118 ist so dimensioniert, dass er dieselbe Breite wie der zentrale Leiter der koplanaren Wellenleiter 116 aufweist. Dies hat zur Folge, dass die Reflexion aufgrund der scharfen Diskontinuität zwischen dem Wellenleiter und dem feinen Draht des Thermistors eliminiert wird. Geringere Reflexionen sind nunmehr bei höheren Frequenzen möglich als dies zuvor gezeigt werden konnte.
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In 2 ist der vordere Anschlussblock 102 der dual-koplanaren Sensoranordnung gemäß der offenbarten Architektur dargestellt. Wie oben erwähnt, verbessert der vordere Anschlussblock 102 in Kombination mit dem (nicht dargestellten) unteren Gehäuse die Fähigkeit zur Aufrechterhaltung eines physischen Drucks und damit elektrischen Kontakts auf den zentralen Leiter und die Masserückleitung. Ausgleichsfedern (nicht dargestellt) sind in die Löcher 202 eingeführt, um einen adäquaten Masseanschluss zu gewährleisten. Insbesondere kommen Ausgleichsfedern für einen Gleichstrom- und niederfrequenten Masseanschluss zur Anwendung. Der Schlitz 110 verbessert die AC-Kopplung der Masserückleitung, und das Bezugszeichen 112 verweist auf das Ende des koaxialen Luftleiters. Das koaxiale Anschlussteil 120 befindet sich dort, wo die Hochfrequenzenergie (HF) in die Anordnung eintritt, um den koaxialen Luftleiter abwärts zu wandern und in die (nicht dargestellten) koplanaren Wellenleiter eingekoppelt und schließlich im Thermistor dissipiert zu werden.
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In 3 ist das untere Gehäuse 104 der dual-koplanaren Sensoranordnung gemäß der offenbarten Architektur dargestellt. Das untere Gehäuse 104 verbessert in Kombination mit dem (nicht dargestellten) vorderen Anschlussblock den elektrischen Kontakt sowohl am zentralen Leiter als auch an der Masserückleitung. In die Löcher 302 werden (nicht dargestellte) Schrauben eingeführt, um eine Kraft auf den zentralen Leiter auszuüben. Die Schrauben im unteren Gehäuse 104 tragen zur Fähigkeit bei, den physischen Druck und damit den elektrischen Kontakt aufrecht zu halten.
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In 4 ist das dielektrische Substrat 114 der dual-koplanaren Sensoranordnung gemäß der offenbarten Architektur dargestellt. Das dielektrische Substrat 114 umfasst einen handelsüblichen Thermistor 402, der zum Messen und Steuern der Umgebungstemperatur verwendet wird, und einen Dickschicht-Thermistor 118, der umgekehrt montiert ist und normalerweise aus durchsichtigem Quarz zusammengesetzt ist, um das Metall- und Thermistormaterial an der Unterseite sichtbar zu machen. Zusätzlich sind die Kondensatoren 408 und die koplanaren Wellenleiter 116 im dielektrischen Substrat 114 enthalten. Das dielektrische Substrat 114 ist normalerweise aus amorphem Quarz mit einer Dicke zwischen etwa 0,005'' und 0,0030'' ausgeführt, jedoch in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Dicke von annähernd 0,010'' oder jedenfalls nicht dicker als der Durchmesser des zentralen Leiters des koaxialen Luftleiters. Amorpher Quarz wurde wegen seiner niedrigen dielektrischen Konstante und seines hohen thermischen Widerstands gewählt. Andere geeignete Materialien sind vorstellbar, einschließlich bei niedrigeren Frequenzen glasgefülltes Teflon, wie beispielsweise ”Rogers Material”, oder auch glasfaserverstärkte Verbundstoffe aus Polyester oder Epoxidharzen.
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Zudem sind die koplanaren Wellenleiter 116 verjüngt ausgeführt, während sie gleichzeitig die erforderliche Impedanz bis zu einer Breite bewahren, bei der der zentrale Leiter dieselbe Breite wie ein temperaturabhängiges Widerstands-Abschlusselement aufweist, das dazu verwendet wird, den koplanaren Wellenleiter 116 abzuschließen. Die Anpassung der Breiten führt zu einer minimalen Reflexion an der Schnittstelle zwischen der Wellenleiterstruktur 116 und dem Widerstandselement.
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Der koplanare Wellenleiter 116 wird mittels normaler Dünnschicht- oder Dickschichtverfahren ausgeführt. Der planare Thermistor 118 wird unter Verwendung normaler Dickschichtverfahren ausgeführt. Die koplanaren Wellenleiter 116 sind symmetrisch zu beiden Seiten des dünnen dielektrischen Substrats 114 angeordnet. Der planare metallische Leiter des Thermistors 118 ist so dimensioniert, dass er dieselbe Breite wie der zentrale Leiter der koplanaren Wellenleiter 116 aufweist. Daraus folgt, dass die Reflexion infolge der scharfen Diskontinuität zwischen dem Wellenleiter und dem feinen Draht des Thermistors eliminiert wird.
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In 5 ist die dual-koplanare Sensoranordnung 100 gemäß der offenbarten Architektur dargestellt. Die Konfiguration aus vorderem Anschlussblock 102 und unterem Gehäuse 104 verbessert die Fähigkeit zur Ausübung eines physischen Drucks und damit eines elektrischen Kontakts auf den zentralen Leiter und die Masserückleitung. Die Schrauben 106 üben eine Kraft gegen den zentralen Leiter aus, während die (nicht dargestellten) Ausgleichsfedern einen adäquaten Masseanschluss gewährleisten. Das Substrat 114 befindet sich im unteren Gehäuse 104 und wird in einen Schlitz im vorderen Anschlussblock 102 gepresst. Das Substrat 114 ist typischerweise ein dielektrisches Substrat und ist mit metallischen Masseflächen und koplanaren Wellenleitern dargestellt. Die koplanaren Wellenleiter 116 sind verjüngt und bewahren die erforderliche Impedanz bis zu einer Breite, bei der der zentrale Leiter dieselbe Breite wie ein temperaturabhängiges Widerstandsabschlusselement aufweist, das dazu verwendet wird, den koplanaren Wellenleiter 116 abzuschließen. Die Anpassung der Breiten resultiert in einer minimalen Reflexion an der Schnittstelle zwischen der Wellenleiterstruktur und dem Widerstandselement.
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Die koplanaren Wellenleiter 116 sind symmetrisch zu beiden Seiten des dielektrischen Substrats 114 angeordnet. Der zentrale Leiter des koaxialen Luftleiters stellt den elektrischen Kontakt mit dem mittleren Leiter der oberen und unteren koplanaren Wellenleiter 116 her. Der Wellenwiderstand der oberen und unteren koplanaren Wellenleiter 116 ist so vorgesehen, dass er annähernd dem Zweifachen des Wellenwiderstands des koaxialen Luftleiters entspricht, so dass die Parallelkombination der zwei koplanaren Wellenleiter 116 dem Wellenwiderstand des koaxialen Luftleiters entspricht. Die Stufen in den Masseflächen und im zentralen Leiter an der Übergangsstelle von koaxial zu koplanar werden dazu verwendet, die Ankopplung zu steuern und die Reflexion bei der Ankoppelung zu minimieren.
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Ferner umfasst das dielektrische Substrat 114 einen (nicht dargestellten) Spalt im Metall zwischen der Masse und dem inneren Anschluss sowie einen Thermistor 118, der im koplanaren Wellenleiter 116 angeordnet ist. Der planare Metallleiter des Thermistors 118 ist so dimensioniert, dass er dieselbe Breite wie der zentrale Leiter der koplanaren Wellenleiter 116 aufweist. Dies hat zur Folge, dass die Reflexion aufgrund der scharfen Diskontinuität zwischen dem Wellenleiter und dem feinen Draht des Thermistors eliminiert wird. Das koaxiale Anschlussteil 120 befindet sich dort, wo die Hochfrequenzenergie (HF) in die Anordnung 100 eintritt, um den koaxialen Luftleiter abwärts zu wandern und in die koplanaren Wellenleiter 116 gekoppelt und schließlich im Thermistor 118 dissipiert zu werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform stößt der metallisierte Rand des. planaren Wellenleiters an das Ende eines zylindrischen zentralen Leiters. In anderen Ausführungsformen könnte jedoch ein geschlitzter koaxialer zentraler Leiter oder ein mit einer leitenden Feder ausgestatteter zentraler Leiter verwendet werden. Diese Ausführungsform benützt einen Schlitz und Ausgleichsfedern im äußeren Leiter, um die Massekopplung zu verbessern; in anderen erfolgreichen Ausführungsformen könnten jedoch auch Federn, Lötverbindungen, Leitklebstoff oder andere Mittel zur Herstellung eines guten Masseanschlusses angewendet werden.
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In 6 ist die dual-koplanare Sensoranordnung 100 gemäß der offenbarten Architektur dargestellt. Die Konfiguration aus vorderem Anschlussblock 102 und unterem Gehäuse 104 verbessert die Fähigkeit zum Aufbringen physischen Drucks und damit eines elektrischen Kontakts auf den zentralen Leiter und die Masserückleitung. Mit Schrauben wird eine Kraft auf den zentralen Leiter ausgeübt, während (nicht dargestellte) Ausgleichsfedern einen adäquaten Masseanschluss herstellen. Das Substrat 114 befindet sich im unteren Gehäuse 104 und wird in einen Schlitz im vorderen Anschlussblock 102 gepresst. Das Substrat 114 ist typischerweise ein dielektrisches Substrat und ist mit metallischen Masseflächen und koplanarem Wellenleiter 116 dargestellt.
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Die koplanaren Wellenleiter 116 sind verjüngt ausgeführt und halten die erforderliche Impedanz bis zu einer Breite aufrecht, bei der der zentrale Leiter die gleiche Breite aufweist wie ein temperaturabhängiges Widerstandsabschlusselement, das dazu verwendet wird, den koplanaren Wellenleiter 116 abzuschließen. Die koplanaren Wellenleiter 116 sind zu beiden Seiten des dünnen dielektrischen Substrats 114 symmetrisch angeordnet. Der zentrale Leiter des koaxialen Luftleiters stellt einen elektrischen Kontakt mit dem mittleren Leiter des oberen und unteren koplanaren Wellenleiters 116 her. Der Wellenwiderstand des oberen und unteren koplanaren Wellenleiters 116 ist so vorgesehen, dass er annähernd dem Zweifachen des Wellenwiderstands des koaxialen Luftleiters entspricht, so dass die Parallelkombination der zwei koplanaren Wellenleiter 116 dem Wellenwiderstand des koaxialen Luftleiters entspricht.
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Das dielektrische Substrat 114 umfasst ferner einen (nicht dargestellten) Spalt im Metall zwischen der Masse und dem inneren Anschluss, und einen Thermistor 118, der im koplanaren Wellenleiter 116 angeordnet ist. Der planare Metallleiter des Thermistors 118 ist so dimensioniert, dass er dieselbe Breite wie der zentrale Leiter der koplanaren Wellenleiter 116 aufweist, um die Reflexion infolge der scharfen Diskontinuität zwischen dem Wellenleiter und dem feinen Draht des Thermistors zu eliminieren. Ferner befindet sich das koaxiale Anschlussteil 120 an der Stelle, wo die Hochfrequenzenergie in die Anordnung 100 eintritt, um den koaxialen Luftleiter hinunter zu wandern und an die koplanaren Wellenleiter 116 angekoppelt sowie schließlich im Thermistor 118 dissipiert zu werden.
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Die voranstehende Beschreibung umfasst Beispiele der offenbarten Architektur. Es ist natürlich unmöglich, jede denkbare Kombination aus Komponenten und/oder Methoden zu beschreiben, doch einschlägig bewanderte Fachpersonen erkennen, dass zahlreiche andere Kombinationen und Abwandlungen möglich sind. Dementsprechend soll die neue Architektur sämtliche dieser Änderungen, Modifikationen und Variationen umfassen, die dem Prinzip und dem Geltungsumfang der angehängten Patentansprüche untergeordnet werden können. Ferner gilt, dass überall dort, wo der Ausdruck ”umfasst” in der detaillierten Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet wird, derselbe als einschließend zu betrachten ist.
