DE19812582A1

DE19812582A1 - Integriertes Wellenleiterbauelement

Info

Publication number: DE19812582A1
Application number: DE19812582A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wixforth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-03-21
Filing date: 1998-03-21
Publication date: 1999-09-23
Also published as: EP1064691B1; US6512426B1; DE59904043D1; EP1064691A1; WO1999049533A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein integriertes Wellenleiterbauelement, mit wenigstens einem planaren Mikrowellenleiter, an dessen Eingang ein zeitlich harmonisches Eingangssignal anlegbar ist, und an dessen Ausgang ein von einer Länge des wenigstens einen Mikrowellenleiters abhängiger, zu dem Eingangssignal phasenverschobenes Ausgangssignal anliegt. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß der wenigstens eine Mikrowellenleiter (15) wenigstens eine Unterbrechungsstelle (9) aufweist, jeder der Unterbrechungsstellen (9) ein mechanisch verlagerbarer Mikrowellenleiterabschnitt (16, 18, 20) zugeordnet ist, dessen die Unterbrechungsstelle (9) überbrückende Wirklänge entsprechend einer gewünschten Phasenverschiebung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes Wellenleiter bauelement mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Integrierte Wellenleiterbauelemente der gattungsgemä ßen Art sind bekannt. Diese werden beispielsweise in ebenen Mikrowellenantennen zum Senden und/oder zum Empfangen von Signalen eingesetzt. Derartige Mikro wellenantennen müssen zur Erzielung einer einwand freien Signalübertragung, und insbesondere zur Erzie lung einer guten Trennschärfe zwischen verschiedenen Signalen, hinsichtlich zweier Freiheitsgrade zu einer mit ihnen kommunizierenden Gegenstelle ausrichtbar sein. Eine solche Gegenstelle kann beispielsweise ein geostationärer Satellit sein. Die beiden Freiheits grade werden üblicherweise als "Elevation" und als "Azimuth" bezeichnet, wobei die Elevation einem Win kel ϑ entspricht, der zwischen einer sogenannten Hauptkeulenrichtung einer Antennenhauptebene liegt, und der Azimuth ϕ die Drehung der gesamten Anordnung um eine Hochachse charakterisiert. Je nach Lage eines beschreibenden Koordinatensystems können jedoch eben so andere Winkelbezeichnungen gewählt werden. Die bekannten Mikrowellenantennen sind nicht in der Lage, andere als zu ihrer Grundfläche senkrecht einfallende Mikrowellensignale zu empfangen, weshalb eine zusätz liche mechanische Ausrichtung unverzichtbar ist.

Vorteile der Erfindung

Das integrierte Wellenleiterbauelement mit den im An spruch 1 genannten Merkmalen weist den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Möglichkeit zur Reali sierung eines einstellbaren Phasenschiebers/Laufzeit gliedes auf. Dadurch, daß der wenigstens eine Mikro wellenleiter wenigstens eine Unterbrechungsstelle aufweist, jeder der Unterbrechungsstellen ein mecha nisch verlagerbarer Mikrowellenleiterabschnitt zuge ordnet ist, dessen, die Unterbrechungsstelle über brückende Wirklänge entsprechend einer gewünschten Phasenverschiebung zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal einstellbar ist, ist vorteilhaft möglich, in einfacher Weise, nämlich durch eine gezielte mechanische Umlagerung und anschließende Fixierung des verlagerbaren Mikrowellenleiterab schnittes, eine gewollte Phasenverschiebung einzu stellen. Entsprechend der konstruktiv vorgebbaren maximal möglichen Umlagerung lassen sich Phasenver schiebungen in relativ großen Bereichen einstellen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, daß der Mikrowellenleiter wenigstens zwei planare über einer Masseebene angeordnete Kontaktbah nen aufweist, denen ein im wesentlichen U-förmiger Leiterabschnitt zugeordnet ist, der in Längser streckungsrichtung der wenigstens zwei Kontaktbahnen verschiebbar ist. Hierdurch läßt sich besonders ein fach durch eine ausziehbare Umwegleitung (Posaunen prinzip) eine Phasenverschiebung mittels planarer Mikrowellenleiter erreichen.

Da nicht für alle Anwendungen schnell verstellbare elektronische Phasenschieber beziehungsweise Lauf zeitglieder benötigt werden, bietet die erfindungsge mäße Vorrichtung eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Realisierung eines einstellbaren Pha senschiebers (beziehungsweise Laufzeitgliedes) in planarer Mikrowellenleitungstechnik.

In Leckwellenantennen, insbesondere Rampart-Line-An tennen, kann das integrierte Wellenleiterbauelement bevorzugt zur Einstellung beziehungsweise zur Verän derung der Hauptstrahlrichtung eingesetzt werden.

Weitere bevorzugte Anwendungen der erfindungsgemäßen mechanisch verstellbaren planaren Phasenschieber sind beispielsweise planare Mikrowellenantennen für belie bige Polarisationsarten beziehungsweise -richtungen. So sind durch mehrere einstellbare Phasenschieber in vorteilhafter Weise Mikrowellenantennen mit einstell barer Richtcharakteristik realisierbar.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Mikrowellenbauelement ein Resonator ist. Hierdurch ist in einfacher Weise ein Resonator mit einstellbarer Resonanzlänge geschaffen.

Ferner ist bevorzugt, daß das Mikrowellenbauelement ein Filter, insbesondere ein supraleitendes Filter ist. Durch variable Einstellung der wirksamen Länge des Mikrowellenleiters lassen sich in einfacher Weise die Filtereigenschaften des Filters ändern bezie hungsweise einstellen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zweier auf ein Substrat aufgebrachte Leiter;

Fig. 2a eine schematische Darstellung einer ver schiebbaren Struktur;

Fig. 2b eine schematische Darstellung einer ver schiebbaren Struktur in einer abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 2c eine schematische Darstellung einer ver schiebbaren Struktur in einer weiteren Aus führungsform;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausfüh rungsform in Mikrostreifenleitertechnik;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Aus führungsform in Triplate-Leitungstechnik und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Ausfüh rungsform in Multilayertechnik.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht einer Leiterstruktur in planarer Mikrowel lenleitertechnik, bestehend aus zwei auf eine Substratplatte 2 aufgebrachte und parallel zueinander liegende Kontaktbahnen 12 und 14. Die Kontaktbahnen 12 und 14 sind nicht miteinander verbunden, so daß eine Unterbrechungsstelle 9 zwischen ihnen ausgebil det ist. Anstatt einer Substratplatte 2 können die Kontaktbahnen 12 und 14 ebenso auf einer Superstrat platte oder auf einer Superstratfolie aufgebracht sein. Die Kontaktbahnen 12 und 14 sind beispielsweise durch Siebdruck oder dergleichen so auf die Ober fläche der Substratplatte 2 aufgebracht, daß eine galvanische Kontaktierung ermöglicht wird. Die Kon taktbahnen 12 und/oder 14 sind über eine nicht darge stellte Quelle mit einem Eingangssignal beaufschlag bar, wobei an der jeweils anderen Kontaktbahn ein Ausgangssignal abgreifbar ist. Eine Verbindung zwi schen den Kontaktbahnen 12 und 14 erfolgt in nachfol gend näher beschriebenen Weise. Die Kontaktbahn 12 besitzt einen Ein- beziehungsweise Ausgang 11 und die Kontaktbahn einen Ein- beziehungsweise Ausgang 13.

Die Fig. 2a bis 2c zeigen in Draufsicht verschie dene Ausführungsformen einer Substratplatte 4 mit einer darauf aufgebrachten planaren, im wesentlichen U-förmigen Leiterbahn, im folgenden auch als U-förmi ger Leiterabschnitt bezeichnet. So zeigt Fig. 2a eine Leiterbahn mit ausgeprägten Kanten der Schenkel des U-förmigen Leiterabschnittes 16. Die Kanten der Leiterbahn des U-förmigen Leiterabschnittes 18 ent sprechend Fig. 2b sind durch einen 45°-Schnitt abgeflacht. Fig. 2c zeigt eine alternative Form einer U-förmigen Leiterbahn beziehungsweise eines U-förmigen Leiterabschnittes 20 mit einer halbrund förmigen Struktur.

Die beiden flachen und in ihrer Grundfläche vorzugs weise annähernd gleich großen Substratplatten 2 und 4 liegen im bestimmungsgemäßen Zustand flach aufeinan der und bilden ein integriertes Wellenleiterbauele ment 15 (Fig. 3). Durch Verschiebung der Substrat platten 2 und 4 in Längserstreckungsrichtung der Kontaktbahnen 12 und 14 gegeneinander ist die Ein stellung einer effektiven Länge eines Mikrowellen leiters möglich. Die Substratplatte 2 bildet eine Masseebene und die Substratplatte 4 eine Einstell ebene des Wellenleiterbauelementes 15. Die zusammen gesetzten Kontaktbahnen 12 und 14 und der U-förmige Leiterabschnitt 16, 18 oder 20 bilden die Gesamtlänge des Mikrowellenleiters. Ähnlich beispielsweise einer Posaune wird eine variable Länge einer Umwegleitung durch Ausziehen beziehungsweise Zusammenschieben, das heißt durch Verlagern des Leiterabschnittes 16, 18 oder 20 in Längserstreckungsrichtung der Kontakt bahnen 12 und 14, verlängert beziehungsweise ver kürzt. Hierdurch ist eine mechanische Einstellmög lichkeit einer Gesamtlänge eines aus den Kontakt bahnen 12 und 14 und einem der Leiterabschnitte 16, 18 oder 20 bestehenden Mikrowellenleiters möglich. Entsprechend der eingestellten Gesamtlänge ist eine Phasenverschiebung beziehungsweise eine Laufzeitein stellung eines oder mehrerer Mikrowellensignale zwi schen den Ein- beziehungsweise Ausgängen 11 und 13 des Wellenleiterbauelementes 15 möglich.

Die planaren Mikrowellenleiter können dabei als Mikrostreifenleitung, Triplate-Leitung, Streifenlei tung, Suspend-Substrate-Leitung, Schlitzleitung, Ko planarleitung oder in koplanarer Streifenleitung aus geführt sein.

Die beiden, aus den Kontaktbahnen 12 und 14 und einem U-förmigen Leiterabschnitt 16, 18 oder 20 gebildeten Leitungsstrukturen können beispielsweise eine galva nische Verbindung aufweisen, wobei die Leitungsstruk turen beider Substratplatten 2 und 4 beziehungsweise Superstratplatten oder -folien einen elektrischen Kontakt haben. Ebenso möglich sind wahlweise auch induktive und/oder kapazitive Kopplungen, wobei die Leitungsstrukturen beider Substratplatten 2 und 4 be ziehungsweise Superstratplatten oder -folien ledig lich nahe beieinander liegen und durch ein Dielektri kum und/oder die Substratplatte 4 voneinander ge trennt sind.

Das zugrundeliegende Prinzip läßt sich mit folgenden Zusammenhängen beschreiben:
In der Mikrowellentechnik kann eine Phasenverschie bung (beziehungsweise eine Laufzeit) eines Signals, beschrieben in der allgemeinen Form

x(t) = Re{X.e^jωt},

durch ein Leitungsstück, welches eine Länge von Null bis einigen Wellenlängen aufweist, realisiert werden. Liegt am Eingang einer (im Idealfall verlustlosen) Mikrowellenleitung einer Länge l ein durch den kom plexen Zeiger X_ein beschriebenes zeitlich harmonisches Signal an, dann lautet die Gleichung für den komple xen Zeiger des Ausgangssignales X_aus entsprechend

X_aus = X_ein.exp(-j.2π.l/λ_g)
= X_ein.exp(-j.ΔAϕ);
mit
Δϕ= 2π.l/λ_g.

Hierbei ist λ_g die geführte Wellenlänge der Mikrowel lenleitung bei einer Frequenz f von

f = ω/(2π).

Durch Veränderung der Länge l der Leitung beziehungs weise des Signallaufweges läßt sich somit auch die Phasenverschiebung beziehungsweise die Laufzeit der übertragenen Signale variieren.

Fig. 3 zeigt schematische Darstellungen einer mög lichen Realisierung eines Wellenleiterbauelementes 15 in einer Draufsicht (oben) und einer Seitenansicht (unten), jeweils in eingeschobener (links) und ausge zogener (rechts) Position des U-förmigen Leiterab schnittes 16, 18 oder 20. Der hier dargestellte Lei terabschnitt besitzt die Form gemäß Fig. 2b. Die Kontaktbahnen 12 und 14 sowie der Leiterabschnitt 18 sind in Mikrostreifenleitertechnik ausgeführt. Nach weiteren Ausführungsbeispielen ist jedoch auch die Verwendung einer der Kontaktbahnen 16 oder 20 ent sprechend Fig. 2a beziehungsweise Fig. 2c möglich.

Erkennbar ist in der unteren Seitenansicht die flache Struktur der Substratplatte 2 mit darauf aufgebrach ten planaren Kontaktbahnen 12 und 14 sowie die paral lel dazu liegende, hier dünner ausgebildete Substrat platte 4 mit darauf aufgebrachtem planaren U-förmigen Leiterabschnitt 18. Weiterhin ist eine galvanische Trennung der Kontaktbahnen 12 und 14 von dem U-förmi gen Leiterabschnitt 18 aufgrund der zwischen diesen liegenden Substratplatte 4 des U-förmigen Leiterab schnittes 18 gegeben. Das dargestellte Ausführungs beispiel bezieht sich somit auf eine induktive bezie hungsweise eine kapazitive Kopplung der Kontaktbahnen 12 und 14 mit dem Leiterabschnitt 18.

In den Draufsichten der Fig. 3 sind weiterhin um einen Winkel von 90° nach oben (Kontaktbahn 12) be ziehungsweise nach unten (Kontaktbahn 14) abgewin kelte Abschnitte der Kontaktbahnen 12 und 14 erkenn bar, wodurch die Ein- beziehungsweise Ausgänge 11 und 13 weiter voneinander beabstandet liegen können, als in der Ausführungsform entsprechend Fig. 1 mit aus schließlich parallel zueinander liegenden Kontaktbah nen 12 und 14. Auf diese Weise sind die äußeren An schlüsse an zwei sich gegenüberliegenden Längsseiten der Substratplatte 2 und somit des Wellenleiterbau elementes 15 angeordnet, was einen höheren Grad der Miniaturisierung mit entsprechend feiner ausgeführten Anschlüssen beziehungsweise Anschlußdrähten erlaubt.

Fig. 4 zeigt schematische Darstellungen einer weite ren möglichen Realisierung eines Wellenleiterbau elementes 15 in einer Draufsicht (oben) und einer Seitenansicht (unten), jeweils in eingeschobener (links) und ausgezogener (rechts) Position des U-för migen Leiterabschnittes 18. Das Wellenleiterbau element 15 ist hierbei in einer sogenannten Triplate-Leitungs technik ausgeführt. Die Draufsichten entspre chen denen in Fig. 3. Erkennbar ist in der unteren Seitenansicht die flache Struktur der Substratplatte 2 mit darauf aufgebrachten planaren Kontaktbahnen 12 und 14 sowie die parallel dazu liegende Substratplat te 4 mit darauf aufgebrachtem planaren U-förmigem Leiterabschnitt 18. Darüber liegt eine weitere Substratplatte 6, welche den oberen Abschluß der Sandwich-Anordnung in sogenannter Triplate-Leitungs technik bildet. Die Substratplatte 6 weist vorzugs weise die gleiche Grundfläche wie die Substratplatte 2 auf und liegt parallel zu dieser. Die Kontaktbahnen 12 und 14 sind hier dem Leiterabschnitt 18 direkt zugewandt, so daß - nach Einstellung der gewünschten Gesamtlänge - eine galvanische Kopplung zwischen den Leiterbahnen 12 und 14 und dem Leiterabschnitt 18 möglich ist.

Fig. 5 zeigt weitere schematische Darstellungen ei ner möglichen Realisierung eines Wellenleiterbau elementes 15 in einer Seitenansicht, jeweils in ein geschobener (links) und ausgezogener (rechts) Posi tion des U-förmigen Leiterabschnittes 18. Das Wellen leiterbauelement 15 ist hierbei in einer mehrlagigen Leitungsanordnung (sogenannte Multilayertechnik) aus geführt. Hierbei folgt von unten auf eine erste Substratplatte 2 mit darauf aufgebrachten Kontaktbah nen 12 und 14 der verschiebliche U-förmige Leiterab schnitt 18 (beziehungsweise 16 oder 20) mit zugehöri ger Substratplatte 4 eine weitere Substratplatte 6, an die eine weitere Substratplatte 2 grenzt. Auf die ser befinden sich wiederum Kontaktbahnen 12 und 14, gefolgt von einer Substratplatte 4 mit U-förmigem Leiterabschnitt 18. Die beiden Substratplatten 4 kön nen entweder unabhängig voneinander verschieblich sein oder miteinander gekoppelt sein, so daß sie nur gleichzeitig und jeweils um einen gleichen Vorschub weg in Längserstreckungsrichtung der Kontaktbahnen 12 und 14 verschoben werden können.

Die Anordnung gemäß Fig. 5 entspricht einer Stape lung der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Wellenlei terbauelemente 15. Entsprechend eines konkreten Auf baus einer Schaltungsanordnung, die die Wellenleiter bauelemente 15 aufweist, können diese in einer Matrix zwei- oder dreidimensional angeordnet sein.

Claims

1. Integriertes Wellenleiterbauelement, mit wenig stens einem planaren Mikrowellenleiter, an dessen Eingang ein zeitlich harmonisches Eingangssignal an legbar ist, und an dessen Ausgang ein von einer Länge des wenigstens einen Mikrowellenleiters abhängiger, zu dem Eingangssignal phasenverschobenes Ausgangs signal anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der we nigstens eine Mikrowellenleiter (15) wenigstens eine Unterbrechungsstelle (9) aufweist, jeder der Unter brechungsstellen (9) ein mechanisch verlagerbarer Mikrowellenleiterabschnitt (16, 18, 20) zugeordnet ist, dessen die Unterbrechungsstelle (9) überbrücken de Wirklänge entsprechend einer gewünschten Phasen verschiebung zwischen dem Eingangssignal und dem Aus gangssignal einstellbar ist.

2. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenleiter (15) wenig stens zwei planare über einer Masseebene angeordnete Kontaktbahnen (12, 14) aufweist, denen ein im wesent lichen U-förmiger Leiterabschnitt (16, 18, 20) zuge ordnet ist, der in Längserstreckungsrichtung der we nigstens zwei Kontaktbahnen (12, 14) verschiebbar ist.

3. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen U-förmige Leiterabschnitt (16, 18, 20) durch Verschieben einer parallel zur Masseebene liegenden Einstellebene ver schiebbar ist.

4. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseebene eine Substrat platte (2) ist.

5. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellebene eine Substrat platte (4) ist.

6. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseebene eine Superstrat platte oder eine Superstratfolie ist.

7. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellebene eine Super stratplatte oder eine Superstratfolie ist.

8. Wellenleiterbauelement nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kon taktbahnen (12, 14) und der U-förmige Leiterabschnitt (16, 18, 20) galvanisch miteinander gekoppelt sind.

9. Wellenleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbahnen (12, 14) und der U-förmige Leiterabschnitt (16, 18, 20) induktiv miteinander gekoppelt sind.

10. Wellenleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbahnen (12, 14) und der U-förmige Leiterabschnitt (16, 18, 20) kapazitiv miteinander gekoppelt sind.

11. Wellenleiterbauelement nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenleiterbauelement ein Resonator ist.

12. Wellenleiterbauelement nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenleiterbauelement ein Filter ist.

13. Wellenleiterbauelement nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbahnen (12, 14) und der verschiebliche U-för mige Leiterabschnitt (16, 18, 20) aus Supraleitern hergestellt sind.

14. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenleiterbauelement ein supraleitendes Filter ist.

15. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Filter ein planares Filter ist.

16. Wellenleiterbauelement nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Schichten (12, 14, 16, 18, 20) in Mikro strukturen auf die Substratplatten (2, 4) aufgebracht sind.

17. Wellenleiterbauelement nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Masseebenen und verschiebliche Einstellebenen ge schichtet übereinander angeordnet sind.

18. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Masseebene und verschiebliche Einstellebene in Triplate-Leitungstechnik ausgeführt sind.

19. Wellenleiterbauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Masseebenen und ver schiebliche Einstellebenen in Multilayertechnik ge schichtet übereinander angeordnet sind.