DE19856339A1

DE19856339A1 - Mikrowellen-Koppelelement

Info

Publication number: DE19856339A1
Application number: DE19856339A
Authority: DE
Inventors: Thomas Meier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-12-07
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2000-06-08
Also published as: US6388538B1; EP1011166A1

Abstract

Ein Mikrowellen-Koppelelement zur Kopplung einer Eingangsleitung (1) mit einer Ausgangsleitung (2), die jeweils einen festgelegten Leitungs-Wellenwiderstand R¶L¶ haben, weist einen Koppelabschnitt mit einer ersten, mit der Eingangsleitung verbundenen Streifenleitung (3) und einer zweiten, dazu parallelen und von der ersten Streifenleitung (3) galvanisch entkoppelten zweiten Streifenleitung (3'), wobei Leiterbreite und/oder Leiterabstand der Streifenleitungen (3, 3') bis zu zweimal so groß sind wie die/der zur Erzielung einer minimalen Fehlanpassung mit der Eingangs- und Ausgangsleitung optimale Leiterbreite beziehungsweise Leiterabschnitt, und wobei zur Kompensation der daraus resultierenden Fehlanpassung wenigstens eine Transformationsleitung (4, 4') vorgesehen ist, deren Wellenwiderstand R¶T¶ kleiner ist als der Leitungs-Wellenwiderstand R¶L¶. Dadurch können bei geringer Einfügungsdämpfung im Vergleich mit herkömmlichen Koppelelementen größere Strukturbreiten der Streifenleitungen des Koppelabschnitts realisiert werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Koppelele ment zur Kopplung einer Eingangsleitung mit einer Ausgangsleitung, die jeweils einen festgelegten Leitungswiderstand aufweisen.

Stand der Technik

Mittels eines parallelen Streifenleitungspaares realisierte Koppelelemente und Bandpassfilter sind in der Mikrowellentechnik allgemein üblich und in der Literatur beschrieben. Derartige Streifenlei ter-Koppelelemente weisen zwei parallele, galva nisch entkoppelte Streifenleiter mit einer Länge von jeweils λ/4 auf, wobei λ die effektive Nenn- Wellenlänge der mit dem Koppelelement zu übertra genden Mikrowellen ist. Mit Hilfe der Richards- Transformation, beispielsweise beschrieben in Zin ke, Brunswig "Lehrbuch der Hochfrequenztechnik", 1990, Seite 206 bis 211 lassen sich derartige ge koppelte λ/4-Leitungen durch ein Ersatzschaltbild beschreiben, das eine zwischen zwei Kondensatoren angeordnete λ/4-Koaxialleitung mit einem Wellenwi derstand Z_L enthält. Ein ideales kapazitives Koppelelement mit minimaler Einfügungsdämpfung läßt sich dann realisieren, wenn der Wellenwiderstand Z_L der Leitung im Ersatzschaltbild gleich dem Wellen widefstand der beidseitig angeschlossenen Leitun gen, im häufigsten Fall 50 Ω, ist. Die Anpassung des Koppelelement-Wellenwiderstandes erfolgt durch Wahl einer geeigneten Leiterbreite und eines geeig neten Leiterabstandes. Bei einem angenommenen Lei tungs-Wellenwiderstand von 50 Ω und für die Anwen dung in einem Radar-Frequenzbereich von ungefähr 24 GHz sind dann zum Beispiel bei einem Mikrowellen substrat mit einer Dielektrizitätskonstante ε_r = 3,0 und einer Substratdicke von 250 µm Mikrostreifen leitungen erforderlich, die eine Breite von ca. 90 µm und einen Abstand voneinander von ungefähr 60 µm aufweisen. Derartige Strukturbreiten und -ab stände sind jedoch mittels preiswerter Standard- Leiterplattentechnologie problematisch.

Vorteile der Erfindung

Ein wie in Anspruch 1 definiertes erfindungsgemäßes Mikrowellen-Koppelelement weist einen Koppelab schnitt mit einer ersten mit der Eingangsleitung verbundenen Streifenleitung und einer zweiten, zu der ersten Streifenleitung parallelen und zu dieser galvanisch entkoppelten zweiten Streifenleitung auf, wobei Leiterbreite und/oder Leiterabstand der Streifenleitungen (3, 3') bis zu zweimal so groß sind wie die/der zur Erzielung einer minimalen Fehlanpassung mit der Eingangs- und Ausgangsleitung optimale Leiterbreite beziehungsweise Leiterab stand, und wobei zur Kompensation der daraus resul tierenden Fehlanpassung wenigstens eine Transforma tionsleitung vorgesehen ist, deren Wellenwiderstand kleiner als der Leitungs-Wellenwiderstand ist. Der Koppelabschnitt mit größerem Wellenwiderstand läßt sich mit größeren Strukturbreiten und -abständen der beiden parallelen Streifenleitungen und daher mittels preiswerter Standard-Leiterplattentechnolo gie realisieren. So kann ein sehr preisgünstiges Mikrowellen-Koppelelement für den Einsatz im Radar wellenlängenbereich vor allem für die Massenferti gung zum Beispiel im Automobilsektor bereitgestellt werden. Der aus den größeren Strukturbreiten resul tierende zu hohe Wellenwiderstand des Koppelab schnitts im Ersatzschaltbild wird durch die hinzu gefügte(n) Transformationsleitung(en) kompensiert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel können zwei Trans formationsleitungen vorgesehen sein, die zwischen der Eingangsleitung beziehungsweise der Ausgangs leitung und dem Koppelabschnitt angeordnet sind. Der Einsatz von zwei Transformationsleitungen hat den Vorteil, daß zur Kompensation eines bestimmten höheren Koppelabschnitts-Wellenwiderstandes ein je weils nicht so kleiner Transformationsleitungs-Wel lenwiderstand ausreicht, so daß eine geringere Breite der Transformationsleitung ausreichend ist. Die vorteilhafte Breite einer Streifenleitung wird durch Querresonanzeffekte und dergleichen nach oben hin begrenzt.

Vorzugsweise weisen die beiden Transformationslei tungen eine Länge von zwischen λ/4 und λ/8 auf, welcher Bereich einen vorteilhaften Kompromiß zwi schen einer möglichst kleinen Gesamtlänge des Bau elements und möglichst günstigen elektrischen Para metern darstellt.

Bei einem Leitungs-Wellenwiderstand von 50 Ω wei sen die Transformationsleitungen vorteilhaft einen Wellenwiderstand zwischen 30 und 40 Ω auf.

Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koppelelements ist nur eine Transforma tionsleitung vorgesehen, die eine Länge von unge fähr λ/4 und einen Wellenwiderstand entsprechend der Hälfte des Leitungs-Wellenwiderstandes aufwei sen kann. Diese Variante der Erfindung weist den Vorteil einer geringen Bauelementlänge auf.

Das Streifenleitungspaar weist vorzugsweise eine Länge von λ/4 auf. Die Breite jeder der beiden Streifenleitungen beträgt vorzugsweise zwischen 150 µm und 250 µm, wobei der Abstand vorzugsweise zwischen 100 µm und 200 µm ist. Diese Dimensionen lassen sich einfach und preiswert durch Standard- Leiterplattentechnologie realisieren.

Vorzugsweise beträgt die Einfügungsdämpfung bei der Nennfrequenz des Kopplungselements weniger als 1 dB. Dabei weist das erfindungsgemäße Mikrowellen- Koppelungselement vorzugsweise eine Bandpass-Fre quenzcharakteristik auf. Gewünscht ist insbesondere eine hohe Sperrdämpfung für im Verhältnis zur Nenn frequenz niedrige Frequenzen, um Störungen durch digitale Steuerpulse und deren höhere Harmonische zu unterdrücken.

Die erfindungsgemäße Mikrowellen-Streifenleitung hat noch den weiteren Vorteil, daß aufgrund des größeren Abstandes der beiden Streifenleiter des Koppelabschnittes die Durchschlagsfestigkeit erhöht ist.

Figuren

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevor zugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert, in denen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mikrowellen-Koppelelements zeigt;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines er findungsgemäßen Mikrowellen-Koppelele ments zeigt;

Fig. 3 den gemessenen Frequenzgang eines erfin dungsgemäßen Mikrowellen-Koppelelements zeigt

Fig. 4 einen vergrößerten Abschnitt aus Fig. 3 zeigt;

Fig. 5 den berechneten Frequenzgang eines bei spielhaften erfindungsgemäßen Mikrowel len-Koppelelements im Vergleich zu einem herkömmlichen Koppelelement zeigt; und

Fig. 6 den komplexen Reflexionsfaktor der Kop pelelemente von Fig. 5 zeigt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koppelelements. Le diglich schematisch dargestellt sind die Eingangs leitung 1 und die Ausgangsleitung 2, die jeweils einen festgelegten Leitungs-Wellenwiderstand R_L, beispielsweise 50 Ω aufweisen. In der Mitte des Koppelelements ist ein Koppelabschnitt mit zwei galvanisch voneinander entkoppelten parallelen Mi krostreifenleitungen 3, 3' angeordnet, wobei die Breite der auf einem Substrat mit einer Dielektri zitätskonstante ε_r = 3,0 und einer Dicke von bei spielsweise 250 µm angeordneten Streifenleitungen zwischen 100 µm und 200 µm und der Abstand der bei den Mikrostreifenleitungen voneinander zwischen 150 µm und 250 µm beträgt. Durch diese im Vergleich zum Stand der Technik größeren Abmessungen erfolgt eine unerwünschte Impedanztransformation durch das Kop pelelement. Ohne zusätzliche Maßnahmen führt diese Impedanztransformation zu einer Zunahme der Ein gangs- und Ausgangsreflexionsfaktoren und infolge dessen zu einer Zunahme der Fehlanpassungsverluste. Um diesen Effekt zu kompensieren, sieht die Erfin dung zwei Transformationsleitungen 4, 4' vor, deren Wellenwiderstand kleiner als der Leitungs-Wellenwi derstand ist. Bei einem Leitungs-Wellenwiderstand von 50 Ω beträgt der Wellenwiderstand der Trans formationsleitungen 4, 4' vorzugsweise zwischen 30 und 40 Ω, beispielsweise 35 Ω. Das in Fig. 1 dar gestellte erfindungsgemäße Mikrowellen-Koppelele ment hat eine sehr geringe Einfügungsdämpfung im Bereich der Nennfrequenz des Koppelelementes (das heißt der Frequenz, die einer effektiven Wellen länge gleich der vierfachen Länge der Mikrostrei fenleitungen 3, 3' entspricht) auf und zeigt eine ausgeprägte Sperrdämpfung im Bereich niedrigerer Frequenzen.

Die Abmessungen der Transformationsleitungen 4, 4' müssen unter Berücksichtigung einer maximal mögli chen Strukturbreite der Mikrostreifenleitungen, die durch Resonanzeffekte beschränkt ist, und einer wünschenswerten kompakten, insbesondere kurzen Bau weise des gesamten Bauelementes gewählt werden. Ei ne Länge der Transformationsleitungen 4, 4' im Be reich zwischen λ/4 und λ/8, insbesondere 0,65 × λ/4 hat sich dabei als vorteilhaft herausgestellt.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koppelelements. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausfüh rungsbeispiel ist nur eine Transformationsleitung 4 vorgesehen. Diese Variante ermöglicht daher beson ders kompakte Bauelementabmessungen.

Fig. 3 zeigt den gemessenen Frequenzgang eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Mikrowellen-Kop pelelements. Die Nennfrequenz beträgt ungefähr 24 GHz. Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, zeigt das Kop pelelement eine ausgeprägte Bandpasscharakteristik mit einem breiten Durchlaßmaximum im Bereich zwi schen ungefähr 21 und 27 GHz. Zu niedrigeren Fre quenzen hin zeigt sich eine deutliche Sperrdämp fung, die zur Unterdrückung von durch Digital-Steu ersignale und deren Harmonische hervorgerufenen Hochfrequenzstörsignalen erwünscht ist.

Fig. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab den Frequenz bereich zwischen 20 GHz und 28 GHz. Man erkennt, daß die Einfügungsdämpfung in der Nähe der Nennfre quenz von 24 GHz kleiner als 0,5 dB ist.

Fig. 5 zeigt den simulierten Frequenzgang eines erfindungsgemäßen Kopplungselements mit einem Kop pelabschnitt, dessen Mikrostreifenleitungen eine Länge von 2,5 mm, eine Breite von 0,1 mm und einen Abstand von 0,23 mm aufweisen, als durchgezogene Linie und mit Kreissymbolen dargestellt. Wiederum ist die Bandpasscharakteristik gut zu erkennen. Mit punktierter Linie und dreieckförmigen Symbolen ist als Referenzbeispiel dazu ein herkömmliches Koppel element ohne Transformationsleitung mit 2,5 mm lan gen und 0,1 mm breiten Leitungen, die einen Abstand von 0,06 mm voneinander haben, dargestellt. Man er kennt die im Vergleich zum erfindungsgemäßen Kop pelelement wesentlich flachere Frequenzcharakte ristik.

In Fig. 6 sind Simulationen des komplexen Refle xionsfaktors für die beiden Koppelelemente von Fig. 5 dargestellt. Das erfindungsgemäße Koppelele ment ist wiederum durch eine durchgezogene Linie und kreisförmige Symbole, das herkömmliche Koppele lement durch eine punktierte Linie und dreieckige Symbole symbolisiert. Beide Kurven laufen im Uhrzeigersinn, das heißt sie starten bei 1 nahe 360° im Leerlaufpunkt. Während die Ortskurve des nach dem Stand der Technik dimensionierten Kop pelelements (punktiert) gleichmäßig nach innen läuft (zu erkennen an den nahezu äquidistanten Markerpunkten), verläuft die Ortskurve des erfin dungsgemäßen Koppelelements länger entlang des Au ßenkreises, um dann schnell (innerhalb von zwei Markerpunkten) nach innen zu gehen. Nach einem Bei nahe-Nulldurchgang im Bereich der Nennfrequenz von 24 GHz läuft die durchgezogene Kurve wieder nach außen, was wiederum die schon in Fig. 5 darge stellte Bandpass-Struktur zeigt.

Mit dem erfindungsgemäßen Mikrowellen-Koppelelement sind günstige elektrische Parameter mittels großen und somit preiswert herzustellenden Strukturabmes sungen möglich.

Claims

1. Mikrowellen-Koppelelement zur Kopplung einer Eingangsleitung (1) mit einer Ausgangsleitung (2) mit jeweiligen Leitungs-Wellenwiderständen R_L, mit einem Koppelabschnitt mit einer ersten, mit der Eingangsleitung (1) verbundenen Streifenleitung (3) und einer zweiten, dazu parallelen und galvanisch von der ersten Streifenleitung (3) entkoppelten zweiten Streifenleitung (3'), wobei Leiterbreite und/oder Leiterabstand der Streifenleitungen (3, 3') bis zu zweimal so groß sind wie die/der zur Erzie lung einer minimalen Fehlanpassung mit der Ein gangs- und Ausgangsleitung optimale Leiterbreite beziehungsweise Leiterabstand, und wobei zur Kom pensation der daraus resultierenden Fehlanpassung wenigstens eine Transformationsleitung (4, 4') vor gesehen ist, deren Wellenwiderstand R_T kleiner ist als der Leitungs-Wellenwiderstand R_L.

2. Mikrowellen-Koppelelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß zwei Transformationslei tungen (4, 4') vorgesehen sind, die jeweils zwischen Eingangsleitung (1) beziehungsweise Ausgangsleitung (2) und dem Koppelabschnitt (3, 3') angeordnet sind.

3. Mikrowellen-Koppelelement nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß die zwei Transformations leitungen (4, 4') eine Länge zwischen λ/4 und λ/2 haben, wobei λ die Nenn-Wellenlänge des Mikrowel len-Koppelelements ist.

4. Mikrowellen-Koppelelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und Ausgangsleitung (1, 2) einen Wellenwiderstand von R_L = 50 Ω und die Transformationsleitungen (4, 4') ei nen Wellenwiderstand von jeweils zwischen 30 Ω und 40 Ω, vorzugsweise ungefähr 35 Ω aufweisen.

5. Mikrowellen-Koppelelement nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß eine einzige Transforma tionsleitung (4) mit einer Länge von ungefähr λ/4 und einem Wellenwiderstand R_T = 1/2 R_L vorgesehen ist, wobei λ die Nenn-Wellenlänge des Mikrowellen- Koppelelements ist.

6. Mikrowellen-Koppelelement nach einem der Ansprü che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die paral lelen Streifenleitungen (3, 3') des Koppelabschnitts eine Länge von λ/4 aufweisen, wobei λ die Nennwel lenlänge des Mikrowellen-Koppelelements ist.

7. Mikrowellen-Koppelelement nach einem der Ansprü che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strei fenleitungen (3, 3') des Koppelabschnitts eine Brei te von jeweils 150 µm bis 250 µm aufweisen.

8. Mikrowellen-Koppelelement nach einem der Ansprü che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strei fenleitungen (3, 3') des Koppelabschnitts einen Ab stand von zwischen 100 µm und 200 µm voneinander aufweisen.

9. Mikrowellen-Koppelelement nach einem der Ansprü che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfü gungsdämpfung bei der Nennfrequenz des Koppelele ments geringer als ein Dezibel ist.

10. Mikrowellen-Koppelelement nach einem der An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement eine Bandpass-Frequenzcharakteristik aufweist.

11. Mikrowellen-Koppelelement nach einem der An sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement eine starke Sperrdämpfung für im Ver hältnis zur Nennfrequenz niedrige Frequenzen auf weist.