DE19958560A1

DE19958560A1 - Potentialfreie Verbindung für eine Mikrowellenleitung

Info

Publication number: DE19958560A1
Application number: DE19958560A
Authority: DE
Inventors: Matthias Weis; Reinhard Knoechel
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-12-04
Publication date: 2001-06-07
Anticipated expiration: 2019-12-05
Also published as: DE19958560C2

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist eine potentialfreie Verbindung eines ersten Leistungsabschnitts (1) einer Mikrowellenleitung mit einem zweiten Leitungsabschnitt (2) der Mikrowellenleitung. DOLLAR A Um einen breitbandigen Übertragungsbereich für das Mikrowellensignal bei gleichzeitig hoher Durchbruchsspannung zu erzielen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der erste Leistungsabschnitt (1) der Mikrowellenleitung eine erste Schlitzleitung (3) aufweist, der zweite Leitungsabschnitt (2) der Mikrowellenleitung eine zweite Schlitzleitung (4) aufweist und die erste Schlitzleitung (3) sowie die zweite Schlitzleitung (4) derart auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines dielektrischen Substrats (5) angeordnet sind, daß die erste Schlitzleitung (3) und die zweite Schlitzleitung (4) miteinander elektromagnetisch stark gekoppelt sind, jedoch zueinander keine galvanisch leitende Verbindung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine potentialfreie Verbindung eines ersten Leitungsabschnitts einer Mikrowellenleitung mit einem zweiten Leitungsabschnitt der Mikrowellenlei tung. Potentialfrei bedeutet hier, daß eine galvanische Verbindung nicht besteht.

Bei Anwendungen in der Mikrowellentechnik treten häufig Situationen auf, in denen für eine Messung zwischen einem Meßwertaufnehmer einerseits und einem Meß wertverarbeitungssystem andererseits eine galvanische Trennung erforderlich ist. Eine solche galvanische Trennung, also ein potentialfreier Übergang zwischen zwei voneinander getrennten Leitungsabschnitten, von denen der eine Leitungsabschnitt mit dem Meßwertaufnehmer und der andere Leitungsabschnitt mit dem Meßwertver arbeitungssystem verbunden ist, kann grundsätzlich beispielsweise mit Hilfe eines Transformators, eines Optokopplers oder mit Hilfe von zwei Kondensatoren realisiert werden, wobei einer der Kondensatoren in der Signalleitung und der andere Konden sator in der Referenzleitung vorgesehen wird. Im Mikrowellenfrequenzbereich stellen solche Konstruktionen jedoch keine praktikablen Lösungen dar. Umgehungslösun gen mit einer Vielzahl von Kondensatoren sind zwar denkbar, solche Anordnungen weisen jedoch nur eine sehr geringe übertragbare Bandbreite auf, und die Durch bruchsspannung für ein solches System beträgt lediglich wenige 100 Volt.

Dementsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine potentialfreie Verbindung eines ersten Leitungsabschnitts einer Mikrowellenleitung mit einem zweiten Lei tungsabschnitt der Mikrowellenleitung anzugeben, wobei mit der potentialfreien Verbindung ein breitbandiger Übertragungsbereich für das Mikrowellensignal bei gleichzeitig hoher Durchbruchsspannung gewährleistet sein soll.

Die erfindungsgemäße potentialfreie Verbindung, mit der die oben hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungs abschnitt der Mikrowellenleitung eine erste Schlitzleitung aufweist, der zweite Lei tungsabschnitt der Mikrowellenleitung eine zweite Schlitzleitung aufweist und die erste Schlitzleitung und die zweite Schlitzleitung jeweils derart auf zwei einander ge genüberliegenden Seiten eines dielektrischen Substrats angeordnet sind, daß die erste Schlitzleitung und die zweite Schlitzleitung miteinander elektromagnetisch stark ge koppelt sind, jedoch zueinander keine galvanisch leitende Verbindung aufweisen.

Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen potentialfreien Verbindung besteht darin, daß die erste Schlitzleitung und die zweite Schlitzleitung gerade verlau fen. Vorzugsweise verläuft ferner die erste Schlitzleitung parallel zur zweiten Schlitz leitung, und besonders bevorzugt verläuft die erste Schlitzleitung zur zweiten Schlitzleitung genau fluchtend.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird eine besonders gute elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten Schlitzleitung und der zweiten Schlitzleitung ohne galvanisch leitende Verbindung zwischen diesen dann erzielt, wenn die erste Schlitzleitung an einem ihrer Endbereiche die zweite Schlitzleitung an einem ihrer Endbereiche überlappt. Dabei ist es besonders bevorzugt, daß die erste Schlitzleitung und die zweite Schlitzleitung in ihrem jeweiligen Bereich, in dem die beiden Schlitzleitungen einander überlappen, jeweils verbreitert sind.

Eine optimale Impedanzanpassung erfolgt gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß die erste Schlitzleitung und die zweite Schlitzleitung über den Bereich hinaus, in dem sie einander überlappen, jeweils verbreitert sind. Als be sonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen potentialfreien Verbin dung hat sich dabei eine Dimensionierung herausgestellt, bei der die erste Schlitzlei tung und die zweite Schlitzleitung jeweils über eine Länge von 5,5 mm verbreitert sind und über eine Länge von 4 mm einander überlappen.

Die erfindungsgemäße potentialfreie Verbindung läßt sich mit verschiedenen Dicken des dielektrischen Substrats realisieren. Als besonders geeignet für die erfindungsge mäße potentialfreie Verbindung hat sich eine Dicke des dielektrischen Substrats zwi schen 0,1 und 0,4 mm herausgestellt; besonders bevorzugt ist eine Dicke des dielek trischen Substrats von 0,25 mm.

Durch entsprechende geometrische Anpassungen der einander überlappenden Schlitzleitungen sind dielektrische Substrate mit unterschiedlichsten Dielektrizitäts zahlen für die erfindungsgemäße potentialfreie Verbindung einsetzbar. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der potentialfreien Verbindung wird insbesondere dann eine besonders gute elektromagnetische Kopplung zwischen den beiden einander überlappenden Schlitzleitungen erzielt, wenn die Dielektrizitätszahl des dielektri schen Substrats zwischen 1,5 und 5 beträgt, besonders bevorzugt ist eine Dielektrizi tätszahl des dielektrischen Substrats von 2,2.

Für die Adaption in eine bestehende Schaltungsanordnung hat sich als besonders bevorzugte Weiterbildung eine Konstruktion herausgestellt, bei der der erste Lei tungsabschnitt und/oder der zweite Leitungsabschnitt jeweils einen Übergang von der Schlitzleitung auf eine Mikrostreifenleitung aufweisen. Auf diese Weise läßt sich besonders einfach die Einspeisung bzw. die Weiterleitung des Mikrowellensignals mit einer Koaxialleitung durch einen jeweiligen Übergang von der Koaxialleitung auf die Mikrostreifenleitung und umgekehrt realisieren. Diesbezüglich besteht eine be sonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen potentialfreien Verbin dung darin, daß am jeweiligen Übergang von der Schlitzleitung auf die Mikrostreifen leitung die Schlitzleitung die Mikrostreifenleitung überlappt, die Schlitzleitung senk recht zur Mikrostreifenleitung verläuft, die Mikrostreifenleitung kurz hinter ihrer Überlappung mit der Schlitzleitung gerade endet und die Schlitzleitung kurz hinter ihrer Überlappung mit der Mikrostreifenleitung mit einer kreisrunden Ausnehmung endet, deren Radius etwa der doppelten Schlitzbreite der Schlitzleitung entspricht. Die Schlitzleitung befindet sich dabei in der Massefläche der Mikrostreifenleitung, hat also direkten Kontakt zu dieser. Auf diese Weise ist ein besonders kompakter Übergang von der Schlitzleitung auf die Mikrostreifenleitung möglich.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße po tentialfreie Verbindung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die folgende detaillierte Beschreibung von potentialfreien Verbindungen gemäß bevor zugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch die beiden an ihren Endbereichen einander überlappenden Schlitzleitungen einer potentialfreien Verbindung gemäß einem bevor zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 schematisch detailliert den Übergang von einer Schlitzleitung auf eine Mikrostreifenleitung für die potentialfreie Verbindung gemäß einem be vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für einen Übergang von der Schlitzleitung auf die Mikrostreifenleitung für die potentialfreie Verbindung gemäß einem be vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 schematisch die Gesamtanordnung der potentialfreien Verbindung ge mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 5 schematisch die Gesamtanordnung einer potentialfreien Verbindung ge mäß einem optimierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind für eine potentialfreie Verbindung gemäß einem bevor zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein erster Leitungsabschnitt 1 und ein zweiter Leitungsabschnitt 2 einer Mikrowellenleitung vorgesehen, wobei der erste Leitungsabschnitt 1 der Mikrowellenleitung eine erste Schlitzleitung 3 und der zwei te Leitungsabschnitt 2 der Mikrowellenleitung eine zweite Schlitzleitung 4 aufweist. Die beiden Schlitzleitungen 3, 4 sind auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines in Fig. 4 gezeigten dielektrischen Substrats 5 angeordnet.

Wie weiter aus Fig. 1 ersichtlich, sind die erste Schlitzleitung 3 und die zweite Schlitzleitung 4 in ihren jeweiligen Endbereichen verbreitert. Mit diesen verbreiterten Endbereichen genau übereinander liegend überlappt die erste Schlitzleitung 3 die zweite Schlitzleitung 4 in einem in Fig. 1 mit A gekennzeichneten Bereich, dessen Länge gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung 4 mm be trägt. Die mit B bzw. C gekennzeichneten Bereiche stellen solche Bereiche dar, in denen die Endbereiche der ersten Schlitzleitung 3 bzw. der zweiten Schlitzleitung 4 zwar verbreitert sind, jedoch keine Überlappung der ersten Schlitzleitung 3 mit der zweiten Schlitzleitung 4 vorliegt. Diese Bereiche B bzw. C weisen gemäß dem bevor zugten Ausführungsbeispiel der Erfindung jeweils eine Länge von 1,5 mm auf und dienen der Impedanzanpassung. Zwischen der ersten Schlitzleitung 3 und der zwei ten Schlitzleitung 4 besteht keine Durchkontaktierung und somit auch keine elek trisch leitende Verbindung.

Das Substrat 5, auf dessen einander gegenüberliegenden Seiten die Schlitzleitung 3 und die Schlitzleitung 4 aufgebracht sind, weist gemäß dem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung eine Dicke von 0,25 mm sowie eine Dielektrizitätszahl von 2,2 auf. Mit dieser Anordnung läßt sich eine potentialfreie Verbindung des ersten Leitungsabschnitts 1 der Mikrowellenleitung mit dem zweiten Leitungsabschnitt 2 der Mikrowellenleitung erzielen, die bei einer starken Kopplung zwischen der ersten Schlitzleitung 3 und der zweiten Schlitzleitung 4 eine Durchbruchsspannung von über 1 kV aufweist.

Um eine einfache Adaption des ersten Leitungsabschnitts 1 der Mikrowellenleitung sowie des zweiten Leitungsabschnitts 2 der Mikrowellenleitung mit jeweils einer Ko axialleitung zu erreichen, wobei die Adaption vorzugsweise über jeweils eine Mi krostreifenleitung realisiert wird, ist gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß, wie aus Fig. 4 ersichtlich, einerseits ein Übergang 6 von der ersten Schlitzleitung 3 auf eine erste Mikrostreifenleitung 8 und andererseits ein Übergang 7 von der zweiten Schlitzleitung 4 auf eine zweite Mikrostreifenleitung 9 vorgesehen ist. Ein solcher Übergang ist exemplarisch für den ersten Leitungsab schnitt 1 der Mikrowellenleitung in Fig. 2 dargestellt. Der Übergang 6 zwischen der ersten Schlitzleitung 3 und der ersten Mikrostreifenleitung 8 ist dadurch gebildet, daß die erste Schlitzleitung 3 zur ersten Mikrostreifenleitung 8 senkrecht verläuft, die ers te Schlitzleitung 3 an ihrem dem Übergang auf die zweite Schlitzleitung 4 abge wandten Ende mit einem Ende der ersten Mikrostreifenleitung 8 überlappt, die erste Mikrostreifenleitung 8 kurz hinter ihrer Überlappung mit der ersten Schlitzleitung 3 gerade endet und die erste Schlitzleitung 3 kurz hinter ihrer Überlappung mit der ers ten Mikrostreifenleitung 8 mit einer kreisrunden Ausnehmung 10 endet, deren Ra dius etwa der doppelten Schlitzbreite der ersten Schlitzleitung 3 entspricht.

Durch den Übergang 6 von der ersten Schlitzleitung 3 auf die erste Mikrostreifenlei tung 8 ist eine Schaltungsanordnung erzielt, die im wesentlichen dem aus Fig. 3 er sichtlichen Ersatzschaltbild entspricht. Die Mikrostreifenleitung trifft dabei von links kommend auf die nach rechts weiter verlaufende Schlitzleitung. Die kreisrunde Aus nehmung, deren Radius etwa der doppelten Schlitzbreite der Schlitzleitung ent spricht, wirkt praktisch als Induktivität, in Fig. 4 mit L_S gekennzeichnet, und das Ende der Mikrostreifenleitung kann als in Serie mit der Schlitzleitung geschalteter Kondensator behandelt werden, dessen Kapazität in der aus Fig. 4 ersichtlichen Schaltung mit C_M bezeichnet ist. In Fig. 4 ist ferner die Impedanz der Mikrostreifen leitung mit Z_M und die Impedanz der Schlitzleitung mit Z_S bezeichnet.

In Fig. 5 schließlich ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der potential freien Verbindung ersichtlich, die bezüglich der übertragbaren Bandbreite des Mi krowellensignals weiter optimiert ist. In beiden Leitungsabschnitten 1, 2 ist nämlich jeweils im Bereich der Mikrostreifenleitung die Anordnung eines in Serie geschalte ten "half-wavelength transformer" 12, 13 mit offenem Ende vorgesehen, wie z. B. in R. Knöchel "Broadband Flat Coupling Two-Branch and Multibranch Directional Couplers", 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, Anaheim, 1999, Seiten 1327-1330, beschrieben.

Claims

1. Potentialfreie Verbindung eines ersten Leitungsabschnitts (1) einer Mikrowellenlei tung mit einem zweiten Leitungsabschnitt (2) der Mikrowellenleitung, dadurch ge kennzeichnet, daß der erste Leitungsabschnitt (1) der Mikrowellenleitung eine erste Schlitzleitung (3) aufweist, der zweite Leitungsabschnitt (2) der Mikrowellenleitung eine zweite Schlitzleitung (4) aufweist und die erste Schlitzleitung (3) sowie die zweite Schlitzleitung (4) derart auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines dielektrischen Substrats (5) angeordnet sind, daß die erste Schlitzleitung (3) und die zweite Schlitzleitung (4) miteinander elektromagnetisch stark gekoppelt sind, jedoch zueinander keine galvanisch leitende Verbindung aufweisen.

2. Potentialfreie Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schlitzleitung (3) und die zweite Schlitzleitung (4) gerade verlaufen.

3. Potentialfreie Verbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schlitzleitung (3) parallel zur zweiten Schlitzleitung (4) verläuft.

4. Potentialfreie Verbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schlitzleitung (3) zur zweiten Schlitzleitung (4) genau fluchtend verläuft.

5. Potentialfreie Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die erste Schlitzleitung (3) an einem ihrer Endbereiche die zweite Schlitzleitung (4) an einem ihrer Endbereiche überlappt.

6. Potentialfreie Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schlitzleitung (3) und die zweite Schlitzleitung (4) in dem Bereich, in dem sie einan der überlappen, jeweils verbreitert sind.

7. Potentialfreie Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schlitzleitung (3) und die zweite Schlitzleitung (4) über den Bereich hinaus, in dem sie einander überlappen, jeweils verbreitert sind.

8. Potentialfreie Verbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schlitzleitung (3) und die zweite Schlitzleitung (4) jeweils über eine Länge von 5,5 mm verbreitert sind und über eine Länge von 4 mm einander überlappen.

9. Potentialfreie Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das elektrische Substrat (5) eine Dicke von 0,1 bis 0,4 mm - vorzugs weise von 0,25 mm - aufweist.

10. Potentialfreie Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Dielektrizitätszahl des dielektrischen Substrats (5) 1,5 bis 5 - vor zugsweise 2,2 - beträgt.

11. Potentialfreie Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Leitungsabschnitt (1) einen ersten Übergang (6) von der Schlitzleitung (3) auf eine erste Mikrostreifenleitung (8) aufweist und/oder der zweite Leitungsabschnitt (2) einen zweiten Übergang (7) von der zweiten Schlitzleitung (4) auf eine zweite Mikrostreifenleitung (9) aufweist.

12. Potentialfreie Verbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß am ers ten Übergang (6) von der ersten Schlitzleitung (3) auf die erste Mikrostreifenleitung (8) die erste Schlitzleitung (3) die erste Mikrostreifenleitung (8) überlappt, die erste Schlitzleitung (3) senkrecht zur ersten Mikrostreifenleitung (8) verläuft, die erste Mi krostreifenleitung (8) kurz hinter ihrer Überlappung mit der ersten Schlitzleitung (3) gerade endet und die erste Schlitzleitung (3) kurz hinter ihrer Überlappung mit der ers ten Mikrostreifenleitung (8) mit einer kreisrunden Ausnehmung (10) endet, deren Radius etwa der doppelten Schlitzbreite der ersten Schlitzleitung (3) entspricht, und/oder am zweiten Übergang (7) von der zweiten Schlitzleitung (4) auf die zweite Mikrostreifenleitung (9) die zweite Schlitzleitung (4) die zweite Mikrostreifenleitung (9) überlappt, die zweite Schlitzleitung (4) senkrecht zur zweiten Mikrostreifenlei tung (9) verläuft, die zweite Mikrostreifenleitung (9) kurz hinter ihrer Überlappung mit der zweiten Schlitzleitung (4) gerade endet und die zweite Schlitzleitung (4) kurz hinter ihrer Überlappung mit der zweiten Mikrostreifenleitung (9) mit einer kreisrun den Ausnehmung (11) endet, deren Radius etwa der doppelten Schlitzbreite der zwei ten Schlitzleitung (4) entspricht.

13. Potentialfreie Verbindung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Mikrostreifenleitung (8) und/oder die zweite Mikrostreifenleitung (9) jeweils einen Übergang auf eine Koaxialleitung aufweisen.