DE2260240B2 - Hochfrequenz-streifenleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequem -Streifenleitung zum Fortleiten elektromagnetischer Wellen eines Frequenzbereichs, bestehend aus zwei Metallstreifen, die parallel zueinander auf sich gegenüberliegenden Oberflächen eines dielektrischen Substrats angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen den Metallstreifen und die Dielektrizitätskonstante des Substrats so gewählt sind, daß die elektromagnetischen Felder einer auf die Leitung gekoppelten elektromagnetischen Welle im wesentlichen auf das Gebiet zwischen den Metallstreifen begrenzt sind.

Eine bekannte Ausführungsform von Leitungen dieses Typs ist die sogenannte »Microstrip-Leitung«, die auch unter dem Namen »unsymmetrische Mikrowellen-Flachleitung« in den Unterlagen des Deutschen Gebrauchsmusters 17 27 253 beschrieben ist. Bei dieser Ausführungsform verläuft der eine Metallstreifen als relativ schmales Band auf der einen Oberfläche des Substrats, im wesentlichen über der Mitte des zweiten, viel breiter ausgebildeten Metallstreifens, der auf die

ίο gegenüberliegende Oberfläche des Substrats aufgebracht ist. Der wesentliche Faktor, der die elektrischen Eigenschaften einer solchen Leitung wie z. B. ihren Wellenwiderstand bestimmt, ist die Dicke des zwischen den Metallstreifen liegenden Dielektrikums oder Substrats. Wenn man verschiedene Wellenwiderstände realisieren will, dann muß man auf Substrate unterschiedlicher Dicke zurückgreifen (das Material des Substrats ist meist vorgegeben), was in vielen Fällen unpraktisch und meist auch unwirtschaftlich ist.

Andere Eigenschaften oder Merkmale der bekannten Microstrip-Leitung wie z. B. die besondere relative Lage aer beiden Metallstreifen und das Muster des Feldlinienverlaufs im Querschnitt machen es schwierig, Hochfrequenz-Streifenleitungen anderen Typs (/. B.

Schliizieiiungen und symmetrische koplanure Streifenleitungen) anzukoppeln oder überhaupt auf Symmetrie überzugehen.

Die Aufgabe der Erfindung besieht in uer Schaltung einer Hochfrequenz-Streifenleitung, deren Eigenschaiten sich in einfacherer Weise und in weiteren Grenzen als bisher ändern oder dem jeweiligen Anwcndungsfall anpassen lassen. Bei einer Hochfrequenz-Streifenleitung des eingangs beschriebenen allgemeinen Typs wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine

3s solche gegenseitige seitliche Versetzung der beiden Metallstreifen, daß der zu einer Seite weisende Rand des einen Streifens etwa dem zur entgegengesetzten Seite weisenden Rand des anderen otreifens gegenüberliegt und daß mehr als die halbe Breite jedes Streifens auf dem Substrat frei von Überlappung durch den jeweils anderen Streifen ist.

Wie weiter unten noch ausführlicher nachgewiesen werden wird, lassen sich die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Streifenleitung auf einfache Weise und in weiten Grenzen durch das Maß der Überlappung der beiden Metallstreifen bestimmen. Dieses Mali kann positiv sein, es kann den Wert 0 haben (so daß die beiden gegenüberliegenden Ränder der beiden Streifen miteinander fluchten) oder aber sogar negativ sein (wobei die beiden Metallstreifen im Grundriß zwischen sich einen Zwischenraum haben), jedesmal ergibt sich ein anderer Wellenwiderstand.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann ;uif der emen Seite des Substrats von dem Metallstreifen ein schmaler Streifenleiter ausgehen, der über dem zweiten Metallstreifen verläuft. Dieser schmale Metallstreifen bildet mit dem auf der entgegengesetzten Seite des Substrats liegenden breiteren Metallstreifen eine Anordnung zum Ein- oder Auskoppeln von

do Wellen eines Typs, wie sie sich in einer herkömmlichen Microstrip-Leitung fortpflanzen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der eine Metallstreife!) einen schmalen, quer zur Fortpflanzungsrichtung angeordneten Schlitz aufweisen,

<)? weicher diesen Metallstreifen in zwei breite Teile unterteilt. Hiermit wird eine Anordnung gebildet, über die sich Wellen eines Typs ein- oder auskoppeln lassen, wie er sich in einer sogenannten Schlitzleitung ausbreitet,

d. h. einer Hochfrequenzleitung, in der Wellen im Schlitz zwischen zwei auf ein und derselben Oberfläche eines Substrats liegenden Leitern geführt werden.

Eine wiederum andere Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der eine Metallstreifen Üwci uiCiit rieucrieiriänder ιαϋι£Γκι~, q'ücT Zur ι örtpniinzungsrichtung angeordnete parallele Schlitze aufweist, die einen schmalen Teil zwischen zwei breiten Teilen bilden. Diese Anordnung erlaubt die Ein- bzw. Auskopplung von Wellen eines Typs, wie sie sich in einer symmetiischen koplanaren Streifenleitung ausbreiten, d. h. einer Leitung, wo auf ein und derselben Oberfläche eines Substrats im Abstand zwischen zwei breiten Lei-Hern ein schmaler mittlerer Leiter verläuft.

Die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Streifenleitung hat also den weiteren Vorteil, daß sich auf einfache Weise Hochfrequenzleitungen eines anderen Typs ankoppeln lassen, sogar symmetrische Streifenleitungen. Beim Übergang auf Symmetrie war bei den bisherigen bekannten Microstrip-Leitungen des weiter oben beschriebenen Typs ohne gesonderte zwischengeschaltete Symmetrierglieder kaum möglich.

Mittels der genannten Weiterbildungen der Erfindung können nicht nur Leitungen anderen Typs angeschlossen sondern auch verteilte induktive und kapazilive Raktanzen längs der Hochfrequenz-Streifenleitung geschaffen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

F i g. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer HF-Streifenleitung gemäß dem Stand der 1 echnik;

F i g. 2 zeigt perspektivisch eine Schlitzleitiing gemäß dem Stand der Technik;

F i g. 3 zeigt perspektivisch ein Ausführungsbeispiei der erfindungsgemäßen Hochfrequenzstrufenieitung;

F i g. 4 ist ein Schaubild, in welchem für die in F i g. 3 dargestellte Hochfrequenzstreifenleitung der Wellenwiderstand über der Überlappung aufgetragen ist;

F i g. 5 zeigt in einem Schaubild die effektive Dielektrizitätskonslante in Abhängigkeit von der Überlappung bei der in F i g. 3 gezeigten Hochfrequenzstreifenleitung;

F i g. 6 zeigt perspektivisch eine Leitungsverzweigung unter Verwendung der in F i g. 3 gezeigten Hochfrequenzstreifenleitung;

F i g. 7 zeigt perspektivisch eine in F i g. 3 gezeigte Hochfrequenzstr^ifenleitung mit verteilten induktiven und kapazitiven Reaktanzen;

F i g. 8 zeigt perspektivisch eine weitere Ausführungsform der HF-Streifenleitung.

F i g. 1 zeigt eine HF-Streifenleitung 10, bei der ein schmaler streifenförmiger Leiter 11 durch eine Platte aus Dielektrikum 15 über einem breiteren (mehr als doppelt so breitem) ebenen Masseleker 13 im Abstand gehalten wird. Das elektromagnetische Feld der sich fortpflanzenden elektromagnetischen Wellen verläuft hauptsächlich im Bereich zwischen dem schmalen streifenförmigen Leiter U und dem plattenförmigen Masseleiter 13.

Die F i g. 2 zeigt eine Schlitzleitung. Hier liegen zwei relativ breite (verglichen mit dem schmalen Leiter 11 in F i g. 1) leitende Platten 19 und 21 in gegenseitigem Abstand auf der gleichen Oberfläche 23 einer dielektrischen Trägerplatte 25. Die breiten leitenden Platten 19 <>5 und 21 verlaufen im allgemeinen parallel und in gleichbleibendem gegenseitigen Abstand, so daß zwischen ihnen ein offenei Schlitz 27 gebildet wird. Die Breite des Schlitzes 27 ist annähernd gleich der Breite des Leiters 11 in Fig. 1. Das elektromagnetische Feld einer zugeführten elektromagnetischen Welle liegt hauptsächlich innerhalb des dielektrischen Trägers 25 im Bereich zwischen den beiden breiten leitenden Platten 19 und 21.

gemäß aufgebauten Hochfrequenzstreifenleitung 31. Sie enthält eine im wesentlichen ebene Platte oder Tafel 33 aus dielektrischem Material als Substrat, die gegenüberliegende parallele Flächen 35 und 37 aufweist. Ein Teil der einen Oberflache 35 der Tafel 33 trägt eine erste relativ breite leitende Platte 39. Auf einem Teil der gegenüberliegenden Oberfläche 37 der Tafel 33 befindet sich eine zweite, relativ breite leitende Platte 41. Die leitende Platte 39 ist gegenüber der Platte 41 versetzt, d. h. der in F i g. 3 liegende linke Rand der Platte 39 ist gegenüber dem in dieser Figur links liegenden Rand der Platte 41 verschoben. Der größere Teil (mehr als die Hälfte) der leitenden Platte 38 verläuft längs der Fläche 35 so, daß er sich mit der Platte 41 nicht überlappt. Der Rand 43 der Platte 39 liegt in dichtem Abstand vom Rand 45 der Platte 41. Der Abstand zwischen den Platten 39 und 41, die Dielektrizitätskonstante und die Dicke des Substrats 33 sind so festgelegt, daß das elektrische Feld von auf die Leitung gekoppelten elektromagnetischen Wellen hauptsächlich auf das Gebiet zwischen den leitenden Platten 39 und 41 im Substrat 33 begrenzt ist. Wenn der Rand 43 der leitenden Platte 39 mit dem nahen Rand der Platte 41 fluchtet, wie es mit der gestrichelten Linie 45Λ gezeigt ist, dann ist der Wellenwiderstand im wesentlichen unabhängig von der Dicke der Tafel 33. Es wurde beispielsweise gefunden, daß für ein Substrat aus Aluminiumoxyd (Dielektrizitätskonstante 9, 6) bei miteinander fluchtenden Rändern der Platten 39 und 41 der Wellenwiderstand 40 Ohm betrug, und zwar sowohl für eine Substratdicke von 0,254 mm als auch für eine Substraidickc von 0.635 mm.

Die beiden leitenden Platten 39 und 41 können so gegeneinander versetzt oder gestaffelt sein, daß sie sich leicht überlappen (Abstand c/i), wobei der Rand der Platte 41 an der Stelle 45ß in F i g. 3 zu liegen kommt. Bei dieser überlappenden Anordnung ist die Impedanz geringer und die Felder befinden sich im wesentlichen innerhalb der Überlappungszone. Das Maß der Überlappung ist wesentlich kleiner als die halbe Breite jeder der Platten 39 und 41.

Die beiden leitenden Platten 39 und 41 können ohne Überlappung angeordnet sein, z. B. so, daß der nächstliegende Rand der Platte 41 am On 45 liegt, d.h. im Abstand Λ von der fluchtenden Position 45A Bei dieser nichtüberlappenden Anordnung hat die Leitung eine höhere Impedanz, und ein größerer Energieanteil pflanzt sich außerhalb des dielektrischen Substrats fort.

F i g. 4 zeigt ein Schaubild, in welchem für die in F i g. 3 gezeigte Hochfreqtienzstreifenleitung der Wellenwiderstand über der Überlappung für den Fall aufgetragen ist, daß das Substrat 33 Aluminiumoxyd (Dielektrizitätskonstante 9, 6) ist und st ne Dicke 0,635 mm beträgt.

Aus F i g. 4 ist zu entnehmen, daß sich der Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitung von etwa 78 Ohm auf elwa 12 Ohm ändert, wenn die Platten 39 und 41 von einer Stellung, in welcher zur Überlappung 5,08 mm fehlen (gezeigt als Überlappung von -5,08 min) in eine Stellung mit einer Überlappung von etwa 4,445 mm bewegt werden. Eine Stellung mit der Überlappung 0 liefert einen Wellenwiderstand von

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40 Ohm.

F i. g. 5 zeigt ein Schaubild, wo für die in F i g. 3 gezeigte -Hochfrequenzstreifenleitung die effektive Dielektrizitätskonstante für den Fall aufgetragen ist, daß das Substrat eine Dielektrizitätskonstante von 9,6 und eine Dicke von 0,635 mm hat. Die Figur zeigt ein Ansteigen der effektiven Dielektrizitätskonstante, wenn sich die Überlappung von -5,08 (negative Überlappung oder »Unterlappung«) auf 5,08 mm ändert. Die niedrige effektive Dielektrizitätskonstante für den Fall der sogenannten »Unterlappung« rührt daher, daß ein größerer Energieanteil außerhalb des dielektrischen Materials wandert und sich daher die effektive Dielektrizitätskonstante derjenigen von Luft nähert.

F i g. 6 zeigt eine Leitungsverzweigung 51. Hier ist eine ebene dielektrische Tafel als Substrat 53 vorgesehen, die auf einer großen Fläche 57 eine erste Platte 55 trägt. Auf der entgegengesetzt großen Oberfläche 59 des Substrats 53 befinden sich mehrere ausgerichtete Platten 61,63,65 und 67.

Die erste dieser Platten 61 überlappt die Platte 55 etwas, um mit dieser eine Hochfrequenzleitung mit versetzten Parallelplatten zu bilden, wie sie im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben wurde. Die zweite Platte 63 liegt mit ihrem Rand 69 in dichtem Abstand am Rand 71 der Platte 61, um mit ihr eine Schlitzleitung 72 zu bilden.

Der dem Rand 69 gegenüberliegende Rand 73 der Platte 63 liegt in dichtem Abstand vom Rand 65Λ einer schmalen streifenförmigen Leiterplatte 65. In dichtem Abstand neben dem anderen Rand 65ß der schmalen Platte 65 verläuft der Rand 75 einer breiten Platte 67. Die Kombination aus den Platten 63, 65 und 67 bildet somit eine sogenannte koplanare Hochfrequenzstreifenleitung 82. Ein leitendes Element 82Λ erstreckt sich über dem Substrat 53 und dem leitenden Streifen 65, um eine Verbindung zwischen den Platten 63 und 67 7U schaffen, wodurch diese Platten auf dem gleichen Potential gehalten werden.

Die Platte 63 hat einen fingerartigen schmalen streifenförmigen leitenden Fortsatz 77, der sich im Abstand über der breiten leitenden Platte 55 erstreckt. Der fingerartige Fortsatz 77 bildet mit der breiten leitenden Platte 55 und dem Substrat 53 eine HF-Streifenleitung 76 gemäß F i g. 1.

Die leitenden Platten 61, 63, 65 und 67 sind so ausgerichtet, daß sich der Rand 79 der Platte 61. die Ränder 81 und 81A der Platte 63, der Rand 83 der Platte 65 und der Rand 85 der Platte 67 leicht mit dem nahen Rand 87 der leitenden Platte 55 überlappen. Die Platten 61, 63, 65 und 67 sind gegenüber der Platte 55 so angeordnet, und die Dielektrizitätskonstante und die Dicke des Substrats 53 ist so festgelegt, daß die Kombination der Platten 61.63,65 und 67 und der Platte 55 eine versetzte Hochfrequenzleitung bildet, wie sie im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben wurde.

Beim Betrieb der Leitungsverzweigung 51 kann elektromagnetische Energie in Richtung des Pfeils 74 auf die Leitung 76 gekoppelt werden, die durch den schmalen leitenden Streifen 77 und die Platte 55 gebildet wird. Die elektromagnetischen Wellen können mittels eines Koaxialkabels und eines Flansches eingespeist werden, wobei der Innenleiter mit dem schmalen leitenden Streifen 77 und der an Masse gelegte Außenleiter mit der Platte 55 verbunden wird. Die elektromagnetischen Wellen wandern in Richtung des Pfeils 74 zum Punkt 95, wo sich die Wellenenergie teilt. Elektromagnetische Wellen wandern längs der durch versetzte Parallelplatten gebildeten Hochfrequenzslreifenlcitung in Richtung des Pfeils 93 zum Ende 89 und in Richtung des Pfeils 97 zum Ende 91. Die Auskopplung am Ende 89 des Netzwerks kann dadurch erfolgen, daß ein Leis ter einer symmetrischen Leitung an die Platte 55 und der andere Leiter an die Platte 61 gelegt wird. In ähnlicher Weise kann eine Auskopplung am Ende 91 der Leitungsverzweigung erfolgen, indem ein Leiter einer symmetrischen Leitung an die Platte 55 und der andere

ίο an die Platte 67 gelegt wird.

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Richtung des Pfeils 93 erregt außerdem Wellen vom Schlitzleitungstyp quer zum Schlitz zwischen den Platten 61 und 63. Die elektromagnetischen Wellen, die quer zu diesem Schlitz gekoppelt werden, wandern längs der Schlitzleitung 72 in Richtung des Pfeils % zum Ende 94. Die Auskopplung am Ende 94 kann dann dadurch erfolgen, daß ein Leiter einer symmetrischen Leitung an die Platte 61 und der andere Leiter an die Platte 63 gelegt wird.

Die in Richtung des Pfeils 97 zum Ende 91 wandernden elektromagnetischen Signalwellen erregen ferner Wellen vom Koplanarleitungstyp. Diese Wellenerregung kann durch einen Draht 92 verstärkt werden, der das Ende 83 der Platte 65 durch das Substrat 53 hindurch mit der Platte 55 verbindet. Die in der Koplanarleitung 82 erregten elektromagnetischen Wellen wandern in Richtung des Pfeils 86 zum Ende 84. Eine Auskopplung kann durch einen Koaxialflansch und ein Koaxialkabel erfolgen, wobei der Innenleiter mit der Platte 65 und der Außenleiter mit den Platten 63 und 67 verbunden wird.

In F i g. 7 ist gezeigt, wie sowohl scriengeschaltete als auch parallelgeschaltete verteilte Reaktanzen mit einem oder dem anderen Vorzeichen an der versetzten planparallelen Leitung 100 gebildet werden. Die Hochfrequenzstreifenleilung 100 enthält eine ebene Tafel 103 aus Dielektrikum, deren gegenüberliegende parallelen Flächen große leitende Platten 105 und 107 tragen. Die Platten 105 und 107 sind gegeneinander versetzt und überlappen sich an den Enden 109 und 111, um die Hochfrequenzleitung 100 zu bilden. Ein verteilter Serienkondensator in Schlitzleitungsausführung wird durch die Schlitzstruktur 1113 gebildet, die aus einem schmalen Schlitzleitungsabschniti 115 besteht. der in einer kreisförmigen Ausnehmung 117 endet. Ein paralielgeschalteter Kondensator in Microstrip-Ausführung wird durch den Streifen 119 gebildet, der sich über die Platte 105 erstreckt. Eine Serieninduktivität in Schlitzleitungsausführung wird durch den Schlitz 121 in der Platte 107 gebildet. Eine verteilte Parallelinduktivität wird durch die Kombination einer kreisförmigen leitenden Pfote 123 und eines schmalen Leiters 125 gebildet, der sich ausgehend von der Platte 107 über die Platte 105 erstreckt.

Ein anderer Aufbau einer Hochfrequenzstreifenleitung ist in F i g. 8 gezeigt. Bei dieser Anordnung befinden sich die leitenden Platten 131 und 133 auf verschiedenen Substraten 135 und 137. Die Substrate 135 und 137 sind zueinander parallel, und damit sind die Platten ebenfalls zueinander parallel. Die Platten 131 und 133 werden durch die elektrischen Abstandhalter 139 und 141 in gegenseitigem Abstand gehalten. Ebenso wie in F i g. 3 können die Platten 131 und 133 parallel gestaffeit oder versetzt angeordnet ?,cin. wobei sich die Platten entweder leicht überlappen oder leicht »unterlapnen«.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Hrtchfrequenz-Streifenleitung zum Fortleiten elektromagnetischer Wellen eines Frequenzbereichs, bestehend aus zwei Metallstreifen, die parallel zueinander auf sich gegenüberliegenden Oberflächen eines dielektrischen Substrats angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen den Metallstreifen und die Dielektrizitätskonstante des Substrate so gewählt sind, daß die elektromagnetischen Felder einer auf die Leitung gekoppelten elektromagnetischen Welle im wesentlichen auf das Gebiet zwischen den Metallstreifen begrenzt sind, gekennzeichnet durch eine solche gegenseitige seitliche Versetzung der beiden Metallstreifen (39, 41). daß der zu einer Seite weisende Rand (43) des einen Streifens (39) etwa dem zur entgegengesetzten Seite weisenden Rand (45 oder 45Λ oder 45ß) des anderen Streifens (41) gegenüberliegt und daß mehr als die halbe Breite jedes Streifens auf dem Substrat (33) frei von Überlappung durch den jeweils anderen Streifen ist.

2. Hochfrequenz-Streifenleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jedes Metallstreifens (39, 41) größer ist als die halbe Wellenlänge von Wellen des besagten Frequenzbereichs im Material des Substrats (33).

3. Hochfrequenz-Streifenleitung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (33) wesentlich breiter als jeder der Metallstreifen (39, 41) ist.

4. Hochfrequenz-Streifenleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Metallstreifen (39, 41) an den sich etwa gegenüberliegenden Rändern (43, 45ß) überlappen.

5. Hochfrequenz-Streifenleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite des Substrats (53) von dem Metallstreifen (63) ein schmaler Streifenleiter (77) ausgeht, der über dem zweiten Metallstreifen (55) verläuft.

6. Hochfrequenz-Streifenleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Metallstreifen einen schmalen quer zur Fortpflanzungsrichtung angeordneten Schlitz (72) aufweist, welcher diesen Metallstreifen in zwei breite Teile (61, 63) unterteilt.

7. Hochfrequenz-Streifenleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Metallstreifen zwei dicht nebeneinander laufende, quer zur Fortpflanzungsrichtung angeordnete parallele Schlitze aufweist, die einen schmalen Teil (65) zwischen zwei breiten Teilen (63,67) bilden.