DE2362368C3 - Übertragungsleitung fur elektromagnetische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Übertragungsleitung für elektromagnetische Energie mit einem Substrat aus einem Dielektrikum vorgegebener Dielektrizitätskonstante, auf dessen einer Oberfläche drei koplanare Streifenleiter jeweils vorbestimmter Breite derart angeordnet sind, daß zwischen dem einen Rand des ersten Streifenleiters und dem benachbarten Rand des zweiten Streifenleiters ein erster vorgegebener Zwischenraum liegt und daß zwischen dem anderen, gegenüberliegenden Rand des ersten Streifenleiters und dem benachbarten Rand des dritten Streifenleiters ein zweiter vorgegebener Zwischenraum liegt.

Viele bekannte Mikrowellenleitungen zur Fortleitung elektromagnetischer Energie in integrierten Mikrowellenschaltungen werden durch einen streifenförmigen Leiter auf der Oberseite eines dielektrischen Substrats und einen ebenen Masseleiter auf der Unterseite dieses Substrats gebildet. Mit dieser Anordnung wird die Mikrowellenenergie im wesentlichen innerhalb des dielektrischen Substrats geführt und vom Eingang :cum Ausgang übertragen. Es gibt auch Mikrowellenschaltungen, bei denen sich jeweils benachbarte koplanare streifenförmige Leiter auf der Oberseite des dielektrischen Substrats befinden. Die Übertragungseigenschaften solcher Schaltungen hängen von der Verteilung der elektrischen Felder der Mikrowellen zwischen den leitenden Flächen auf beiden Seiten des Substrats ab.

In gewissen Fällen ist es weder zweckmäßig noch möglich, eine Übertragungsleitung zu verwenden, bei welcher sich an der Unterseite eines dielektrischen Substrats ein ebener Masseleiter und an der Oberseite des Substrats ein oder zwei koplanare streifenförmige Leiter befinden. Aus der deutschen Auslegeschrift 19 64 670 und der US-Patentschrift 35 60 893 ist die Verwendung einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der sich drei koplanare und parallele streifenförmige Leiter auf der Oberseite eines dielektrischen Substrats befinden. Die Mikrowellenenergie pflanzt sich hier längs der Dreileiteranordnung in einem Ausbreitungsmodus fort, bei welchem das elektrische Feld der zugeführten Mikrowellenenergie zwischen dem Mittelleiter und den beiden auf Massepotential gehaltenen Außenleitern liegt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, längs einer Dreileiteranordnung der eingangs beschriebenen gattungsgemäßen Art elektromagnetische Energie in zwei Ausbreitungsmoden zu übertragen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dicke des dielektrischen Substrats mehr als viermal so groß ist wie der Abstand von der Mittellinie des ersten Streifenleiters zum nächstliegenden Rand des zweiten Streifenleiters und der zweite Streifenleiter gegenüber dem ersten Streifenleiter auf einem ersten HF-Potential liegt und der dritte Streifenleiter gegenüber dem ersten Streifenleiter auf einem zweiten HF-Potential liegt, welches sich vom HF-Potential des zweiten Streifenleiters unterscheidet, und daß das dielektrische Substrat und die drei Streifenleiter elektrische Felder der elektromagnetischen Energie im wesentlichen auf Gebiete innerhalb des Substrats begrenzen, die sich bei einem ersten Übertragungsmodus zwischen dem ersten und zweiten Streifenleiter und dem ersten und dritten Streifenleiter und bei einem zweiten Übertragungsmodus zwischen dem zweiten und dritten Streifenleiter erstrecken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt perspektivisch eine gemäß der Erfindung ausgebildete Übertragungsleitung;

Fig.2 zeigt in einer graphischen Darstellung den Wellenwiderstand der in F i g. 1 dargestellten Leitung für den ersten Übertragungsmodus als Funktion des Verhältnisses der Leitungsabmessungen a\/t>2, der Dielektrizitätskonstante des Substrats sowie des Verhältnisses der Leitungsabmessungen c\ - b\/2a\;

Fig.3 zeigt in einer graphischen Darstellung das Verhältnis des Wellenwiderstands für den zweiten Übertragunsmodus zum Wellenwiderstand für den ersten Übertragungsmodus als Funktion des Verhältnisses der Leitungsabmessungen a\/b\, der Dielektrizitätskonstante des Substrats und des Verhältnisses der Leitungsabmessungen c\ - b\l2a\.

Die F i g. 1 zeigt perspektivisch eine Übertragungsleitung 40, die durch drei koplanare Streifenleiter 21, 25 und 27 auf der Oberseite 35 eines dielektrischer Substrats 23 gebildet ist. Zwischen dem mittlerer Streifenleiter 21 und den beiden äußeren Streifenleiterr 25 und 27 befindet sich jeweils ein Zwischenraun vorgegebener Breite. Der erste äußere Streifenleiter 2i verläuft in geringem Abstand und parallel zu dem ii gleicher Ebene liegenden mittleren Streifenleiter 21 Der zweite äußere Streifenleiter 27 verläuft ebenfalls ii geringern Abstand und parallel zu dem koplanarei mittleren Streifenleiter 211, jedoch auf der dem erstei äußeren Leiter 25 entgegengesetzen Seite des mittlerei Leiters 21. Die mit den drei koplanaren Streifenleiter; 21, 25 und 2? belegte Oberseite 35 des dielektrische Substrats 23 i.st gegenüber dem freien Raum offen, wi

es in F i g. 2 erkennbar ist. Die beiden Außenleiter 25 und 27 liegen auf unterschiedlichem HF-Potential, wie es für verschiedene Anordnungen im einzelnen noch beschrieben wird.

Wenn aus einer (nicht dargestellten) Quelle elektromagnetische Energie in die Leitung 40 gekoppelt wird, dann ergibt sich eine elektrische Feldverteüung, wie sie mit den gestrichelten Feldlinien 29 dargestellt 'ist Die elektromagnetische Energie läßt sich längs der Übertragungsleitung 40 in einem ersten Modus übertragen, bei welchem die elektrischen Feldlinien 29 auf die Gebiete zwischen dem mittleren Streifenleiter 21 und den äußeren Streifenieitern 25 und 27 über die gesamte Länge der Leitung verteilt sind, weil zwischen dem mittleren Leiter 21 und den äußeren Leitern 25 und 27 eine HF-Potentialdifferenz besteht. Die Übertragung der elektrischen Energie längs der Leitung 40 kann jedoch auch in einem zweiten Modus erfolgen, bei welchem die elektrischen Feldlinien 29 nur von einem Außenleiter zum anderen Außenleiter laufen. Man kann bestimmte Bedingungen schaffen, unter denen es möglich wird, elektromagnetische Energie gleichzeitig sowohl nach dem ersten als auch nach dem zweiten Übertragungsmodus durch die Leitung zu übertragen. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die Ausdrücke »erster« und »zweiter« Übertragungsmodus in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen zur Vereinfachung sowohl die verschiedenen Anordnungen als auch die verschiedenen Betriebsarten der erfindungsgemäßen Übertragungsleitung 40 kennzeichnen sollen.

Ein Teil des elektrischen Feldes 29 verläuft tangential zur Luft-Dielektrikum-Grenze an der Oberfläche 35 des Substrats und ruft an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Substrat 23 und dem freien Raum eine Diskontinuierlichkeit oder Unstetigkeitsstelle der Verschiebungsstromdichte hervor. Diese Unstetigkeitsstelle des Verschiebungsstroms an der Oberfläche 35 des Dielektrikums erzeugt eine axiale Komponente, des mit den gestrichelten Linien 31 dargestellten Magnetfeldes, v/elches mit dem elektrischen Feld 29 verkettet ist. Ein Teil der axialen Komponente des Magnetfeldes 31 an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Substrat 23 und dem freien Raum auf der Oberfläche 35 weist in die Fortpflanzungsrichtung der Energie, wenn der Abstand j zwischen den Außenleitern 25 und 27 klein ist im Vergleich zur Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz. Unter diesen Bedingungen verlaufen die magnetischen Feldlinien 31 längs der beiden Seiten des Mittelleiters 21 und am Ende unter dem Mittelleiter hindurch, so daß ein geschlossener Magnetfluß entsteht, von dem ein Teil in der Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Energie verläuft. Die Stärke des an der Luft-Dielektrikum-Grenze vorhandenen Magnetfeldes 31 ist auf den verschiedenen Seiten des Mittelleiters 21 nicht jeweils die gleiche. Wenn man die magnetischen Feldlinien 31 durch magnetische Feldvektoren darstellen würde, dann lägen diese Vektoren an der Luft-Dielektrikum-Grenze auf der Oberseite des dielektrischen Substrats 23 zwischen dem Mittelleiter 21 und den Außenleitern 25 und 27. Die Vektoren hätten solchen Betrag und solche Richtung, daß an der Oberseite des dielektrischen Substrats 23 zwischen dem Mittelleiter 21 und den Außenleitern 25 die Bedingung für eine Zirkularpolarisation erfüllt wäre. Die Richtung bzw. der Sinn der Zirkularpolarisation (Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn) wäre bei Betrachtung von entgegengesetzten Seiten des Mittelleiters 21 aus die gleiche.

Wenn der Abstand d zwischen den Außenleitern 25 und 27 größer ist als eine Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz, dann wird durch die axiale Komponente der magnetischen Feldlinien 31 ein geschlossener Kreis um den Mittelleiter 21 herum gebildet. Unter dieser Bedingung liegt der sich um den Mittelleiter 21 schließende Kreis von magnetischen Feldlinien 31 quer zur Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Energie.

Im folgenden bedeutet eine Größe Zoe den Wellenwiderstand der Übertragungsleitung 40 für den Fall, daL· elektromagnetische Energie im ersten Modus übertra gen wird, d. h. für den Fall, daß sich elektrische Feldlinien 29 zwischen dem mittleren Streifenleiter 21 und den äußeren Streifenleitern 25 und 27 erstrecken. Dieser Wellenwiderstand werde als »gerader Wellenwiderstand« bezeichnet. Die Größe Zoe\ sei ein gerader Wellenwiderstand, dessen Betrag von der Stärke des elektrischen Feldes zwischen dem Mittelleiter 21 und dem Außenleiter 27 abhängt. Die Größe Zoa sei ein gerader Wellenwiderstand, dessen Größe von der Intensität des elektrischen Feldes zwischen dem Mittelleiter 21 und dem Außenleiter 25 abhängt. Die F i g. 2 zeigt schaubildlich den auf die relative Dielektrizitätskonstante ε_Γ des dielektrischen Substrats 23 bezogenen geraden Wellenwiderstand Zoe abhängig vom Quotienten a\lb\. Gemäß Fig. 2 ist die Größe ;ii der Abstand von der Mittellinie des Mittelleiters 21 zum Rand des Mittelleiters 21. Die Größe i>i ist der Abstand von der Mittellinie des Mittelleiters 21 zum nächstliegenden Rand des Außenleiters 25. Die Größe c\ ist der Abstand von der Mittellinie des Mittelleiters 21 zum entfernt liegenden Rand des Außenleiters 25. Unter der Voraussetzung, daß die Abmessungen der die Übertragungsleitung 40 bildenden Streifenleiter 21, 25 und 27 sowie die Dielektrizitätskonstante e_r bekannt sind, kann die graphische Darstellung nach F i g. 2 dazu dienen, den geraden Wellenwiderstand Zoe für den Fall zu bestimmen, daß die Leitung 40 symmetrisch isi (Zorn = Zoei) und daß die Dicke t des Substrats größer ist als 4bi. Das heißt, die graphische Darstellung nach F i g. 3 gilt für den Fall, daß die in F i g. 2 dargestellten Maße öi und c\, welche die Breite des Außenleiters 25 und den Spalt zwischen dem Mittelleiter 21 und dem Außenleiter 25 bestimmen, entsprechen auch den Maßen für die Breite des Außenleiters 27 und des Spalts zwischen dem Mittelleiter 21 und dem Außenleiter 27. Der Betrag des geraden Wellenwiderstands ist unabhängig von der Dicke f des dielektrischen Substiats 23, wenn diese Dicke größer ist als 4O₁.

Mit Zoo sei im folgenden der Wellenwiderstand der Leitung 40 für den Fall bezeichnet, daß die elektromagnetische Energie nach dem zweiten Modus übertragen wird, d. h., daß sich die elektrischen Feldlinien 29 nur zwischen den Außenleitern 25 und 27 erstrecken. Dieser Wellenwiderstand wird im folgenden »ungerader Wellenwiderstand« genannt.

In dem Schaubild nach F i g. 3 ist das Verhältnis des geraden Wellenwiderstands zum ungeraden Wellenwiderstand Zoo /Zoe über dem Quotienten der Abmessungen a\lb\ (vgl. Fig. 2) aufgetragen. Mit dem Schaubild nach F i g. 3 kann der ungerade Wellenwiderstand Zoo bestimmt werden, wenn man den geraden Wellenwiderstand 2 and die Maße der die Übertragungsleitung 40 bile. Jen Strei^f""'eiter 21, 25 und 27 kennt, und eine symmetrische Üi -rtragungsleitung 40 (Zoe\ =Zoß) zugrunde legt. Wie oben erläutert, ist die Leitung 40 dann symmetrisch, wenn die Abmessungen

b\ und ei, welche gemäß Fig.2 die Breite des Außenleiters 25 und den Spalt zwischen dem Mittelleiter 21 und dem Außenleiter 25 bestimmen, auch den Maßen für die Breite des Außenleiters 27 und des Spalts zwischen dem Mittelleiter 21 und dem Außenleiter 27 entsprechen. Die Größe des ungeraden Wellenwiderstands ist unabhängig von der Dicke t des dielektrischen Substrats 23 (Fig. 1), wenn diese Dicke größer ist als 401.

Die F i g. 2 und 3 zeigen, daß sich der gerade und der ungerade Wellenwiderstand der in Fig. 1 gezeigten Übertragungsleitung 40 als Funktion des Verhältnisses a\lb\ ändern, wenn bei der Leitung 40 die Breite des Außenleiters in einem bestimmten Verhältnis zur Breite des Mittelleiters (c\-b\l2a\) steht. Eine Leitung zur Übertragung elektromagnetischer Energie, die aus drei auf der Oberseite eines dielektrischen Substrats angeordneten Streifenleitern besteht, erlaubt den Bau passiver Schaltungen, die für einen verbesserten Betrieb die Festlegung eines geraden und eines ungeraden Wellenwiderstands erfordern. Die hier beschriebene Leitungskonfiguration macht es möglich, aktive Bauelemente zwischen dem Mittelleiter 21 und den Außenleitern 25 und 27 auf einfache Weise anzuschließen, und erlaubt auch einen ähnlichen Anschluß anderer passiver Schaltungselemente.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Übertragungsleitung für elektromagnetische Energie mit einem Substrat aus einem Dielektrikum ί vorgegebener Dielektrizitätskonstante, auf dessen einer Oberfläche drei koplanare Streifenleiter jeweils vorbestimmter Breite derart angeordnet sind, daß zwischen dem einen Rand des ersten Streifenleiters und dem benachbarten Rand des zweiten Streifenleiters ein erster vorgegebener Zwischenraum liegt und daß zwischen dem anderen, gegenüberliegenden Rand des ersten Streifenleiters und dem benachbarten Rand des dritten Streifenleiters ein zweiter vorgegebener Zwischenraum liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (t) des dielektrischen Substrats (23) mehr als viermal so groß ist wie der Abstand (b) von der Mittellinie des ersten Streifenleiters (21) zum nächstliegenden Rand des zweiiten Streifenleiters (25) und der zweite Streifenleiter (25) gegenüber dem ersten Streifenleiter (21) auf einem ersten HF-Potential liegt und der dritte Streifenleiter (27) gegenüber dem ersten Streifenleiter (21) auf einem zweiten HF-Potential liegt, welches sich vom HF-Potential des zweiten Streifenleiters (25) unterscheidet, und daß das dielektrische Substrat (23) und die drei Streifenleiter elektrische Felder der elektromagnetischen Energie im wesentlichen auf Gebiete innerhalb des Substrats begrenzen, die sich bei einem ersten Übertragungsmodus zwischen dem ersten und zweiten Streifenleiter und dem ersten und dritten Streifenleiter und bei einem zweiten Übertragungsmodus zwischen dem zweiten und dritten Streifenleiter erstrecken.

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