DE2506425A1

DE2506425A1 - Mikrowellenanordnung zum anpassen einer wellenrohr- an eine mikrostripleiterstruktur

Info

Publication number: DE2506425A1
Application number: DE19752506425
Authority: DE
Inventors: Johannes Hendrik Cornel Heuven; Frans Christiaan De Ronde
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-02-28
Filing date: 1975-02-15
Publication date: 1975-09-04
Also published as: NL7402693A; JPS50120753A; FR2262868A1; GB1494024A; JPS5615606B2; DE2506425C2; FR2262868B1

Description

PHN

jong/deen/jb

-JT- 28.1 1 .197*1-

, ,io
—· PHN- 7410
A=.K.',:j«-!.j wns; -14. Febr. 1975

"Mikrowellenanordnung zum Anpassen einer Wellenrohr- an eine Mikrostripleiterstruktur".

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenanordnung zum Anpassen einer Wellenrohr - an eine Mikrostripleiterstruktur, mit einem Wellenrohr, einem auf einer Symmetrieebene des Wellenrohrs liegenden, parallel zu den elektrischen Feldlinien und in der Längsrichtung des Wellenrohrs angeordneten Substrat, das einseitig zum grössten Teil mit einer leitenden Grundplatte und an der anderen Seite mit einer der Grundplatte gegenüberliegenden stripförmigen Leiterstruktur, die zusammen mit dem Substrat und der leitenden Grundplatte die Mikrostripleiterstruktur bilden, und weiter an beiden Seiten mit einer mit der

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Mikrostripleiterstruktur gekoppelten symmetrischen Leiterstruktur verseilen ist.

Eine derartige Mikrowellenanordnung, bei der die symmetrische Leiterstruktur eine halbwegs zwischen den ¥ellenrohrwandteilen angeordnete Dipolantenne ist, ist aus der U.S. Patentschrift 3 518 579 bekannt. Die Praxis hat gezeigt, dass die in dieser Patentschrift beschriebene Mikrowellenanordnung ziemlich schmalbandig ist und dass bei Energieübertragung von der Mikrostripleiterstruktur auf die Wellenrohrstruktur eine bedeutende Reflexion auftritt.

Die Erfindung hat die Aufgabe, obige Nachteile zu beseitigen und eine breitbandige Mikrowellenanordnung der eingangs erwähnten Art zu verwirklichen, wobei die Energieübertragung in beiden Richtungen optimal ist.

Die erfindungsgemässe Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Leiterstruktur über einen symmetrisch-asymmetrischen Transformator mit der Mikrostripleiterstruktur gekoppelt ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die mangelhafte Energieübertragung von der Mikrostripleiterstruktur auf die Wellenrohrstruktur der aus der U.S. Patentschrift bekannten Mikrowellenanordnung der Tatsache zuzuschreiben ist, dass die Mikrostripstruktur im Prinzip eine asymmetrische und die Wellenrohrstruktur eine

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symmetrische Wellenleiterstruktur ist. Infolgedessen wird ohne die erfindungsgemässe Massnahme 50$ der in der Mikrostripstruktur vorhandenen Energie bei der Übertragung auf die Wellenrohrstruktur zum Übergang Mikrostrip-Wellenrohr reflektiert.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Leiterstruktur einen Bandleiter enthält, der im wesentlichen in der Längsrichtung des Wellenrohrs angeordnet, an einem Ende mit dem symmetrisch-asymmetrischen Transformator verbunden ist, und wobei am anderen Ende einer der Leiter des Bandleiters über einen sich allmählich aufweitenden ersten Leiter mit einem Wellenrohrwandteil und der andere Leiter über einen zweiten sich allmählich aufweitenden Leiter mit einem gegenüber dem ersten Wellenrohr wandteil liegenden zweiten Wellenrohrwandteil gekoppelt ist.

Der Vorteil dabei ist, dass durch die erwähnten sich aufweitenden Leiter eine allmähliche Feldverdrehung und Anpassung erhalten wird, was eine grosse: Bandbreite zur Folge hat und wodurch eine weniger kritische Bemessung bzw.. Positionierung erhalten wird, so dass die Anordnung leicht reproduzierbar ist.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden an Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher

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erläutert, wobei entsprechende Teile in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemässen Mikrowellenanordnung, wobei der Deutlichkeit der Zeichnung halber die verschiedenen Einzelteile, aus denen die Anordnung zusammengesetzt ist, getrennt dargestellt sind,

Fig. 2 eine Ansicht der Mikrowellenanordnung nach dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt A-A,

Fig. 3 eine Ansicht der Mikrowellenanordnung nach dem in Fig. 1 dargestellten Querschnitt B-B.

Die in Fig. 1 dargestellte Mikrowellenanordnung enthält einen rechteckigen Wellenleiter, die durch Fräsen aus zwei Blöcken leitenden Materials 1 und 2 erhalten worden ist. Die in der Fig. 1 sichtbaren Flächen dieser Blöcke 1 und 2, die die Wände des Wellenrohrs bilden, sind mit 3» 4 und 5 bezeichnet.

Die Trennfläche zwischen den Blöcken 1 und 2 wird durch eine Symmetrieebene des Wellenrohrs gebildet, die zu den elektrischen Feldlinien und der Längsachse des Wellenrohrs parallel verläuft.

In der Symmetrieebene ist ein Substrat 6 aus zum Beispiel dielektrischem oder gyromagnetischem Material angeordnet, das in montiertem Zustand der Anordnung zwischen

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den Blöcken 1 und 2 festgeklemmt wird. Insbesondere wird das Substrat 6 zwischen die Ränder 7 und 8 und die Vorsprünge 9 und 10 eingeklemmt. Die Ränder 7 und 8 bilden in Verbindung mit den Vorsprüngen 9 und 10 Rillen, die sich an der der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Wellenrohrs zugewandten Seite durch die Ränder 11, 12, 13 und sprunghaft aufweiten und an der gegenüberliegenden Seite durch die Vorsprünge 15 und 16, die in die Ränder 17 und 18 passen, in montiertem Zustand abgeschlossen sind.

Zur Erläuterung der gegenseitigen Lagen, die

die Blöcke 1 und 2 und das Substrat 6 in montiertem Zustand in bezug aufeinander einnehmen, sind in der Fig. 1 mehrere gestrichelte Linien gezogen, an denen entlang die Teile beim Montieren der Anordnung aufeinander zugeschoben werden müssen.

Das Substrat 6 ist an beiden Seitenflächen mit einem Leitermuster versehen, welche beiden Muster durch Aufdampfen von Metall oder durch Abätzen ursprünglich die beiden Seitenflächen völlig bedeckender Metallschichten erhalten werden. Diese Leitermuster werden an Hand der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ansichten der in der Fig. 1 dargestellten Querschnitten A-A und B-B näher erläutert.' In diesen Figuren sind an den Vorderseiten des Substrats 6 liegenden Leitermuster mit durchgezogenen Linien und an der Rückseite liegende Leitermuster durch gestrichelte

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Linien dargestellt. Weiter sind die Stellen der Ränder 11, 12, 13 und 14 und die Unter- und Oberwand 19 und 20 des Wellenrohrs, die sich, alle hinter dem Substrat befinden, durch stichpunktierte Linien dargestellt.

Die Leitermuster enthalten eine an einer Seite des Substrats 6 angeordnete, sich zwischen der Unter- und Oberwand 19 und 20 des ¥ellenrohrs erstreckende leitende Grundplatte 21. Diese Grundplatte 21 bildet zusammen mit dem an der gegenüberliegenden Seite halbwegs- zwischen der Unter- und Oberwand 19 und 20 angeordneten stripförmigen Leiter 22 eine Mikrostripleiterstruktur. Diese Mikrostripleiterstruktur erstreckt sich in Fig. 2 weiter nach links und in Fig. 3 weiter nach rechts, wobei der stripförmige Leiter 22 jede beliebige Form besitzen kann. Hierbei sei bemerkt, dass die Mikrostripleiterstruktur in der Verlängerung des Wellenrohrs liegen kann, oder dass das
Wellenrohr nicht in den erwähnten Richtungen verlängert
ist und sich die Mikrostripleiterstruktur ausserhalb des Wellenrohrs fortsetzt, oder dass die Unter- und Oberwand 19 und 20 mit einem breiten Schlitz versehen sind, wodurch sich die Mikrostripleiterstruktur nach aussen erstreckt.

Es stellt sich das Problem, die Mikrostripleiterstruktur möglichst optimal mit der Wellenrohrstruktur zu koppeln.

Erfindungsgemäss wird diese optimale Kopplung

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dadurch erhalten, dass ein zum Beispiel in diesem Ausführungsbeispiel halfwegs zwischen der Unter- und Oberwand 10 und 20 des Wellenrohrs auf dem Substrat 6 in der Längsrichtung des Wellenrohrs angeordneter Bandleiter angeordnet ist, der die Leiter 23 und Zh enthält und an einem Ende
über einen symmetrisch - asymmetrischen Transformator, der durch die an beiden Seiten des Mxkrostriplexters 22 in der Grundfläche 21 angeordneten Schlitzen 25 und 26 und durch
die zwischenllegenden Leiterteile 21 und 22 gebildet wird, mit der Mikrostripleiterstruktur 21 und 22 verbunden ist.
Weiter ist am anderen Ende des Bandleiters der Leiter 23
mit ilfe eines auf dem Substrat angeordneten ersten sich
aufweitenden Leiters 27 mit der Unterwand 1h des Wellenrohrs und der Leiter Zh über"einen zweiten sich aufweitenden Leiter 28 mit der Oberwand des Wellenrohrs für HF-Energie leitend verbunden, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Leiter 27 und 28 in bezug auf die Mittellinie
des Bandleiters spiegelbildlich sind. Hierbei sei bemerkt, dass der Bandleiter 23, Zh nicht zur Unter- und Oberwand
des Wellenrohrs parallel zu laufen braucht und in jedem
beliebigen Abstand von diesen Wänden liegen kann. Bei
einer Lage des Bandleiters, die von der in den Figuren dargestellten Lage abweicht, muss auch die Form der sich aufweitenden Leiter 27 und 28 angepasst werden und sie sind
einander dabei nicht langer spiegelbildlich.

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Die für HF-Energie leitende Verbindung zwischen den Leitern 27 und 28 und die Unter- und Oberwand 19 und des Wellenrohrs ist mit Hilfe eines Rechteckzahn-kammes verwirklicht. Es sind also zahnförmige Leiterkämme 29, deren
Zahnhöhe ungefähr ein Viertel der Wellenlänge der Arbeitsfrequenz der Anordnung beträgt. Diese zahnförmigen Leiterkämme 29 liegen in montiertem Zustand mit den Zähnen in den Nuten, wobei eine mit Hilfe der Ränder 11, 12, 13 und 14
erhaltene Aufweitung der Nuten und eine grössere Nutentiefe als die Höhe der Zähne vermieden wird, so dass die Leiterkämme 29 mit den Blöcken 1 und 2 gut galvanisch kontaktieren, Die Zähne der Leiterkämme 29 bilden Transformatoren, die an einer Seite offen sind. Dies bedeutet, dass sie an der
Stelle der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Wellenrohrs
einen Kurzschluss bilden. Dieser Aufbau bewirkt, dass auch Abweichungen von der idealen Montageaufstellung des
Substrats 6 im Wellenrohr ein guter HP-Kontakt gewährleistet ist.

Es sei bemerkt, dass auch andere bauliche Konstruktionen angewandt werden können, wie ein zwischen Unter- und Oberwand eines ungeteilten Wellenrohrs geklemmtes
Substz'at, wobei die erwähnten leitenden Verbindungen durch Löten erhalten werden, oder dass die Ränder 11, 12, 13 und 14 fortgelassen werden und eine ungezahnte Leiterkonfiguration 29 angewandt wird, wobei die leitenden Verbindungen

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durch, das Anliegen der Leiterkämme 29 an den !fänden der
Nuten erhalten werden, obgleich diese Lösungen nicht ideal sind.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist wie folgt:
Die elektrischen Feldlinien einer im Wellenrohr auftretenden E.M.-Schwingung vom Typ TE₁₀ stehen senkrecht auf der
Unter- und Oberwand 19 und 20 des Wellenrohrs und liegen
somit in der Zeichenebene. Eine derartige Schwingung weist eine maximale Stärke des elektrischen Feldes an der Stelle des Substrats auf, so dass dieses Feld stark mit den Leitern 27 und 28 gekoppelt ist. Bei einer nach den in den Figuren 2 und 3 durch eine Pfeilspitze 30 angegebenen Fortpflanzungsrichtung der Schwingung verlagern sich die Feldlinien auf den Rändern der Leiter 27 und 28 zu den Leitern 23 und 24 dadurch, dass diese Leiter durch Halbierung der Wellenrohrbreite weitere Fortpflanzung im Wellenrohr ausschliessen, und die Feldlinien drehen sich dabei aus der Zeichenebene heraus, bis sie senkrecht auf der Zeichenebene zwischen den Leitern 23 und Zk stehen. Diese Felder sind dabei durch, ihre Richtung nicht mehr mit möglichen Störfeldern im
Wellenrohr gekoppelt. Die Feldstruktur dieser symmetrischen Leiterstruktur 23 und 24 wird in die Feldstruktur der
asymmetrischen Leiterstruktur 21, 22 mit Hilfe des Transformators 25, 26, 21, 22 umgewandelt. Hierzu muss gleichfalls die Breite des Leiters 23 an der Stelle des Trans-

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formators auf die des stripförmigen Leiters 21 Herabgesetzt werden, wodurch die charakteristischen Impedanzen bei der Leiterstrukturen einander gleich sind. Durch diese Impedanz· und Feldstrukturanpassung ist eine optimale Kopplung der Bandleiter- mit der Mikrostripleiterstruktur erhalten, die sehr wenig Reflexionen in einem breiten Frequenzbereich aufweist, was unter anderem eine Folge davon ist, dass.der Transformator in bezug auf die charakteristische Impedanz der beiden, erwähnten Leiterstrukturen eine hohe Impedanz besitzt. Das Anwenden des symmetrisch-asymmetrischen Transformators ist besonders dann wichtig, wenn HF-Energie der Mikrostripleiterstruktur 21, 22 auf das Wellenrohr übertragen werden muss, weil beim Fehlen eines derartigen Transformators die Mikrostripleiterstruktur 21, 22 nicht einwandfrei abgeschossen ist, wodurch unerwünschte Reflexionen auftreten.

Die Durchiassdämpfung und der Reflektionskoeffizient s sind für einen Wellenrohrmikrostripleiterstrukturübergang in Reihe mit einem identischen Mikrostripleiterwellenrohrstrukturübergang als Funktion der Frequenz gemessen. Daraus wurde ermittelt, dass die Durchlassdämpfung im ganzen Frequenzbereich von 17» 5 Ghz ... 25 Ghz kleiner ist als 0,5 dB und dass der Reflexionskoeffizient s weniger als 1,22 beträgt. In die Durchlassverluste von 0,5 dB ist auch der Verlust aufgenommen, der im Mikro-

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stripleiter auftritt, der die beiden erwähnten Übergänge verbindet.

Es sei bemerkt, dass auch andere Wellenrohre als rechteckige, wie zum Beispiel runde ¥ellenrohre angewandt werden können, insofern in diesen Rohren mit denjenigen Arten von Schwingungen gearbeitet wird, deren elektrische Feldlinien zu dem Substrat parallel liegen. Das Substrat b vergrössert die Kapazität zwischen der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Wellenrohrs. Ein Ausgleich dafür kann gefunden werden, wenn die Höhe des Wellenrohrs auf der vollen Substratlänge in Abhängigkeit von der Dicke des Substrats und von der dielektrischen Konstante grosser gewählt wird.

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Claims

PHN.7^10

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PATENTANSPRÜCHE:

Mikrowellenanordnung zum Anpassen eines Wellenrohrs an eine Mikrostriplexterstruktur, mit einem Wellenrohr, einem auf einer Symmetrieebene des Wel'lenrohrs liegenden, parallel zu den elektrischen Feldlinien und in der Längsrichtung des Wellenrohrs angeordneten Substrat, das an einer Seite zum grössten Teil mit einer leitenden Grundplatte und an der anderen Seite mit einer gegenüber der Grundplatte liegenden stripförmigen Leiterstruktur, die zusammen mit dem Substrat und der leitenden Grundplatte die Mikrostriplexterstruktur bildet, und an beiden Seiten mit einer mit der Mikrostriplexterstruktur gekoppelten symmetrischen Leiterstruktur versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Leiterstruktur über einen symmetrisch-asymmetrischen Transformator mit der Mikrostriplexterstruktur gekoppelt ist.
2. Mikrowellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrische Leiterstruktur einen Bandleiter enthält, der im wesentlichen in der Längsrichtung des Wellenrohrs angeordnet ist und an einem Ende mit dem symmetrisch-asymmetrischen Transformator verbunden ist,

und wobei am anderen Ende einer der Leiter des Bandleiters über einen sich allmählich aufweitenden ersten Leiter mit einem einzigen Wellenrohrwandteil und der andere Leiter über einen sich allmählich aufweitenden zweiten Leiter mit

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einem gegenüber dem ersten Wellenrohrwandteil liegenden zweiten Wellenrohrwandteil gekoppelt ist.
3. Mikrowellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat zwischen in den Wellenrohr wand teilen angeordnete Nuten eingeklemmt ist und die sich auf dem Substrat zu den Wandteilen des Wellenrohrs erstreckenden Leiter mit einer eingesägten kammartigen Leiterstruktur mit einer Tiefe der Sägeschnitte von ungefähr Λ/h auf der Betriebsfrequenz verlängert sind, wobei die eingesägte kammartige Leitez^strukturen in den Nuten und isoliert von den Wandteilen angeordnet sind. h. Mikrowellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der symmetrisch-asymmetrische Transformator durch zwei zum stripförmigen Leiter parallel und beiseitig des stripförmigen Leiters vom Rand der Grundfläche ab in dieser Grundfläche liegenden Nuten mit einer Länge von ungefähr 1/4 auf der Arbeitsfrequenz gebildet wird und wobei sich die Breite der stripförmigen Leiterstruktur beim Übergang auf die symmetrische Leiterstruktur derart.vergrössert, dass die Impedanzen beider Leiterstrukturen einander gleich sind.

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