DE2506425C2

DE2506425C2 - Hohlleiter/Microstrip-Übergang

Info

Publication number: DE2506425C2
Application number: DE19752506425
Authority: DE
Inventors: Johannes Hendrik Cornelis Van Heuven; Frans Christiaan de Eindhoven Ronde
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-02-28
Filing date: 1975-02-15
Publication date: 1985-06-20
Also published as: JPS5615606B2; GB1494024A; FR2262868B1; NL7402693A; FR2262868A1; JPS50120753A; DE2506425A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter/Microstrip-Übergang mit einem in einer Symmetrieebene innerhalb des Hohlleiters parallel zu den elektrischen Feldlinien angeordneten, sich in Wellenfortpflanzungsrichtung längserstreckenden gemeinsamen Substrat für einen Microstrip-Leitungs-Abschnitt und einem damit gekoppelten Leitungs-Abschnitt einer symmetrischen Streifenleitung, deren Streifenleiter auf den beiden großflächigen Substratseiten an ihren freien Enden dipolartig in einander entgegengesetzten Richtungen nach gegenüber liegenden Hohlleiterwandungen hin

weggeführt sind.

Eine derartige Mikrowellenanordnung, bei der die symmetrische Leiterstruktur eine halbwegs zwischen den Hohlleiterwandteilen angeordnete Dipolantenne ist ist aus der US-PS 35 18 579 bekannt Die Praxis hat gezeigt, daß die in dieser Patentschrift beschriebene Mikrowellenanordnung ziemlich schmalbandig ist und daß bei Energieübertragung von der Mikrostripleiterstruktur auf die Hohlleiterstruktur eine bedeutende Reflexion auftritt

Aus der DE-OS 21 62 196 ist ein Übergang zwischen einer unsymmetrischen Bandleitung und einem Hohlleiter bekannt Die Bandleitung besteht aus einem Streifen aus dielektrischem Material, auf dessen einer Seite ein schmaler, streifenförmiger Leiter und auf dessen anderer Seite ein großflächiger Masseleiter aufgebracht ist Zur Kopplung des Hohlleiters mit der unsymmetrischen Bandleitung ist das Ende des Masseleiters mit einem Schlitz versehen und sind der Schlitz bzw. der streifenförmige Leiter derart gekrümmt daß sich Schlitz und streifenförmiger Leiter annähernd rechtwinklig überlappen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Hohlleiter/Microstrip-Übergang der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine gute Anpassung zwischen der Microstrip-Leiterstruktur und der Hohlleiterstruktur breitbandig verwirklicht wird, wobei die Energieübertragung in beiden Richtungen optimal ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die mangelhafte Energieübertragung von der Microstrip-Leiterstruktur auf die Hohlleiterstruktur der aus der US-Patentschrift bekannten Mikrowellenanordnung der Tatsache zuzuschreiben ist, daß die Microstripstruktur im Prinzip eine asymmetrische und die Hohlleiterstruktur eine symmetrische Wellenleiterstruktur ist. Infolgedessen wird ohne die erfindungsgemäße Maßnahme 50% der in der Microstripstruktur vorhandenen Energie bei der Übertragung auf die Hohlleiterstruktur zum Übergang Microstrip-Hohlleiter reflektiert.

Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die dipolartig in Richtung auf die Hohlleiterwandungen hin weggeführten Streifenleiter (27, 28) des symmetrischen Leitungsabschnittes bis zum Substratrand reichen und hochfrequenzmäßig mit den angrenzenden Hohlleiterwandungen verbunden sind, wobei die Streifenleiterbreite zu den Enden der Streifenleiter hin stetig zunimmt

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 anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei entsprechende Teile in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Es zeigt

F i g. 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,

F i g. 2 eine Ansicht der Mikrowellenanordnung nach dem in F i g. 1 dargestellten Querschnitt A-A,

F i g. 3 eine Ansicht der Mikrowellenanordnung nach dem in F i g. 1 dargestellten Querschnitt B-B.

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

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

In der Symmetrieebene ist ein Substrat 6 aus zum Beispiel dielektrischem oder gyromagnetischem Material angeordnet, das in montiertem Zustand der Anordnung zwischen den Blöcken 1 und 2 festgeklemmt wird. Insbesondere wird das Substrat 6 zwischen den Rändern 7 und 8 und den Vorsprüngen 9 und 10 eingeklemmt. Die Ränder 7 und 8 bilden in V« bindung mit den Vorsprüngen 9 und 10 Rillen, die sich an der der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Hohlleiters zugewandten Seite durch die Ränder 11, 12, 13 und 14 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 F i g. 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 anhand der in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ansichten der in der Fig. 1 dargestellten Querschnitte A-A und B-B näher erläutert In diesen Figuren sind an den Vorderseiten des Substrats 6 liegende Leitermuster mit durchgezogenen Linien und an der Rückseite liegende Leitermuster durch gestrichelte Linien dargestellt. Weiter sind die Stellen der Ränder 11,12,13 und 14 und die Unter- und Oberwand 19 und 20 des Hohlleiters, die sich alle hinter dem Substrat befinden, durch strichpunktierte Linien dargestellt.

Die Leitermuster enthalten eine an eine<· Seite des Substrats 6 angeordnete, sich zwischen der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Hohlleiters erstreckende leitende Grundplatte 21. Diese Grundplatte 21 bildet zusammen mit dem an der gegenüberliegenden Seite halbwegs zwischen der Unter- und Oberwand !9 und 20 angeordneten streifenförmigen Leiter 22 eine Microstripleiterstruktur. Diese Microstripleiterstruktur erstreckt sich in F i g. 2 weiter nach links und in F i g. 3 weiter nach rechts, wobei der streifenförmige Leiter 22 jede beliebige Form besitzen kann. Hierbei sei bemerkt, daß die Microstripleiterstruktur in der Verlängerung des Hohlleiters liegen kann, oder daß der Hohlleiter nicht in den erwähnten Richtungen verlängert ist und sich die Microstripleiterstruktur außerhalb des Hohlleiters fortsetzt, oder daß die Unter- und Oberwand 19 und 20 mit einem breiten Schlitz versehen sind, durch den sich die Microstripleiterstruktur nach außen erstreckt.

Es stellt sich das Problem, die Microstripleiterstruktur möglichst optimal mit der I'5ohlleiterstruktur zu koppeln.

Erfindungsgemäß wird diese optimale Kopplung dadurch erhalten, daß ein zum Beispiel in diesem Ausführungsbeispiel halbwegs zwischen der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Hohlleiters auf dem Substrat 6 in der Längsrichtung des Hohlleiters angeordneter Bandleiter angeordnet ist der die Leiter 23 und 24 enthält und an einem Ende über einen symmetrisch-asymmetrischen Transformator, der durch die an beiden Seiten des Microstripleiters 22 in der Grundfläche 21 angeordne-

ten Schlitze 25 und 26 und durch die zwischenliegenden Leiterteile 21 und 22 gebildet wird, mit der Microstripleiterstruktur 21 und 22 verbunden ist. Weiter ist am anderen Ende des Bandleiters der Leiter 23 mit Hilfe eines auf dem Substrat angeordneten ersten sich aufweitenden Leiters 27 mit der Unterwand 19 des Hohlleiters und der Leiter 24 über einen zweiten sich aufweitenden Leiter 28 mit der Oberwand des Hohlleiters 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 23,24 nicht zur Unter- und Oberwand des Hohlleiters 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 länger spiegelbildlich.

Die für HF-Energie leitende Verbindung zwischen den Leitern 27 und 28 und der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Hohlleiters 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 Leiterkfimme 29 liegen in montiertem Zustand mit den Zähnen in den Rillen, wobei - durch eine mit Hilfe der Ränder 11,12,13 und 14 erhaltene Aufweitung der Rillen und eine größere Rillentiefe als die Höhe der Zähne — vermieden wird, daß die Leiterkämme 29 mit den Blöcken 1 und 2 galvanisch

kontaktieren. Die Zähne der Leiterkämme 29 bilden -j Transformatoren, die an einer Seite offen sind. Dies bedeutet, daß sie an der Stelle der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Hohlleiters einen Kurzschluß bilden. Dieser Aufbau bewirkt, daß auch bei Abweichungen von der idealen Montageaufstellung des Substrats 6 im Hohlleiter ein guter HF-Kontakt gewährleistet ist.
Es sei bemerkt daß auch andere bauliche Konstruktionen angewandt werden können, wie ein zwischen Unter- und Oberwand eines ungeteilten Hohlleiters geklemmtes Substrat, 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 durch das Anliegen der Leiter 29 an den Wänden der Rillen erhalten werden, obgleich diese Lösungen nicht ideal sind.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist wie folgt: Die

so elektrischen Feldlinien einer im Hohlleiter auftretenden E. M.-Schwingung vom Typ TEio stehen senkrecht auf der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Hohlleiters und liegen somit in der Zeichenebene. Eine derartige Schwingung weist eine maximale Stärke des elektrisehen 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 Fig.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 Hohlleiterbreite weitere Fortpflanzung im Hohlleiter ausschließen, und die Feldlinien drehen sich dabei aus der Zeichenebene heraus, bis sie senkrecht auf der Zeichenebene zwischen den Leitern 23 und 24 stehen. Diese Felder sind dabei durch ihre Richtung nicht mehr mit möglichen Störfeldern im Hohlleiter 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 Transformators auf die des streifenförmigen Leiters 21 herabgesetzt werden, wodurch die charakteristischen Impedanzen beider Leiterstrukturen einander gleich sind. Durch diese Impedanz und Feldstrukturanpassung ist eine optimale Kopplung der Bandleiter- mit der Microstripleiterstruktur 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 Microstripleiterstruktur 21,22 auf den Hohlleiter übertragen werden muß, weil beim Fehlen eines derartigen Transformators die Microstripleiterstruktur 21, 22 nicht einwandfrei abgeschlossen ist, wodurch unerwünschte Reflexionen auftreten.

Die Durchlaßdämpfung und der Reflexionskoeffizient s sind für einen Hohlleiter-Microstripleiterstrukturübergang in Reihe mit einem identischen Mikrostripleiter-Hohlleiter-Strukturübergang 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 ReP.exionskoeffizient s weniger als 1,22 beträgt. In die Durchlaßverluste von 0,5 dB ist auch der Verlust aufgenommen, der im Microstripleiter auftritt, der die beiden erwähnten Obergänge verbindet

Es sei bemerkt, daß auch andere Hohlleiter als rechteckige, wie zum Beispiel runde Hohlleiter angewandt werden können, insofern in diesen Hohlleitern mit denjenigen Arten von Schwingungen gearbeitet wird, deren elektrische Feldlinien zu dem Substrat parallel liegen. Das Substrat 6 vergrößert die Kapazität zwischen der Unter- und Oberwand 19 und 20 des Hohlleiters. Ein Ausgleich dafür kann gefunden werden, wenn die Höhe des Hohlleiters auf der vollen Substratlänge in Abhängigkeit von der Dicke des Substrats und von der dielektrischen Konstante größer gewählt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

eo

Claims

Patentansprüche:

1. Hohlleiter/Microstrip-Übergang mit einem in einer Symmetrieebene innerhalb des Hohlleiters parallel zu den elektrischen Feldlinien angeordneten, sich in Wellenfortpflanzungsrichtung längserstreckenden gemeinsamen Substrat für einen Microstrip-Leitungs-Abschnitt und einem damit gekoppelten Leitungs-Abschnitt einer symmetrischen Streifenleitung, deren Streifenleiter auf den beiden großflächigen Substratseiten an ihren freien Enden dipolartig in einander entgegengesetzten Richtungen nach gegenüber liegenden Hohlleiterwandungen hin weggeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Streifenleitungsabschnitte über eine als Symnietriertransformator wirkende Leiterstruktur miteinander gekoppelt sind, die aus zwei mit gleichem Abstand parallel zum Streifenleiter (22) des Microstrip-Leitungs-Abschnittes verlaufenden Schlitzen (25,26) im Massebelag (21) der Microstrip-Leitung besteht, wobei der zwischen den beiden Schlitzen stehende Massebelag der Microstrip-Leitung in den Belag des einen der beiden Streifenleiter (24) des symmetrischen Streifenleitungsabschnittes übergeht und wobei eine Impedanzanpassung der beiden gekoppelten Streifenleitungsabschnitte durch Leiterverbreiterung der Streifenleiter (23, 24) des symmetrischen Streifenleitungsabschnittes an der Übergangsstelle bewirkt ist

2. Übergang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dipolartig in Richtung auf die Hohlleiterwandungen hin weggeführten Streifenleiter (27, 28) des symmetrischen Leitungsabschnittes bis zum Substratrand reichen und hochfrequenzmäßig mit den angrenzenden Hohlleiterwandungen verbunden sind, wobei die Streifenleiterbreite zu den Enden der Streifenleiter hin stetig zunimmt.

3. Übergang nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (6) zwischen in den Hohlleiterwandungen angeordneten Rillen eingeklemmt ist und die sich auf dem Substrat zu den Hohlleiterwandungen erstreckenden Leiter (27, 28) mit einer eingeschnittenen, kammartigen Leiterstruktur (29) mit einer Tiefe der Einschnitte von ungefähr einem Viertel der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz verlängert sind, daß die eingesägten kammartigen Leiterstrukturen (29) in den Rillen und isoliert von der Hohlleiterwandung angeordnet sind, und daß die hochfrequenzmäßige Verbindung des Massebelages des Microstrip-Leitungs-Abschnittes mit den angrenzenden Hohlleiterwandungen auf die gleiche Weise vorgenommen ist.