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übergang von einem Hohlleiter auf
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eine Schlitz- oder Flossenleitung Die Erfindung betrifft einen Übergang
von einem Hohlleiter auf eine Schlitz- oder Flossenleitung in Form einer gestuft
ten Erweiterung der Schlitz- oder Flossenleiterbreite, wobei das Substrat, auf dem
die Schlitz- oder Flossenleitung mit dem gestuften übergang angeordnet ist, parallel
zur E-Ebene im Hohlleiter aufgestellt ist und die Schlitz- oder Flossenleitung sich
in Ausbreitungsrichtung des Hohlleiters fortsetzt, und wobei die metallisierte Fläche
auf dem Substrat mit dem Hohlleiter mindestens für HF-Energie leitend verbunden
ist.
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Beim Übergang von einem Hohlleiter auf eine Schlitz- oder Flossenleitung
muß für eine möglichst reflexionsfreie Anpassung zwischen diesen beiden unterschiedlichen
Leitungstypen gesorgt werden. Aus "Paul.J. Meier: Printed-Circuit balanced mixer
for the 4- and 5-mm bands, IEEE 1979 MTT Symposium, pp 84, 85" ist ein getaperter
übergang auf eine Flossenleitung (Fin-line) bekannt. Die Flossenleitung und der
davor gesetzte Taper befinden sich auf einem Substrat,
das in den
Hohlleiter hineinragt. Dabei steht das Substrat parallel zum E-Feld des Hohlleiters
und verläuft in Richtung der Hohlleiterlängsachse. Es ist bekannt, daß derartige
Taper eine umso breitbandigere Anpassung bewirken je allmählicher der übergang vom
breiten auf den schmalen Querschnitt erfolgt. Dies bringt eine sehr große Baulänge
des übergangs mit sich, was aber gerade unerwünscht ist im Hinblick auf eine große
Integrationsdichte planarer Strukturen auf einem Substrat. An der Substratkante,
die in den Hohlleiter hineinweist, tritt eine störende Reflexion der Hohlleiterwelle
auf, deren Stärke mit der Dicke des Substrats und mit wachsender Dielektrizitätskonstante
E r zunimmt. Mit einem Taper kann aber keine rückläufige Welle erzeugt werden, die
die an der Kante reflektierte Welle kompensiert. Der getaperte übergang mit der
anschließenden Flossenleitung ist daher, wie aus der qben erwähnten Schrift hervorgeht,
auf einem sehr dünnen (d 0,12 mm) Substrat mit geringem #r (#r =2,35) aufgebracht,
um die Reflexion an der Substratkante möglichst gering zu halten. Für eine hohe
Integrationsdichte von planaren Schaltungsteilen auf dem Substrat ist dagegen ein
Material mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante (£ r > 10) gefordert. Um
hierbei die nötige mechanische Festigkeit zu gewährleisten, ist ein dickeres Substrat
zu wählen (d > 0,4 mm).
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Für eine breitbandige Kompensation der Reflexion selbst an einer breiten
Substratkante ist ein gestufter Übergang zwischen dem Hohlleiter und der Schlitz-
oder Flossenleitung geeignet. Er erzeugt nämlich an seinen Stufungen rücklaufende
Wellen, die über ein breites Frequenzband die an der Substratkante reflektierten
Wellen kompensieren. Ein derartiger gestufter Schlitzleitungsübergang geht aus der
DE-OS 21 62 196 hervor. Die Schlitzleitung erfährt, wie dort die Figur 7 zeigt,
in Richtung des Hohlleiterinneren
eine gestufte Erweiterung ihrer
Breite. Man erhält eine Breite bandige Impedanzanpassung zwischen dem-l30hlleiter
und der Schlitzleitung, wenn die übersetzungsverhältnisse nicht zu groß gewählt
werden. Vor allem ist es entscheidend, daß das übersetzungsverhältnis zwischen dem
Wellenwiderstand des Hohlleiters und der ersten Übergangsstufe auf dem Substrat
nicht zu sehr von 1 abweicht. Beim übergang aus der DE-OS 21 62 196 direkt vom Hohlleiter
auf die erste Schlitzleiterstufe liegt ein ziemlich großer Wellenwiderstandssprung
vor, der die gesamte Anpassung schmalbandig werden läßt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen breitbandigen,
reflexionsarmen übergang Õeringer Baulänge von einem Hohlleiter auf eine Schlitz-
oder Fiossenleitung zu schaffen.
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Die AufFjabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich an die
Schlitz- oder Flossenleiterstufung eine oder mehrere den Hohlleiter dielektrisch
belastende Übergangsstufen anschliessen, we?ehe als nichtmetallisierte Bereiche
auf dem Substrat ausgebildet sind, die sich über die ganze Höhe des Hohlleiters
erstrecken und bis an den in den Hohlleiter hineinweisenden Hand des Substrats reichen.
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Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Übergangs sind
den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
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Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird
nun die Erfindung näher erläutert. rs zeigen Figur 1 eine perspektivische Darstellung
eines mit dem Übergang versehenen Substrats, das in eie Hohlleiter angeordnet ist,
Figur 2 einen Langssehnict A-A durch den 4rDnileitwer mit dem darin gelagerten Substrat,
Figur
3 ein Substrat mit einer Aussparung, Figur 4a, 4b ein Substrat (Vorder- und Seitenansicht),
das in seiner Dicke abgestuft ist und Figur 5 ein Leitungsersatzschaltbild des in
den Figuren 1 und 2 dargestellten Hohlleiter-Schlitzleitungsüber gangs.
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In der Figur 1 ist ein Rechteckhohlleiterstück 1 der Höhe b und der
Breite a dargestellt, in dem in der Symmetrieebene parallel zum E-Feld ein Substrat
2 der Dicke d angeordnet ist. Der Hohlleiter, der sich in Richtung aus der Zeichenebene
heraus fortsetzt, ist auf Höhe der Substratkante abgeschnitten dargestellt, um die
Lage des die Schlitzleitert struktur tragenden Substrats zu zeigen. Das einseitig
mit einer metallisierten Schicht 3 (kreuzschraffiert gezeichnet) versehene Substrat
2 wird in Nuten Lt in den Hohlleiterwänden gehalten Der Figur 2, welche den Schnitt
A-A durch den Hohlleiter darstellt, ist die aus der Matallisierung 3 herausgeätzte
Schlitzleiterstruktur zu entnehmen. Auf die Schlitzleitung der Breite w4 folgen
zwei Übergangsstufen mit den Längen 13 und 12 und den Schlitzbreiten w3 und w2,
wobei gilt: W2 > W3 > W4. Der Stufe mit der Breite w2 ist eine weitere, bis
an den Substratrand reichende Stufe der Länge ii und der Breite w1 vorangestellt.
Sie besteht aus einem nichtmetallisierten Bereich auf dem Substrat, dessen Breite
w, 1 gleich der Höhe b des Hohlleiters ist. Diese Stufe stellt also eine rein dielektrische
Belastung für den Hohlleiter dar. Das durch diese Stufe dielektrisch belastete Hohlleiterstück
weist einen Wellenwiderstand Z1 auf, der mit dem Wellenwiderstand Zo des unbelasteten,
leeren Hohlleiters ein für die breitban§ibe Anpassung gefordertes niedriges Transf
@mationsverhältnis bildet. Ein noch niedrigeres
Transformationsverhältnis
läßt sich erreichen beispielsweise durch eine Aussparung 5 im Substrat 2 im Bereich
dieser Stufe, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. Bei sehr hohen Anforderungen
an die Bandbreite können weitere nichtmetallisierte Stufen mit Aussparungen abgestufter
Breite eingefügt werden. Die gleiche Wirkung läßt sich durch Abstufungen der Substratdicke
erreichen.
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Die Figuren 4a und 4b zeigen die Voder- und Seitenansicht eines Substrats
2, das z.B. mit drei Abstufungen 7, 8 und 9 versehen ist.
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Um eine gut leitende HF-Verbindung zwischen der metallisier ten Schicht
3 auf dem Substrat und dem Hohlleiter 1 herzustellen, ist auf bekannte Weise die
Metallisierung an beiden Rändern mit einer kammartigen Leiterstruktur 6 versehen.
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Und zwar greift diese Kammstruktur, die beim in der Figur 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel oberhalb und unterhalb der ersten Transformationsstufe mit der
Breite w1 verläuft, in den unteren Teil 3' der in die Hohlleiterwände eingelassenen
Nuten 3 ein. Der untere Teil 3' der Nuten 3 ist etwas verbreitert, so daß die kammartige
Leiterstruktur 6 keinen galvanischen Kontakt mit den Hohlleiterwänden eingeht. Die
Zähne der Kammstruktur haben eine Länge, die etwa einem Viertel der Betriebswellenlänge
der Anordnung entspricht.
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Sie bilden Ä/Lt-Transformatoren, die die hohen Impedanzen an den offenen
Enden auf eine niedrige Impedanz an der Stelle der oberen und unteren Hohlleiterwand
transformieren.
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Dadurch ist auch bei..kleinen Abweichungen von der idealen Lage des
Substrats im Hohlleiter ein einwandfreier HF-Kontakt zwischen den Hohlleiterwänden
und der leitenden Fläche 3 auf dem Substrat gewährleistet.
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Die Figur 5 zeigt ein Leitungsersatzschaltbild der aus den
Figuren
1 und 2 hervorgehenden Anordnung. Darin sind für die einzelnen Abschnitte der Wellenwiderstand
und die Betriebswellenlänge aufgeführt: ZO, Ao für den leeren, unbelasteten 0 Hohlleiter,
Z1' A1 für den durch die erste Transformationsstufe dielektrisch belasteten Hohlleiterabschnitt,
Z2' A2 und Z3, 3 für die beiden weiteren Schlitzleitungs-Trans-3 formationsstufen
und z4, A4 für die eigentliche Schlitzleitung. Die Induktivitäten Ls12, Ls23 und
Ls34 treten an den Sprungstellen zwischen den Transformationsstufen auf.
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Bei folgenden Abmessungen des Übergangs ergibt sich eine gute reflexionsarme
Anpassung zwischen dem Hohlleiter und der Schlitzleitung in einem Frequenzband von
18 bis 22 GHz: Dicke des Substrats d = 0,381 mm Dielektrizitätskonstante des Substrats
#r = 9,8 Länge und Breite der ersten Transformationsstufe ohne Aussparung 11 = 3,25
mm w1 = 4, 12 mm Länge und Breite der zweiten Transformationsstufe 12 = 2,43 mm
w2= 1,58 mm Länge und Breite der dritten Transformationsstufe 13 = 2,35 mm w3 =
0,4 mm Breite der Schlitzleitung w4 = 0,12 mm Die Impedanz der Schlitzleitung beträgt
dabei 80Q und die des Rechteckhohlleiters 17009.
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Für die Anordnung erhält man in dem erwähnten Frequenzbereich eine
Reflexionsdämpfung von > 23 dB und eine Durch laßdämpfung von ca. 0,2 dB.
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