DE3118394A1 - "mikrowellen-leistungskombinator" - Google Patents
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Description
GENERAL ELECTRIC COMPANY
1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Leistungskonibinator,
insbesondere einen planaren Mikrowellen-Leistungskombinator in integrierter Schaltungsweise, in dem Festkörperverstärkereinrichtungen
vorgesehen sind, und weiterhin bezieht sich die Erfindung auf planare Übergänge von einem Wellenleiter zu einem
Mikrostrip oder umgekehrt.
Das Vereinigen der Leistung von mehreren FET-Verstärkern ist
verbreitete
eine \ Maßnahme zum Erzielen von Mikrowellen-Festkörperleistungsquellen
höherer Leistung. Der Vereinigungswirkungs grad muß erhöht werden, und die Herstellungskosten müssen
vermindert werden, um diese Maßnahme konkurrenzfähig mit konventionellen Vakuumröhren-Leistungsquellen, wie es beispielsweise
Wanderfeldröhren sind, zu machen. Die erfolgreiche Lösung erfüllt gleichzeitig alle wesentlichen Erfordernisse
niedriger Kosten, hoher Vereinigungsleistungsfähigkeit und breiter Bandbreite und erfolgt nicht unter Verwendung
von koaxialen Verbindernbzw. Verbindungsteilen .
Ein Rippenleitungsübergang vom Wellenleiter zum Mikrostrip hat inhärent niedrige Verluste. Ein einzelner Übergang in
einem einzelnen Wellenleiter ist in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques", Band MTT-24,
Nr. 3, März 1976, Seiten 144 bis 147 von J.H.C. van Heuven
beschrieben.
Kurz zusammengefaßt wird mit der Erfindung ein Mikrowellen-Leistungskombinator
mit einer einzigen Unterlage in integrierter Schaltungsbauweise für Feldeffekttransistoren und
andere Verstärker beschrieben, der innerhalb eines WeIlenleiteraufbaus
enthalten ist. Weil keine Koaxialleitungsverbindungen
bzw. -verbindungsteile verwendet werden, können eine hohe Vereinigungs- bzw. Kombinationsleistungsfähigkeit
und niedrige Herstellungskosten daraus resultieren. Die dielektrische Unterlage hat Metallisierungsmuster auf beiden
Seiten, die eine Gruppierung von Rippenleitungsübergängen von einer Mehrzahl von Mikrostripleitungen zum Wellenleiter
aufweisen. Leistungsabsorber sind zum Absorbieren von unerwünschten Kombinatorschwingungsarten höherer Ordnung vorgesehen.
Eine erste Form der Gruppierung von Rippenleitungsübergängen ist nichtverjungt. Die bevorzugte Ausführungsform jedoch
ist eine verjüngte Rippenleitungsgruppierung, mit der eine beträchtliche Verminderung der Abmessung erzielt wird
und die direkt in einem E-Ebenen-Hohlleiter-Verjüngungsbereich
angeordnet ist. Ein Unterlagemetallisierungsmuster hat verjüngte Rippenleitungen, von denen jede Hälfte
in eine unsymmetrierte Mikrostripleitung mit einer gegebenen charakteristischen Impedanz übergeht; das andere Muster hat
versetzte Rippenleitungen, die in einen Abschnitt einer gezahnten Drossel und infolgedessen in eine kontinuierliche
Erd- bzw. Masseebene übergehen. Metallisierungsstreifen hohen Widerstandswerts, die sich von den Spitzen der verjüngten
Rippenleiter aus erstrecken, absorbieren unerwünschte Kombinators chwingungs arten. Alternativ sind planare Widerstandsnetzwerke
vorgesehen, die jedes benachbarte Paar von unsymmetrierten Mikrostripleitungen überbrücken. Die FET-Verstärkergruppierung
ist an der Unterlage in einem übergroßen Wellenleiterbereich befestigt, und auf der entgegengesetzten
Seite der Unterlage ist ein Einrichtungswärmeableiter an der
Erd- bzw. Masseebene befestigt. Ein verjüngter Eingangsrippenleitungsgruppierungsübergang
vom Wellenleiter zum Mikro-
strip teilt die Mikrowellenleistung gleichmäßig auf die FET-Einrichtungen
auf.
Es sind verschiedenste Raumkommunikations- und Radaranwendungen
vorgesehen, wie beispielsweise der Ersatz einer X-Band-Wanderfeldröhre.
Die Erfindung sei nachstehend anhand einiger in den Figuren bis 8 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders
bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:
Figur 1 eine schematische Systemdarstellung eines Mikrowellen-Leistungskombinators
in integrierter Schaltungsbauweise mit Feldeffekttransistorverstärkergruppierung;
Figur 2 eine Gruppierung von Rippenleitungsübergängen von N Mikrostripverstärkerleitungen zu einem einzigen Standard-Ausgangswellenleiter;
Figur 3 einen teilweisen Querschnitt durch eine metallisierte
Unterlage, der einen der Durchführungswiderstände der Figur 2 zeigt;
Figuren 4 und 5 je eine Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Leistungskombinatorsystems von der Seite
und von oben, wobei in letzterer Ansicht die obere Wand entfernt ist, damit man die Einzelheiten im Inneren sieht;
Figur 6 eine Aufsicht auf die verjüngte Rippenleitungsgruppierung und die FET-Verstärker, die in der Ausführungsform derFigur 4 vorgesehen sind;
Figuren 7a und 7b Diagramme der Unterlage und der Rippen-Ie.itungsVerlängerungen
sowie der Verteilung des cloktrisehend
Feldua tür unerwünschte und erwünschte KoinbinaLcu-Schwingungsarten
am Wellenleitereingang, und zwar in vergrößertem Maßstab; und
Figur 8 eine Gruppierung verjüngter Rippenleiter mit einem planeren Leistungsabsorptions-Widerstandsnetzwerk.
Eine Gesamtansicht einer ersten Bauart des Mikrowellenleistungsverstärkers
oder -leistungskombinators ist aus Figur 1
ersichtlich. Ein konventioneller rechteckiger Stancard-Eingangswellenleiter
11, in dem der Ε-Vektor parallel zu den Seitenwänden ausgerichtet ist und eine sinusförmige Amplitudenverteilung
hat, speist eine zylindrische Welle in einen E-Ebenen-Hohlleiter-Querschnittsanpasser 12 ein. Eine Gruppierung
von Wellenleiter-Mikrostrip-Rippenleitungsübergängen 13 teilt die Mikrowellenleistung gleichmäßig auf zwei oder
mehr Mikrostripleitungen auf. Nimmt man an, daß mehrere solcher Leitungen vorhanden sind, ist die Leistung in benachbarten
Leitungen um 180 in der Phase verschoben. Zum Kompensieren
von Phasendifferenzen, die sowohl durch den Eingangs- als auch durch den Ausgangshohlleiterübergang erzeugt werden,
sind Phasenkompensatoren 14 vorgesehen, und diese Phasenkompensatoren
sind nur auf der Eingangsseite angeordnet, damit sie nicht zu irgendeinem Verlust in der Hochleistungs-Ausgangsseite
der FET-Verstärker beitragen. Die erwünschten Charakteristika können mit mehreren bekannten Bauweisen der Phasenkompensatoren
erzielt werden. Der mehrstufige FET-Verstärker 15 ist in integrierter Mikrowellenschaltungsform auf einer
dielektrischen Unterlage hergestellt, und er ist ein konventionelles
Bauteil, das nicht näher beschrieben wird. Eine Gruppierung von Mikrostrip-Wellenleiter-Rippenleitungsübergängen
16 vereinigt die Leistung von der Mehrzahl von Mikrostripleitungen (sechs in dem gegebenen Beispiel). Die Rippenleitungsgruppierungen
13 und 16 können einander identisch sein, jedoch mit der Ausnahme, daß sie in entgegengesetzte
Richtungen gewandt sind. Ein weiterer E-Ebenen-Hohlleiter-Querschnittsanpasser
17 führt die verstärkte Mikrowellenleistung einem konventionellen rechteckigen Standard-Augangswellenleiter
18 zu. Die Eingangs-Rippenleiter-Teilergruppierung 13, die Phasenkompensatoren 14, die FET-Verstärker 15
und die Rippenleitungs-Kombinator-Gruppierung 16 können alle
auf einer einzigen metallisierten dielektrischen Unterlage 19, wie beispielsweise Quartz oder Aluminiumoxid, als integrierte
Mirkowellenschaltung ausgeführt sein, wobei diese Unterlage innerhalb des Ubermaß-Wellenleiterbereichs 20 enthalten
ist. Die FET-Verstärker und Phasenkompensatoren können gesonderte Module sein, die an der Unterlage der gedruckten
Schaltung befestigt sind.
Ein die Praxis der Erfindung veranschaulichendes Beispiel besteht darin, daß der Eingangs- und Ausgangswellenleiter 11
und 18 je ein X-Band (8 bis 12,5 GHz) -Leiter sind, der eine Höhe von 12,62 mm (0,497ZoIl) und eine Breite von 28,50 mm
(1,122 Zoll ) hat. Die Länge der E-Ebenen-Hohlleiterübergänge
12 und 17 ist 76,2 mm (3 Zoll ) oder weniger, und die
Höhe des Obermaß-Leiterbereichs ist 76,2 mm (3 Zoll ). Wenn sechs FET-Verstärkereinrichtungen vorhanden sind, dann ist
der Abstand S (siehe Figur 2) zwischen den Mikrostripleitungen 12,7 mm (0,5 ZoIH). Die Eingangsseite der Rippenleitungs-Teilergruppierung
13 wird mit einer Amplitudenverteilung bestrahlt bzw. belegt, die im wesentlichen konstant ist. Unter
den angenommenen Bedingungen ist die Phasenverteilung der Eingangserregung φ- — 0°, 0„ = 18,74 und 0*= 54,8 . Die Phasenkompensatoren
14 haben Werte, die das Zweifache dieser Beträge sind, damit sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangs-Hohlleiterübergangsphasenunterschiede
kompensiert werden. Das
bedeutet für die vorstehenden typischen Bedingungen φΛ = 0 ,
iz$2= 37,4° und ^3 = 109,6°. Es ist möglich, den Mikrostripleitungsabstand
S so klein zu machen, daß er 6,35 mm (0,25 Zoll ) beträgt. Tatsächlich haben FET-Schaltungen in integrierter
Mikrowellenschaltungsausführung, wie sie in der Verkaufsbzw. AutomatenIiteratur dargestellt bzw . beschrieben sind,
Gesamtbreiten, die weniger als 6,35 mm (0,25 Zoll) für eine
Frequenz von 7 GHz betragen. Die Trichterhälse der beiden relativ weitwinkligen Hohlleiterübergänge können so ausgeführt
werden, daß sie sehr breitbandige Werte des Spannungsstehwellenverhältnisses haben, und zwar durch einfache induktive
Iri sblendenkompens ati on.
Die Figur 2 zeigt den Grundriß bzw. die Abwicklung der Gruppierung
der Rippenleitungsübergänge 16 vom Mikrostrip zum
Wellenleiter. In dieser Figur und auch in den Figuren 6 und 8 ist das Metallisierungsmuster auf der Oberseite der dielektrischen
Unterlage in ausgezogenen Linien wiedergegeben, während das Metallisierungsmuster auf der unteren Ober.lache in
gestrichelten Linien dargestellt ist, und Musterflächen auf beiden Seiten sind gesprenkelt gezeichnet. Die Unterlage kann
Siliciumdioxid (Quartz) sein, und die Leitermetallisierungen sind Gold. Eine Mehrzahl von Rippenleitungen 21 und 21' ist
auf die obere und untere Oberfläche der Unterlage 19 gedruckt und geht über in symmetrierte Mikrostripleitungen 22
und 22' der Breite W1- Die Anzahl von vollständigen Rippenleitungen
21 der oberen Oberfläche (drei) ist gleich der Anzahl von Rippenleitungen 21' der unteren Oberfläche (drei),
aber diejenigen auf der unteren Oberfläche sind mit Bezug auf diejenigen auf der oberen Oberfläche versetzt. Jede
Hälfte einer Rippenleitung geht über in eine der symmetrierten Mikrostripleitungen 22 oder 22'. Symmetriert-zu-Unsym-
metriert-Wandler 23 in Form von gezahnten Drosseln
mit Spalten G werden dazu verwendet, einen übergang vom symmetrierten
Mikrostrip zum unsymmetrierten Mikrostrip zu bilden,
wobei letzterer Leiter 24 mit einer Breite W2 nur auf
der oberen Seite der Unterlage und eine durchgehende metallisierte Masseebene 25 auf der unteren Oberfläche hat. Die
unsymmetrierten Mikrostripleitungen 24 haben eine gegebene charakteristische Impedanz, wie beispielsweise 50 Ohm, und
jede dieser Leitungen bildet eine Verbindung zum Ausgang eines FET-Verstärkers. Benachbarte Verstärkereinrichtungen
sind gegeneinander um 180 in ihrer Phase verschoben (siehe
Figur 6). Nimmt man für den Augenblick an, daß die Richtung der Wellenenergieausbreitung von links nach rechts verläuft
(wie in der Rippenleiter-Teilergruppierung 13), haftet das fortschreitende E-FeId an den sich verjüngenden Rippenleitungen
21 und 21' auf den entgegengesetzten Seiten der Unterlage 19, die das elektrische Feld konzentrieren und um 90°
drehen, welches in dem Raum zwischen den symmetrierten Lei-
tungen 22 und 22' begrenzt wird. Der Abschnitt 2 3 der gewundenen
Drossel ist durch die Spalte in sich in Längsrichtung erstreckende Viertelwellenlängen-Blindleitungen 26 unterteilt,
die Kurzschlüsse an den Enden haben. Die Blindleitungen zwingen den Strom, in Längsrichtung zu fließen, und sie sind ein
offener Kreis für Querströme. Diese Symmetriert-zu-Unsymmetriert-Mikrostripübergänge
aus einer gezahnten Drossel sind konventionelle Strukturen. Die Ausbreitung durch den übergroßen
Wellenleiter wird mit Ausnahme der Ausbreitung längs der unsymmetrierten Mikrostripleitungen 24 durch die Masseebene
25 verhindert, die den Wellenleiter in parallele Wellenleiter unterteilt.
Die erwünschte Kombinatorschwingungsweise weist das gleichförmige
Feld E auf, wie dargestellt. Eine Untersuchung des Übergangs zeigt, daß dieses Feld benachbarte unsymmetrierte
Mikrostripleitungen 24 mit 180° Phasenunterschieden erregt. Entsprechend sind die Felder E^ , die der höchsten Ordnung
der Kombinatorschwingungsart (unerwünschte TT-Schwingungsart)
zugeordnet sind, ungleichförmig, wie dargestellt, und sie erregen benachbarte unsymmetrierte Mikrostripleitungen
24 mit Null-Phasenunterschied. Daher sind, um eine Absorption für die V-Schwingungsart (benachbarte FET-Verstärker
sind in Phase) zu erzielen, benachbarte 50 Ohm unsymmetrierte Mikrostripleitungen 24 mit zwei Sätzen von Mikrostripleitungen
27 und 28, die charakteristische Impedanzen von 100
Ohm haben, überbrückt. Der Satz von Leitungen 27, der dem FET-Verstärker am nächsten ist, hat Durch führ ungswiderstände
29 (siehe auch Figur 3) an den genauen Mittelpunkten dieser Leitungen, und diese Widerstände sind an dem anderen Ende
mit der Masseebene 25 verbunden. Entsprechend hat der zweite Satz von Überbrückungsleitungen 2 8, die von den FET-Verstärkern
am weitesten weg sind, Kurzschlüsse zwischen den genauen Mittelpunkten und der Masseebene'- Das bedeutet, daß
ein Loch 30 an dem Mittelpunkt vorgesehen ist. Diese Netzwerke absorbieren die unerwünschten höheren Ordnungen der Kombinators
chwingungs arten.
Da bei der gewünschten Schwingungsart benachbarte Mikrostripleitungen
24 gegeneinander um 180 in der Phase verschoben sind, ist der genaue Mittelpunkt der Überbrückungsleitungen
auf einer Nullspannung. Da die Spannung in der Mitte null
ist, wird keine Leistung in der gewünschten Schwingungsart
im Nebenschlußwiderstand 29 verbraucht. In diesem Fall erscheinen die beiden Überbrückungsleitungen 27 und 28 als
kurzgeschlossene Blindleitungen, und wenn der Abstand S zwischen den unsymmetrierten Leitungen 24 etwa eine halbe Mikrostripwellenlänge
beträgt, ist der Nebenschlußblindwiderstand sehr hoch. Der Nettonebenschlußblindwiderstand wird weiter
dadurch vermindert, daß man den Abstand a zwischen den beiden Überbrückungsleitungen 27 und 28 etwa gleich einer viertel Mikrostripwellenlänge macht. Andererseits wird die unerwünschte
IT-Schwingungsart des Kombinators, bei der benachbarte
FET-Verstärker in Phase sind, unter den obigen Bedingungen
durch die Nebenschlußwiderstände 29 wellenwiderstandsrichtig
abgeschlossen. Wenn benachbarte Leitungen 24 in Phase
sind (siehe Figur 3), ist eine Spannung am genauen Mittelpunkt der Überbrückungsleitung 27 vorhanden, und es wird
Leistung durch den Widerstand 29 absorbiert. Der Zweck der kurzgeschlossenen Überbrückungsleitungen 2 8 ist nun klar.
Diese werden dazu benötigt, die Impedanz, die der unerwünschten TT-Schwingungsart dargeboten wird, zu "stabilisieren".
Das läßt sich durch Beachtung der Tatsache verstehen, daß die Impedanz der Ii- S chwingungs art, die nach auswärts nach
den Rippenleitungen 21 und 21' gewandt ist, ungewiß ist, indem sie in hohem Maße frequenzabhängig ist, und zwar aufgrund
der relativ großen Länge zwischen den Durchführungswiderständen 29 und den Rippenleitungsübergängen. Es ist zu
beachten, daß die "Tf-S chwingungs art ein diskretes Spektrum
von Schwingungsarten in dem Hohlleiter-Querschnittsanpasser
erregt.
Sich ausbreitende Schwingungsarten höherer Ordnung werden in
dem Wellenleiter 20 größerer Abmessung und in den Rippenleitungen 21 und 21' durch die gewünschte Kombinatorschwingungs-
art nur schwach erregt, weil die Abmessungen des Wellenleiters
und der bedruckten Unterlage in engen Toleranzen gehalten werden können. Die Mikrostripverlustleistung und der Mikrostripstreuverlust
über die kurzgeschlossenen Uberbrükkungsleitungen 28 hinaus können ausreichen, diese Schwingungsarten
zu dämpfen. Wenn das nicht der Fall ist, können andere einfache Mittel, wie beispielsweise ein Querschlitz
in dem Hohlleiterübergang, angewandt werden.
Diese in integrierter Mikrowellenschaltung ausgeführte Leistungskombinatorb
auweise hat insbesondere die folgenden wichtigen Vorteile. Die Herstellung einer einzelnen Unterlage
bzw. jeweils einer einzigen Unterlage führt zu niedrigen Kosten. Es werden keine koaxialen Verbindungsteile verwendet,
und daher kann eine zuverlässige Leistungsvereinigung unter niedrigen Verlusten erzielt werden. Ein Rippenleitungsübergang
hat inhärent niedrige Verluste. Die hier beschriebene Gruppierung von Rippenleitungsübergängen kann sogar geringere
VerbrauchsVerluste bzw. Verluste durch Verlustleistung
haben, als der Einzelübergang, wie er von J.H.C. van Heuven
(gemäß der oben angegebenen Literaturstelle) beschrieben worden ist. Die erfindungsgemäße Bauweise ist ideal für eine
gute Wärmeabführung der FET-Verstärker. Da das elektrische
Feld durch die Rippenleitungsübergänge effektiv um 90 gedreht
wird, kann die FET-Verstärker-Masseebene parallel zur Seitenwand der Eingangs- und Ausgangswellenleiter (siehe Figur
5) sein. Ein Abgleich für die unerwünschte 1t"-Schwingungsart
des Kombinators wird durch den Nebenschlußwiderstand und den Nebenschluß-Kurzschluß verwirklicht, und dadurch kann
eine hohe Isolation zwischen den FET-Vertärker-Kanälen erzielt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des breitbandingen, niedrige
Verluste aufweisenden Übergangs von N Mikrostripverstärkerleitungen zu einem einzigen Standard-Ausgangswellenleiter
ist in den Figuren 4 bis 8 veranschaulicht. Es wird eine sehr wesentliche Verminderung der Abmessung dadurch erzielt, daß
eine verjüngte Rippenleitungsgruppierung verwendet wird, die direkt in dem Hohlleiter-Querschnittsanpasserbereich angeordnet
ist. Darüberhinaus kann die Einrichtung zum Absorbieren von Kombinatorschwingungsarten höherer Ordnung vollständig
planar und vollständig gedruckt sein, so daß infolgedessen das Erfordernis der nach den Figuren 2 und 3 ar gewandten
Durchführungswiderstände 29 ausgeschaltet wird.
Eine planare Unterlage 32 ist, wie die Figuren 4 bis 6 zeigen, mittig innerhalb eines Wellenleiteraufbaus 33 angebracht.
Die beiden Enden der Unterlage 32 sind entgegengesetzt verjüngt, so daß sie den Abmessungen der E-Ebenen-Hohlleiter-Querschnittsanpasser
34 und 35 torTorrn gemacht sind, und die Spitzen können sich in rechteckige Eingangsund
Ausgangswellenleiter 36 und 37 erstrecken. Eine Tür 38 ist in einer Seitenwand des Übermaßwellenleiterbereichs 39
angeordnet, damit ein Zugang zu dem mehrstufigen FET-Verstärker-Baustein
40 ermöglicht wird, der die Phasenkompensatoren aufweisen kann und an einer Seite der Unterlage 32
befestigt ist. Ein Wärmeableiter 41 ist an der Masseebene auf der anderen Seite der Unterlage befestigt. Wie vorher
teilt eine verjüngte Rippenleiter-Teilergruppierung 42 die Mikrowellenenergie, die sich von dem Eingangswellenleiter
her ausbreitet, gleichmäßig auf die N-Mikrostripleitungen auf. Nachdem die Leistung durch die FET-Einrichtungen verstärkt
worden ist, wird die Leistung auf den N-Mikrostripausgangsleitungen
durch eine Gruppierung von verjüngten Rippenleitungsübergängen 43 vereinigt und in den Ausgangswellenleiter
37 eingespeist.
Die sechs Hochleistungs —FET-Verstärker 44a bis 44f gemäß
Figur 6 haben Ausgangssignale, die für benachbarte Einrichtungen
um 180° in der Phase verschoben sind. Der Ausgang jeder
dieser Einrichtungen ist mit je einer unsymmetrierten 50-Ohm-Mikrostripleitung
45 verbunden. Auf der entgegengesetzten Oberfläche der dielektrischen Unterlage 32 ist eine kontinuierliche
metallisierte Masseebene 46 vorhanden. Ein Unsymme-
triert-zu-Symmetriert-Transformator 47 in Form einer yewundenen
Drossel dient als Übergang vom Unsymmetriert-zu-Symmetriert-Mikrostrip.
Die Länge der symmetrierten Mikrostripleitung ist beträchtlich geringer als in Figur 2 und kann sich
sogar Null nähern. Jedes benachbarte Paar von Mikrostripleitungen 45 geht in eine verjüngte Rippenleitung 48 über (es
sind drei vollständige Rippenleitungen auf der oberen Oberfläche
vorhanden), und auf der unteren Oberfläche erfolgt der übergang zu drei versetzten verjüngten Rippenleitungen
48'. Die sich längs den Mikrostripleitungen 45 ausbreitende
Mikrowellenenergie wird durch die Rippenleitungen 4 8 und 48' um 90° gedreht und wird zu einer zylindrischen Welle.
Für viele Anwendungsfälle ist eine Aluminiumoxidunterlage 32
anstelle von geschmolzenem Siliciumdioxid (SiO2) optimal.
Wenn die FET-Verstärker auf Aluminiumoxid (Al2O3)-Unterlagen
hergestellt werden, dann wird die Grenzfläche bzw. Schnittstelle mit den Rippenleitungs-Kombinatorgruppierungen vereinfacht.
Außerdem führt die relativ große Abmessung dieser Kombinatorunterlage
zu Fragen der Zuverlässigkeit, wenn sie aus geschmolzenem Siliciumdioxid hergestellt wird, und zwar wegen
der Möglichkeit von schweren mechanischen Beanspruchungen Eine zusätzliche Langzeitbetrachtung besteht darin, daß es
eventuell möglich ist, FET-Verstärker mit genügender Gleichförmigkeit zu entwickeln, welche es ermöglichen, die Metallisierung
für die Verstärkereingangs- und -ausgangsabstimmungskreise
auf die gleiche Unterlage zu drucken, die die Kombinatormetallisierungen enthält. In diesem Falle wären nur zwei
Balken-Leiter-Verbindungen erforderlich, um jede FET-Einrichtung mit der Eingangs- und Ausgangsunterlage zu verbinden.
Jedoch entstehen durch die Verwendung von Al2O3 Probleme,
weil die hohe Dielektrizitätskonstante von 9,9 zu einer beträchtlich kürzeren Wellenlänge führt als es bei SiO„ der
Fall ist, das eine Dielektrizitätskonstante von 3,78 hat. Die kürzere Wellenlänge führt zu einer verminderten Frequenzbandbreite
und vielleicht zu einer Zunahme in der geringen
unerwünschten Verlustleistung, die sich nach der Erfahrung
in den Netzwerken gezeigt hat, welche die Widerstände (29 in Figur 3) für die Absorption der Schwingungsart höherer Ordnung
enthalten.
In Figur 6 ist ein neues Konzept für die Absorptior der Kombinatorschwingungsarten
höherer Ordnung dargestellt. Die unerwünschten Schwingungsarten können dadurch wirksam absorbiert
werden, daß die Spitzen der verjüngten Rippenleitungen 48 und 48* mit Metallisierungsstreifen 49 und 49' hohen spezifischen
Widerstands verlängert werden. Eine Analyse hat gezeigt, daß die Streifen 49, 49' hohen Widerstandswerts ,die
Verlängerungen der Rippenleitungsgruppiera^g bilden, die Kombinatorschwingungsarten
höherer Ordnung selektiv absorbieren können, wobei die gewünschte Kombinatorschwingungsart nur
vernachlässigbare Verluste erfährt. Die Figuren 7a und 7b zeigen den Grund für diesen Schluß. Diese Figuren sind unangemessen
vergrößerte schematische Darstellungen, die den Ausgangswellenleiter 37 und eine Aluminiumoxidunterlage 32 mit
den fünf Rippenleitungsverlängerungen 49 und 49' zeigen. Diese Darstellung repräsentiert den Bereich in der Nähe der Verbindungsstelle
zwischen einem verjüngten Wellenleiter 35 und einem nichtverjüngten Wellenleiter 37.
Die Figur 7a zeigt die Verteilungen des elektrischen Feldes für die Kombinatorschwingungsart der höchsten Ordnung, d.h.
für die unerwünschte Schwingungsart. Bei dieser Schwingungsart haben alle Mikrostripausgangsleitungen 45 die gleiche
Phase. Infolgedessen ist eine Nettoladung auf jeder der Rippenleitungsspitzen, und diese Ladung hat auf benachbarten
Spitzen entgegengesetztes Vorzeichen. Infolgedessen erregen die Kombinatorschwingungsarten höherer Ordnung Quasi-TEM-Schwingungsarten
auf den Rippenleitungen, die eng an die Rippenleitungen mit sehr hohen Stromdichten gebunden sind.
Die Schwingungsarten höherer Ordnung erfordern die Rippen, um
sich auszubreiten, und sie werden an den Enden der Rippen vollständig reflektiert. Daher können diese Schwingungsarten
sehr wirksam und allmählich dadurch absorbiert werden, daß die Rippenmetallisierung mittels der Metallisierungen 49 und
49' hohen spezifischen Widerstands verlängert werden. Im Prinzip ist es möglich, auf diese Weise einen breitbandigen
Abschluß aller Kombinatorschwingungsarten hoher Ordnung zu
erzielen. Unter diesen Umständen hat der Kombinator gute Isolationseigenschaften.
Andererseits ist, wie aus Figur 7b zu ersehen ist, die erwünschte
Kombinatorschwingungsart nur sehr lose an die Rippen
in der Nähe der Spitzen der Rippen gekoppelt. Es sei darauf hingewiesen, daß bei der erwünschten Schwingungsart
180° Phasenunterschiede zwischen benachbarten Mikrostripleitungen vorhanden sind, und daß keine Nettoladung auf irgendeiner
der Rippen vorhanden ist; die Ladungsverteilung hat eine dipolare Form. Am Ende der Rippen ist die gewünschte
Schwingungsart in die TE^0-WeIlenleiterschwingungsart übergeführt
worden, die eine Leistungsdichte hat, welche über den gesamten Wellenleiterquerschnitt in einer Sinusquadratverteilung
(bei 5O angedeutet) ausgebreitet ist.
Eine andere Maßnahme besteht darin, punktförmig verteilte Widerstände (d.h. diskrete Elemente) an den Spitzen der Rippenleitungen
48 und 481 vorzusehen, auf die Streifen von Gold oder Streifen anderer hoher Leitfähigkeit folgen. Die
Goldstreifen sind etwa eine Viertelwellenlänge lang gemacht, damit ein niedriger Blindwiderstand in Reihe mit den Widerständen
erzielt wird, um einen starken Stromfluß in den Widerständen zu ermöglichen. Diese zweite Maßnahme kann etwas
geringere als ideale Isolationseigenschaften haben. Jedoch erfordert sie keinen so niedrigen Wert des spezifischen Widerstands
für die Absorbermetallisierung, und infolgedessen hat sie einen Vorteil gegenüber der ersten Maßnahme, bei der verteilte
Absorber verwendet werden.
Die Figur 8 zeigt einen planaren Leistungskombinator in integrierter
Mikrowellenschaltungsbauweise, in dem eine verjüngte
Rippenleitungsgruppierung vorgesehen und der mit demjenigen der Figur 6 identisch ist, jedoch mit der Ausnahme, daß die
Unterlage geschmolzenes Siliciumdioxid anstatt Aluminiumoxid ist, und daß Metallisierungen 49 und 49' von hohem spezifischen
Widerstand nicht vorgesehen sind, vielmehr absorbieren andere planare Widerstandsnetzwerke, die allgem in mit
51 bezeichnet sind, die Kombinatorschwingungsarten höherer
Ordnung. Diese Widerstandsnetzwerke 51 sind vollständig planar und können vollständig gedruckt werden. Es ist eine Gesamtheit
von fünf solcher Widerstandsnetzwerke erforderlich, wie die Figur 8 zeigt, und zwar von je einem Netzwerk zwischen
jedem Paar von Mikrostripleitungen 45. Das Metallisierungsmuster,
mit dem jedes dieser Netzwerke ei zielt wird, hat ein Paar von sich quer erstreckenden, parallelen Überbrückungslinien
52 und 53 an deren Mittelpunkt Verlängerungen vorgesehen sind, die eine Verbindung mit einem gedruck- .
ten Widerstand 54 bilden. Ein Paar offene Viertelwellenleitungen 55 bilden einen Weg für den Widerstandsstrom. In der
gewünschten Kombinatorschwingungsart sind benachbarte unsymmetrierte
Mikrostripleitungen 45 gegeneinander um 180 in der Phase verschoben, und es sind Spannungsnulls an den Mittelpunkten
der Überbrückungsleitungen 52 und 53 vorhanden, so daß durch den planaren Widerstand 54 keine Leistung absorbiert
wird. In der unerwünschten Kombinatorschwingungsart sind benachbarte Mikrostripleitungen 45 in Phase, und es
ist eine endliche Spannung an den Mittelpunkten der Überbrückungsleitungen
52 und 5 3 vorhanden, so daß durch den Widerstand 54 Leistung absorbiert wird.
Die Festkörper-Verstärkereinrichtung kann auch ein Mikrowellenfrequenztransistor
sein, und da dieser ebenso wie der Feldeffekttransistor eine Einrichtung vom Übertragungstyp
ist, wird eine Eingangsleistungsteilergruppierung von Rippenleitungsübergängen
verwendet. Eine Bauweise für einen Festkörperverstärker vom Reflexionstyp, wie beispielsweise eine
IMPATT-Diode, erfordert nur eine Gruppierung von Rippenleitungsübergängen, die wechselweise ein Leistungsteiler vom
Wellenleiter zum Mikrostrip und ein Leistungskombinator vom
Mikrostrip zum Wellenleiter ist.
Es sind verschiedenste Anwendungen für die breitbandigen, niedrige Verluste aufweisenden, unter niedrigen Kosten herstellbaren,
planaren, in integrierter Schaltungsbauweise ausgeführten Mikrowellen-Leistungskombinatoren oder -Leistungsverstärkern
möglich bzw. vorgesehen, und zwar insbesondere sowohl bei der Raumkommunikation als auch beim Radar.
Eine Anwendung ist beispielsweise der Ersatz für eine X-Band-Laufwellenröhre.
Claims (11)
- PATENTANSPRÜCHEeine dielektrische Unterlage (19;32), die Metallisierungsmuster auf beiden Seiten hat, welche eine Gruppierung von Rippenleitungsübergängen (13,16;42,43) vom Mikrostrip zum Wellenleiter (11,18;36,37) bilden, wobei diese Muster eine Mehrzahl von Mikrostripleitungen (22 ,22',24;45) mit einer gegebenen charakteristischen Impedanz und einer entgegengesetzten kontinuierlichen Erd- bzw. Masseebene (25;46) haben bzw. bilden, welche in einen Unsymmetriert-zu-Symmetriert-Wandler(23,27) und demgemäß in eine Mehrzahl von Rippenleitungen (21,21';48,48') übergehen, die so angeordnet sind, daß die Rippenleitungen (21;48) auf der einen ünterlagenoberflache relativ zu denen (21 *;48') auf der anderen Oberfläche versetzt sind; undeine Mehrzahl von Mikrowellen-Festkörperverstärkern (15; 44a-44f), die auf der dielektrischen Unterlage (1§;32) angebracht sind und von denen jeder mit einer der Mikrostripleitungen (22,22*,24;45) verbunden ist;wobei die Gruppierung von Rippenleitungsübergänen (:3,16;42, 43) und die angebrachten Festkörperverstärker (15;44a-f) innerhalb eines Wellenleiteraufbaus (11,28;36,37,39) enthalten sind.
- 2. Leistungskombinator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppierung von Rippenleitungsübergängen (13,16;42,43) weiter Leisuungsabsorptionsmittel bzw. eine Leistungsabsorptionseinrichtung (27,28,29, 30;49,49';51,52-55) zum Absorbieren von unerwünschten Kombinatorschwingungsarten höherer Ordnung aufweist.
- 3. Leistungskombinator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörperverstärker (15;44a-f) Feldeffekttransistoren sind, und daß ein Wärmeableiter (41) an der Erd- bzw. Masseebene (25;46) angebracht ist.
- 4. Leistungskombinator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierungsmuster weiter symmetrierte Mikrostripleitungen (22,22') aufweisen, die in die Rippenleitungen (21,21*) übergehen, und daß der Unsymmetriert-zu-Symmetriert-Wandler (23)bzw crewundene
eine gezahnte/Drossei ist, die von den symmetrierten Mikrostriplextungen (22,22") zu den vorerwähnten Mikrostripleitungen (24) übergeht, welche unsymmetriert sind. - 5. Leistungskombinator nach Anspruch 2, 3 oder .4, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungsabsorptionsmittel bzw. die Leistungsabsorptionseinrichtung Netzwerke mit Durchführungswiderständen (29) umfaßt, welche jedes benachbarte Paar von unsymmetrierten Mikrostripleituncjen (24) überbrücken.~ 3 —
- 6. Leistungskombinator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Gruppierung von Rippenleitungsübergängen (13,16;42,43) und alle einzelnen Rippenleitungen (21,21',48f48*) verjüngt sind, so daß sie mit einem E-Ebenen-Hohlleiter-Querschnittsanpasserbereich (12,17; 34,35) des Wellenleiteraufhaus (11,18,20;36,37,39) zusammenpassen.
- 7. Leistungskombinator nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabsorptionsmittel bzw. die Leisungsabsorptionseinrichtung Widerstandsmittel bzw. Widerstände (49,49') an den Spitzen der verjüngten Rippenleitungen (48,48·) umfassen bzw. umfaßt.
- 8. Leistungskombinator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabsorptionsmittel bzw. die Leistungsabsorptionseinrichtung Metallisierungsstreifen (49,49·) hohen Widerstandswerts, die sich von den Spitzen der verjüngten Rippenleitungen (48,48') aus erstrecken, umfassen bzw. umfaßt.
- 9. Leistungskombinator nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungsabsorptionsmittel bzw. die Leistungsabsorptionseinrichtung planare Widerstandsnetzwerke (51), welche jedes benachbarte Paar von unsymmetrierten Mikrostripleitungen (45) überbrücken, umfassen bzw. umfaßt.
- 10. Leistungskombinator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiteraufbau (11,18,20;36,37,39) wenigstens einen rechteckigen Ausgangswellenleiter (18,37), einen E-Ebenen-Hohlleiter-Querschnittsanpasser (17;35) und einen Übermaßwellenleiter (20; 39) mit parallelen Wänden hat, wobei die Unterlage (19;32) an einem Ende verjüngt ist und die Gruppierung von Rippenleitungsübergängen (16,43) und die einzelnen Rippenleitungen(21,21';48,48') entsprechend verjüngt sind, so daß sie mit dem Hohlleiter-Querschnittsanpasser (17,35) zusammenpassen.
- 11. Leistungskombinator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Unterlage (32) andere bzw. weitere Metallisierjngsmuster auf beiden Seiten hat, die eine Gruppierung von Rippenleitungsübergängen (42,43) vom Wellenleiter (36,37) zu einer Mehrzahl von Mikrostripleitungen (45) bilden, von denen jede mit einem dar Festkörperverstärker (44a-f) verbunden ist.
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