DE3207818A1 - Schaltung mit einem mikrostrip - Google Patents

Description

-4-Schaltung mit einem Mikrostrip

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für Höchstfrequenzsignale gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die in der Mikrowellentechnik allgemein üblichen Mikrostrip-Schaltungen bestehen bekanntlich aus einer Leiterbahn aus Kupfer oder einem anderen gut leitenden Metall auf der einen Oberfläche einer dünnen Platte aus dielektrischem Material, deren hierzu parallele andere Oberfläche zur Bildung der Masseebene vollständig metallisiert ist. Das elektro-magnetische Feld, das von dem dem Mikrostrip zugeführten Mikrowellensignal induziert wird, befindet sich vorwiegend zwischen dem Mikrostrip und Masse und im Inneren des dielektrischen Trägers. Der Teil des Feldes, der in Luft verläuft und zu Strahlungsinterferenzen führt, wächst mit zunehmender Frequenz, währena er mit größer werdender Dielektrizitätskonstante des für den Träger verwendeten Materials kleiner wird. Wie ebenfalls bekannt ist, ergibt sich die Wellenlänge eines Signals im Dielektrikum aus der Wellenlänge in Luft (umgekehrt proportional zur Frequenz) geteilt durch die Quadratwurzel der äquivalenten Dielektrizitätskonstante. Je größer also die Dielektrizitätskonstante ist, umso kleiner müssen bei gegebener Frequenz die auf dem Dielektrikum vorzusehenden Elemente mit. halber oder viertel Wellenlänge dimensioniert werden, und umso größer werden die technologischen Schwierigkeiten bei der Realisierung

von Mikrostrips mit genau den richtigen Dimensionen. 30

Als zwei verschiedene dielektrische Materialien für den Träger seien Aluminiumoxid (Al^O., ;£ — 1 0) und Hochfrequenz-"Duroid" (mit Teflon verstärktos Keramikfasermaterial;£ef 2,3) oder ähnliche Kunststoffträger betrachtet. Bei gegebener Frequenz strahlt eine auf "Duroid" realisierte Mikrostrip-Schaltung wesentlich mehr Energie ab als eine entsprechende Schaltung auf Aluminiumoxid. Mit

anderen Worten ist die Frequenzgrenze, bis zu der das Feld noch im wesentlichen im Träger bleibt, für Aluminiumoxid viel höher als für "Duroid". Wenn also Abstrahlungen und daraus folgende Interferenzen zwischen den vorhandenen Schaltungen vermieden oder vernachlässigbar klein gehalten werden sollen, kann man Aluminiumoxid für wesentlich höhere Frequenzen verwenden als es bei "Duroid" möglich ist. Andererseits ist die Wellenlänge eines gegebenen Signals in Aluminiumoxid ungefähr halb so groß wie in "Duroid". Auf Aluminiumoxid sind also die Schaltungen entsprechend kleiner und schwieriger zu dimensionieren. Diese Tatsache beschränkt die Maximalfrequenz der Signale, die an die Schaltung angelegt werden können, während sie bei niedrigeren Frequenzen (einige GHz) die Miniaturisierung der Schaltung begünstigt.

Beim derzeitigen Stand der Technologie ist es sehr schwierig, die Leiterbahnen mit der erforderlichen Präzision für mehr als 10 GHz zu dimensionieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrostrip-Schaltung anzugeben, die ohne besondere Schwierigkeiten den Betrieb mit wesentlich höheren Frequenzen ermöglicht als die bekannten Schaltungen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Schaltung gelöst.

Die bei hohen Frequenzen kritischen Dimensionierungs-Probleme können also erfindungsgemäß dadurch gemildert werden, daß durch die Regelschrauben eine kontinuierliche kapazitive Abstimmung des oder der Mikrostrips möglich ist.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine Schaltung gemäß der Erfindung;

Figur 2 eine Draufsicht auf einen Streckenabschnitt einer Schaltung gemäß der Erfindung;

Figur 3 einen Zirkulator gemäß der Erfindung; und

Figur 4 eine erfindungsgemäß realisierte Ausführungsform eines 3 dB-Kopplers.

In Figur 1 sind - nicht maßstabsgetreu - die Teile einer Schaltung der hier beschriebenen Art dargestellt, nämlich ein Substrat oder Träger 1, der vorzugsweise aus einem Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante besteht, ein auf dem Träger 1 angeordneter Mikrostrip (Mikrostreifenledter) 2 und zwei plattenförmige Metallschirme 3 und 4, die zueinander parallel und senkrecht auf der Ebene des Trägers angeordnet und mit der Massefläche der Mikrostrip-Schaltung verbunden sind. Vorzugsweise ist bei der dargestellten Ausführungsform die Massefläche der Schaltung auf dem Träger 1 realisiert und auf den Boden eines rinnenartigen Hohlraums 5 gelötet, der in einen Metallkörper 6 eingegraben ist. Die Breite d zwischen den Metallschirmen 3, 4 und ihre Höhe h (über dem Träger 1) sind in jedem Fall kleiner als die halbe Wellenlänge des Signals in Luft.

Von großer Wichtigkeit ist in Mikrowellenschaltungen die Möglichkeit, mit kontinuierlichen Mitteln die Schaltungscharakteristiken so einstellen zu können, daß sich die gewünschten Eigenschaften wie Impedanz, Resonanzfrequenz, äquivalente Länge usw. ergeben. Die für Mikrostrip-Schaltungen bisher bekannten kapazitiven Regelmittel erlauben aber nur eine diskontinuierliche Justierung. Dies gilt sowohl für Justierstellen auf denn Träger, die bei Bedarf mit Hilfe von leitenden Lacktropfen mit der Schal-

tung verbunden werden, als auch für höckerartige Vorsprünge der Schaltung, die ebenfalls mit leitenden Lacktropfen am Mikrostrip angebracht werden. Die bekannten diskontinuierlichen Regelmethoden sind überdies langwierig und mühsam.

Erfindungsgemäß erfolgt die Einstellung oder Justierung dagegen kontinuierlich (stufenlos) mit Hilfe von Schrauben 7, die von mindestens einem der als Seitenwände dienenden Metallschirme 3, 4 vorspringen. Um die Luftstrecke der Feldlinien des elektro-magnetischen Feldes zu reduzieren und eine ausschließlich kapazitive Kopplung zu erzielen, ordnet man die den Mikrostrip 2 bildende Leiterbahn möglichst nahe an und parallel zu der Seitenwand an.

Das von den zu den Metallschirmen parallelen Teilen des Mikrostrip 2 abgestrahlte Feld kann sich nicht in dem Hohlraum 5 ausbreiten und fortpflanzen, der wie ein von einem Signal unterhalb seiner Grenzfrequenz· erregter Hohlleiter arbeitet. Das zu den Schrauben 7 und zu den senkrecht zu den Metallschirmen liegenden Teilen des Mikrostrips 2 gehörende Feld kann sich nach außerhalb des Hohlraums 5 ausbreiten, wird jedoch von einem Verschluß aus leitendem Material wie z. B. einem Metallelement 8 blockiert. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die ganze Mikrostrip-Schaltung mit Hilfe eines Metallschirms "isoliert".

Die Verwendung eines Trägers aus "Duroid" oder einem anderen Material niedriger Dielektrizitätskonstante hat gegenüber Aluminiumoxid Vorteile bei hohen und höchsten Frequenzen (mehr als 10 GHz), da in dem Hohlraum 5 ein Feld ermöglicht wird, das sich nicht im Hohlraum ausbreitet, sich aber gut mit den Schrauben 7 koppelt, die somit einen besonders wirksamen Einfluß auf die Schaltung ausüben können. Außerdem können die Leiterbahnen größer sein.

-δι Es sei ferner erwähnt, daß der Durchmesser der Regelschrauben 7 wesentlich kleiner sein soll (weniger als 1/8) als die Wellenlänge des an die Schaltung angelegten Signals im Dielektrikum. Die obere Frequenzgrenze dieses Signals hängt somit davon ab, wie dünn die Schrauben im äußersten Fall sein können.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die hier beschriebene Mikrostrip-Schaltung auf einem Träger mit

ig hoher Dielektrizitätskonstante, beispielsweise aus Aluminiumoxid zu realisieren. Eine derartige Realisierung ist jedoch weniger vorteilhaft, da das Streufeld kleiner ist, der Regeleinfluß der Schrauben 7 also weniger wirksam ist, und da die Schrauben bei gegebener Frequenz dünner sein müssen. Entsprechend wird die Maximalfrequenz des Signals begrenzt, das an die hier beschriebene Schaltung angelegt werden kann.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Streckenabschnitt der hier beschriebenen Schaltung gemäß Figur 1 (die einen Querschnitt längs der Ebene I-I zeigt) nach Wegnahme des Metallelements 8. Erkennbar sind die gegenseitigen Positionen desViahe und parallel am Metallschirm 3 angeordneten Mikrostrips 2 und der Regelschraube 7. Ferner ist einer der Ansätze 9 sichtbar, die von dem Mikrostrip 2 beispielsweise zum Speisen aktiver Halbleiterbauelemente abzweigen können.

Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines Zirkulators gemaß der Erfindung. Er enthält eine Metallscheibe 10, die sich über einem (nicht dargestellten) Kern aus ferri-magnetischem Material befindet, der in den Träger 1 eingefaßt oder eingelassen ist. Von der Metallscheibe gehen drei Arme in Form der dargestellten Mikrostrips 11 aus, die einen gegenseitigen Phasenabstand von jeweils 120° haben und aus Leiterbahnen hoher Impedanz bestehen, deren Länge gleich der halben Wellenlänge des Signals im Dielektrikum

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ist. Sie sind an Speisungs-Leiterbahnen 12 mit niedriger Impedanz (typisch etwa 50 Ohm) angeschlossen.

Die drei Leiterbahnen sollen mit ihren entsprechenden Teilen möglichst genau parallel zu den Metallschirmen (entsprechend 3, 4) realisiert werden und stehen unter dem Einfluß der Regelschrauben (7), die in Figur 3 einfachheitshalber weggelassen sind. Die beiden parallel nebeneinander verlaufenden Mikrostrips 11 können gegenseitig mit Hilfe einer metallischen Bahn 13 "isoliert" werden, die über durchgehende metallisierte Löcher 14 an Masse angeschlossen ist, und einen gegenseitigen Abstand von mindestens 1/4 der Wellenlänge des Signals im Dielektrikum haben. Die ferner vorgesehenen Mittel zum Schließen des Magnetfeldes des Kernes sind nicht dargestellt und bedürfen keiner Beschreibung, da sie ansich bekannt sind.

Die .Dicke des ferri-magnetischen Kernes nimmt bekanntlich mit zunehmender Frequenz des angelegten Signales ab. Wenn gemäß der bei Zirkulatoren üblichen Konstruktion zwischen der dem Kern überlagerten Scheibe und den Speise-Leiterbahnen Viertelwellen-Elemente niedriger Impedanz angeordnet werden, muß in dem Frequenzbereich (mehr als -jo GHz), für den die Erfindung vor allem gedacht ist, der Kern bis zu einem extrem dünnen, nur wenige hundertstel mm dicken Blatt reduziert werden, das äußerst schwierig mit der erforderlichen Präzision herstellbar und außerdem entsprechend zerbrechlich ist. Dank der Verwendung der erwähnten Mikrostrips 11 als Halbwellen (^/2)-Elemente hoher Impedanz kann die Dicke des Kernes bis zu Werten (größere Bruchteile eines Millimeters) erhöht werden, bei denen er relativ einfach realisierbar, da weniger kritisch hinsichtlich der Dicke sowie robuster und besser zu handhaben ist. Die Impedanz des Kernes liegt in der Größenordnung derjenigen der Speise-Leiterbahnen 12.

-ΙΟΙ Gemäß einer (nicht dargestellten) anderen Ausführungsform bestehen den Mikrostrips 11 entsprechende Elemente aus zwei Viertelwellen ( "X /4)-Abschnitten, die in Kaskade angeordnet sind und voneinander derart verschiedene Impedanzen (in der Größenordnung der doppelten Impedanz einer Leiterbahn 12) haben, daß die Impedanz des Kernes zunehmend an diejenige der Leiterbahnen 12 angepaßt wird. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß man dem Kern eine noch zweckmäßigere Dicke, insbesondere diejenige des Trägers 1 geben kann, wodurch das Einsetzen erleichtert wird.

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform eines 3 dB-Richtungskopplers gemäß der Erfindung. Er weist einen Ring 15 gleichmäßiger Breite, der eine hohe Impedanz und eine mittlere Länge gleich der Wellenlänge des Signals im Träger 1 hat, auf. In der Mitte des Ringes 15 befindet sich eine in der dargestellten Weise "schmetterlingförmige" metallisierte Zone 16, die durch ein metallisiertes Loch 17 mit Masse verbunden ist.

In vergleichbaren bekannten Richtungskoppler^ besteht der Ring aus vier Segmenten, von denen jeweils zwei gleich sind, und die eine solche Breite haben, daß das Verhältnis zwischen den Impedanzen der benachbarten Segmente gleich y/2 bzw. 1 / \/~2 ist. Die Mittelöffnung des Ringes hat hier also eine "Schmetterlingsform" analog zu der der metallisierten Zone 16, jedoch um 90° verdreht. Mit zunehmender Frequenz wird der Durchmesser des Ringes immer kleiner. Die beiden einander gegenüberliegenden Segmente mit der kleineren Impedanz, d.h. mit der größeren Bahnbreite, nähern sich soweit, daß schließlich unerwünschte gegenseitige Interferenzen auftreten können.

^° Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Richtungskoppler ergibt sich wegen der Verwendung eines Substrates oder Trägers niedriger Dielektrizitätskonstante eine größere

Wellenlänge und somit ein größerer Ringdurchmesser. Da der Ring eine hohe Impedanz hat, ist er ferner entsprechend dünn. Die wegen der Schmetterlingsform der metallisierten Zone 16 unterschiedliche Entfernung von Masse hat einen entsprechenden Einfluß auf die Impedanz der einzelnen Segmente des Ringes 15. Die geometrisch wesentlich vorteilhaftere Anordnung gemäß Figur 4 entspricht also insoweit den vier Segmenten der bekannten Koppler, deren unterschiedliche Impedanzen durch Änderung IQ der Bahnbreite realisiert sind. Im übrigen verbessert das mit Masse verbundene zentrale metallisierte Loch die gegenseitige Isolation der einander gegenüberliegenden Ringsegmente.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gehen von dem Ring 15 zwei Paare von Leiterbahnen hoher Impedanz in Form der Mikrostrips 11 aus, deren Länge gleich der halben Wellenlänge ist, und die die Impedanz des Ringes an diejenige der Speise-Leiterbahnen 12 anpassen. Darstellungsgemäß kann die gegenseitige Isolation der Mikrostrips 11 jedes Paares durch zwischen ihnen liegende Bahnen 13 verbessert werden, die wie bei dem Zirkulator nach Figur 3 auf dem Träger 1 angeordnet und mit Masse verbunden sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Ring auch dieselbe Form wie bei den bekannten Richtungskopplern haben. In diesem Fall werden die Segmente größerer Breite durch ein mit Masse verbundenes zentrales metallisiertes Loch entsprechend dem Loch 17 in Figur isoliert.

Entsprechend der schon für den Zirkulator nach Figur 3 erwähnten Möglichkeit können auch für den Richtungskoppler (in seinen beiden möglichen Ausführungsformen hinsichtlich des Ringes 15) die als Anpassungselemente dienenden Mikrostrips 11 aus jeweils zwei miteinander in

1 Kaskade geschalteten Viertelwellen-Abschnitten hoher Impedanz gebildet werden.

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Leerseite

Claims (8)

1. Patentansprüche

   Schaltung für Höchstfrequenzsignale mit mindestens einem Mikrostrip auf einem dielektrischen Träger, dadurch gekennzeichnet,

   daß der dielektrische Träger (1) am Boden eines rinnenartigen Hohlraums (5) angeordnet ist, der durch zwei mit der Massefläche des Mikrostrips (2) verbundene, parallel zueinander auf der Ebene des Trägers (1) senkrecht stehende Metallschirme (3, 4) gebildet wird;

   daß mindestens einer der Metallschirme (3, 4) Gewindebohrungen aufweist, in die Regelschrauben (7) eingesetzt sind; daß der Mikrostrip (2) möglichst nahe an und parallel zu dem mit- den Regelschrauben (7) versehenen Metallschirm (3) ange-

   mOnchin nh.

   ordnet ist;

   und daß die Breite (d) und Höhe (h) des Hohlraums (5) kleiner sind als die halbe Wellenlänge des der Schaltung zugeführten Signals in Luft.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rinnenartige Hohlraum (5) durch ein mit den Metallschirmen (3, 4) verbundenes Metallelement (8) verschlossen ist.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Träger (1) mit niedriger Dielektrizitätskonstante ausgebildet ist.
4. 4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die zwei benachbarte Eingänge voneinander entkoppelt, insbesondere Zirkulator, dadurch gekennzeichnet , daß in den Träger (1) ein Kern aus ferri-magnetischem Material eingelassen ist, der eine Impedanz in der Größenordnung derjenigen einer an die Schaltung angeschlossenen Speise- oder Übertragungs-Leiterbahn (12) hat, und daß von einer über dem Kern angeordneten Scheibe (10) drei Mikrostrips (11) in regelmäßigen Abständen ausgehen, welche die Impedanz des Kerns an die der speisenden Leiterbahnen (12) anpassen. . .
5. 5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die in

   der Lage ist, die an einem Eingangstor angelegte °0 Leistung auf zwei Ausgangstore zu verteilen, insbesondere Richtungskoppler, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Träger (1) ein leitender Ring (15) gleichmäßiger Breite befindet, der eine mittlere Länge gleich der Wellenlänge des Signals im Träger (1) und eine hohe Impedanz hat; daß zentral in dem Ring (15) eine metallisierte schmetterlingsförmige Zone (16) angeordnet ist, die durch

   ein metallisiertes Loch (17) mit Masse verbunden ist; und daß zwei zueinander symmetrisch angeordnete Paare von Mikrostrips (11), welche die Eingangstore bzw. die Ausgangstore bilden, die Impedanz des Ringes (15) an die der speisenden Leiterbahnen (12) anpassen.
6. 6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1· bis 3, die in der Lage ist, die an einem Eingangstor angelegte Leistung auf zwei Ausgangstore zu verteilen, insbesondere Richtungskoppler, dadurch gekennzeichnet , daß sich auf dem Träger eine leitende Scheibe hoher Impedanz mit einer mittleren Länge gleich der Signalwellenlänge befindet, die eine zentrale schmetterlingsförmige Ausnehmung hat; daß in der Mitte der Scheibe ein mit Masse verbundenes metallisiertes Loch (entsprechend 17) angeordnet ist; und daß zwei zueinander symmetrisch angeordnete Paare von Mikrostrips (entsprechend 11), welche die Eingangstore bzw. die Ausgangstore bilden, die Impedanz der Scheibe an die der speisenden Leiterbahnen anpassen.
7. .7. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zur Anpassung dienende Mikrostrip (11) von hoher Impedanz ist und eine Länge gleich der halben Wellenlänge des Signals im Dielektrikum hat.
8. 8. Schaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, d a durch gekennzeichnet, daß jeder zur Anpassung dienende Mikrostrip (11) zwei miteinander in Kaskade liegende Abschnitte mit zueinander unterschiedlicher Impedanz aufweist, deren Länge 1/4 der Wellenlänge im Dielektrikum beträgt und deren Impedanz in der Größenordnung der doppelten Impedanz einer speisenden Leiterbahn (12) liegt.