DE4322044A1 - Dipol-Sonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dipol-Sonde gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus der DE 31 13 472 C2 bekannt ist.

Dipol-Sonden werden beispielsweise in Luftfahrzeugen zur Detektion der Fahrzeugumgebung integriert. In erdgebun­ denen Fahrzeugen kommen sie derzeit noch nicht zur Anwen­ dung, da z. B. aufgrund von Streufeldern sowie Wellenaus­ breitungsparametern die bisherigen Anordnungen keine sinn­ volle Detektion erlauben.

Eine Dipol-Sonde in Form eines Sensorsystemes zum Einsatz z. B. in Flugkörpern ist in DE 31 13 472 C2 beschrieben.

Das dortige Sensorsystem besteht aus einer Dipolantenne und einem Mischer. Zwischen der Antenne und dem Mischer, der Teil einer Auswerteschaltung ist, sind keine weiteren Zwischengruppen realisiert. Der Mischer selbst ist mit ei­ nem ihn speisenden Mischeroszillator verbunden. Am Ausgang des Mischers ist eine Auswerteeinheit realisiert.

Ferner ist allgemein bekannt, daß bei Frequenzen höher als 40 GHz TEM-Wellen, welche einfache Realisierungsmöglich­ keiten von Impedanztransformatoren und Adaptierungsschal­ tungen erlauben, nicht mehr eindeutig sind. Die Zuführung von HF-Leistung geschieht über den Hohlleiter, dessen Wel­ lenwiderstand um den Faktor von ca. 6 bis 7 höher ist als bei einer die TEM-Welle führenden Koaxialleitung. Da viele Schaltungen im mm-Wellenbereich sehr niedrige Wirkwider­ stände besitzen - der Wirkwiderstand am LO-Eingang eines Gegentaktmischers bei einer Frequenz von 100 GHz beträgt z. B. nur ca. 4 Ohm - ist das Transformationsverhältnis sehr schwierig zu realisieren bei einem Wellenwiderstand des Hohlleites von ca. 600 Ohm. Bei so großen Transforma­ tionsverhältnissen sind einfache Sonden, wie beispiels­ weise die kapazitive E-Feldsonde, nur noch bedingt ein­ setzbar. Hierbei ist der das Verhältnis von über die Sonde in die Schaltung eingekoppelter und der der Sonde vom Hohlleiter zugeführten Leistung bestimmende Koppelfaktor abhängig von der Eintauchtiefe t. Ist die Eintauchtiefe t<λ/8 (λ= Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz), wird die Sondenreaktanz schnell induktiv und der Koppelfaktor nimmt ab. Die Sonde speichert dann sehr viel Blindlei­ stung, welche die Bandbreite drastisch einschränkt.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Di­ pol-Sonde zu schaffen, die einen großen Koppelfaktor auf­ weist. Ferner sollte diese Dipol-Sonde breitbandig aus­ fallen.

Die Erfindung ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthal­ ten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Dipolantenne auf einem Substrat realisiert ist. Das Sub­ strat selber ist in einem ersten Hohlleiter senkrecht oder zumindest in etwa senkrecht zur Hohlleiter-Längsachse fi­ xiert. Der Ausgang der Dipolantenne ist als Koplanarlei­ tung ausgebildet.

Im weiteren sei die Erfindung an nachfolgenden Figuren ex­ emplarisch veranschaulicht, wobei in unterschiedlichen Fi­ guren gleiche Bezugszeichen gleiche Bezugselemente kenn­ zeichnen. Es zeigt

Fig. 1 einen Aufbruch zweier Hohlleiter, von welchem in einem der beiden jeweils Teile einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dipol-Sonde zu sehen sind;

Fig. 2 ein Schnittbild durch den Aufbruch nach Fig. 1;

Fig. 1 zeigt einen Aufbruch zweier Hohlleiter, von welchem in einem der beiden jeweils Teile einer bevorzugten Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Dipol-Sonde zu sehen sind. Im ersten Hohlleiter 21 ist ein Substrat 10 zu er­ kennen. Das Substrat 10 weist eine Metallisierung in Form einer Dipol-Sonde 30 auf, an die metallisch leitend auf dem Substrat 10 die zwei Schlitze einer Koplanarleitung 50 realisiert sind. Das Substrat 10 ist kreisförmig und ist senkrecht zur (nicht eingezeichnet) Hohlleiter-Längsachse des ersten Hohlleiters 21 fixiert.

Die Koplanarleitung 50 verbindet die Dipol-Sonde 30 mit einem Mischer 60, z. B. einem Mischer, der außerhalb des ersten Hohlleiters 21, in einem weiteren Hohlleiter 22 re­ alisiert ist. Das Substrat dieses Mischers 60 ist dort ebenfalls kreisförmig und senkrecht zur (nicht eingezeich­ net) Hohlleiter-Längsachse des weiteren Hohlleiters 22 fixiert. Die Hohlleiter-Längsachse des ersten Hohlleiters 21 und des weiteren Hohlleiters 22 sind parallel zueinan­ der angeordnet.

Wie man anhand der Figur erkennt, weisen der erste Hohl­ leiter 21 und der weitere Hohlleiter 22 vorteilhafterweise jeweils die Form eines Rundhohlleiters auf. Alternativ hierzu können der erste Hohlleiter 21 und der weitere Hohlleiter 22 als Rechteckhohlleiter realisiert sein oder jeweils eine andersartige Hohlleiterform aufweisen.

Fig. 2 zeigt ein Schnittbild A-A′ durch den Aufbruch nach Fig. 1. Zu erkennen sind u. a. die Dipolantenne 30, die Koplanarleitung 50, der Mischer 60, Teile des ersten Hohl­ leiters 21, des weiteren Hohlleiters 22, sowie ein Tief­ paßfilter 80, der außerhalb des weiteren Hohlleiters 22 liegt. Die Dipolantenne 30 weist in etwa die Form eines Dreieckes auf, dessen erste Ecke 33 mit einem ersten Zu­ leitungsende der Schlitzleitung 50 metallisch verbunden ist. Die beiden anderen Ecken 31, 32 der dreieckförmigen Dipolantenne 30 sind abgerundet ausgebildet. Alternativ hierzu können die beiden anderen Ecken 31, 32 der dreieck­ förmigen Dipolantenne 30 abgeflacht oder spitz realisiert sein. Die Winkel zwischen der Basisseite 34 - gebildet durch die Verbindungslinie mit den beiden anderen Ecken 31 und 32 als Eckpunkte - und den Seiten des Dreieckes weisen einen mittleren Wert von 25° auf. Alternativ hierzu können die jeweiligen Winkel einen mittleren Wert von 20° bis 65° aufweisen, wobei die minimalen bzw. maximalen Werte für die jeweiligen Winkel bei 1° bzw. 80° liegen. Die Basis­ seite 34 des Dreieckes 30 ist um 25° gegenüber einer der beiden Metallisierungskanten 41 einer metallisierten Flä­ che 40 auf dem Substrat 10, die mit einer sie durchdrin­ genden Mittelleitung 51 die Koplanarleitung 50 bildet, im mathematisch positiven Sinne geneigt. Alternativ hierzu kann die Basisseite 34 des Dreieckes 30 gegenüber einer der beiden Metallisierungskanten 41 zwischen 10° und 40°, maximal jedoch zwischen 1° und 0° geneigt sein.

Der Mischer 60 ist auf einem weiteren Substrat 11 in einem weiteren Hohlleiter 22 realisiert. Eine Mittelleitung 51 durchquert den Mischer 60 axial und teilt ihn in zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete Teile. Die Mit­ telleitung 51 erweitert sich an dem mit dem Mischer 60 verbundenen Koplanarleitungsende der Schlitzleitung 50 in dem Mischer 60 stetig. Sie ist wie die Projektion eines Trichters erweitert und verjüngt sich stetig nach Errei­ chen eines Scheitelpunktes 52 ohne einen scharfkantigen Übergang. Die Mittelleitung 51 ist in dem Mischer 60 in zwei, vorzugsweise in etwa gleichlange Teil-Leitungen un­ terteilt. Die beiden Teil-Leitungen sind über eine Kon­ taktierungsfläche 53 metallisch miteinander verbunden. Weiterhin ist die Mittelleitung 51 im Mischer 60 von einer Metallisierung 70 berandet.

Die Kontaktfläche 53 ist über mindestens eine (nicht ge­ zeigte) Diode mit der Metallisierung 70 verbunden. Auf der von der Mittelleitung 51 jeweils abgewandten Seite der Me­ tallisierung 70 sind metallfreie, zur Mittelleitung 51 spiegelsymmetrisch ausgerichtete metallfreie Flächen 71 auf dem Substrat 10 realisiert.

Prinzipiell funktioniert die Dipol-Sonde wie folgt.

Der E-Feld-Verteilung im Hohlleiter entsprechend wird vor­ wiegend im Bereich der Hohlleitermitte des ersten Hohl­ leiters 21 Leistung in die Dipolantenne 30 und in den als Schlitzleitung wirkenden Bereich der Kante 41 und der ihr gegenüberliegenden Kante der Dipol-Antenne 30 eingekop­ pelt. Zerlegt man den E-Feld-Vektor in die in der Schal­ tung wirksamen Komponenten, nämlich eine, welche an den metallischen Rändern der Dipolantenne 30 einen Leitungs­ strom zur Folge hat und einer Komponente, welche einen Verschiebungsstrom in der Schlitzleitung verursacht, so erkennt man, daß die Leistungskopplung vom Hohlleiter in die Planarschaltung durch die Dipolantenne 30 und einer Schlitzleitung bewirkt wird. Die Leistungen von beiden Bauelementen addieren sich in der aus den ersten Hohllei­ ter 21 führenden Koplanarleitung. Die Gesamtanordnung stellt eine Sende-Empfangsanlage dar.

Die Hohlleiterwelle breitet sich im ersten Hohlleiter 21 aus und verläßt ihn an einem Ende des ersten Hohlleiters 21. Wird diese Welle außerhalb der Sende-Empfangsanlage an einem Objekt reflektiert und gelangt sie anschließend in den weiteren Hohlleiter 22, so erfolgt in dem etwa am ge­ schlossenen Ende des Hohlleiters 22 befindlichen Mischer 60 eine Mischung dieser reflektierten Welle, der das Mischprodukt aus der reflektierten Welle und der von der Dipolantenne 30 über die Schlitzleitung 50 in den Mischer 60 eingekoppelten Welle bildet.

Hierbei vermeidet die Dipol-Sonde ganz gravierend die Nachteile, welche sich z. B. bei den oben genannten kapa­ zitiven E-Feldsonden ergeben, indem nämlich aufgrund der hohen Blindleistung der Sonde bei starker Ankopplung die Hohlleiter-Impedanz erheblich verändert wird.

Die erfindungsgemäße Dipol-Sonde vermeidet diese Nachteile insbesondere dadurch, daß die Sonde als Dipol ausgebildet ist und zusätzlich aufgrund einer Masseanordnung als eine Schlitzleitungssonde wirksam ist. Die Leistungsauskopplung geschieht orthogonal zur Ausbreitungsrichtung der Hohllei­ terwelle und orthogonal zum E-Feldvektor. Die Lage des Di­ pols bezüglich des E-Feldvektors der Hohlleiterwelle be­ trägt z. B. ca. 45 Grad. Von der Hohlleiterbegrenzung ist eine Maßefläche bis in die Nähe des Dipols angeordnet und bildet mit dem Dipol eine Schlitzleitung. Der Dipol ist etwas gekrümmt, wobei die Enden von der Metallisierung wegzeigen.

Somit ergeben sich als Vorteile gegenüber den genannten Sonden:

• - die einfache Impedanztransformation durch entspre­ chenden Abgriff am Dipol;
• - ein großer Koppelfaktor aufgrund der Wirkung als Doppelsonde (Dipol, Schlitzleitung);
• - eine große Bandbreite sowie
• - Einsparungen eines Polarisationsdrehgliedes bei zahlreichen Anwendungen.

Claims (5)

1. Dipol-Sonde, bestehend aus einer Dipol-Antenne, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - die Dipolantenne (30) auf einem Substrat (10) aus­ gebildet ist;
• - das Substrat (10) in einem ersten Hohlleiter (21) senkrecht oder zumindest in etwa senkrecht zur Hohlleiter-Längsachse fixiert ist;
• - der Ausgang der Dipolantenne als Koplanarleitung ausgebildet ist;
• 2. Dipol-Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolantenne (30) in etwa die Form eines Dreieckes aufweist, dessen erste Ecke (33) mit einem ersten Zulei­ tungsende der Koplanarleitung (50) metallisch verbunden ist.

3. Dipol-Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden anderen Ecken (31, 32) der dreieckförmigen Dipolantenne (30) abgeflacht oder abgerundet oder spitz ausgebildet sind.

4. Dipol-Sonde nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden anderen Ecken (31, 32) bildenden Winkel jeweils Werte in etwa zwischen 10° bis 80°, vorzugsweise zwischen 20° und 65° annehmen.

5. Dipol-Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden anderen Ecken (31, 32) direkt miteinan­ der verbindende Basisseite (34) des Dreieckes (30) zwi­ schen 10° und 30° gegenüber einer (41) der beiden Metalli­ sierungskanten (40, 41) einer metallisierten Fläche (40) auf dem Substrat (10), die mit einer sie durchdringenden Mittelleitung (51) die Koplanarleitung (50) bildet, ge­ neigt ist.

6. Dipol-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipol-Sonde in einem Frequenzbe­ reich oberhalb 30 GHz arbeitet.