DE4329570C2 - Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Hohlleiter/Mikro­ streifenleitungs-Übergang für den Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich, bei welchem auf einem ersten pla­ naren Substrat eine leerlaufende Mikrostreifenleitung über einem Koppelschlitz in der Massegrundfläche des Substrats angeordnet ist und sich unterhalb des Koppelschlitzes in der Öffnung eines bis an die Massegrundfläche herangeführ­ ten Hohlleiters ein zweites planares Substrat mit einem Dipolelement befindet, wobei zwischen erstem und zweitem Substrat ein Luftspalt vorgesehen ist und das Dipolelement in dem Luftspalt auf der Oberseite des zweiten Substrats angeordnet ist, nach Hauptpatent 42 08 058. Sie umfaßt auch eine Anordnung von mehreren derartigen Übergängen.

Für sehr viele Anwendungen auf dem Gebiet der Mikro- und Millimeterwellen-Technik werden heute planare Schaltungen eingesetzt, sei es in hybrid oder monolithisch integrier­ ter Form. Eine häufig dafür eingesetzte Leitungsform ist die Mikrostreifenleitung. Trotz aller Vorteile der plana­ ren Leitungen werden aber immer wieder Übergänge auf Hohl­ leiter benötigt; so basieren z. B. viele Antennen auf Hohl­ leitertechniken. Ein bisher häufig benutzter Übergang zwi­ schen Mikrostreifenleitung und Hohlleiter ist z. B. in dem Artikel von T. Q. Ho und Yi-Chi Shih: "Spectral Domain Analysis of E-Plane Waveguide to Microstrip Transitions"; in: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 37, No. 2, February 1989, Seiten 388-392 beschrieben.

Bei diesem bekannten Übergang wird die Mikrostreifenlei­ tung durch einen relativ kleinen Kanal in den Hohlleiter geführt. Nach der einen Seite führt der Anschlußhohlleiter weg; auf der anderen Seite ist ebenfalls ein ca. eine viertel Wellenlänge langes, kurzgeschlossenes Hohlleiter­ stück angebracht. Diese Anordnung erfordert eine komplexe Hohlleiterstruktur, die sich zudem noch auf beiden Seiten der planaren Struktur befindet.

Ferner ist in dem Artikel von P.L. Sullivan und D.H. Schaubert: "Analysis of an Aperture Coupled Microstrip An­ tenna"; in: IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No. 8, August 1986, Seiten 977-984 eine Kop­ pelstruktur zur Speisung einer offenen, planaren Antenne beschrieben, bei der auf einem planaren Substrat eine leerlaufende Mikrostreifenleitung über einem Koppelschlitz in der Massegrundfläche des Substrats angeordnet ist und sich oberhalb des Koppelschlitzes die planare Antenne befindet.

Bei dieser Anordnung wird die Hochfrequenzenergie über die Mikrostreifenleitung herangeführt und über den Koppel­ schlitz in die planare Antenne eingekoppelt und von dort abgestrahlt.

Schließlich ist in dem Artikel von H.O. Scheck: "A Novel Method of Cavity Resonator Coupling to Microstrip Lines"; in: Proceeding of the European Microwave Conference (EMC), 09.09. bis 12.09.1991 in Stuttgart, Seiten 807-811 eine Koppelstruktur bekannt, mit der ein Hohlraumresonator an ein Mikrostreifenleitung angekoppelt ist. Bei dieser An­ ordnung ist auf einem ersten planaren Substrat die Mi­ krostreifenleitung mit einem Anpaß-Netzwerk über einem Koppelschlitz in der Massegrundfläche des Substrats ange­ ordnet. Auf einem zweiten Substrat unterhalb des Koppel­ schlitzes ist ein Dipolelement angeordnet, das sich im In­ neren eines Hohlraumresonators befindet. Die Hochfrequenz­ energie wird bei dieser Anordnung über das Anpaßnetzwerk und den Koppelschlitz auf das Dipolelement geführt. Von dort wird die Energie in den Hohlraumresonator eingekop­ pelt und regt diesen bei der Resonanzfrequenz zum Schwin­ gen an.

Der Erfindung nach dem Hauptpatent liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang der eingangs genannten Art zu schaffen, der möglichst ein­ fach im Aufbau ist.

Die erfindungsgemäße Lösung nach dem Hauptpatent sieht hierfür einen Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang vor, bei dem einem ersten planaren Substrat eine leerlau­ fende Mikrostreifenleitung über einem Koppelschlitz in der Massegrundfläche des Substrats angeordnet ist und sich un­ terhalb des Koppelschlitzes in der Öffnung eines bis an die Massegrundfläche herangeführten Hohlleiters ein zwei­ tes planares Substrat mit einem Dipolelement befindet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei vorgesehen, daß sich zwischen dem ersten und zweiten Substrat ein Luftspalt befindet und daß das Dipolelement in dem Luft­ spalt auf der Oberseite des zweiten Substrats angeordnet ist.

Der Luftspalt zwischen den beiden Substraten erhöht die Bandbreite der Anordnung. Er bietet ferner die Möglich­ keit, das Dipolelement in ihm (d. h. auf der Oberseite des zweiten Substrats) anzuordnen, um es auf die Art und Weise sicher vor mechanischer Zerstörung zu schützen. Eine sol­ che Anordnung von zwei voneinander getrennten Substraten läßt sich außerdem sehr einfach herstellen. Allerdings er­ geben sich in machen Anwendungen Probleme mit der Befesti­ gung des zweiten Substrats in dem Hohlleiter bzw. mit des­ sen Abdichtung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach dem Haupt­ patent dahingehend zu verbessern, daß eine möglichst ein­ fache Art der Befestigung bzw. Lagerung des zweiten Sub­ strats in dem Hohlleiter gefunden wird.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben Ausführungsarten der Erfindung an.

Wesentliche Vorteile der Erfindung bestehen darin, a) daß das zweite Substrat auf einfache Art und Weise und dennoch sicher auf der durch die Querschnittsverkleinerung sich ergebenden Hohlleiterverengung befestigt werden kann und b) daß der Hohlleiter durch dieses zweite planare Substrat besser abgedichtet werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Dort sind a) eine Ausführungsform des Hohllei­ ter/Mikrostreifenleitungs-Übergangs nach dem Hauptpatent mit einem Luftspalt zwischen den beiden Substraten und b) eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Hohllei­ ter/Mikrostreifenleitungs-Übergangs nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, und zwar in beiden Figuren beispielhaft eines Übergangs von einem Rechteckhohlleiter auf eine Mi­ krostreifenleitung.

Bei diesem Übergang ist in beiden Figuren auf einem ersten planaren Substrat 1 eine leerlaufende Mikrostreifenleitung 2 angeordnet. Unterhalb dieser Leitung, etwa eine viertel Wellenlänge (λ/4) vor deren Ende, befindet sich in der Massegrundfläche 7 des ersten planaren Substrats 1 ein Koppelschlitz 3. Auf die Rückseite des ersten planaren Substrats 1 stößt ein Rechteckhohlleiter 6, 8, in dessen Ende sich ein zweites planares Substrat 5 befindet, auf dessen Oberseite im Inneren des Hohlleiters 6, 8 ein Dipol­ element 4 ("Patch") angeordnet ist.

Die Umrißkonturen des Koppelschlitzes 3 bzw. des Dipolele­ ments 4 sind rechteckförmig ausgebildet und verlaufen par­ allel zur Umrißkontur des Querschnitts des Hohlleiters 6, 8; Koppelschlitz 3 und Dipolelement 4 sind dabei mit ihrer Flächenausdehnung quer und symmetrisch zur Längsachse des Hohlleiters 6, 8 angeordnet. Diese Anordnung hat den Vor­ teil, daß sie besonders einfach berechnet werden kann.

Zwischen den beiden Substraten 1 und 5 befindet sich in beiden Ausführungsformen ein Luftspalt.

Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Übergängen besteht darin, daß bei dem Übergang in Fig. 2 der Quer­ schnitt des Hohlleiterbereichs 8 zwischen dem ersten pla­ naren Substrat 1 und dem zweiten planaren Substrat 5 größer ist als der des abgehenden Hohlleiters 6 unterhalb des zweiten Substrats 5. Die Querschnittsverkleinerung er­ folgt in Form einer rechtwinkligen Stufe, so daß eine Auflagefläche für das planare Substrat 5 entsteht und da­ mit eine exakte Justierung und Fixierung dieses Substrats 5 möglich ist. Die Unterseite des zweiten Substrats 5 ist mit einer rahmenförmigen Metallisierung 9 versehen, so daß eine hermetische Abdichtung des Hohlleiters 6, 8 an der Auflagefläche möglich ist z. B. durch Verlöten oder Ver­ schweißen oder Verkleben der rahmenförmigen Metallisierung 9 mit der Auflagefläche des Hohlleiters 6, 8. Zweckmäßi­ gerweise wird dabei als Material für das zweite Substrat 5 z. B. Quarz gewählt.

Bei diesen Übergängen wird die Hochfrequenzleistung von der Mikrostreifenleitung 2 über den Koppelschlitz 3 und das Dipolelement 4 in den Hohlleiter 6, 8 eingekoppelt. Durch geeignete Wahl der Elementabmessungen und der Mate­ rialien läßt sich erreichen, daß die Hochfrequenzleistung über eine ausreichend große Bandbreite mit gutem Wirkungs­ grad in den Hohlleiter eingekoppelt wird. Eine wichtige Rolle spielt dabei, daß der Koppelschlitz 3 erheblich unterhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben wird; dadurch wird die Hochfrequenzleistung fast vollständig in den Hohlleiter eingekoppelt, und nur ein verschwindend gerin­ ger Teil wird von der planaren Schaltung nach oben ins Freie abgestrahlt.

Im folgenden werden Ausführungsarten der Erfindung angesprochen: Es ist möglich, mehrere der beanspruchten Übergänge in einer einzigen Anordnung zusammenzufassen mit einem einzigen gemeinsamen ersten Substrat, auf dem die leerlau­ fenden Mikrostreifenleitungen der einzelnen Übergänge an­ geordnet sind, bzw. mit einer einzigen gemeinsamen Masse­ grundfläche des gemeinsamen ersten Substrats, in der sich die Koppelschlitze der einzelnen Übergänge befinden und an die die Hohlleiter der einzelnen Übergänge herangeführt sind.

Ferner ist es möglich, anstelle des Rechteckhohlleiters einen Hohlleiter mit einem anderen, z. B. kreis- oder el­ lipsenförmigen Querschnitt zu verwenden bzw. anstelle der rechteckförmigen Umrißkonturen des Koppelschlitzes bzw. des Dipolelements in den Fig. 1 und 2 andere Umrißkon­ turen dieser Schaltungselemente zu wählen, beispielsweise kreis- oder ellipsenförmige Konturen. Dabei kann es sich als zweckmäßig erweisen, die Umrißkontur des Koppelschlit­ zes bzw. des Dipolelements so zu wählen, daß sie parallel oder zumindest annähernd parallel zur Umrißkontur des Querschnitts des Hohlleiters verläuft.

Auch kann der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Schichtaufbau ab­ geändert werden. Beispielsweise ist es möglich, das zweite Substrat mit weiteren Schichten zu versehen, um die Band­ breite der Anordnung zu erhöhen bzw. um das Dipolelement vor mechanischer Zerstörung zu schützen. Man kann natür­ lich auch den Querschnitt des Hohlleiterbereichs (6 in Fig. 2) unterhalb der Oberseite des zweiten Substrats (5 in Fig. 2) größer machen als denjenigen des Hohlleiterbe­ reichs (8 in Fig. 2) oberhalb des zweiten Substrats und das zweite Substrat mit seiner Oberseite an der dadurch entstehenden Auflagefläche im Hohlleiter fixieren. Dies ist i.a. allerdings nur möglich, wenn der Hohlleiterbe­ reich unterhalb des zweiten Substrats nicht allzu lang ist oder eine Trennstelle hat.

Claims (8)

1. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang für den Mi­ krowellen- und Millimeterwellenbereich, bei welchem auf einem ersten planaren Substrat (1) eine leerlaufende Mikrostreifenleitung (2) über einem Koppelschlitz (3) in der Massegrundfläche (7) des Substrats (1) angeordnet ist und sich unterhalb des Koppelschlitzes (3) in der Öffnung eines bis an die Massegrundfläche (7) herangeführten Hohlleiters (6) ein zweites planares Substrat (5) mit einem Dipolelement (4) befindet, wobei zwischen erstem (1) und zweitem Substrat (5) ein Luftspalt (8) vorgesehen ist und das Dipolelement in dem Luftspalt auf der Oberseite des zweiten Substrats angeordnet ist, nach dem Anspruch 7 des Hauptpatents 42 08 058, da­ durch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hohlleiters (6, 8) im Bereich (8) zwischen dem ersten planaren Sub­ strat (1) und der Unterseite (Oberseite) des zweiten planaren Substrats (5) größer (kleiner) ist als im Bereich (6) unterhalb der Unterseite (Oberseite) des zweiten planaren Substrats (5) und daß der Querschnitt des zweiten planaren Substrats (5) größer ist als der Querschnitt des Hohlleiters (6, 8) im Bereich (6) unterhalb (im Bereich (8) oberhalb) des zweiten planaren Substrats (5).

2. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkleinerung des Querschnitts des Hohlleiters (6, 8) unterhalb des zweiten planaren Substrats (5) in Form einer rechtwinkli­ gen oder zumindest annähernd rechtwinkligen Stufe vor­ liegt, auf der das zweite planare Substrat (5) mit dem äußeren Teil seiner Unterseite aufliegt.

3. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise aus Quarz bestehende zweite planare Substrat (5) den Hohllei­ terbereich (6) mit dem kleineren Querschnitt hermetisch abdichtet, indem vorzugsweise das Substrat (5) mit einer rahmenförmigen Metallisierung (9) versehen ist, die im Be­ reich der Stufe mit dem Hohlleiter (6, 8) verschweißt oder verlötet oder verklebt wird.

4. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelschlitz (3) in einem Abstand von λ/4 oder annä­ hernd λ/4 vom freien Ende der Mikrostreifenleitung (2) an­ geordnet ist mit λ gleich der Signalwellenlänge bei der Betriebsfrequenz.

5. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (6, 8) ein Rechteckhohlleiter oder ein Hohlleiter mit rundem oder ellipsenförmigem Querschnitt ist.

6. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke und/oder die Dielektrizitätskonstante (ε_r1, ε_r2) der beiden Substrate (1, 5) unterschiedlich ist (sind).

7. Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere das zweite Substrat (5) geschichtet ausge­ führt ist.

8. Anordnung mehrerer Hohlleiter/Mikrostreifenleitungs- Übergänge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der ersten Sub­ strate, vorzugsweise jedoch alle ersten Substrate der ein­ zelnen Übergänge zu einem gemeinsamen ersten Substrat mit einer gemeinsamen Massegrundfläche zusammengefaßt ist (sind).