Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter-Microstreifenübergang
mit verringerter Höhe, bei dem der Microstreifen kapazitiv an einen
Wellenleiter mit vorbestimmtem Verhältnis von Breite zu Höhe mittels eines
leitenden T-Balkenmusters angekoppelt ist, das auf einer Seite eines
Substrats gebildet ist.
Beschreibung des Standes der Technik
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Standard-Wellenleiter-Microstreifenübergänge sind beispielsweise
in den US-Patenten 3 518 579, ausgegeben an M. Hoffman am 30. Juni 1970,
4 052 683, ausgegeben an J.H.C. van Heuven et al. am 04. Oktober 1977 und
4 453 142, ausgegeben an E.R. Murphy am 5. Juni 1984 sowie in einem Aufsatz
von E. Smith et al. in Communications International, Band 6, Nr. 7, Juli
1979, Seiten 22, 25 und 26 beschrieben. Alle diese Übergänge werden jedoch
zur Verbindung von Wellenleitern voller Höhe mit entweder Microstreifen
- oder Koaxialleitungsanschlüssen benutzt. In bestimmten Anwendungsfällen,
beispielsweise bei Systemen mit phasengesteuerten Anordnungen, bei denen
Tausende von Wellenleiterhörnern zusammengepackt sind, werden im
allgemeinen im Hinblick auf kleine Abmessungen und geringes Gewicht
Wellenleiter mit verringerter Höhe gewählt. Ein Beispiel für die Verwendung
von Wellenleitern mit verringerter Höhe ist beispielsweise im US-Patent
4 689 631, ausgegeben an M.J. Gans et al. am 27. August 1987 beschrieben,
bei dem eine Raumverstärkeranordnung in der Apertur einer Antenne
angebracht ist. Der Raumverstärker umfaßt eine Wellenleiteranordnung, bei
der Eingangs- und Ausgangswellenleiterabschnitte voller Größe je mittels
einer Impedanzanpaßanordnung auf einen Wellenleiterabschnitt verringerter
Höhe verkleinert sind, in den ein getrennter Teil einer Microstreifen-
Verstärkeranordnung hineingeführt ist.
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Das Problem bei der Bereitstellung Von Übergängen von
Microstreifen auf Wellenleiter verringerter Höhe besteht darin, daß der
Übergang sich in den Wellenleiterabschnitt verringerter Höhe mit einer
Länge erstrecken sollte, die etwa gleich einer Viertelwellenlänge des vom
Übergang aufzunehmenden oder abzustrahlenden Signals ist. Der Abstand einer
Viertelwellenlänge steht zwar bei Standardwellenleitern voller Größe zur
Verfügung, Wellenleiter verringerter Höhe besitzen jedoch keinen solchen
Abstand zwischen den sich dichter gegenüberliegenden, breiten Wänden des
Wellenleiters. Wenn daher die bekannten Übergänge, die normalerweise in
Verbindung mit Wellenleitern voller Größe benutzt werden, durch eine der
sich dichter gegenüberliegenden Wände des Wellenleiters verringerter Höhe
geführt werden, so würde ein solcher Übergang durch die gegenüberliegende
Wellenleiterwand eines Wellenleiters verringerter Höhe kurzgeschlossen.
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Daher besteht das nach dem Stand der Technik verbleibende Problem
darin, einen Übergang von einem Microstreifen auf einen Wellenleiter
verringerter Höhe zu schaffen, der den erforderlichen Abstand von einer
Viertelwellenlänge für die Einführung in einer der sich dicht
gegenüberliegenden Wände eines Wellenleiterabschnitts verringerter Höhe
bereitstellt, ohne kurzgeschlossen zu werden, und dabei in der Lage ist,
wirksam Signale zwischen dem Microstreifen und dem Wellenleiterabschnitt
verringerter Höhe zu übertragen.
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Eine im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebene Einrichtung ist
offenbart in JP-A-60192402. Bei dieser Einrichtung wird von dem Umstand
Gebrauch gemacht, daß bestimmte Microstreifen-Wellenleiterübergänge nach
dem Stand der Technik den Microstreifen mittels einer Metallstütze
integrieren, die zwar der Struktur Festigkeit gibt, aber den
Umwandlungswirkungsgrad dadurch verringert, daß sie den Wänden des
Wellenleiters ausgesetzt ist. Dünne Metallplatten mit hoher Leitfähigkeit
und niedrigen Verlusten werden an der Stütze angebracht, um den
Hautwiderstand der Wellenleiterwände herabzusetzen.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein
Microstreifenübergang gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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Das oben beschriebene Problem nach dem Stand der Technik ist durch
die vorliegende Erfindung gelöst worden, die sich auf einen Übergang von
einem Microstreifen auf einen Wellenleiter verringerter Höhe bezieht. Der
Übergang umfaßt ein leitendes T-Balkenmuster auf einer Hauptfläche des
Microstreifens. Das T-Balkenmuster ermöglicht die Bereitstellung eines
Abstandes von etwa einer Viertelwellenlänge, gemessen entlang dem Körper
als auch einem Arm des T-Musters, und zwar ohne daß das Muster gegen die
Wand des Wellenleiterabschnitts verringerter Höhe kurzgeschlossen wird,
wenn es durch eine Öffnung in der Wand des Wellenleiters verringerter Höhe
geführt wird. Solche Übergänge können auch als Übergänge von einem
Wellenleiter verringerter Höhe auf einen Microstreifen sowie einen
Wellenleiter verwendet werden und haben die Form eines kaskadierten Doppel-
T-Balkenübergangs auf dem Microstreifen-Substrat.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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Fig. 1 die Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels für einen T-
Balkenübergang auf einer Hauptfläche eines Microstreifens entsprechend der
Erfindung, angeordnet innerhalb eines Rechteck-Wellenleiters verringerter
Höhe;
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Fig. 2 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1;
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Fig. 3 die Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels einer
Microstreifen-Metallisierung für einen Wellenleiter-Microstreifen-
Wellenleiterübergang nach der Erfindung;
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Fig. 4 die Rückansicht eines Ausführungsbeispiels einer
Microstreifen-Erdebenen-Metallisierung für das Ausführungsbeispiel nach
Fig. 3;
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Fig. 5 die Seitenansicht eines Wellenleiter-Microstreifen-
Wellenleiterübergangs gemäß Fig. 2 zwischen zwei Wellenleiterabschnitten
verringerter Höhe;
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Fig. 6 einen Graphen für den Strahlungswiderstand in Abhängigkeit
von der Frequenz für einen speziell dimensionierten T-Balkenübergang gemäß
Fig. 1, wenn der Übergang im Innern eines speziell dimensionierten
Wellenleiters verringerter Höhe angeordnet ist.
Ins einzelne gehende Beschreibung
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Fig. 1 und 2 zeigen eine Vorder- bzw. Seitenansicht einer
Microstripleitung 10, die in einem T-Balken-Antennenübergang 12 mit einer
breite 2W endet und auf einer ersten Hauptfläche eines Substrats 11
gebildet ist. Das Substrat kann jedes geeignete Material umfassen,
beispielsweise Aluminiumoxid. Der T-Balkenübergang verbindet die
Microstrip-Übertragungsleitung 10, die mit einer Last 14 abgeschlossen ist,
mit einem Wellen- oder Hohlleiterabschnitt 15 verringerter Höhe mit einer
Breite a und einer Höhe b. Lediglich als Beispiel soll nachfolgend davon
ausgegangen werden, daß die Microstripleitung 10 eine Breite von 1,55 mm
(0,062 inch) hat, es kann aber jede andere geeignete Breite der Leitung
benutzt werden. Außerdem wird eine leitende Erdebene 13 auf einer zweiten
Hauptfläche des Substrats 11 gegenüber der ersten Hauptfläche gebildet,
derart, daß die Erdebene sich nicht in den Bereich gegenüber dem T-
Balkenübergang 12 erstreckt. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, wird das Substrat
11 durch eine Öffnung 16 in einer Wand des Wellenleiterabschnitts 15
verringerter Höhe eingeführt, so daß der zentrale Leiter, der den Schenkel
des T-Balkenübergangs 12 bildet, sich um einen vorbestimmten Abstand h in
den Wellenleiter 15 erstreckt.
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Wie in der Seitenansicht gemäß Fig. 2 dargestellt, wird, wenn das
Substrat 11 in die Öffnung 16 des Wellenleiterabschnitts 15 eingeführt ist,
die Erdebene 13 auf geeignete Weise mit der Wand des Wellenleiters 15
verbunden, beispielsweise dadurch, daß sie in Kontakt gebracht wird,
während der T-Balkenübergang sich durch die Öffnung 16 des
Wellenleiterabschnitts 15 ohne Kontakt mit einer Wand des Abschnitts
erstreckt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Erdebene 13 den
gegenüberliegenden Bereich des T-Balkenübergangs 12 nicht überlappt, wenn
er im Wellenleiterabschnitt 15 angebracht ist, so daß elektromagnetische
Signale 18, die sich in Richtung zum T-Balkenübergang 12 ausbreiten oder
von diesem ausgehen, durch das Substrat 11 hindurchlaufen können. Ein
gleitender Kurzschluß 17 ist in einem Abstand 1 hinter dem T-Balken-
Antennenübergang 12 angebracht, um in bekannter Weise die Reaktanz der
Antenne 12 durch Abstimmung zu kompensieren und Reflexionen zu vermeiden.
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Der Strahlungswiderstand ist in Wörterbüchern der
Nachrichtentechnik als derjenige elektrische Widerstand definiert, der,
wenn er an Stelle einer Antenne eingefügt wird, die gleiche Leistung
verbraucht, wie sie von der Antenne abgestrahlt wird, oder als das
Verhältnis der von der Antenne abgestrahlten Leistung zum Quadrat des
Effektivwertes für den Antennenstrom an einem angegebenen Punkt. Es ist
bekannt, daß der Strahlungswiderstand einer offenen Sendeantenne in einem
Wellenleiter für einen vorbestimmte Wellenlänge von der Freiraum-Impedanz,
der Ausbreitungskonstanten einer bestimmten TE-Moden (beispielsweise der
TE&sub1;&sub0;-Mode, der Ausbreitungskonstanten des freien Raums, dem
Kurzschlußabstand 1 sowie der Breite a und Höhe b des Wellenleiters
abhängt. Fig. 6 zeigt einen Graphen für beispielhafte Werte des
Strahlungswiderstandes in Abhängigkeit von der Frequenz bei einem ersten
und einem zweiten T-Balken-Antennenübergang 12, der innerhalb eines
Standard-WR-229-Wellenleiterabschnitts 15 mit verringerter Höhe angebracht
ist.
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Für ein erstes Ausführungsbeispiel eines T-Balken-
Antennenübergangs mit einer Halbbreite W = 12,7 mm (0,500 inch) und einer
Höhe h = 3,8 mm (0,150 inch) in einem WR-229-Wellenleiterabschnitt
verringerter Höhe mit einer Breite a = 28,2 mm (2,29 inch) und einer Höhe b
= 5,1 mm (0,200 inch) sind die beispielhaften Werte der
Strahlungswiderstandes für verschiedene Frequenzen durch die Punkte in Fig.
6 dargestellt. Man beachte, daß der Strahlungswiderstand des ersten T-
Balkenübergangs 43,5 Ohm bei 4,0 Ghz beträgt. Fig. 6 zeigt außerdem
beispielhafte Werte des Strahlungswiderstandes für einen zweiten T-Balken-
Antennenübergang 12 mit einer Halbbreite W = 12,8 mm (0,700 inch) und einer
Höhe h = 3,8 mm (0,150 inch) in einem WR-229-Wellenleiterabschnitt 15
verringerter Höhe. Die Werte des Strahlungswiderstandes sind durch Kreuze
für die verschiedenen Frequenzen angegeben. Man beachte, daß bei 4,0 Ghz
der Strahlungswiderstand des zweiten T-Balken-Antennenübergangs = 50 Ohm
ist. Man erkennt demgemäß, daß durch vergrößern der Halbbreite W des T-
Balken-Antennenübergangs von 12,7 mm (0,50 inch) für den ersten T-
Balkenübergang auf 17,8 mm (0,70 inch) für den zweiten T-Balkenübergang der
Strahlungswiderstand von 43,5 Ohm auf 50 Ohm erhöht worden ist. Eine solche
Änderung des Strahlungwiderstandes zeigt, daß ein Ausgleich zwischen der
Breite (2W) des T-Balkenübergangs und seiner Höhe (h) vorhanden ist, und
daß ein kurzer T-Balkenübergang funktionsfähig ist, wenn seine Breite
erhöht wird. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß durch Einstellung der
Breite und Höhe des T-Balkenübergangs 12 ein guter Übergang zwischen einer
Microstripleitung 12 und einem Wellenleiter 15 verringerter Höhe
konstruiert werden kann. Beispielsweise ergibt sich für die
Wellenleiterimpedanz eines WR-229-Wellenleiters verringerter Höhe bei 4 Ghz
ein Wert von 69 Ohm, der mit dem Strahlungswiderstand des zweiten T-Balken-
Antennenübergangs vergleichbar ist.
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Der vorliegende T-Balken-Antennenübergang kann auch zur Schaffung
eines Wellenleiter-Microstrip-Wellenleiterübergangs verwendet werden, indem
2 T-Balkenübergänge gemäß Fig. 1 auf die in Fig. 3 dargestellte Weise
kaskadiert werden. Im einzelnen ist entsprechend der Vorderansicht in Fig.
3 ein erster T-Balken-Antennenübergang 12a direkt über eine
Microstripleitung 10 auf einem Substrat 11 mit einem zweiten T-Balken-
Antennenübergang 12b verbunden. Ein solcher Übergangstyp kann
beispielsweise zur Verbindung von Hybrid- und monolithischen
Hochgeschwindigkeitsschaltungen mit Eingangs- und Ausgangsports von
Wellenleitern verringerter Höhe verwendet werden. Für einen solchen Einsatz
koppelt der erste T-Balkenübergang 12a Microwellenenergie an oder aus einem
ersten Wellenleiterabschnitt und der zweite T-Balkenübergang 12b koppelt
Microwellenenergie aus oder an einen zweiten Wellenleiterabschnitt. Die
Rückansicht eines solchen Wellenleiter-Microstrip-Wellenleiterübergangs ist
in Fig. 4 gezeigt und enthält als Beispiel eine metallisierte Rückebene 13
auf einem Substrat 11. Wie oben angegeben, ist die Metallisierung der
Rückebene in dem Bereich gegenüber den T-Balken-Antennenübergängen 12a und
12b weggelassen, damit elektromagnetische Wellen von beiden Seiten des
Substrats 11 auf die Übergänge auftreffen können.
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Fig. 5 zeigt die Querschnittsansicht eines breitbandigen
Wellenleiter-Microstrip-Wellenleiterübergangs 20 des in Fig. 3
dargestellten Typs zwischen zwei Wellenleiterabschnitten 21 und 22. Diese
Abschnitte sind je in ihrer Höhe in vorbestimmten Schritten, ausgehend von
ihrem zugeordneten Eingangsport, zum Bereich des Übergangs 20 verringert,
um beispielsweise eine geeignete Impedanzanpassung bereitzustellen. Gemäß
Fig. 5 ist der Wellenleiter 21 beispielsweise auf einen WR-229-
Wellenleiterabschnitt verringerter Höhe im Bereich des Übergangs 20
verkleinert, so daß zum Übergang 20 laufende elektromagnetische Signale vom
T-Balken-Antennenübergang 12a aufgenommen werden. Signale, die durch den
Bereich des T-Balkenübergangs 12a auf der Rückseite des Substrats 11
laufen, werden vom rückseitigen Kurzschluß 17a aufgenommen, um Reaktanzen
herauszustimmen und reflektierte Signale zurück zum Übergang 12a zu
vermeiden. Eine ähnliche Anordnung ist für den Wellenleiter 22 und den T-
Balken-Antennenübergang 12b vorgesehen. Demgemäß wird jedes vom
Eingangsport des Wellenleiters 21 sich ausbreitende Signal vom T-Balken-
Antennenübergang 12a aufgenommen und über die Microstripleitung 10 zum T-
Balken-Antennenübergang 12b zur Weiterleitung in den Wellenleiter 22 und
Ausbreitung zu dessen Eingangsport aufgenommen. Ein Signal, das in den
Eingangsport des Wellenleiters 22 eintritt, wird auf entsprechende Weise
über den Wellenleiter-Microstrip-Wellenleiterübergang 20 zum Eingangsport
des Wellenleiters 21 übertragen.
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Man beachte, daß bei der Anordnung gemäß Fig. 5 der Wellenleiter-
Microstrip-Wellenleiterübergang auf derjenigen Seite des Substrats 11
angebracht ist, der dem Eingangsport des Wellenleiters 21 gegenüber liegt.
Demgemäß verläuft der Microstrip senkrecht zur Ausbreitungsrichtung im
Wellenleiter 21. In der GB-A-865474 ist ein Radar-Detektorbauteil
offenbart, bei dem ebenfalls dessen Microstrip senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung des Wellenleiters steht. Bei diesem Bauteil ist der
Microstrip auf einer Wellen- oder Hohlleiterkopplung angeordnet, zu der
sich senkrecht ein rechteckiger Wellenleiter erstreckt.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 ist zu beachten, daß der obere
Übergang 12a eine mit 2Wa und der untere Übergang 12b eine mit 2Wb
bezeichnete Breite besitzt. Wenn der Übergang gemaß Fig. 3 in der Anordnung
nach Fig. 5 benutzt wird, wäre die Breite des Übergangs 12a größer als die
Breite des Übergangs 12b, um den Unterschied in der Lage der gleitenden
Kurzschlüsse 17a und 17b zu kompensieren. Im einzelnen ist der T-
Balkenübergang 12a auf der Rückseite des Substrats 11 bezüglich des
zugeordneten, gleitenden Kurzschlusses 17a angeordnet, während der T-
Balkenübergang 12b seinem zugeordneten, gleitenden Kurzschluß 17b zugewandt
ist.