DE69921204T2

DE69921204T2 - Hohlleiter-Mikrostreifenleiterübergang für Mikrowellen und Millimeterwellen

Info

Publication number: DE69921204T2
Application number: DE69921204T
Authority: DE
Inventors: Ushio Sagamihara-shi Sangawa; Suguru Fujita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-04-26
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: EP0954049A3; EP1321998A1; DE69925880D1; US6335664B1; EP1321998B1; DE69921204D1; EP1496563A3; US20020047038A1; DE69925880T2; EP0954049A2; EP1496563A2; US6592021B2; JPH11312881A; EP0954049B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenz (HF)-Schaltung in einer Kommunikationseinrichtung und insbesondere einen Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergang.
Da Frequenzressourcen in der Kommunikationstechnologie knapp werden, verschoben und verschieben sich Frequenzbänder, die zum Aufbau eines neuen Kommunikationssystems verfügbar sind, in letzter Zeit hin zu höheren Bändern. In dieser Situation fördern Regierung und Bevölkerung gemeinsam eine Entwicklung zu Millimeterwellen- und Mikrowellen-Kommunikationssystemen auf nationaler und internationaler Ebene. Zum Beispiel wurde entschieden, dass Bänder mit extrem hoher Frequenz im Bereich von einigen GHz bis zu hunderten GHz verschiedenen in Entwicklung befindlichen Kommunikationssystemen für ein drahtloses LAN (local area network = lokales Netzwerk) und ITS (Intelligent Transport System = Intelligentes Transportsystem) als verfügbare Frequenzbänder zugeordnet werden.
Da die verfügbaren Frequenzen wie vorstehend beschrieben zunehmen, sind Antennen und Hochfrequenz (HF)-Schaltungen gewünscht, die in Millimeterwellen- und Mikrowellenfrequenzbändern zufrieden stellend arbeiten. Als verfügbar angesehene Konstruktions- und Fertigungsverfahren mögen jedoch bei einer Frequenzzunahme nicht zufrieden stellend funktionieren. Aus diesem Grund besteht ein Bedarf an neuen Konstruktions- und Fertigungsverfahren.
1 ist eine Darstellung, die eine Anordnung einer Array-Antennenbaugruppe 1 nach dem Stand der Technik zeigt. In 1 umfasst die Anten nenbaugruppe 1 ein dielektrisches Substrat 10, ein Schaltungsmuster 20, eine Grundplatte 30, die das dielektrische Substrat 10 hält und als Masse dient, und einen Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergang 40. Das Schaltungsmuster 20, das eine Array-Antenne bildet, umfasst eine T-Abzweig leitung 50. Ein durch einen Hohlleiter (nicht gezeigt) übertragenes Signal wird durch den Übergang 40 an eine Mikrostreifenleitung des Schaltungsmusters 20 weitergeleitet und durch die T-Abzweigleitung 50 an die rechten und linken Abschnitte der Array-Antenne weitergeleitet.
2 ist eine schematische Darstellung, die eine Anordnung des Übergangs 40 von 1 zeigt. In 2 umfasst der Übergang 40 einen Steghohlleiter 42, einen Steg 41, der innerhalb des Steghohlleiters 42 ausgebildet ist, und eine Mikrostreifenleitung 21, die auf dem dielektrischen Substrat 10 ausgebildet ist und die sich zu dem (oder zu einem Teil des) Schaltungsmusters) 20 erstreckt. Wie vorstehend beschrieben, wird das durch den nicht gezeigten Hohlleiter übertragene Signal durch den innerhalb des Hohlleiters 42 bereitgestellten Steg 41 in einen Übertragungsmodus der Mikrostreifenleitung 21 umgewandelt und zu der Array-Antenne 20 übertragen.
Die GB 763 894 betrifft eine Umformeranordnung zum Verbinden eines hohlen Hohlleiters mit einem Hohlleiter vom Typ einer Zweileiter-Übertragungsleitung, wobei zumindest eine der Leiterbahnen als Flachstreifen ausgebildet ist. Die Umformeranordnung umfasst ein Mittel, das eine erste Leiterbahn der Übertragungsleitung mit einem Teil des hohlen Wellenleiters oder Hohlleiters leitend koppelt, und eine an der Innenfläche eines anderen Teils des hohlen Hohlleiters angeordnete Rampenleiterbahn, und ein Mittel, das die Rampenleiterbahn mit einer zweiten Leiterbahn der Übertragungsleitung leitend koppelt.
Es bestehen Probleme in Verbindung mit dem Betrieb, wenn Antennen mit den soeben beschriebenen Anordnungen für Millimeterwellen oder Mikrowellen implementiert werden sollen. Bei einer Erhöhung der Frequenz sind dielektrische Materialien, die für die dielektrische Schicht 10 verfügbar sind, auf Substanzen, denen es an mechanischer Festigkeit mangelt, wie z. B. Keramik, Quarz, Silizium etc. begrenzt. Ferner wird, wenn eine Antenne hergestellt werden soll, die einen Strahl von zwei Grad mesialer Breite in einem 76 GHz-Band aussendet, das dielektrische Substrat 10 für die Antenne ca. 100 bis 300 μm dick und 15 cm lang an einer Seite sein. Das Bonden eines solchen dünnen und breiten Substrats 10 mit der Grundplatte 30 resultiert oft in einem Bruch des dielektrischen Substrats 10. Auch hängen die Eigenschaften der Antenne 20, wenn die Frequenz zunimmt, stark von dem Erdungszustand des dielektrischen Substrats 10 ab. Aus diesem Grund ist ein ausreichender elektrischer Kontakt für die Kontaktstelle des dielektrischen Substrats 10 und des Schaltungsmusters 20 unerlässlich. Dies ist jedoch mit herkömmlichen Techniken schwierig zu erreichen.
Da der Freiheitsgrad bei der Konstruktion von Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergängen sehr niedrig ist, d. h., die Konstruktionsparameter sind nur auf die Breite, die Länge und die Höhe des Stegs 41 begrenzt, bewirkt dies manchmal, dass die Stegbreite für ein Millimeterwellenband extrem schmal ist. Demgemäß wird die Höhe des Stegs 41 des Übergangs 40, der durch maschinelles Bearbeiten eines Messingmaterials gefertigt wird, im Vergleich mit der Breite des Stegs 41 höher, was die Funktion schwierig macht. Der Mangel an Freiheitsgraden bei der Konstruktion kann die Umwandlung in eine Mikrostreifenleitung mit einem geringeren Kennwiderstand behindern und das Problem hervorrufen, dass eine zu große Differenz zwischen den Breiten des konstruierten Stegs 41 und der Mikrostreifenleitung 21 zu einer unerwarteten Verschlechterung der Leitungs-Umwandlungseigenschaften führt.
Die Erfindung ist darauf gerichtet, diese und andere Probleme und Nachteile im Stand der Technik zu lösen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergang mit einem hohen Freiheitsgrad in der Konstruktion bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergang nach Anspruch 1 bereitgestellt.
In einer Ausführungsform ist zumindest ein Teil jeder Längsseite der Röhre linear. Zumindest ein Teil jeder Längsseite kann jedoch im Wesentlichen mit einer exponentiellen Funktion oder einer trigonometrischen Funktion erfolgen.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform und den beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen:
1 eine Darstellung ist, die eine Anordnung einer Array-Antennenbaugruppe 1 nach dem Stand der Technik zeigt;
2 eine Darstellung ist, die eine Anordnung des Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergangs 40 von 1 zeigt;
3 eine schematische Darstellung ist, die eine beispielhafte Anordnung einer Array-Antennenbaugruppe gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
4 eine schematische Darstellung ist, die eine beispielhafte Anordnung der Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübertragung 140 von 3 zeigt.
In den Zeichnungen werden die gleichen Elemente, wenn sie in mehr als einer Figur gezeigt sind, durchweg mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
3 ist eine schematische Darstellung, die eine beispielhafte Anordnung einer Array-Baugruppe 100 gemäß einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung zeigt. In 3 umfasst die Antennenbaugruppe 100 ein dielektrisches Substrat 10, ein Schaltungsmuster oder eine Array-Antenne 120, die durch Mustern eines Metallfilmes auf dem dielektrischen Substrat 10 durch Fotokopieren, Ätzen etc. ausgebildet ist, eine Grundplatte 130, die das dielektrische Substrat 10 hält und als Masse dient, und einen Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergang 140, der in dem Rand der Grundplatte 130 ausgebildet ist. Ein durch einen Hohlleiter (nicht gezeigt) übertragenes Signal wird durch den Übergang 140 an eine mit dem Schaltungsmuster 120 gekoppelte Mikrostreifenleitung weitergeleitet und durch die T-Abzweigleitung 150 an die rechten und linken Abschnitte der Array-Antenne 120 weitergeleitet.
Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübertragung
4 zeigt eine beispielhafte Anordnung des Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergangs 140 von 3. In 4 umfasst der Übergang 140 ei ne Erweiterung 42 eines Hohlleiters (nicht gezeigt), eine fächerartige Röhre (d. h., eine Röhre, die sich in Richtung des Endes verbreitert) 142, einen Steg 144, der derart geformt ist, dass er im Inneren der fächerartigen Röhre 142 hervorragt, und eine Mikrostreifenleitung 121, die auf dem dielektrischen Substrat 10 ausgebildet ist und sich zu dem Schaltungsmuster 120 erstreckt (oder einen Teil davon bildet). Die fächerartige Röhre 142 weist einen hornähnlichen Aufbau mit einem rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Stromrichtung auf. Die zwei Öffnungen der fächerartigen Röhre 142 unterscheiden sich in den Abmessungen voneinander. Der Übergang 140 dient als ein Übergang zwischen der Erweiterung 42 des Hohlleiters und der Mikrostreifenleitung 121. Der Übergang 140 ist ein so genannter Steghohlleiter-Umwandler, der in der Mitte der fächerartigen Röhre 142 mit einem keilförmigen Steg 144 versehen ist. Im Speziellen wird das über die gesamte Öffnung der Erweiterung 42 des Hohlleiters verteilte elektromagnetische Feld allmählich in dem Kopf des Stegs 144 zusammengeführt und schließlich dem elektromagnetischen Übertragungsmodus der Mikrostreifenleitung 121 ähnlich gemacht, um dadurch zur Mikrostreifenleitung 121 als Leistung übertragen zu werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Leitungs-Umwandlungseigenschaften des Übergangs 140 eine Funktion (d. h., können gesteuert sein durch) nicht nur der (die) Abmessungen des Stegs 144 sondern auch der (die) Gestalt des Fächers der fächerartigen Röhre 142. Das heißt, dass die Verwendung einer Röhre, die sich wie ein entfalteter Fächer verbreitert, den Freiheitsgrad beim Konstruieren des Stegs 144 erhöht hat. Da der Konstrukteur die Breite und die Höhe des Stegs 144 frei wählen kann, kann der Übergang 140 derart konstruiert sein, dass er gewünschte Leitungs-Umwandlungseigenschaften mit einer verringerten parasitären Impedanz nahe der Grenzfläche zwischen dem Kopf des Stegs 144 und der Mikrostreifenleitung 121 aufweist. Auf diese Art und Weise ist der Über gang 140 der Erfindung einfach zu bearbeiten, weist einen relativ niedrigeren Umwandlungsverlust und bessere Umwandlungseigenschaften auf.
Auch dadurch, dass die Höhe des Stegs 144 mit der der fächerartigen Röhre 142 identisch festgelegt werden kann, ist die fächerartige Röhre 142 mit einer hohen Präzision in den Abmessungen bereitgestellt, was zu besseren Leitungs-Umwandlungseigenschaften des resultierenden Übergangs 140 beiträgt.
Die fächerartige Röhre 142 ist in 4 als linear geformt gezeigt. Die fächerartige Röhre 142 kann jedoch jede beliebige nicht-lineare Form aufweisen, die sich in Richtung des Endes verbreitert. Die Seite der Röhre 142 kann gemäß z. B. einer exponentiellen Funktion, einer trigonometrischen Funktion etc. gekrümmt sein. Die zwei Öffnungen der Röhre 142 können jede beliebige geeignete geometrische Form aufweisen, die sich voneinander derart unterscheiden, dass sie einen unterschiedlichen Kennwiderstand aufweisen.
Obwohl der Übergang 140 als ein im Weg zu einer Antenne bereitgestellter Hohlleiter-Mikrostreifenübergang beschrieben wurde, kann der Übergang 140 gemäß der Erfindung auf eine gewöhnliche Hochfrequenzschaltung angewendet werden.
Viele stark unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können konstruiert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es sollte einzusehen sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die in der Beschreibung beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern nur wie in den angefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergang (140) mit niedrigem Übergangsverlust, umfassend: eine fächerartige Röhre (142) mit einer ersten Öffnung, die mit einem Hohlleiter gekoppelt ist, und einer zweiten Öffnung, wobei die fächerartige Röhre (142) eine erste und eine zweite breitere Wand aufweist, und einen Endabschnitt einer Mikrostreifenleitung (121), die auf einem dielektrischen Substrat (10) gebildet ist, das in der Nähe der ersten breiteren Wand angeordnet ist, wobei der Endabschnitt sich ein wenig innerhalb der zweiten Öffnung befindet, und einen Steg (144), der an der zweiten breiteren Wand gebildet ist, wobei der Steg allmählich von der Seite der ersten Öffnung in Richtung der Seite der zweiten Öffnung hervorragt, und der an seinem Ende mit dem Endabschnitt der Mikrostreifenleitung (121) verbunden werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung größer ist als die erste Öffnung, und dass die fächerartige Röhre derart ausgebildet ist, dass sich die erste und die zweite breitere Wand von der ersten Öffnung in Richtung der zweiten Öffnung verbreitern.
Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergang nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil jeder Längsseite der fächerartigen Röhre (142) derart gekrümmt ist, dass die Verbreiterung im Wesentlichen linear ist.
Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergang nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil jeder Längsseite der fächerartigen Röhre (142) derart gekrümmt ist, dass die Verbreiterung im Wesentlichen mit einer exponentiellen Funktion erfolgt.
Hohlleiter-Mikrostreifenleitungsübergang nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil jeder Längsseite der fächerartigen Röhre (142) derart gekrümmt ist, dass die Verbreiterung im Wesentlichen mit einer trigonometrischen Funktion erfolgt.