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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wellenleiter-Übergänge und
insbesondere einen breitbandigen Übergang von Mikrostreifenleitung
auf einen Parallelplatten-Wellenleiter.
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Herkömmliche
Mikrowellenübergänge, die
sich auf die vorliegende Erfindung beziehen, umfassen die Verwendung
eines Wellenleiters, der in der Grundmode arbeitet und nicht einen
Parallelplatten- oder übermodierten
Wellenleiter. Deshalb können
die bekannten Designs von Wellenleiter-Übergängen keine Breitband- und geringe
VSWR-Fähigkeit
bereitstellen, wie sie von der vorliegenden Erfindung geliefert
wird.
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Ein Übergang
zwischen einer koplanaren Leitung und einem Wellenleiter ist bspw.
in Patent Abstracts of Japan, Vol. 10, Nr. 340 (
JP 61142802 ) und dem Aufsatz „A NEW
INTEGRATED WAVEGUIDE-MICROSTRIP TRANSITION", J.H.C. van Heuven, 4. European Microwave
Conference-Proceedings, September 10-13, 1974, Seiten 541-545 offenbart.
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Es
wäre vorteilhaft,
einen breitbandigen Übergang
von Mikrostreifenleitung auf Parallelplatten-Wellenleiter zu haben,
der herkömmliche
Wellenleiter-Übergänge verbessert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen breitbandigen Übergang
zur Verwendung zwischen einer abgeschirmten Mikrostreifenleitung
und einem Parallelplatten-Wellenleiter.
Der breitbandige Übergang
umfasst eine metallene Abschrägung,
die elektrisch mit einem leitfähigen
Streifen der Mikrostreifenleitung an einem Ende verbunden ist und
mit einer Wand des Wellenleiters am anderen Ende. Die metallene
Abschrägung
kann optimiert werden, um über
ein breites Arbeitsfrequenzband Reflexionen herauszustimmen, die
durch die Diskontinuität
zwischen den zwei in großem
Maße unterschiedlichen Übertragungsmedien
verursacht werden, die die Mikrostreifenleitung und den Parallelplatten-Wellenleiter
umfassen.
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Der
breitbandige Übergang
liefert einen VSWR-armen Übergang
mit einer breiten Betriebsbandbreite und einer Weitwinkel-Abtastfähigkeit
zwischen einem linearen Array von abgeschirmten Mikrostreifenschaltunen
(bspw. Phasenschieber) und einer Parallelplatten-Wellenleiterstruktur
(bspw. eine Gruppenantenne mit durchgehender querverlaufender Stichleitung;
continuous transverse stub array antenna). Die abgeschirmten Mikrostreifenleitungen
minimieren die Kreuzkopplung zwischen benachbarten Schaltungen und
ermöglichen damit
ihre individuelle Amplituden- und Phasenanregung, die der Leitungsquelle
entlang der Parallelplatten-Wellenleiter-Schnittstelle
auferlegt wird. Die metallene Abschrägung ist ebenfalls geeignet,
um einen planaren Inline-Übergang
zwischen einem Mikrostreifen und einem rechteckigen Wellenleiter
mit Vollbandabdeckung der Wellenleiter-Grundmode aufzubauen. Keine Beschreibung
eines solchen speziellen Typs von Übergang wurde in der technischen
Literatur gefunden.
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Die
vorliegende Erfindung kann in Anwendungen eingesetzt werden, die
einen VSWR-armen, breitbandigen, planaren Inline-Übergang
zwischen Mikrostreifen und Parallelplatten- oder Rechteck-Wellenleiterstrukturen
benötigen.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung die Fähigkeit
bereit, einen Übergang
zwischen einem linearen Array von Mikrostreifenschaltungen (bspw.
HF-Einspeisnetzwerke, Ferrit- oder
PIN-Dioden-Phasenschieber, Mikrowellenverstärker oder –mischer, etc.) und der Leitungseinspeisung
für Parallelplatten-
oder übermodierte
Wellenleiter bereit. Die vorliegende Erfindung kann eingesetzt werden,
um eine kostengünstige
zweidimensionale Abtastfähigkeit
bereitzustellen, in dem dieser Typ von elektronischer Abtastleitungseinspeisung
in einer Ebene mit einer mechanischen Rotation in einer orthogonalen
Ebene kombiniert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich leichter aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in
Verbindung mit der begleitenden Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen
gleiche strukturelle Elemente bezeichnen, und in denen:
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1 einen
beispielhaften breitbandigen Übergang
von Mikrostreifen auf Parallelplatten-Wellenleiter entsprechend
den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 eine
Gruppenantenne mit Festkörper-Dielektrikum
und kontinuierlichen querverlaufenden Stichleitungen als ein Beispiel
der planaren Antenne zeigt;
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3 einen
Abschnitt des Übergangs
für drei
benachbarte Elemente zeigt;
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4 ein
Diagramm ist, das das berechnete VSWR für eine beispielhafte 32-Element-Gruppenantenne
mit kontinuierlichen querverlaufenden Stichleitungen zeigt;
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5 einen
beispielhaften breitbandigen Übergang
darstellt, der als VSWR-armer Übergang
zwischen Mikrostreifen und rechteckigen Wellenleiter verwendet werden
kann; und
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6 das
Profil zeigt, das durch die in Tabelle 1 dargestellten Punkte definiert
wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Es
wird nun auf die gezeichneten Figuren Bezug genommen. 1 zeigt
die Verwendung eines breitbandigen Übergangs von Mikrostreifen
auf Parallelplatten-Wellenleiter 20 entsprechend
den Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einem Antennensystem 10. 1 zeigt
ein vereinfachtes Blockdiagramm des Antennensystems 10,
das eine typische Anwendung des breitbandigen Übergangs 20 darstellt.
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Das
Antennensystem 10 umfasst eine planare Antenne 30,
bei der der Übergang 20 benutzt
wird. Die planare Antenne 30 besitzt einen Leitungseinspeisungseingang
mit einem Parallelplatten- oder übermodierten Wellenleiterabschnitt.
Die planare Antenne 30 umfasst ebenfalls eine lineare Gruppe
von Phasenschiebern 13, die jeweils einen Mikrostreifen
HF-Anschluss 13a haben. Der breitbandige Übergang 20 stellt
eine HF-Schnittstelle zwischen den Phasenschiebern 13 und
der Antenne 30 bereit. Ein Kombinierer/Teiler 12 zum
Empfang von Eingangssignalen am HF-Eingang 11 baut eine
Amplitudenverteilung entlang eines Leitungseinspeiseeingangs 30a der
Antenne auf, und die lineare Gruppe von Phasenschiebern 13 kann
eingestellt werden, um die passende Phasenfront zu produzieren,
um den Strahlausgang der Antenne 30 in ihrer Strahlungsöffnung in einen
gewünschten
Winkel zu schwenken.
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2 zeigt
eine Gruppenantenne mit Festkörper-Dielektrikum
und kontinuierlich querverlaufender Stichleitung 30 als
ein repräsentatives
Beispiel der planaren Antenne 30. Die Gruppenantenne mit
kontinuierlicher querverlaufender Stichleitung 30 besitzt
eine horizontale Leitungseinspeisung mit Parallelplatten-Wellenleiter 31.
Eine Acht-Wege-vertikale-Sammeleinspeisung 32, die hinter
einer Öffnungsplatte 33 ist,
speist acht kontinuierliche querverlaufende Stichleitungsstrahler 34.
Die horizontale Öffnungsverteilung,
die durch den n-Wege-Kombinierer/Teiler 12 und die Phasenschieber 13 geliefert
wird, die in 1 gezeigt ist, wird auf die
Parallelplatten-Leitungseinspeisung 30a entlang
der Rückseite
der Antenne 30 auferlegt.
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Ein
Abschnitt des vorliegenden breitbandigen Übergangs 20, der für drei benachbarte
Elemente verwendet wird, ist in 3 gezeigt.
Ein 0,140 inch hoher, mit Dielektrikum gefüllter Parallelplatten-Wellenleiter 21 (gezeigt
auf der linken Seite von 3) entspricht der Parallelplatten-Leitungseinspeisung 30a der
Gruppenantenne 30 mit kontinuierlichem querverlaufenden
Stichleitungen. Eine Vielzahl von Mikrostreifenleitungen 22 umfasst
jeweils eine abgeschirmte Mikrostreifen-Einspeiseleitung 24 (auf
der rechten Seite von 3 gezeigt), umfasst Ausgangsschaltungen
für Drei-Phasenschieber 13,
und hat die gleiche Höhe
wie der Parallelplatten-Wellenleiter 12, um die physische
Diskontinuität
an der Schnittstelle zu minimieren. Die Vielzahl von Mikrostreifenschaltungen 22 werden
auf einem Substrat 23 hergestellt, bspw. einem 0,025 inch
dicken Rexolite®-Substrat 23,
das bevorzugt das gleiche dielektrische Material ist, aus dem sowohl
der Parallelplatten-Wellenleiter 21 als auch die Gruppenantenne 30 mit
kontinuierlicher querverlaufender Stichleitung hergestellt sind.
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Ein
Abschnitt der oberen Wand des breitbandigen Übergangs 20 ist in 3 aufgeschnitten,
so dass eine Vielzahl von metallenen Abschrägungen 26 gesehen
werden können.
Die Abschrägungen 26 können entweder
aus einem separaten Teil hergestellt sein, oder können als
Teil des Parallelplattenbereichs hergestellt werden, indem die geforderte
Form in das dielektrische Material eingebracht und nachfolgend die
Hohlraumwände
metallisiert werden. Die metallene Abschrägung 26 ist mit der
Mikrostreifen-Einspeiseleitung 24 der Mikrostreifenschaltung 22 an
einem Ende elektrisch verbunden und mit einer Wand (als die obere
oder oberste Wand gezeigt) des Wellenleiters 21 am anderen
Ende elektrisch verbunden.
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Während der
breitbandige Übergang
20 eine
VSWR-arme Leistung über
eine Bandbreite von mehreren Oktaven besitzt, kann sich ein Designkompromiss
stellen, durch das Erfordernis, Gitterkeulen zu vermeiden, die im
realen Raum an den oberen Bandkanten für große Abtast- bzw. Schwenkwinkel
erscheinen. Dieses Verhältnis
wird durch die Gleichung gegeben:
wobei:
- s
- = Abstand zwischen
benachbarten Elementen;
- λh
- = Wellenlänge der
höchsten
Betriebsfrequenz;
- n
- = Anzahl der Elemente;
und
- θmax
- = maximaler Schwenkwinkel
von der Querseite.
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Als
ein Beispiel der vorliegenden Erfindung wurde ein breitbandiger Übergang 20 für ein 32-elementige
Gruppenantenne mit kontinuierlicher querverlaufender Stichleitung 30 modelliert,
indem ein Hewlett-Packard High Frequency Structures Simulator (HFSS)
Computerprogramm verwendet wurde. Die Gruppenantenne 30 wurde
entworfen, um über
das 6 bis 18 GHz Frequenzband zu arbeiten und ohne Gitterkeulen
einen Winkel von ± 60
Grad abzutasten. Die Gleichung (1) gibt den maximal erlaubten Elementabstand
mit 0,340 inch an, und deshalb wurde ein Abstand von 0,325 inch
gewählt,
um etwas Raum für
Herstellungstoleranzen zu haben.
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4 zeigt
die berechnete Größe der Reflexions-|S11| und Übertragungs-|S21| Koeffizienten gegenüber der Frequenz. Die berechnete
VSWR, die in 4 gezeigt ist, liegt unterhalb
1,50:1 von 7 bis über
24 GHz. Allerdings treten Gitterkeulen oberhalb 22,7 GHz auf, falls
die Gruppe auf ± 60
Grad abgetastet wird. Bei 24 GHz kann die Gruppe nur bis zu ± 27,8
Grad ohne Gitterkeulen abgetastet werden. Der Elementabstand kann etwas
vergrößert werden
(bspw. 0,350 inches), um die gewünschte
VSWR-arme Leistung
bis nach unten zu 6 GHz zu erreichen, dann wird aber eine ± 60 Grad Abtastabdeckung
ohne Gitterkeulen nur bis zu 17,5 GHz erreichbar sein. Bei höheren Frequenzen
würde der
nutzbare Abtastbereich progressiv kleiner werden, wie durch die
Gleichung (1) zum Ausdruck kommt.
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Der
breitbandige Übergang 20 der
vorliegenden Erfindung kann ebenfalls als ein VSWR-armer Übergang
zwischen Mikrostreifenschaltungen 22 und einem rechteckigen
Wellenleiter 21 eingesetzt werden, wie in 5 gezeigt.
Die Breitbandfähigkeit
dieses speziellen breitbandigen Übergangs 20 ist
jedoch begrenzt durch die Grenze der Grundmode am unteren Frequenzende
und der Ausbreitung von Moden höherer
Ordnung an dem hohen Ende.
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Die
Methode, die zum Entwurf der metallenen Abschrägung 26 verwendet
wird, umfasst die nachfolgenden Schritte. Die Breite (Y-Richtung)
der Abschrägung 26 wird
gleich gewählt
zu der Leitungsbreite der Mikrostreifenschaltung 22. Dies
verhindert die Notwendigkeit der Anpassung in Y-Richtung, und diese
Option ist für
spezielle Designanforderungen verfügbar.
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Die
Länge jeder
Abschrägung 26 wird
durch die Betriebsbandbreite, das gewünschte VSWR und die Raumbeschränkungen
bestimmt. Abschrägungen 26 sind
typischerweise mehrere Wellenlängen
lang an der untersten Frequenz für
das jeweilige Medium. In dem beispielhaften Design sind die Abschrägungen 26 weniger
als eine Wellenlänge
lang, was durch physische Beschränkungen
diktiert wurde.
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Die
Kurven bzw. Krümmungen
der Abschrägungen 26,
die anfänglich
parabolisch sind, werden numerisch optimiert, um den Reflexionskoeffizienten über das
gewünschte
Band zu minimieren. Wechselweise können Optimierungsroutinen verwendet
werden, um die Krümmungen
zu berechnen.
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Tabelle
1 gibt die X- und Z-Koordinaten für die unteren und obere Fläche der
metallenen Abschrägung 26 wieder,
während 6 das
Profil zeigt, das durch diese Punkte definiert wird.
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Somit
wurde ein breitbandiger Übergang
von Mikrostreifen auf Parallelplatten-Wellenleiter offenbart. Es versteht
sich, dass die zuvor beschriebene Ausführungsform rein beispielhafter
Natur ist und für
viele spezifische Ausführungsformen
steht, die Anwendungen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung
darstellen. Es ist klar, dass zahlreiche andere Anordnungen sich
für den
Fachmann leicht ergeben, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
