EP0197476B1 - Mikrowellen-Zirkulator - Google Patents

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EP0197476B1
EP0197476B1 EP86104356A EP86104356A EP0197476B1 EP 0197476 B1 EP0197476 B1 EP 0197476B1 EP 86104356 A EP86104356 A EP 86104356A EP 86104356 A EP86104356 A EP 86104356A EP 0197476 B1 EP0197476 B1 EP 0197476B1
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EP
European Patent Office
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substrate
metal plate
ferrite
microwave circulator
disk
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EP86104356A
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English (en)
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EP0197476A3 (en
EP0197476A2 (de
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Jörgen Dipl.-Ing. Wienke
Margarete Senn
Bernd Dipl.-Ing. Helmstetter
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Bosch Telecom GmbH
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ANT Nachrichtentechnik GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/32—Non-reciprocal transmission devices
    • H01P1/38—Circulators
    • H01P1/383—Junction circulators, e.g. Y-circulators
    • H01P1/387—Strip line circulators

Definitions

  • the present invention relates to a microwave circulator, consisting of a dielectric substrate carrying a stripline branch and a ferrite disc which is inserted into a recess which partially penetrates the substrate below the stripline branch.
  • Such a microwave circulator is known from IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-11, No. 5, September 1975, pages 1273-1275.
  • the ferrite disc completely fills the substrate recess and is flush with the underside of the substrate.
  • the recess in the substrate is filled with ferrite powder ("arc plasma spraying ferrite powder") and this is cured by heating.
  • the thickness of the ferrite disc is thus predetermined by the thickness of the substrate, so that the realization of the desired electrical circulator properties is limited as a function of the ferrite disc thickness.
  • the underside of the substrate is provided with a metallization serving as a ground line.
  • the ferrite disk is metallized on the underside and is electrically connected there, for example by soldering, to the metallization of the substrate.
  • the metallization of the ferrite disc and the soldering of the ferrite and substrate metallization make the manufacturing process of a microwave circulator complex and expensive.
  • a ferrite disc completely penetrates the substrate carrying a strip line branch, including a metallized layer forming the ground plane, which is located on the side of the substrate opposite the strip line branch.
  • the ferrite disk inserted into the substrate, which has approximately the same thickness as the substrate, is held therein by means of a metal disk which covers the ferrite disk and is in contact with the ground plane.
  • the invention is based on the object of specifying a microwave circulator of the type mentioned at the outset, which can be implemented with as little effort as possible regardless of the ferrite disk thickness.
  • the microwave circulator according to the invention also has excellent electrical properties.
  • the figure shows a section through a microwave circulator according to the invention.
  • a dielectric substrate 2 which is not made of ceramic (aluminum oxide) as usual, but made of a soft material, e.g. a polytetrafluoroethylene ceramic compound, which are also known under the trade names such as RT-Duroid or DI-Clad.
  • a soft material e.g. a polytetrafluoroethylene ceramic compound, which are also known under the trade names such as RT-Duroid or DI-Clad.
  • Such substrate materials are much easier to machine than hard ceramic materials, which has a particularly favorable effect when machining the recess 3 in the substrate.
  • the recess 3 is located below the strip line junction 1 applied to the upper side of the substrate 2.
  • a ferrite disc 4 is inserted into the recess 3, the depth of which is less than the substrate thickness, and partially protrudes from the recess 3.
  • a metal plate 5 (for example made of aluminum) serves as a carrier for the substrate 2 and as a ground line for the strip line structure 1 located on the upper side of the substrate.
  • a metal plate 5 is provided with a bore 6 which serves to receive the part of the ferrite disc 4 which protrudes from the substrate recess 3.
  • the bore opening on the side (bottom side) of the metal plate 5 opposite the substrate 2 is covered with an electrically conductive disc 7, as a result of which the ferrite disc 4 is held in the bore 6 and the recess 3.
  • the disc 7 is electrically contacted with the metal plate 5 by means of screws 8 and 9.
  • An electrically conductive metal foil 10 placed between the disc 7, the metal plate 5 and the ferrite disc 4 improves the galvanic contact of the disc 7 with the metal plate 5 and serves to compensate for any difference between the thickness of the ferrite disc 4 and the depth of the recess 3 and hole 6.
  • the impedance of the strip line junction 1 can be varied as a function of the ferrite disc thickness and can thus be set to a desired value.
  • the stability of the thin substrate area present above the recess 3 can be improved in that the ferrite disc 4 is glued into the recess 3.
  • a dielectric filler introduced into the recess 3 between the ferrite disc 4 and the substrate 2 avoids the formation of an air gap.
  • the static magnetic field required for the circulator is generated by a permanent magnet 11 arranged above the stripline structure 1, which is glued to a metallic or dielectric spacer 12 in the exemplary embodiment shown.
  • a permanent magnet 11 arranged above the stripline structure 1, which is glued to a metallic or dielectric spacer 12 in the exemplary embodiment shown.
  • other known magnet systems can also be used.
  • the microwave circulator described above can be produced with little effort because no metallization of the ferrite disc and no soldering to the substrate ground surface is required and an easily machinable substrate made of soft material is used.
  • An exemplary embodiment of a circulator according to the invention with an RT-Duroid 6010 substrate of 635 ⁇ m thickness, a recess of approx. 300 ⁇ m depth embedded therein and a metal plate of approx. 3 mm thickness has a frequency bandwidth of ⁇ 20% at an operating frequency of 4 GHz. , a transmission loss of ⁇ 0.3 dB, a blocking loss of ⁇ 20 dB and an input standing wave ratio of ⁇ 1.2.

Landscapes

  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)
  • Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Zirkulator, bestehend aus einem eine Streifenleitungsverzweigung tragenden dielektrischen Substrat und einer Ferritscheibe, welche in eine das Substrat teilweise durchsetzenden Aussparung unterhalb der Streifenleitungsverzweigung eingesetzt ist.
  • Ein derartiger Mikrowellen-Zirkulator ist aus IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-11, No. 5, September 1975, Seiten 1273-1275 bekannt. Dabei füllt die Ferritscheibe die Substrataussparung vollständig aus und schließt mit der Unterseite des Substrats plan ab. Dabei wird die Aussparung des Substrats mit Ferritpulver gefüllt ("arc plasma spraying ferrite powder") und dieses durch Erhitzen ausgehärtet. Die Dicke der Ferritscheibe ist damit durch die Dicke des Substrats vorgegeben, wodurch die Realisierung gewünschter elektrischer Zirkulatoreigenschaften in Abhängigkeit von der Ferritscheibendicke Grenzen gesetzt sind. Die Substratunterseite ist mit einer als Masseleitung dienenden Metallisierung versehen. Zur Gewährleistung einer homogenen, störungsfreien Masseübergabe zwischen der Metallisierung des Substrats und der Ferritscheibe ist die Ferritscheibe an der Unterseite metallisiert und dort z.B. durch Verlöten mit der Metallisierung des Substrats elektrisch verbunden. Die Metallisierung der Ferritscheibe und das Verlöten der Ferrit- und Substratmetallisierung machen das Herstellungsverfahren eines Mikrowellen-Zirkulators aufwendig und teuer.
  • Bei einem aus US-A-3 334 317 bekannten Zirkulator durchdringt eine Ferritscheibe vollständig das eine Streifungsleitungsverzweigung tragende Substrat einschließlich einer die Masseebene bildende metallisierte Schicht, welche sich auf der der Streifenleitungsverzweigung gegenüberliegenden Substratseite befindet. Die in das Substrat eingesetzte Ferritscheibe, welche in etwa die gleiche Dicke wie das Substrat besitzt, wird darin mittels einer Metallscheibe gehalten, welche die Ferritscheibe überdeckt und mit der Masseebene kontaktiert ist.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellen-Zirkulator der eingangs genannten Art anzugeben, der unabhängig von der Ferritscheibendicke mit möglichst geringem Aufwand realisiert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patensanspruchs 1 gelöst.
  • Zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Der erfindungsgemäße Mikrowellen-Zirkulator besitzt neben dem Vorteil einer einfach durchzuführenden Montage auch sehr gute elektrische Eigenschaften.
  • An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nun die Erfindung näher erläutert.
  • Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen Mikrowellen-Zirkulator gemäß der Erfindung.
  • Als Träger für die Streifenleitungsversweigung 1 dient ein dielektrisches Substrat 2, welches nicht wie sonst üblich aus Keramik (Aluminiumoxyd), sondern aus einem weichen Material z.B. einer Polytetrafluorethylen-Keramik-Verbindung, die auch unter den Handelsnamen wie RT-Duroid oder DI-Clad bekannt sind, besteht. Derartige Substratmaterialien sind wesentlich leichter zu bearbeiten als harte Keramikmaterialien, was sich besonders günstig bei der Bearbeitung der Aussparung 3 in dem Substrat auswirkt.
  • Die Aussparung 3 befindet sich unterhalb der auf der Oberseite des Substrats 2 aufgebrachten Streifenleitungsverzweigung 1. In die Aussparung 3, deren Tiefe geringer als die Substratdicke ist, wird eine Ferritscheibe 4 eingesetzt, die zum Teil aus der Aussparung 3 herausragt.
  • Als Träger für das Substrat 2 und als Masseleitung für die auf der Substratoberseite befindliche Streifenleitungsstruktur 1 dient eine Metallplatte 5 (z.B. aus Aluminium). In dieser Metallplatte 5 ist eine Bohrung 6 vorgesehen, die zur Aufnahme des aus der Substrataussparung 3 herausragenden Teils der Ferritscheibe 4 dient.
  • Die Bohrungsöffnung an der dem Substrat 2 gegenüberliegenden Seite (Unterseite) der Metallplatte 5 ist mit einer elektrisch leitenden Scheibe 7 abgedeckt, wodurch die Ferritscheibe 4 in der Bohrung 6 und der Aussparung 3 gehalten wird. Um die Masseleitung unterhalb der Ferritscheibe 4 fortzusetzen, ist die Scheibe 7 mit der Metallplatte 5 mittels Schrauben 8 und 9 elektrisch kontaktiert. Eine zwischen die Scheibe 7, die Metallplatte 5 und die Ferritscheibe 4 gelegte elektrisch leitende Metallfolie 10 verbessert den galvanischen Kontakt der Scheibe 7 mit der Metallplatte 5 und dient als Ausgleich für eine eventuell vorhandene Differenz zwischen der Dicke der Ferritscheibe 4 und der Tiefe der Aussparung 3 und Bohrung 6.
  • Die Impedanz der Streifenleitungsverzweigung 1 läßt sich in Abhängigkeit der Ferritscheibendicke variieren und somit auf einen gewünschten Wert einstellen.
  • Die Stabilität des über der Aussparung 3 vorhandenen dünnen Substratbereichs läßt sich dadurch verbessern, daß die Ferritscheibe 4 in die Aussparung 3 eingeklebt wird.
  • Ein in die Aussparung 3 zwischen der Ferritscheibe 4 und dem Substrat 2 eingebrachter dielektrischer Füllstoff vermeidet die Entstehung eines Luftspaltes.
  • Das für den Zirkulator benötigte statische Magnetfeld wird durch einen oberhalb der Streifenleitungsstruktur 1 angeordneten Permanentmagneten 11 erzeugt, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf einem metallischen oder dielektrischen Distanzstück 12 aufgeklebt ist. Es können aber auch andere bekannte Magnetsysteme eingesetzt werden.
  • Der oben beschriebene Mikrowellen-Zirkulator ist mit geringem Aufwand herstellbar, weil keine Metallisierung der Ferritscheibe und kein Verlöten mit der Substratmassefläche erforderlich ist und ein leicht bearbeitbares Substrat aus weichem Material verwendet wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zirkulators mit einem RT-Duroid 6010-Substrat von 635 µm Dicke, einer darin eingelassenen Aussparung von ca. 300 µm Tiefe und einer Metallplatte von ca. 3 mm Dicke besitzt bei einer Betriebsfrequenz von 4 GHz eine Frequenzbandbreite von ≧20 %, eine Durchlaßdämpfung von ≦0,3 dB, eine Sperrdämpfung von ≧20 dB und ein Eingangsstehwellenverhältnis von ≦1,2.

Claims (6)

  1. Mikrowellen-Zirkulator, bestehend aus einem eine Streifenleitungsverzweigung tragenden dielektrischen Substrat und einer Ferritscheibe, welche in eine das Substrat teilweise durchsetzende Aussparung unterhalb der Streifenleitungsverzweigung eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) mit seiner der Streifenleitungsverzweigung (1) gegenüberliegenden Seite auf einer Metallplatte (5) aufgebracht ist, daß die Metallplatte (5) eine durchgehende Bohrung (6) aufweist und von einer solchen Dicke ist, daß sie in der Lage ist, den aus der Substrataussparung (3) herausragenden Teil der Ferritscheibe (4) vollständig aufzunehmen, wobei die Dicke der Ferritscheibe so dimensioniert ist, daß sich eine gewünschte Impedanz der Streifenleitungsverzweigung einstellt, und daß die Bohrungsöffnung auf der dem Substrat (2) gegenüberliegenden Seite der Metallplatte (5) von einer mit der Metallplatte (5) verbindbaren, elektrisch leitenden Scheibe (7) abgedeckt ist.
  2. Mikrowellen-Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus einem weichen Material besteht.
  3. Mikrowellen-Zirkulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus einer Polytetrafluorethylen-Keramik-Verbindung besteht.
  4. Mikrowellen-Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Scheibe (7) der Metallplatte (5) und der Unterseite der Ferritscheibe (4) eine elektrisch leitende Metallfolie (10) eingefügt ist.
  5. Mikrowellen-Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritscheibe (4) in der Aussparung (3) des Substrats (2) verklebt ist.
  6. Mikrowellen-Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aussparung (3) zwischen der Ferritscheibe (4) und dem Substrat (2) ein dielektrischer Füllstoff eingebracht ist.
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