EP1599933A1 - Mikrowellenoszillator - Google Patents

Mikrowellenoszillator

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EP1599933A1
EP1599933A1 EP03727234A EP03727234A EP1599933A1 EP 1599933 A1 EP1599933 A1 EP 1599933A1 EP 03727234 A EP03727234 A EP 03727234A EP 03727234 A EP03727234 A EP 03727234A EP 1599933 A1 EP1599933 A1 EP 1599933A1
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EP
European Patent Office
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waveguide
circuit board
microwave oscillator
oscillator according
vibration exciter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03727234A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Achim Dieterich
Udo Freitag
Andreas Kugler
Martin Schneider
Joachim Hauk
Juergen Hildebrandt
Anette Fien
Andreas Reichert
Juergen Seiz
Guenter Bertsch
Armin Himmelstoss
Klaus-Dieter Miosga
Thomas Beez
Bernhard Lucas
Sabine Koerber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20845—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for automotive electronic casings
    • H05K7/20854—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
    • H01P5/107—Hollow-waveguide/strip-line transitions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/18—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance
    • H03B5/1817—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance the frequency-determining element being a cavity resonator
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components

Definitions

  • the invention relates to a microwave oscillator with a waveguide, a vibration exciter mounted on a heat sink, which projects into the waveguide, and a printed circuit board with electronic components for the DC voltage supply of the vibration exciter.
  • Microwave oscillators in planar technology are known in which the vibration exciter and conductor structures for forming resonators, microwave conductors, filters and the like are arranged on a common substrate.
  • microwave oscillators in waveguide technology are preferred, so that the requirements for the quality and the performance of the oscillator can be met.
  • a microwave oscillator known from practice for a motor vehicle distance radar has a waveguide or oscillator body in the form of a metallic housing which is screwed onto the radar device and is electrically connected by hand soldering by means of a line.
  • the vibration exciter is formed by a Gunn element that projects into the oscillator body from below. At the upper end, the oscillator body is closed off by an insulating body on which a printed circuit board is attached.
  • the DC Power supply to the Gunn element is provided by a pin-like filter element, a so-called bias choke, which extends from the circuit board through the interior of the oscillator body to the top of the Gunn element and acts as a low-pass filter.
  • the circuit board carries a capacitive network that serves to suppress voltage peaks when the oscillator is switched on and off.
  • the object of the invention is to provide a microwave oscillator of the type mentioned, which has a compact structure and is easier to manufacture and assemble.
  • circuit board forms a wall of the waveguide and that the vibration exciter sits with its heat sink in the circuit board.
  • the vibration exciter for example a Gunn element
  • the printed circuit board which also carries the circuit components for the DC voltage supply of this Gunn element
  • no pin-like bias choke need be installed in the interior of the waveguide, and the manufacture of the waveguide and the assembly of the circuit board and the Gunn element are efficiently combined in a single operation.
  • the heat sink that carries the Gunn element passes through the printed circuit board, the heat loss generated during operation of the Gunn element can be effectively dissipated to the outside.
  • the electrically conductive sheath of the waveguide can be formed in the area of the printed circuit board by metallizing this printed circuit board or alternatively also by a metallic base plate which bears against the printed circuit board.
  • the low-pass function of the conventional bias choke is preferably covered by a conductor structure in the oscillator according to the invention. take, which is formed on the circuit board, and is part of the electrical lead to the Gunn element.
  • the microwave output of the oscillator is r is preferably formed by a recess formed on the PCB strip line which is led out of the waveguide and couples within the waveguide to the microwave field.
  • the waveguide is expanded to a resonator chamber at the location of the Gunn element.
  • a harmonic resonator can be formed, the fundamental wave of which is damped in the waveguide on the way from the resonator chamber to the coupling point of the strip line.
  • the frequency can be tuned in a known manner using a tuning pin in the resonator chamber.
  • the tuning takes place in a known manner by rotating and / or vertically displacing a resonator disc which projects into the waveguide in a position opposite the Gunn element.
  • a short-circuit slide is preferably provided, which is slidably arranged between the upper wall of the waveguide and the lower wall formed by the printed circuit board.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of the microwave oscillator according to a first embodiment
  • Fig. 3 is a sectional view of a microwave oscillator according to a second embodiment.
  • the microwave oscillator shown in FIG. 1 has a metallic base plate 10 on which a printed circuit board 12 lies flat.
  • a heat sink 14 in the form of a copper block is embedded, which is in thermal and electrical contact with the base plate 10.
  • a vibration exciter 16 is arranged, which is formed here by a Gunn element. The lower electrode of the Gunn element is grounded via the heat sink 14 and the base plate 10.
  • the vibration exciter 16 is arched over by an electrically grounded metallic housing 18 which, together with the printed circuit board 12 or the associated base plate 10, delimits a waveguide 20. At the location of the vibration exciter 16, the waveguide 20 is expanded to form a resonator chamber 22.
  • the components 24 are capacitors which serve to suppress voltage peaks when the oscillator is switched on and off.
  • the DC voltage supply of the vibration exciter 16 takes place via a conductive structure 26 formed on the printed circuit board 12, which in the example shown is connected to the upper electrode of the Gunn element via a bond wire 28.
  • a DC voltage is applied to the vibration exciter 16 in this way, it is excited to electronic vibrations due to the Gunn effect, for example with a fundamental frequency of 38 GHz.
  • the resonator chamber 22 is based on this basic frequency matched, so that standing electromagnetic waves with this fundamental frequency and their harmonics are excited in the resonator chamber 22.
  • a tuning pin 30 is provided for the precise frequency tuning, which protrudes into the resonator chamber 22.
  • the waveguide 20 is dimensioned such that it allows the first harmonic, with a frequency of 76 GHz, to pass, but dampens the fundamental wave. Part of the oscillation energy of the first harmonic is thus diverted via the waveguide 20 and, at a certain distance from the resonator chamber 22, is coupled into a strip line 34 via a resonator 32 designed in the manner of an antenna patch, which is led out of the waveguide 20 and the microwave output of the Forms oscillator.
  • the distance between the resonator 32 and the resonator chamber 22 is chosen so that the fundamental oscillation has decayed before it reaches the resonator 32.
  • the waveguide 20 is closed by a short-circuit slide 36, which is used to adapt the power between the waveguide 20 and the
  • the printed circuit board 12 has at least in the area of the short-circuit slide 36 on the upper side a metallization layer 38 which is connected to the base plate 10 several times through the printed circuit board 12, so that the short-circuit slide 36 is in electrical contact with the base plate 10.
  • the printed circuit board 12 can also have a continuous metallization layer (not shown) on the underside or inside, which then forms the electrical limitation of the waveguide 20 instead of the base plate 10 and at the same time serves as a ground electrode for the strip line 34 and the conductive structure 26 ,
  • the conductive structure 26 forms a low-pass filter 40 with which the DC voltage part of the oscillator is shielded against the high-frequency vibrations.
  • FIG. 3 differs from the embodiment of Figure 1 in that the resonator chamber 22 is omitted. Instead, a rotatable and height-adjustable resonator disc 42 for frequency tuning is attached to the lower end of the tuning pin 30.

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Abstract

Mikrowellenoszillator mit einem Hohlleiter (20), einem auf einer Wärmesenke (14) montierten Schwingungserreger (16), der in den Hohlleiter (20) hinein ragt, und einer Leiterplatte (12) mit elektronischen Bauelementen (24) zur Gleichspannungsversorgung des Schwingungserregers (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (12) oder eine Metallage auf, in oder unter dieser Leiterplatte eine wand des Hohlleiters (20) bildet und daß der Schwingungserreger (16) mit seiner Wärmesenke (14) in der Leiterplatte (12) sitzt.

Description

Mikrowellenoszillator
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenoszillator mit einem Hohlleiter, einem auf einer Wärmesenke montierten Schwingungserreger, der in den Hohlleiter hinein ragt, und einer Leiterplatte mit elektronischen Bauelementen zur Gleichspannungsversorgung des Schwin- gungserregers .
Es sind Mikrowellenozillatoren in Planartechnik bekannt, bei denen der Schwingungserreger und Leiterstrukturen zur Bildung von Resonatoren, Mikrowellenleitern, Filtern und dergleichen auf einem ge- meinsamen Substrat angeordnet sind. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für ein Abstandsradar bei Kraftfahrzeugen, sind jedoch Mikrowellenozillatoren in Hohlleitertechnik bevorzugt, damit die Anforderungen an die Güte und die Leistung des Oszillators erfüllt werden können.
Ein aus der Praxis bekannter Mikrowellenozillator für ein Kraftfahrzeug-Abstandsradar weist einen Hohlleiter oder Oszillatorkörper in der Form eines metallischen Gehäuses auf, das an das Radargerät angeschraubt und mittels einer Leitung in Handlötung elektrisch verbunden wird. Der Schwingungserreger wird durch ein Gunn-Element gebildet, das von unten in den Oszillatorkörper hineinragt. Am oberen Ende ist der Oszillatorkörper durch einen Isolierkörper abgeschlossen, auf dem eine Leiterplatte befestigt ist. Die Gleichspan- nungsversorgung des Gunn-Elements erfolgt durch ein stiftartiges Filterelement, einen sogenannten Bias-Choke, der sich von der Leiterplatte durch das Innere des Oszillatorkörpers zum oberen des Gunn-Elements erstreckt und als Tiefpaßfilter wirkt. Die Leiter- platte trägt ein kapazitives Netzwerk, das zur Unterdrückung von Spannungsspitzen beim Ein- und Ausschalten des Oszillators dient.
Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikrowellenozillator der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen kompakten Aufbau aufweist und sich einfacher herstellen und montieren l ßt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Leiterplatte eine Wand des Hohlleiters bildet und daß der Schwingungserreger mit seiner Wärmesenke in der Leiterplatte sitzt.
Da bei dieser Bauweise der Schwingungserreger, beispielsweise ein Gunn-Element, unmittelbar in bzw. auf der Leiterplatte angebracht ist, die auch die Schaltungskomponenten für die Gleichspannungsversorgung dieses Gunn-Elements trägt, braucht im Inneren des Hohlleiters kein stiftartiger Bias-Choke montiert zu werden, und die Fertigung des Hohlleiters sowie die Montage der Leiterplatte und des Gunn-Elements werden rationell zu einem einzigen Arbeitsgang zusam- mengefaßt. Da die Wärmesenke, die das Gunn-Element trägt, die Leiterplatte durchsetzt, kann die beim Betrieb des Gunn-Elements entstehende Verlustwär e wirksam nach außen abgeführt werden. Die elektrisch leitende Hülle des Hohlleiters kann im Bereich der Leiterplatte durch eine Metallisierung dieser Leiterplatte oder wahl- weise auch durch eine metallische Grundplatte gebildet werden, die an der Leiterplatte anliegt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un- teransprüchen .
Die Tiefpaß-Funktion des herkömmlichen Bias-Chokes wird bei dem erfindungsgemäßen Oszillator bevorzugt von einer Leiterstruktur über- nommen, die auf der Leiterplatte ausgebildet ist, und Teil der elektrischen Zuleitung zum Gunn-Element ist.
Der Mikrowellenausgang des Oszillators wird bevorzugt durch eine auf der Leiterplatte ausgebildete Streifenleitung gebildet r die aus dem Hohlleiter herausgeführt ist und innerhalb des Hohlleiters an das Mikrowellenfeld koppelt.
In einer Ausführungsform ist der Hohlleiter an der Stelle des Gunn- Elements zu einer Resonatorkammer erweitert. Auf diese Weise kann ein Oberwellenresonator gebildet werden, dessen Grundwelle im Hohlleiter auf dem Weg von der Resonatorkammer zur Kopplungsstelle der Streifenleitung gedämpft wird. Die Frequenzabstimmung kann in bekannter Weise mit Hilfe eines Abstimmstiftes in der Resonatorkammer erfolgen. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Abstimmung in bekannter Weise durch Drehung und/oder Vertikalverschiebung einer Resonatorscheibe, die in einer dem Gunn-Element gegenüberliegenden Position in den Hohlleiter hineinragt.
Zur Leistungsanpassung zwischen Hohlleiter und Gunn-Element ist bevorzugt ein Kurzschlußschieber vorgesehen, der verschiebbar zwischen der oberen Wand des Hohlleiters und der durch die Leiterplatte gebildeten unteren Wand angeordnet ist .
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung des Mikrowellenoszilla- tors gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 einen Teil einer Leiterplatte des Mikrowellenoszillators nach Figur 1 in der Draufsicht; und Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Mikrowellenoszillators gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Der in Figur 1 gezeigte Mikrowellenoszillator weist eine metallische Grundplatte 10 auf, auf der eine Leiterplatte 12 flach aufliegt. In die Leiterplatte 12, deren Dicke aus Gründen der Deutlichkeit übertrieben dargestellt ist, ist eine Wärmesenke 14 in der Form eines Kupferblockes eingebettet, der mit der Grundplatte 10 in thermischem und elektrischem Kontakt steht. Auf der Oberseite der Wärmesenke 14 ist ein Schwingungserreger 16 angeordnet, der hier durch ein Gunn-Element gebildet wird. Die untere Elektrode des Gunn-Elements ist über die Wärmesenke 14 und die Grundplatte 10 ge- erdet.
Der Schwingungserreger 16 ist von einem elektrisch geerdeten metallischen Gehäuse 18 überwölbt, das zusammen mit der Leiterplatte 12 bzw. der zugehörigen Grundplatte 10 einen Hohlleiter 20 begrenzt. An der Stelle des Schwingungserregers 16 ist der Hohlleiter 20 zu einer Resonatorkammer 22 erweitert.
Auf der Leiterplatte 12 sind außerhalb des Hohlleiters 20 elektronische Bauelemente 24 angeordnet, die Teil einer Schaltung zur Gleichspannungsversorgung des Schwingungserregers 16 sind. Beispielsweise handelt es sich bei den Bauelementen 24 um Kondensatoren, die zur Unterdrückung von Spannungsspitzen beim Ein- und Ausschalten des Oszillators dienen. Die Gleichspannungsversorgung des Schwingungserregers 16 erfolgt über eine auf der Leiterplatte 12 ausgebildete leitende Struktur 26, die im gezeigten Beispiel über einen Bond-Draht 28 mit der oberen Elektrode des Gunn-Elements verbunden ist.
Wenn auf diese Weise eine Gleichspannung an den Schwingungserreger 16 angelegt wird, so wird dieser aufgrund des Gunn-Effekts zu elektronischen Schwingungen angeregt, beispielsweise mit einer Grundfrequenz von 38 GHz. Die Resonatorkammer 22 ist auf diese Grundfre- quenz abgestimmt, so daß stehende elektromagnetische Wellen mit dieser Grundfrequenz und deren Harmonischen in der Resonatorkammer 22 angeregt werden. Für die genaue Frequenzabstimmung ist ein Abstimmstift 30 vorgesehen, der in die Resonatorkammer 22 hineinragt.
Der Hohlleiter 20 ist so dimensioniert, daß er die erste Oberwelle, mit einer Frequenz von 76 GHz, passieren läßt, jedoch die Grund- schwingung dämpft. Ein Teil der Schwingungsenergie der ersten Oberwelle wird somit über den Hohlleiter 20 abgeleitet und in gewissem Abstand zu der Resonatorkammer 22 über einen nach Art eines Anten- nenpatches ausgebildeten Resonator 32 in eine Streifenleitung 34 eingekoppelt, die aus dem Hohlleiter 20 herausgeführt ist und den Mikrowellenausgang des Oszillators bildet. Der Abstand zwischen dem Resonator 32 und der Resonatorkammer 22 ist so gewählt, daß die Grundschwingung abgeklungen ist, bevor sie den Resonator 32 erreicht .
An dem Ende, das der Streifenleitung 34 entgegengesetzt ist, ist der Hohlleiter 20 durch einen Kurzschlußschieber 36 abgeschlossen, der zur Leistungsanpassung zwischen dem Hohlleiter 20 und dem
Schwingungserreger 16 dient. Die Leiterplatte 12 weist zumindest im Bereich des Kurzschlußschiebers 36 an der Oberseite eine Metallisierungsschicht 38 auf, die durch die Leiterplatte 12 hindurch mehrfach mit der Grundplatte 10 verbunden ist, so daß der Kurz- schlußschieber 36 mit der Grundplatte 10 in elektrischem Kontakt steht. Wahlweise kann die Leiterplatte 12 auch an der Unterseite oder im Inneren eine nicht gezeigte durchgehende Metallisierungs- schicht aufweisen, die dann anstelle der Grundplatte 10 die elektrische Begrenzung des Hohlleiters 20 bildet und zugleich als Mas- seelektrode für die Streifenleitung 34 und die leitende Struktur 26 dient .
Wie Figur 2 zeigt, bildet die leitende Struktur 26 ein Tiefpaßfilter 40, mit dem der Gleichspannungsteil des Oszillators gegen die hochfrequenten Schwingungen abgeschirmt wird.
Das in Figur 3 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 dadurch, daß die Resonatorkammer 22 fortgelassen ist. Stattdessen ist am unteren Ende des Abstimmstiftes 30 eine drehbare und höhenverstellbare Resonatorscheibe 42 zur Frequenzabstimmung angebracht.

Claims

Ansprüche
1. Mikrowellenoszillator mit einem Hohlleiter (20), einem auf einer Wärmesenke (14) montierten Schwingungserreger (16), der in den Hohlleiter (20) hinein ragt, und einer Leiterplatte (12) mit elektronischen Bauelementen (24) zur Gleichspannungsversorgung des Schwingungserregers (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (12) oder eine Metallage auf, in oder unter dieser Leiterplatte eine Wand des Hohlleiters (20) bildet und daß der Schwin- gungserreger (16) mit seiner Wärmesenke (14) in der Leiterplatte (12) sitzt.
2. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Leiterplatte (12) eine leitende Struktur (26) angeord- net ist, die ein Tiefpaßfilter (40) bildet und elektrisch mit dem
Schwingungserreger (16) und den Bauelementen (24) zur Gleichspannungsversorgung desselben verbunden ist.
3. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß auf der Leiterplatte (12) eine Streifenleitung (34) angeordnet ist, die innerhalb des Hohlleiters (24) an das Mikrowellenfeld koppelt und als Mikrowellenausgang aus dem Hohlleiter (20) herausgeführt ist.
4. Mikrowellenoszillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (20) im Bereich des Schwingungserregers (16) zu einer Resonatorkammer (22) erweitert ist.
5. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (20) für die Grundschwingung in der Resonator- kammer (22) undurchlässig ist und daß der Abstand zwischen der Streifenleitung (34) und der Resonatorkammer (22) größer ist als die Abklingstrecke dieser Grundschwingung.
6. Mikrowellenoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlleiter (20) eine dem Schwingungserreger (16) gegenüberliegende verstellbare Resonatorscheibe (42) angeordnet ist.
7. Mikrowellenoszillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (20) an einem Ende durch einen Kurzschlußschieber (36) abgeschlossen ist, der mit einer Me- tallisierungsschicht (38) auf, in oder unter der Leiterplatte (12) in elektrischem Kontakt steht.
8. Mikrowellenoszillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von dem Hohlleiter (20) abgewandten Seite der Leiterplatte (12) eine metallische Grundplatte (10) angeordnet ist, die elektrisch mit den übrigen Wänden des Hohlleiters (20) verbunden ist und mit der Wärmesenke (14) in thermischem und elektrischem Kontakt steht.
9. Mikrowellenoszillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (12) mindestens eine durchgehende Metallisierungsschicht aufweist, die mit den übrigen Wänden des Hohlleiters elektrisch verbunden ist.
EP03727234A 2002-11-02 2003-05-19 Mikrowellenoszillator Withdrawn EP1599933A1 (de)

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