EP2304840A1 - Abgewinkelter übergang von mikrostreifenleitung auf rechteckhohlleiter - Google Patents

Abgewinkelter übergang von mikrostreifenleitung auf rechteckhohlleiter

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Publication number
EP2304840A1
EP2304840A1 EP09757286A EP09757286A EP2304840A1 EP 2304840 A1 EP2304840 A1 EP 2304840A1 EP 09757286 A EP09757286 A EP 09757286A EP 09757286 A EP09757286 A EP 09757286A EP 2304840 A1 EP2304840 A1 EP 2304840A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
waveguide
element according
transition element
lip
strip conductor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09757286A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Feil
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.)
Universitaet Ulm
Original Assignee
Universitaet Ulm
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Ulm filed Critical Universitaet Ulm
Publication of EP2304840A1 publication Critical patent/EP2304840A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49117—Conductor or circuit manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a transition element for transferring a strip conductor into a waveguide.
  • Transition elements of planar circuit technology on a waveguide have been widely used for some years and are typically used in the
  • Radar and communication technology in the micro and millimeter wave range. They serve the purpose of connecting components which can be integrated planarly, such as MMICs, with low-loss waveguides and / or waveguide-fed antennas.
  • Transition elements are known from the prior art, which usually have a specially designed radiator element (engl, patch), which is located on an approximately 100 micron thick substrate layer. Vias in the substrate layer form an extension of the waveguide, which is arranged on a substrate from. Below the substrate layer in the region of the bores, a cap made of a conductive material forms a cavity ("cavity" or “backshort”). The radiating element protrudes into the waveguide in such a way that the distance between radiator element and cap is ⁇ / 4 or an odd integer multiple thereof. Since idling is thus produced in the region of the cavity (backshort) in the plane of the radiating element, the electromagnetic wave can be fed into the waveguide in a strip conductor.
  • transition element according to claim 1 This object is achieved by the transition element according to claim 1 and its advantageous developments and arrangements according to the dependent claims. solves. Typical uses of the transition element according to the invention are given in claim 20. The transition element according to the invention is further used in the method for producing microwaves according to claim 21.
  • the transition element for a transition of a wave from a strip conductor to a waveguide contains a planar substrate, at least one strip conductor and a waveguide. At least one of the strip conductors, which are located on a first side of the planar substrate, has at least one strip conductor end.
  • the waveguide forms around its first opening a circumferential lip.
  • the transition element according to the invention is constructed such that the waveguide is placed in the region of a strip conductor end with the circumferential lip on the first side of the substrate, wherein the strip conductor and the waveguide are contacted or electrically coupled at least at one point of the lip.
  • a contact or electrical coupling between the strip conductor and waveguide can be formed only in the region of the lip, since the strip conductor is isolated at all other locations / areas of the waveguide.
  • a stripline arranged stub on the first side of the planar substrate, spaced by a short interruption from the strip conductor end, a stripline arranged stub.
  • This strip conductor stub is also contacted via the lip with the waveguide or electrically coupled and represents a virtual or real short circuit.
  • the contact or coupling point between the strip conductor stub and lip is arranged so that it the contact or coupling point between the strip conductor and waveguide is opposite and / or that the distance between the two coupling points in the orbit of the lip is the same regardless of the direction of rotation.
  • the interruption between the strip conductor end and the strip conductor stub corresponds to the dimensions of the hollow conductor cross section, ie the diameter or a side length of the cross section. Depending on the width of the lip, the interruption may have a length of double the lip width plus the dimension of the opening.
  • the strip conductor stub preferably has a length in the order of ⁇ / 4, preferably ⁇ / 4 ⁇ 30%, in particular ⁇ / 4 + 15%, or an odd integer multiple thereof.
  • a stripline of such length with an open end acts as a virtual short.
  • the value ⁇ is defined in this example as the wavelength of an electromagnetic wave which has fed or fed a corresponding generator into the strip conductor.
  • the length of the strip conductor stub depends i.a. also from the width of the lip of the hollow conductor.
  • a real short circuit can be formed by the strip conductor stub, whereby this under the lip, in the immediate vicinity of the lip or at a distance of ⁇ / 2 + 30%, in particular ⁇ / 2 ⁇ 15%, or an integer multiple thereof by means of a ner through-hole is laid to ground.
  • the contacting of the stripline stub takes place in different ways. In the case of a two-layer or single-layer printed circuit board technology, wherein the carrier material is in a single-layer construction on a solid metallic carrier, the contact between stripline strip and ground via a via. In a design with coplanar technology, on the other hand, a direct contact between ground and stripline stub is sufficient.
  • the waveguide of the transition element according to the invention can be easily applied to differently designed printed circuit boards. The only difference is that, depending on the printed circuit board technology, a second side of the substrate is completely or partially metallized and / or the first side of the substrate is partially metallized. It should be noted that the metallic layer on the first side of the substrate is isolated from the strip conductors on the first side of the substrate.
  • the metallization on the second side of the substrate may have different thicknesses in the range of 5 microns and 10 mm. If it is a two-layer PCB structuring, the metallic layer has a thickness of 17 microns to 50 microns. In a single-layer printed circuit board structuring, the metallic layer is a solid metallic carrier plate. This carrier plate has a thickness in the range of 10 ⁇ m to 10 mm, in particular in the range of 500 microns and 1 mm.
  • the waveguide is formed as a rectangular waveguide, circular waveguide or waveguide with elliptical cross-section.
  • the first opening or the lip of the first waveguide has a circumference in the order of ⁇ , in particular ⁇ ⁇ 30%, in particular ⁇ ⁇ 15%, or an integer multiple thereof. This ensures that the shaft in the slot or the opening of the waveguide an electric
  • the short side of the first opening can have a length in the range of ⁇ / 20 and ⁇ / 5, while the long side has a length of the order of ⁇ / 2, in particular ⁇ / 2 ⁇ 30%, in particular ⁇ / 2 + 15%, or an integer multiple thereof.
  • the lengths of the short and long sides of the waveguide opening can also vary such that the double sum of length and width has a value in the order of ⁇ , in particular ⁇ + 30%, in particular ⁇ ⁇ 15%, or an integer multiple of which results.
  • the length of the short-circuit should preferably be zen side negligible and lie the Kunststoff ists- or coupling points on the lip on the long side of the lip.
  • the strip conductors are microstrip conductors and / or coplanar conductors.
  • the strip conductors For waves in the microwave range, the strip conductors have a width in the range of 100 microns to 800 microns. At lower frequencies, the width may be in the range of a few millimeters, preferably less than or equal to 4 mm.
  • the substrate on the first side of which the strip conductors are arranged, advantageously contains a polymeric material, in particular polytetrafluoroethylene, or consists of such a material.
  • a polymeric material in particular polytetrafluoroethylene, or consists of such a material.
  • materials based on Teflon are also counted.
  • a substrate material however, ceramic materials, glasses or composite materials can serve.
  • the lip of the waveguide has a width less than or equal to the stripline width plus 50%, in particular 30%, on.
  • the width of the lip is defined as the width transverse to the circumferential direction of the lip in the plane of the coupling point parallel to the substrate.
  • the waveguide in the transition element according to the invention is advantageously arranged on the first side of the substrate, that the strip conductor end is located centrally between the adjacent waveguide inner wall and the outside of the lip under the lip. This means at the same time that the Stenderleite- rende is located in the middle of the lip width.
  • stripline stub is arranged such its one end is halfway down the lip under the lip.
  • the transition element according to the invention on the first side of the substrate, it is advantageous to choose the thickness of the waveguide as thick as possible in order to obtain the largest possible surface of the waveguide on the side of the first opening.
  • the Bewandsungsdicke of the waveguide to greater than or equal to the stripline width, preferably greater than or equal to 5 mm, more preferably greater than or equal to 20 mm, more preferably to a value in the order of one of the respective wavelength corresponding standard waveguide flange.
  • Waveguide lip which, as mentioned above, approximately equal to a width less than or equal to the stripline width is then formed by a first opening circumferential groove in the end face of the waveguide having the first opening.
  • the groove serves on the one hand the shaping of the lip, on the other hand the electrical decoupling of the surface-lying structure from the actual transition. In particular, this prevents so-called parallel plate waves from being excited between the planar structure and the backside metallization.
  • the surface of the lip is completely on the substrate for reasons of mechanical stability.
  • the said end face of the waveguide can have at least one further groove in which the strip conductor is guided.
  • Nut serves to isolate the strip conductor relative to the waveguide.
  • the groove surrounding the lip has, for example, a width in the range of ⁇ / 20 and ⁇ / 5 and a depth in the order of ⁇ / 4, in particular ⁇ / 4 + 30%, in particular ⁇ / 4 + 15%, or a Many of them.
  • the width and the double depth of the groove gives a value in the order of ⁇ / 2, in particular ⁇ / 2 + 30%, in particular ⁇ / 2 + 15%, or an odd integer multiple thereof.
  • the width and depth of the groove are directly related to each other and can be varied accordingly.
  • the waveguide of the transition element according to the invention preferably does not correspond to the standard dimensions of conventional waveguides.
  • the waveguide therefore opens with its second opening facing away from the substrate into an adaptation element for widening or reducing the waveguide circumference.
  • an adjustment element can also serve to change the waveguide cross section.
  • the wave excited in the waveguide can be transformed to an additional waveguide with standard dimensions.
  • the adjustment element is a ⁇ / 4 transformer.
  • a ⁇ / 4 transformer is essentially a waveguide piece with a length of ⁇ / 4, wherein the cross section lies between the dimensions of the cross section of a first waveguide and those of a second waveguide.
  • the waveguide piece of the ⁇ / 4 transformer can be realized by any cross-section rectangular, round, oval -.
  • such a taper is difficult to realize by milling.
  • the waveguide of the transition element according to the invention and the adjustment element are advantageously formed from one piece.
  • the waveguide and the matching element are made of or contain a conductive material.
  • the waveguide and / or the matching element can be produced by injection molding, wherein the surfaces forming the waveguide and / or the matching element are metallised. The production of waveguide and adapter element with injection molding technology would significantly reduce the production costs of the transition element according to the invention.
  • the plated-through holes are only of advantage if it should come to cross-coupling to adjacent circuit parts. They are not a characteristic feature of the invention.
  • the transition element according to the invention can be contained for example in a microwave radiator.
  • a generator generates a radiation with the wavelength ⁇ , which is fed into the strip conductor of the transition element and is transferred from there into the waveguide.
  • Transition elements according to the invention find particular in the radar and communication technology in a range of wavelengths from microwaves to millimeter waves
  • transition element according to the invention in radar technology is firstly called motor vehicle radar for distance measurement, secondly radar in helicopters and / or aircraft for altitude measurement, but also radar at airports for taxiway monitoring.
  • Radar technology continues to be used in level measurements, especially of reactive materials.
  • use in the frequency range between 70 and 90 GHz, as already provided, would be advantageous since very large data rates would be possible in this frequency range.
  • a wave in the micro or millimeter wave range is first generated by a corresponding generator and fed into the strip conductor of the transition element according to the invention.
  • the so-called. Slit an electric field is generated by the injected radiation, which in turn excites micro- or millimeter waves in the waveguide.
  • the wave is transferred from the strip conductor into the waveguide.
  • FIG. 1 shows a cross-section through a transition element according to the invention, split along the strip conductor
  • FIG. 2 shows the three-dimensional view of a transition element according to the invention as well as a split-along the strip conductor transition element according to the invention
  • Figure 3 shows the top view of an inventive
  • FIG. 4 shows a plan view of a transition element according to the invention, the printed circuit board technology being based on coplanar technology;
  • Figure 5 shows the results of measurements of transmission and reflection.
  • FIG. 1 shows a substrate 1 with a first surface 3 and a second surface 4, wherein a strip conductor 2a and a strip conductor stub 2b are arranged on the first surface 3.
  • an element 5 is arranged, which has a waveguide 6, a ⁇ / 4 -transformer 7 and an additional waveguide 8 with standard dimensions.
  • the element 5 is placed on the first side 3 of the substrate 1 in such a way that the lip 9 with a lip width 10 of the order of magnitude of the stripline width is seated directly on the first side 3 of the substrate 1.
  • the lip 9 is surrounded by a circumferential groove 12.
  • the strip conductor 2a and the strip conductor stub 2b is contacted or electrically coupled to the lip 9 of the waveguide 6 at the two contact or coupling points IIa and IIb.
  • FIG. 2 shows a similar construction as in FIG.
  • One of the elements 5 is divided into two parts 5a and 5b, wherein the part 5b is shifted so that the strip conductor end 13 and the strip conductor stub 2a emerge. Again clearly visible is the lip 9 and the groove 12 which surrounds the lip 9.
  • Figure 3 shows the top view of the structure in Figure 2. It can be seen the first side 3 of the substrate 1 on which the strip conductor 2a with the strip conductor end 13 and the strip conductor stub 2b are arranged. Furthermore, the element 5 and the subelement 5a are located on the first side 3 of the substrate 1. The subelement 5b is displaced from the substrate 1. The element 5 clearly shows the different cross sections of the waveguide 6, the ⁇ / 4 transformer 7 and the additional waveguide 8 with standard deviations.
  • FIG. 4 shows the first side 3 of the substrate 1 with the strip conductor 2 a of a transition element according to the invention, the coplanar technology being selected as the printed circuit board technology.
  • the strip conductor end 13 of the coplanar conductor 2 a lies in the region of a border 16 impressed on the first side 3 of the substrate 1.
  • the border 16 indicates where later the lip 9 of the waveguide 6 is placed.
  • By the border 16 is an opening 15 formed in which after placing the waveguide 6, an electric field is formed.
  • a metallic layer 14 is applied to the first side 3 of the substrate 1 (not shown), which constitutes the mass.

Landscapes

  • Waveguide Connection Structure (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Hochfrequenztechnik auf ein Übergangselement zur Überführung einer elektromagnetischen Welle in einem Streifenleiter in einen Hohlleiter. Dabei wird ein Hohlleiter mit einer ersten Öffnung auf ein Substrat, auf dem sich außerdem Streifenleiter und Streifenleiterstummel befinden, aufgebracht und mit einem Streifenleiter oder mit einem Streifenleiter und einem Streifenleiterstummel kontaktiert und/oder gekoppelt. Eine Welle im Streifenleiter bildet dann in der ersten Öffnung ein elektrisches Feld aus.

Description

Abgewinkelter Übergang von Mikrostreifenleitung auf
RechteckhohlIeiter
Die Erfindung bezieht sich im Bereich der Hochfre- quenztechnik auf ein Übergangselement zur Überführung eines Streifenleiters in einen Hohlleiter.
Übergangselemente von planarer Schaltungstechnik auf einen Hohlleiter sind seit einigen Jahren weit ver- breitet und finden typischerweise Anwendung in der
Radar- und Kommunikationstechnik, im Mikro- und Millimeterwellenbereich. Sie dienen dem Zweck, planar integrierbare Bauelemente, wie beispielsweise MMICs, mit verlustarmen Hohlleitern und/oder Hohlleiter- gespeisten Antennen zu verbinden.
Aus dem Stand der Technik sind Übergangselemente bekannt, die üblicherweise ein speziell ausgebildetes Strahlerelement (engl, patch) aufweisen, das sich auf einer ca. 100 μm dicken Substratschicht befindet. Durchkontaktierungen in der Substratschicht bilden eine Verlängerung des Hohlleiters, welcher auf einem Substrat angeordnet ist, aus. Unterhalb der Substratschicht im Bereich der Bohrungen bildet eine Kappe aus einem leitfähigen Material einen Hohlraum (engl. „Cavity" oder „backshort") aus. Das Strahlerelement ragt so in den Hohlleiter hinein, dass der Abstand zwischen Strahlerelement und Kappe λ/4 oder ein ungerades ganzzahliges Vielfaches davon beträgt. Da somit im Bereich des Hohlraums (backshort) in der Ebene des Strahlerelements ein Leerlauf erzeugt wird, kann die elektromagnetische Welle in einem Streifenleiter in den Hohlleiter eingespeist werden.
Die Herstellung herkömmlicher Übergangselemente von planarer Schaltungstechnik auf einen Hohlleiter erweist sich aufgrund der Durchkontaktierungen als problematisch. Zur Durchkontaktierung herkömmlicher Trägermaterialien müssen die Bohrungen metallisiert werden. Die Metallisierung von Teflon-basierten Substraten bedarf jedoch bislang aufwändigen Herstellungsverfahren und steht der einfachen kostengünstigen Leiterkartenfertigung nicht zur Verfügung. Außerdem benötigen herkömmliche Übergangselemente bisher eine zweilagige Leiterplattenstrukturierung.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Übergangselement zur Überführung einer elektromagnetischen Welle in einem Streifenleiter in einen Hohlleiter zur Verfügung zu stellen, dessen Fertigung auf einfachen Herstellungsprozessen beruht.
Diese Aufgabe wird durch das Übergangselement nach Anspruch 1 sowie dessen vorteilhafte Weiterbildungen und Anordnungen nach den abhängigen Ansprüchen ge- löst. Typische Verwendungen des erfindungsgemäßen Ü- bergangselementes werden in Anspruch 20 gegeben. Das erfindungsgemäße Übergangselement wird weiter in dem Verfahren zur Erzeugung von Mikrowellen nach Anspruch 21 eingesetzt.
Erfindungsgemäß enthält das Übergangselement für einen Übergang einer Welle von einem Streifenleiter auf einen Hohlleiter ein flächiges Substrat, mindestens einen Streifenleiter und einen Hohlleiter. Mindestens einer der Streifenleiter, die sich auf einer ersten Seite des flächigen Substrates befinden, weist mindestens ein Streifenleiterende auf . Der Hohlleiter bildet um seine erste Öffnung eine umlaufende Lippe aus. Das erfindungsgemäße Übergangselement ist derart aufgebaut, dass der Hohlleiter im Bereich eines Streifenleiterendes mit der umlaufenden Lippe auf die erste Seite des Substrates aufgesetzt ist, wobei der Streifenleiter und der Hohlleiter an mindestens einem Punkt der Lippe miteinander kontaktiert oder elektrisch gekoppelt sind. Dabei ist zu beachten, dass eine Kontaktierung oder elektrische Kopplung zwischen Streifenleiter und Hohlleiter lediglich im Bereich der Lippe ausgebildet werden kann, da der Streifen- leiter an allen übrigen Stellen/Flächen vom Hohlleiter isoliert ist. Durch die Kontaktierung oder Kopplung von Streifenleiterende und Hohlleiter wird in der Öffnung bzw. in dem durch die Öffnung gebildeten Schlitz des Hohlleiters ein elektrisches Feld er- zeugt. Dieses elektrische Feld regt im Hohlleiter eine Welle an, die verlustarm durch den Hohlleiter geführt wird.
Erfindungsgemäß ist auf der ersten Seite des flächi- gen Substrates, durch eine kurze Unterbrechung vom Streifenleiterende beabstandet, ein Streifenleiter- stummel angeordnet. Dieser Streifenleiterstummel ist ebenfalls über die Lippe mit dem Hohlleiter kontaktiert oder elektrisch gekoppelt und stellt einen virtuellen oder realen Kurzschluss dar. Vorteilhafter- weise ist der Kontakt- oder Kopplungspunkt zwischen Streifenleiterstummel und Lippe so angeordnet, dass er dem Kontakt- oder Kopplungspunkt zwischen Streifenleiter und Hohlleiter gegenüber liegt und/oder dass die Strecke zwischen den beiden Kopplungspunkten bei Umrundung der Lippe unabhängig vom Umlaufsinn gleich weit ist. Die Unterbrechung zwischen Streifenleiterende und Streifenleiterstummel entspricht den Abmessungen des Hohlleiterquerschnittes, d.h. dem Durchmesser oder einer Seitenlänge des Querschnittes. Je nach Breite der Lippe kann die Unterbrechung eine Länge von doppelter Lippebreite zuzüglich der Abmessung der Öffnung aufweisen.
Der Streifenleiterstummel weist vorzugsweise eine Länge in der Größenordnung von λ/4, bevorzugt λ/4 ± 30 %, insbesondere λ/4 + 15 %, oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen davon auf. Ein Streifenleiter mit einer solchen Länge mit einem offenen Ende wirkt wie ein virtueller Kurzschluss. Der Wert λ ist in diesem Beispiel definiert als die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle, welche ein entsprechender Generator in den Streifenleiter einspeist oder eingespeist hat. Die Länge des Streifenleiterstummels hängt u.a. auch von der Breite der Lippe des Hohllei - ters ab.
Alternativ kann durch den Streifenleiterstummel ein realer Kurzschluss ausgebildet werden, wobei dieser unter der Lippe, in unmittelbarer Nähe zur Lippe oder im Abstand von λ/2 + 30 %, insbesondere λ/2 ± 15 %, oder eines ganzzahligen Vielfachen davon mittels ei- ner Durchkontaktierung gegen Masse gelegt wird. Abhängig davon, ob es sich um eine zweilagige Leiterplattenstrukturierung, eine einlagige Strukturierung auf einem massiven metallischen Träger oder eine Trä- gerplatte mit koplanarer Streifenleitungstechnik handelt, erfolgt die Kontaktierung des Streifenleiterstummels auf unterschiedliche Weise. Im Falle einer zweilagigen oder einlagigen Leiterplattentechnologie, wobei sich das Trägermaterial beim einlagigen Aufbau auf einem massiven metallischen Träger befindet, erfolgt die Kontaktierung zwischen Streifenleiterstummel und Masse über eine Durchkontaktierung. Bei einem Aufbau mit Koplanartechnik genügt dagegen eine direkte Kontaktierung zwischen Masse und Streifenleiter- stummel.
Der Hohlleiter des erfindungsgemäßen Übergangselementes kann auf unterschiedlich konzipierte Leiterplatten problemlos aufgebracht werden. Der einzige Unter- schied besteht darin, dass je nach Leiterplattentechnologie eine zweite Seite des Substrates vollständig oder teilweise und/oder die erste Seite des Substrates bereichsweise metallisiert ist. Zu beachten ist dabei, dass die metallische Schicht auf der ersten Seite des Substrates von den Streifenleitern auf der ersten Seite des Substrates isoliert ist.
Die Metallisierung auf der zweiten Seite des Substrates kann unterschiedliche Dicken im Bereich von 5 μm und 10 mm aufweisen. Handelt es sich um eine zweilagige Leiterplattenstrukturierung, weist die metallische Schicht eine Dicke von 17 μm bis 50 μm auf. Bei einer einlagigen Leiterplattenstrukturierung handelt es sich bei der metallischen Schicht um eine massive metallische Trägerplatte. Diese Trägerplatte weist eine Dicke im Bereich von 10 μm bis 10 mm, insbeson- dere im Bereich von 500 μm und 1 mm auf.
Als Hohlleiter des erfindungsgemäßen Übergangselementes kommen Hohlleiter mit unterschiedlichen Quer- schnitten in Frage. Vorzugsweise ist der Hohlleiter als Rechteck-Hohlleiter, Rundhohlleiter oder Hohlleiter mit elliptischem Querschnitt ausgebildet.
Unabhängig vom Querschnitt des jeweiligen verwendeten Hohlleiters weist die erste Öffnung bzw. die Lippe des ersten Hohlleiters einen Umfang in der Größenordnung von λ, insbesondere von λ ± 30 %, insbesondere λ ± 15 %, oder einem ganzzahligen Vielfachen davon auf. Damit wird gewährleistet, dass die Welle im Schlitz bzw. der Öffnung des Hohlleiters ein elektrisches
Feld ausbildet. Dies ist möglich, da ein Schlitz der Länge λ/2 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon einen Resonator bildet.
Ist der Hohlleiter des erfindungsgemäßen Übergangselementes ein Rechteck-Hohlleiter, so kann die kurze Seite der ersten Öffnung eine Länge im Bereich von λ/20 und λ/5 aufweisen, während die lange Seite eine Länge in der Größenordnung von λ/2, insbesondere von λ/2 ± 30 %, insbesondere λ/2 + 15 %, oder einem ganzzahligen Vielfachen davon aufweist. Bei Verwendung eines Rundhohlleiters ist der Radius so zu wählen, dass r = λ/ (2π) gilt.
Die Längen von kurzer und langer Seite der Hohlleiteröffnung können aber auch derart variieren, dass die doppelte Summe aus Länge und Breite einen Wert in der Größenordnung von λ, insbesondere von λ + 30 %, insbesondere λ ± 15 %, oder einem ganzzahligen Viel- fachen davon ergibt. Um jedoch eine gute Ankopplung zu erreichen, sollte vorzugsweise die Länge der kur- zen Seite vernachlässigbar klein werden und die Kontaktierungs- oder Kopplungspunkte auf der Lippe auf der langen Seite der Lippe liegen.
Je nach verwendeter Leiterplattentechnologie sind die Streifenleiter Mikrostreifenleiter und/oder Koplanar- leiter. Für Wellen im Mikrowellenbereich weisen die Streifenleiter eine Breite im Bereich von 100 μm bis 800 μm auf. Bei tieferen Frequenzen kann die Breite im Bereich einiger Millimeter liegen, bevorzugt kleiner oder gleich 4 mm sein.
Das Substrat, auf dessen erster Seite die Streifenleiter angeordnet sind, enthält vorteilhafterweise einen polymeren Werkstoff, insbesondere PolytetrafIu- orethylen, oder besteht aus einem solchen Material. Dazu werden auch Materialien auf Teflon-Basis gezählt. Als Substratmaterial können jedoch auch keramische Werkstoffe, Gläser oder Verbundmaterialien dienen.
Die Lippe des Hohlleiters weist eine Breite kleiner oder gleich der Streifenleiterbreite zuzüglich 50 %, insbesondere 30 %, auf. Die Breite der Lippe ist da- bei definiert als die Breite quer zur Umlaufrichtung der Lippe in der Ebene des Kopplungspunktes parallel zum Substrat.
Der Hohlleiter im erfindungsgemäßen Übergangselement ist vorteilhafterweise so auf der ersten Seite des Substrates angeordnet, dass das Streifenleiterende mittig zwischen der benachbarten Hohlleiterinnenwand und der Außenseite der Lippe unter der Lippe liegt. Dies bedeutet gleichzeitig, dass das Streifenleite- rende in der Mitte der Lippenbreite angeordnet ist.
Auch der Streifenleiterstummel ist derart angeordnet, dass sich sein eines Ende auf halber Breite der Lippe unter der Lippe befindet.
Um das erfindungsgemäße Übergangselement bequem auf der ersten Seite des Substrates anordnen zu können, ist es von Vorteil, die Bewandung des Hohlleiters möglichst dick zu wählen, um eine möglichst große Fläche des Hohlleiters auf der Seite der ersten Öffnung zu erhalten. Vorteilhafterweise beläuft sich die Bewandungsdicke des Hohlleiters auf größer oder gleich der Streifenleiterbreite, bevorzugt auf größer oder gleich 5 mm, besonders bevorzugt auf größer oder gleich 20 mm, besonders bevorzugt auf einen Wert in der Größenordnung eines der jeweiligen Wellenlänge entsprechenden Standart-Hohlleiterflansches. Die
Hohlleiterlippe, die wie oben erwähnt, ungefähr eine Breite kleiner oder gleich der Streifenleiterbreite aufweist, wird dann durch eine die erste Öffnung umlaufende Nut in der Stirnseite des Hohlleiters, die die erste Öffnung aufweist, gebildet. Die Nut dient zum einen der Formung der Lippe, zum anderen der e- lektrischen Entkopplung der flächig aufliegenden Struktur vom eigentlichen Übergang. Insbesondere wird dadurch verhindert, dass sog. Parallelplattenwellen zwischen der flächigen Struktur und der rückseitigen Metallisierung angeregt werden. Die Fläche der Lippe liegt aus Gründen der mechanischen Stabilität vollständig auf dem Substrat auf . Die besagte Stirnseite des Hohlleiters kann mindestens eine weitere Nut auf- weisen, in der der Streifenleiter geführt wird. Die
Nut dient dabei der Isolation des Streifenleiters gegenüber dem Hohlleiter. Die die Lippe umlaufende Nut hat beispielsweise eine Breite im Bereich von λ/20 und λ/5 und eine Tiefe in der Größenordnung von λ/4, insbesondere von λ/4 + 30 %, insbesondere von λ/4 + 15 %, oder ein Vielfaches davon. Verallgemeinern lässt sich dies mit der Aussage, dass somit die Breite und die doppelte Tiefe der Nut einen Wert in der Größenordnung λ/2, insbesondere λ/2 + 30 %, insbesondere λ/2 + 15 %, oder ein ungerades ganzzahliges Vielfaches davon ergibt. Somit hängen Breite und Tiefe der Nut direkt miteinander zusammen und können dementsprechend variiert werden. Vorzugsweise entspricht der Hohlleiter des erfindungsgemäßen Übergangselementes nicht den Standardabmessungen herkömm- licher Hohlleiter. Der Hohlleiter mündet daher mit seiner zweiten dem Substrat abgewandten Öffnung in ein Anpassungselement zur Aufweitung oder Verringerung des Hohlleiterumfangs. Ein solches Anpassungselement kann auch der Veränderung des Hohlleiterquer- Schnittes dienen. Mit Hilfe dieses Anpassungselementes kann die im Hohlleiter angeregte Welle auf einen zusätzlichen Hohlleiter mit Standardabmessungen transformiert werden. Üblicherweise ist das Anpassungselement ein λ/4 -Transformator. Ein λ/4-Transfor- mator ist im Wesentlichen ein Hohlleiterstück mit einer Länge von λ/4, wobei der Querschnitt zwischen den Abmessungen des Querschnitts eines ersten Hohlleiters und denen eines zweiten Hohlleiters liegt. Das Hohlleiterstück des λ/4 -Transformators kann durch einen beliebigen Querschnitt- rechteckig, rund, oval - realisiert sein. Als Anpassungselement kann auch ein sog. Taper, der eine kontinuierliche Anpassung des Querschnitts des Hohlleiters an den Querschnitt des zusätzlichen Hohlleiters ermöglicht, eingesetzt wer- den. Ein solcher Taper ist allerdings frästechnisch schwierig zu realisieren.
Der Hohlleiter des erfindungsgemäßen Übergangselementes und das Anpassungselement sind vorteilhafterweise aus einem Stück ausgebildet. Vorteilhafterweise kann auch der Hohlleiter des erfindungsgemäßen Übergangs- elementes, das Anpassungselement sowie ein zusätzlicher Hohlleiter einstückig ausgebildet sein. Üblicherweise bestehen der Hohlleiter und das Anpassungs- element aus einem leitenden Material oder enthalten ein solches. Vorteilhafterweise können der Hohlleiter und/oder das Anpassungselement mit Spritzgusstechnik hergestellt sein, wobei die den Hohlleiter und/oder das Anpassungselement bildenden Flächen metallisiert sind. Die Herstellung von Hohlleiter und Anpassungs- element mit Spritzgusstechnik würde die Produktionskosten des erfindungsgemäßen Übergangselementes wesentlich senken.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, das Substrat der Lippe benachbart oder im Bereich unterhalb der
Lippe oder Nut längs der Lippe oder Nut mit Bohrungen zu versehen, deren Seitenwände metallisiert sind und wobei die dadurch entstandenen Durchkontaktierungen mit der metallischen Schicht auf der zweiten Seite des Substrates elektrisch verbunden sind. Die Durchkontaktierungen sind lediglich dann von Vorteil, wenn es zu Überkopplungen zu benachbarten Schaltungsteilen kommen sollte. Sie sind kein charakteristisches Merkmal der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Übergangselement kann beispielsweise in einem Mikrowellenstrahler enthalten sein. Dabei erzeugt ein Generator eine Strahlung mit der Wellenlänge λ, die in den Streifenleiter des Über- gangselementes eingespeist wird und von dort aus in den Hohlleiter übergeleitet wird.
Erfindungsgemäße Übergangselemente finden insbesondere in der Radar- und Kommunikationstechnik in einem Wellenbereich von Mikrowellen bis Millimeterwellen
(10 bis 90 GHz) Anwendung. Als Beispiel für die Ver- wendung eines erfindungsgemäßen Übergangselementes in der Radartechnik seien zum einen Kfz -Radare zur Abstandsmessung, zum anderen Radare in Helikoptern und/oder Flugzeugen zur Höhenmessung, aber auch Rada- re an Flughäfen zur Rollfeldüberwachung genannt.
Radartechnik findet weiterhin bei Füllstandsmessungen, insbesondere von reaktiven Materialien, Anwendung. Im Bereich der Kommunikationstechnik wäre eine Nutzung im Frequenzbereich zwischen 70 und 90 GHz, wie sie bereits vorgesehen ist, von Vorteil, da in diesem Frequenzbereich sehr große Datenraten möglich wären .
Zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlung wird zunächst von einem entsprechenden Generator eine Welle im Mik- ro- oder Millimeterwellenbereich erzeugt und in den Streifenleiter des erfindungsgemäßen Übergangselementes eingespeist. In der Öffnung des Hohlleiters, dem sog. Schlitz, wird durch die eingespeiste Strahlung ein elektrisches Feld erzeugt, welches wiederum Mik- ro- oder Millimeterwellen im Hohlleiter anregt. Damit ist die Welle aus dem Streifenleiter in den Hohlleiter überführt .
Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Übergangselemente und Anordnungen gegeben. Es zeigt
Figur 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Übergangselement längs dem Streifenleiter aufgespalten;
Figur 2 die dreidimensionale Ansicht eines erfin- dungsgemäßen Übergangselementes sowie eines entlang des Streifenleiters aufgespaltenen erfindungsgemäßen Übergangselementes ;
Figur 3 die Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes
Übergangselement sowie eines entlang des Streifenleiters aufgespaltenen erfindungs- gemäßen Übergangselementes;
Figur 4 Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Übergangselement, wobei die Leiterplattentech- nologie auf Koplanartechnik basiert; und
Figur 5 die Ergebnisse von Messungen der Übertragung sowie der Reflexion.
Figur 1 zeigt ein Substrat 1 mit einer ersten Fläche 3 und einer zweiten Fläche 4, wobei auf der ersten Fläche 3 ein Streifenleiter 2a und ein Streifenleiterstummel 2b angeordnet ist. Auf der ersten Seite 3 des Substrates 1 ist ein Element 5 angeordnet, wel- ches einen Hohlleiter 6, einen λ/4 -Transformator 7 und einen zusätzlichen Hohlleiter 8 mit Standardabmessungen aufweist. Das Element 5 ist derart auf die erste Seite 3 des Substrates 1 aufgesetzt, dass die Lippe 9 mit einer Lippenbreite 10 in der Größenord- nung der Streifenleiterbreite direkt auf der ersten Seite 3 des Substrates 1 aufsitzt. Die Lippe 9 ist von einer umlaufenden Nut 12 umrandet. Der Streifenleiter 2a und der Streifenleiterstummel 2b ist mit der Lippe 9 des Hohlleiters 6 an den beiden Kontakt- oder Kopplungspunkten IIa und IIb kontaktiert oder elektrisch gekoppelt.
Die bisher verwendeten Bezugszeichen werden in den folgenden Figuren für gleiche oder ähnliche Elemente verwendet. In Figur 2 ist ein ähnlicher Aufbau wie in Figur 1 dargestellt. Auf der ersten Seite 3 des Substrates 1 befinden sich über dem Streifenleiter 2a zwei Elemen- te 5, die jeweils einen Hohlleiter 6, einen λ/4-
Transformator 7 und einen zusätzlichen Hohlleiter 8 mit Standardabmessungen, beispielsweise ein WR12- Hohlleiter mit den Abmessungen 3,1 mm x 1,55 mm, aufweisen. Eines der Elemente 5 ist in zwei Teile 5a und 5b getrennt, wobei das Teil 5b so verschoben ist, dass das Streifenleiterende 13 sowie der Streifenleiterstummel 2a zum Vorschein kommen. Wieder deutlich erkennbar ist die Lippe 9 und die Nut 12, die die Lippe 9 umrandet .
Figur 3 zeigt die Aufsicht auf den Aufbau in Figur 2. Man erkennt die erste Seite 3 des Substrates 1 auf der der Streifenleiter 2a mit dem Streifenleiterende 13 sowie der Streifenleiterstummel 2b angeordnet sind. Des Weiteren befindet sich das Element 5 sowie das Teilelement 5a auf der ersten Seite 3 des Substrates 1. Das Teilelement 5b ist vom Substrat 1 verschoben. Das Element 5 zeigt deutlich die unterschiedlichen Querschnitte des Hohlleiters 6, des λ/4- Transformators 7 sowie des zusätzlichen Hohlleiters 8 mit Standardabweichungen.
Figur 4 zeigt die erste Seite 3 des Substrates 1 mit dem Streifenleiter 2a eines erfindungsgemäßen Über- gangselementes, wobei als Leiterplattentechnologie die Koplanartechnik gewählt ist. Man erkennt, dass das Streifenleiterende 13 des Koplanarleiters 2a im Bereich einer auf die erste Seite 3 des Substrates 1 eingeprägte Umrandung 16 liegt. Die Umrandung 16 gibt an, wo später die Lippe 9 des Hohlleiters 6 aufgesetzt wird. Durch die Umrandung 16 ist eine Öffnung 15 ausgebildet, in der nach Aufsetzen des Hohlleiters 6 ein elektrisches Feld entsteht. In gewissem Abstand zum Koplanarleiter ist eine metallische Schicht 14 auf die erste Seite 3 des Substrates 1 (nicht ge- zeigt) aufgebracht, die die Masse darstellt.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Übergangs von Streifenleiter auf Hohlleiter wurde mittels Feldsimulation (CST Microwave Studio) und durch Messungen an einem Prototypen nachgewiesen. Die Ergebnisse sind in Figur 5 dargestellt. Einerseits ist ein breitbandiges Übertragungsverhalten (s2i) , andererseits eine geringe Reflexion am Eingang (su) erkennbar. Man erkennt, dass insbesondere das Übertragungsverhalten von Simulation (durchgezogene Linie) und Messung (gestri- chelt-gepunktete Linie) gut übereinstimmen. Die Reflexion dagegen zeigt vor allem im Frequenzbereich unter 70 GHz relativ große Unterschiede. Dies liegt daran, dass die verwendete Messapparatur lediglich für Frequenzen größer 75 GHz geeignet ist und für Frequenzen im Bereich unterhalb 70GHz versagt. Die Reflexion, die bei der Messung (gestrichelte Linie) ermittelt wurde, liegt wesentlich höher als die, die durch Simulation (gepunktete Linie) simuliert wurde. Die Welligkeit der Ergebnisse, die durch Messung er- langt wurden, ist durch die Messmethode (skalare Messung in der back-to-back-Anordnung : HL-MSL-HL) begründet .

Claims

Patentansprüche
1. Übergangselement von einem Streifenleiter auf einen Hohlleiter mit einem flächigen Substrat, das auf einer ersten Seite mindestens einen Streifenleiter mit mindestens einem Streifenlei- terende aufweist, und mit einem Hohlleiter, der eine umlaufende Lippe aufweist, die eine erste Öffnung des Hohlleiters ausbildet,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter im Bereich des Streifenleiteren- des mit der umlaufenden Lippe auf die erste Seite des Substrates aufgesetzt ist, wobei der Streifenleiter an mindestens einem Punkt der Lippe mit dem Hohlleiter kontaktiert oder elektrisch gekoppelt ist.
2. Übergangselement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem flächigen Substrat mindestens ein Streifenleiterstummel angeordnet ist, der im Bereich der Lippe, insbesondere an einer dem Kontakt- oder Kopplungspunkt zwischen Hohlleiter und Streifenleiter gegenüberliegenden Stelle der Lippe, den Hohlleiter kontaktiert oder mit dem Hohlleiter gekoppelt ist, wobei der Streifenleiterstummel als virtueller oder realer Kurzschluss ausgebil- det ist.
3. Übergangselement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Strei- fenleiterstummel eine Länge von λ/4 ± 30% oder einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen davon aufweist oder dass der Leiterstummel auf Masse liegt .
4. Übergangselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Seite des Substrates vollständig oder bereichsweise und/oder die erste Seite des Substrates bereichsweise metallisiert ist.
5. Übergangselement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung auf der zweiten Seite des Substrates eine Dicke zwischen 1 μm und 10 mm, insbesondere zwischen 10 μm und 50 μm oder zwischen 500μm und lmm, insbesondere zwischen 17 μm und 50 μm, aufweist .
6. Übergangselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter ein Rechteckhohlleiter oder ein Rund- hohlleiter oder ein Hohlleiter mit elliptischem
Querschnitt ist.
7. Übergangselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang der ersten Öffnung des ersten Hohlleiters eine Länge von λ ± 30 % oder einem ganzzahligen
Vielfachen davon aufweist.
8. Übergangselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung des Rechteckhohlleiters eine kurze Seite mit einer Länge im Bereich zwischen λ/20 und λ/5 und eine lange
Seite mit einer Länge von λ/2 + 30 % oder einem ganzzahligen Vielfachen davon aufweist.
9. Übergangselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Streifenleiter um einen Mikrostreifen- leiter und/oder einen Koplanarleiter handelt.
10. Übergangselement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat, auf dem der Streifenleiter aufgebracht ist, einen polymeren Werkstoff, insbesondere Po- lytetrafluorethylen, und/oder einen keramischen Werkstoff und/oder ein Glas und/oder ein Verbundmaterial enthält oder daraus besteht.
11. Übergangselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lippe eine Breite quer zur Umlaufrichtung der Lippe in der Ebene des mindestens einen Kopplungspunktes parallel zum Substrat kleiner oder gleich der Streifenleiterbreite zuzüglich 50 % aufweist .
12. Übergangselement nach dem vorhergehenden An- Spruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Streifenleiterende im Bereich der Breite der Lippe liegt, insbesondere ungefähr oder genau in der Mitte der Lippendicke.
13. Übergangselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Be- wandung des Hohlleiters eine Dicke größer oder gleich der Streifenleiterbreite, insbesondere größer oder gleich 5 mm, insbesondere größer o- der gleich 20 mm, insbesondere eine Dicke im Be- reich eines der Wellenlänge entsprechenden
Standart-Hohlleiterflansches, aufweist, wobei die Lippe durch eine die erste Öffnung umlaufen- de Nut in der Stirnseite des Hohlleiters, die die erste Öffnung aufweist, gebildet ist.
14. Übergangselement nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aus Breite und doppelter Tiefe der Nut einen
Wert von λ/2 + 30 % oder ein ganzzahliges Vielfaches davon annimmt .
15. ϋbergangselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter auf seiner dem Substrat abgewandten
Seite in ein Anpassungselement zur Aufweitung oder Verringerung und/oder Veränderung des Hohl- leiterumfangs mündet.
16. Übergangselement nach Anspruch 15, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Hohlleiter und das Anpassungselement einstückig ausgebildet sind.
17. Übergangselement nach einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter und/oder das Anpassungselement mit Spritzguss- technik hergestellt ist, wobei die den Hohlleiter und/oder das Anpassungselement bildenden Flächen metallisiert sind.
18. Übergangselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass inner- halb des Substrates der Lippe benachbart oder im
Bereich unterhalb der Lippe oder Nut längs der Lippe oder Nut mit der metallischen Schicht auf der zweiten Seite des Substrates elektrisch verbundene Durchkontaktierungen angeordnet sind.
19. Mikrowellenstrahler mit einem Übergangselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Generator zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Wellenlänge λ und zur Einspeisung dieser Strahlung in den Streifenleiter.
20. Verwendung eines Übergangselementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Radaranwendun- gen und für Kommunikationsanwendungen im Mikrowellenbereich und im Millimeterwellenbereich, insbesondere für Kfz -Radare oder Höhen- und/oder Abstandsmessungen oder Füllstandsmessungen.
21. Verfahren zur Erzeugung einer Mikrowellenstrah- lung, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Streifenleiter eines Übergangselementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche eine Mikrowelle eingespeist wird.
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