EP3001515A1 - Koaxiale hf-steckverbindung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine koaxiale HF-Steckverbindung (10) zum Anschluss einer koaxialen HF-Leitung an ein HF-Gehäuse (300), umfassend:
- einen das Ende der HF-Leitung bildenden koaxialen Steckverbinder (100) mit Innenleiter (102) und Außenleiter (101),
- einen in einer Öffnung des Gehäuses (300) angeordnetes koaxiales Anschlussstück (200), dessen Innenleiter (202) in den Innenleiter (102) des koaxialen Steckverbinders (100) gesteckt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Steckverbinder (100) und Gehäuse (300) und an diese angrenzend ein Kompensationselement (400) angeordnet ist, welches in mindestens einem Umfangswinkelbereich ≤ 360° der koaxialen HF-Steckverbindung (10) sich in radialer Richtung weiter in Richtung auf den Innenleiter (202) hin erstreckt als der Außenleiter (101) des Steckverbinders (100) und ohne den Innenleiter (202) zu berühren.

Description

• Die Erfindung betrifft eine koaxiale HF-Steckverbindung zum Anschluss einer koaxialen HF-Leitung an ein HF-Gehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruch 1. Die Erfindung fällt generell in das Gebiet der Hochfrequenz-Signalübertragung über koaxiale Steckverbinder und Kabel.
• Die Signalübertragung zwischen Hochfrequenzbaugruppen wird üblicherweise über entsprechende Kabelverbindungen über geschraubte Steckverbinder realisiert. Bis in den Millimeterwellenbereich sind koaxiale Steckverbinder gängig, die optimalerweise geringe Signalreflektionen an den Übergangsstellen zwischen Kabel und Steckverbinder sowie Steckverbinder und Baugruppengehäuse aufweisen.
• Eine besondere Form des Übergangs zwischen Steckverbinder und Gehäuse stellen hermetische Glasdurchführungen dar. Anhand eine solchen Ausführung soll im Folgenden die der zugrunde liegende Problematik erläutert werden. Über eine gasdichte Lötung der Durchführung in das Gehäuse wird sichergestellt, dass kein Luft- oder Feuchtigkeitsaustausch mit der Umgebung stattfinden kann. Diese Art der Aufbautechnik wird u.a. dann angewendet, wenn die Schaltungsanordnung im Innern des Gehäuses vor Umwelteinflüssen besonders zu schützen ist. Die elektromagnetische Welle jedoch kann über den Wellenleiter mit dem Glas als Dielektrikum die Gehäusewand passieren.
• Ein beispielhafter Übergang gemäß Stand der Technik ist in der Explosionszeichnung der Fig. 1 im Querschnitt dargestellt. Sie zeigt einen koaxialen HF-Steckverbinder 100 mit Innenleiter 102 und Außenleiter 101 zum Anschluss an ein Gehäuse 300. Die Durchführung des HF-Signals durch die Gehäusewand sowie der Anschluss des HF-Steckverbinders 100 erfolgt über das Anschlusselement 200, welches hier gasdicht in die Gehäusewand eingelötet ist. Das Anschlusselement 200 weist ebenfalls Innen- 202 und Außenleiter 201 auf. Der Raum zwischen Innenleiter 202 und Außenleiter 201 ist von einem Glasmaterial erfüllt, um die Gasdichtigkeit zu gewährleisten.
• Nach dem Einlöten des Anschlusselements 200 wird der koaxiale Steckverbinder 100 über den Innenleiter 202 des Anschlusselements 200 zentriert aufgesteckt. Hierzu verfügt der Innenleiter 102 des Steckverbinders 100 an seinem Ende über einen entsprechenden Federkontakt ("Tulpe").
• Aufgrund von Toleranzen in den Fertigungsprozessen der beteiligten Komponenten kommt es im Bereich des Übergangs zwischen Steckverbinder und Gehäuse zu einer Diskontinuität im Wellenleiter. Dies ist aus der vergrößerten Darstellung des Übergangsbereichs gemäß Fig. 2 gut zu erkennen. Die Tulpe ist üblicherweise eine geringe Distanz Δ1 zurückgesetzt (relativ zum Außenleiter 101), um nicht aufsetzen zu können. Das Anschlusselement 200 wird um eine gewisse Distanz Δ2 tiefer in das Gehäuse 300 eingebracht, um nicht hervorzustehen. Es ergeben sich durch diese Toleranzen im Übergangsbereich unerwünschte Sprünge im Verhältnis von Innendurchmesser des Außenleiters zum Außendurchmesser des Innenleiters.
• Dieser Aufbau führt dazu, dass in einem kurzen Abschnitt der Kapazitätsbelag des Wellenleiters sinkt, wodurch die Impedanz der Leitung steigt. Durch den Impedanzsprung kommt es, ins besondere im Bereich oberhalb von 20 GHz zu nennenswerten Reflektionen, die für den Betrieb der Hochfrequenzbaugruppe von Nachteil sein können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Steckverbindung derart zu verbessern, das der beschriebene Impedanzsprung am Übergang und die damit verbundenen Reflektionen zu verringern.
• Diese Aufgabe wird mit der Steckverbindung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Gemäß der Erfindung wir zwischen Steckverbinder und Gehäuse und an beide angrenzend ein Kompensations-Element eingeführt. Dies ist derart gestaltet, dass es mindestens in einem Umfangswinkelbereich ≤ 360° der koaxialen HF-Steckverbindung sich in radialer Richtung weiter in Richtung auf den Innenleiter hin erstreckt als der Außenleiter des Steckverbinders. Dabei berührt das Kompensationselement den Innenleiter nicht.
• Das Kompensationselement sorgt dafür, dass der Außenleiter der Steckverbindung im Bereich des Übergangs näher an den Innenleiter herangebracht wird. Durch diese Maßnahme steigt der Kapazitätsbelag lokal im Übergangsbereich, sodass die Diskontinuität und die damit verbundenen Reflektionen verringert werden können. Im Ergebnis wird die Impedanz des Wellenleiters im Übergangsbereich möglichst wenig von Normbetrag (50 Ohm oder 75 Ohm) der Leitungsimpedanz abweichen.
• Die Form des Kompensationselements ist in großem Maß variierbar, soweit die obige Grundregel eingehalten wird. So kann das Kompensationselement als ein flächenhaftes Element mit einer Durchbrechung für den Innenleiter ausgebildet sein. Die Durchbrechung kann in einer vorteilhaften Ausführung analog zu der zirkularen Struktur der koaxialen Steckverbindung kreisrund ausgeführt und konzentrisch angeordnet sein.
• Das erfindungsgemäße Kompensationselement kann einfach und kostengünstig aus einem dünnen Metallblech hergestellt werden. Es bietet sich hier passivierter Stahl an, da eine Vielzahl von Steckverbindern ebenfalls aus diesem Material hergestellt ist. Es ist ebenso möglich, jede andere Art der Oberflächenbeschichtung, z.B. galvanisch Gold, nach Bedarf auf ein dielektrisches Grundmaterial aufzubringen.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der erfindungsgemäße Einsatz des Kompensationselements eine Modifikation der übrigen beteiligten Komponenten nicht erfordert.
• Die Erfindung ist keineswegs auf die eingangs erwähnten gasdichten Anschlusselemente beschränkt. Falls kein hermetischer Abschluss des Gehäuses erwünscht ist, kann anstatt eines Glasmaterials auch ein Teflon-basiertes Abschlusselement verwendet werden.
• Das Kompensationselement wird zweckmäßigerweise vorder Montage des Steckers am Gehäuse angebracht.
• Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf Figuren anhand von konkreten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

die Explosionsdarstellung einer koaxialen HF-Steckverbindung in hermetisch abgeschlossenen Gehäusen nach dem Stand der Technik;

Fig. 2

die Detaildarstellung einer vollständig montierten koaxialen HF-Steckverbindung nach Fig. 1;

Fig. 3

die Explosionsdarstellung einer koaxialen HF-Steckverbindung in hermetisch abgeschlossenen Gehäusen gemäß der Erfindung;

Fig. 4

die Detaildarstellung einer vollständig montierten koaxialen HF-Steckverbindung nach Fig. 3;

Fig. 5

die Explosionsdarstellung in 3D einer erfindungsgemäßen koaxialen HF-Steckverbindung;

Fig. 6

mehrere aus einem Blech hergestellte Kompensationselemente gemäß der Erfindung;

Fig. 7

mehrere zweckmäßige Ausbildungen des Kompensationselements gemäß der Erfindung;

Fig. 8

ein Simulationsergebnis für den Verlauf des Eingangsreflektionsfaktors über der Frequenz zweier in Kette geschalteter koaxialer HF-Steckverbindungen (mit und ohne erfindungsgemäßem Kompensationselement),

Fig. 9

ein Simulationsergebnis für den Verlauf der Impedanz im Zeitbereich zweier in Kette geschalteter koaxialer HF-Steckverbindungen (mit und ohne erfindungsgemäßem Kompensationselement).

• Die Fig. 3 und 4 zeigen die Explosionsdarstellung einer koaxialen HF-Steckverbindung 10 in hermetisch abgeschlossenen Gehäusen gemäß der Erfindung. In die Wand des Gehäuses 300 ist ein koaxiales Anschlussstück 200 eingelötet, das einen hermetischen Abschluss des Gehäuses ermöglicht. Zwischen dem Gehäuse 300 und dem Steckverbinder 100 ist das erfindungsgemäße Kompensationselement 400 vorhanden. Letzteres ist hier ausgebildet als dünnes Metallblech mit einer zirkularen Durchbrechung 401, die konzentrisch zur koaxialen Leiterstruktur positioniert ist. Wie man den Figuren entnimmt, ist der Durchmesser der zirkularen Durchbrechung 401 des Kompensationselements 400 so gewählt, dass er kleiner ist als der Innendurchmesser des Außenleiters 101 des Steckverbinders 100. Durch die örtliche Erhöhung des Kapazitätsbelags im Übergangsbereich zwischen Steckverbinder 100 und Gehäuse/Anschlussstück 300/200 wird die Diskontinuität im Wellenwiderstand aufgrund der beschriebenen Bauteiltoleranzen vermindert bzw. völlig beseitigt.
• Der Innendurchmesser des Außenleiters 201 des Anschlusselements 200 hängt insbesondere von der Dielektrizitätskonstante des zwischen Innenleiter 202 und Außenleiter 201 vorhandenen Materials ab. Bei der in der Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführung sind die Innendurchmesser der Außenleiter von Anschlusselement 200 und Steckverbinder 100 annähernd gleich. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass auch Ausführungen mit unterschiedlichen Innendurchmessern erfindungsgemäß sind, da der erfindungsgemäße Effekt des Kompensationselements auch in derartigen Konfigurationen wirksam ist.
• Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße HF-Steckverbindung in einer weiteren Ausführung in 3D-Darstellung. Nach dem das Anschlussstück 200 in das Gehäuse 300 eingebracht ist, wird das flache Kompensationselement 400 aufgelegt, wobei der Innenleiter 202 des Anschlussstücks durch die zirkulare Durchbrechung 401 des Kompensationselements 400 gesteckt wird. Anschließen wird der koaxiale Steckverbinder 100 durch Zusammenstecken der Innenleiter aufgebracht und mit dem Gehäuse mittels zweier Schraubverbinder 105 befestigt. Der Steckverbinder 100, welcher ein Ende der mit dem Gehäuse 300 zu verbindenden Koaxialleitung bildet, kann entweder integral mit der Koaxialleitung sein oder wiederlösbar mit dieser verbunden sein.
• Fig. 6 zeigt ein Feld von einzelnen Kompensationselementen 400, die mittels eines Ätzprozesses aus demselben Blech herausgearbeitet sind. Da die Elemente typischerweise nur geringe Abmessungen aufweisen, kann aus einem einzelnen Blech eine große Menge derartiger Kompensationselemente erhalten werden. Eine kostengünstige, auf Standardprozessen basierende Herstellung ist somit möglich.
• Fig. 7 zeigt vier verschiedene Ausführungen zum Design des Kompensationselements 400 und zwar jeweils im Bezug zum Querschnitt von Innenleiter des Anschlusselements und Außenleiter des Steckverbinders. Zu diesem Zweck ist die Lage des Innenumfangs des Außenleiters 101 des Steckverbinders sowie des Außenumfangs des Innenleiters 202 des Anschlusselements eingezeichnet, wie sie in Seitenansicht in axialer Richtung erscheinen.
• Die Ausführung nach a) entspricht den in den Fig. 3 bis 6 gezeigten Ausführungen, d.h. kreisförmige Durchbrechung 401 im Kompensationselement 400, konzentrisch positioniert zur Struktur der koaxialen Leitung.
• Die Ausführung nach b) zeigt ein Kompensationselement mit einer Durchbrechung in Form eines Dreiecks. Hier existieren drei Umfangswinkelbereiche α1, α2 und α3, innerhalb derer sich das Kompensationselement 400 in radialer Richtung gesehen näher an der Zentralachse der Koaxialleitung (und somit näher am Innenleiter 202) befindet als der Außenleiter 101. Im Beispiel nach a) ist genau ein solcher Umfangswinkelbereich vorhanden, der exakt 360° beträgt.
• Die Ausführung nach c) zeigt wieder eine kreisförmige Durchbrechung im Kompensationselement, allerdings ist der Kreis exzentrisch zur Struktur der Koaxialleitung angeordnet. Hier ergibt sich ein Umfangswinkelbereich α von mehr als 180°, innerhalb welcher sich das Kompensationselement 400 in radialer Richtung näher am Zentrum befindet als der Außenleiter 101.
• Schließlich zeigt die Ausführung nach d) ein Kompensationselement 400, welche in einem großen Umfangswinkelbereich einen kreisförmigen Verlauf mit einem Radius größer als der Innendurchmesser des Außenleiters 101 aufweist, und nur in einem kleinen Umfangswinkelbereich vom kreisförmigen Verlauf abweicht, innerhalb dessen es eine Ausbuchtung in Richtung auf das Zentrum aufweist. Es ergibt sich somit auch hier ein Umfangswinkelbereich α innerhalb dessen sich das Kompensationselement 400 in radialer Richtung näher am Zentrum befindet als der Außenleiter 101.
• Fig. 8 und 9 zeigen Simulationsergebnisse zur Wirkung des erfindungsgemäßen Kompensationselements für zwei in Kette geschaltete Übergänge (sogenannte Back-to-Back-Konfiguration), d.h. das Signal passiert nacheinander zwei der beschriebenen HF-Steckverbindungen, die an der Vor- und Rückseite desselben Gehäuses angeordnet sind.
• In Fig. 8 ist der Verlauf des Eingangsreflektionsfaktors über der Frequenz dargestellt, und zwar mit (Kurve 12) und ohne Kompensationselement (gestrichelte Kurve 11). Man erkennt deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Maßnahme der Eingangsreflektionsfaktor im Bereich von 20 GHz deutlich verbessert ist.
• Fig. 9 zeigt das Simulationsergebnis im Zeitbereich für dieselbe Back-to-Back-Konfiguration. Dargestellt ist der Verlauf der Impedanz über der Zeit. Ziel ist es, den Impedanzverlauf möglichst konstant im Bereich des Normbetrags von 50 Ohm zu halten. Je geringer die Abweichung von diesem Wert über der Zeit, desto besser die Anpassung über alle Frequenzen. Im Impedanzverlauf der unkompensierten Struktur (gestrichelte Kurve 14) zeigen sich deutliche induktive Spitzen im Bereich von 55 ps bzw. 250 ps bis über 52 Ohm, die jeweils einem Übergang zugeordnet sind. Durch das erfindungsgemäße Kompensationselement werden die Spitzen deutlich verringert, wie in Fig. 9 im Verlauf der Kurve 13 zu erkennen ist.

Claims (6)

1. Koaxiale HF-Steckverbindung (10) zum Anschluss einer koaxialen HF-Leitung an ein HF-Gehäuse (300),
   umfassend:

   - einen das Ende der HF-Leitung bildenden koaxialen Steckverbinder (100) mit Innenleiter (102) und Außenleiter (101),

   - einen in einer Öffnung des Gehäuses (300) angeordnetes koaxiales Anschlussstück (200), dessen Innenleiter (202) in den Innenleiter (102) des koaxialen Steckverbinders (100) gesteckt ist,

   dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Steckverbinder (100) und Gehäuse (300) und an diese angrenzend ein Kompensationselement (400) angeordnet ist, welches in mindestens einem Umfangswinkelbereich ≤ 360° der koaxialen HF-Steckverbindung (10) sich in radialer Richtung weiter in Richtung auf den Innenleiter (202) hin erstreckt als der Außenleiter (101) des Steckverbinders (100) und ohne den Innenleiter (202) zu berühren.
2. Koaxiale HF-Steckverbindung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (400) flächig ausgebildet ist und eine Durchbrechung (401) für den Innenleiter (202) aufweist.
3. Koaxiale HF-Steckverbindung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung (401) kreisförmig ist und konzentrisch zur Struktur der koaxialen HF-Steckverbindung angeordnet ist.
4. Koaxiale HF-Steckverbindung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (400) aus einem leitenden Material besteht oder aus einem nicht-leitenden Material, welches eine leitfähige Beschichtung aufweist.
5. Koaxiale HF-Steckverbindung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem koaxialen Anschlussstück (200) der Raumbereich zwischen Innenleiter (202) und Außenleiter (201) von einem dielektrischen Feststoff, insbesondere einem Glas, erfüllt ist.
6. Koaxiale HF-Steckverbindung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussstück (200) gas- und feuchtigkeitsdicht mit dem Gehäuse verbunden ist.

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