DE10313590A1 - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem - Google Patents
Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem Download PDFInfo
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Abstract
Die Verbindung (1) zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem (3, 2) ist in einem Gehäuse (12) realisiert, in dem das koplanare Leitungssystem (2) befestigt ist und in das das koaxiale Leitungssystem (3) über eine Einbaubuchse (13) eingeführt ist. Die elektrische Verbindung besteht zwischen einem Mittelleiter (5) des koplanaren Leitungssystems (2) und einem Innenleiter (8) des koaxialen Leitungssystems (3) sowie zwischen den durch Schlitze (6) vom Mittelleiter (5) getrennten seitlichen Masseleitern (7) des koplanaren Leitungssystems (2) und einem Schirmmantel (10) des koaxialen Leitungssystems (3) über das Gehäuse (12) und die Einbaubuchse (13). Die Befestigung des koplanaren Leitungssystems (2) am Gehäuse (12) erfolgt über eine elastische Verbindung an Anlageelementen (18) des Gehäuses (12), so dass die Masseleiter (7) elastisch gegen die Anlageelemente (18) des Gehäuses (12) geklemmt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem.
- Mikrowellenschaltungen, beispielsweise ultrabreitbandige Koppler zur Trennung von in unterschiedlichen Richtungen laufenden Wellen auf einer Leitung, z.B. für einen Netzwerkanalysator, werden heute vielfach in planarer Wellenleitertechnik integriert. Diese integrierten Mikrowellenschaltungen bieten gegenüber der Koaxial- oder Hohlleitertechnik erhebliche Vorteile (z. B. Gewichtsreduzierung, einfache und reproduzierbare Herstellbarkeit komplexer Strukturen, hohe Zuverlässigkeit). Die Verbindung dieser integrierten Mikrowellenschaltungsmodule mit anderen Funktionseinheiten, Geräten und Systemen der Hochfrequenztechnik, z.B. mit einem Netzwerkanalysator und mit einem Prüfling (DUT), erfolgt über Koaxialleitertechnik. Der Koaxialleiter steht über eine koaxiale Einbaubuchse mit dem Gehäuse des Mikrowellenschaltungsmoduls in Verbindung.
- Die Verbindung zwischen der planaren Mikrowellenschaltung im Gehäuse und der Koaxialleitung in der koaxialen Einbaubuchse des Gehäuses soll einen breitbandigen Übergang mit möglichst geringer Reflexion und Durchlaßdämpfung aufweisen. Hierzu sind unter Beibehaltung des Wellenwiderstandes das Feldbild der planaren Mikrowellenschaltung an das Feldbild der Koaxialleitung anzupassen. Dies gilt insbesondere für den Übergang von einem koaxialen Leitungssystem zu einem koplanaren Leitungssystem, das im folgenden weiter betrachtet wird.
- Bei der Ausgestaltung des Übergangs vom koaxialen zum koplanaren Leitungssystem ist ferner zu berücksichtigen, dass es aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen den beiden Leitungssystemen und der unterschiedlichen temperaturbedingten Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen an der Übergangsstelle beteiligten Materialien nicht zu streßbedingten Zerstörungen der Löt- oder Klebestelle und auch des wegen seiner Sprödigkeit empfindlichen Substratmaterials des koplanaren Leitungssystems, kommt.
- In der
DE 101 19 778 C1 wird für eine hochbitratige Übertragung zwischen einer Koaxialleitung und einer auf einer Leiterplatte befindlichen Schaltungsanordnung eine Verbindung mittels koplanarer Leitung realisiert. Die Verbindung zwischen dem Innenleiter der Koaxialleitung und dem Mittelleiter der koplanaren Leitung erfolgt durch Lötung. Analog wird der Schirmmantel der Koaxialleitung mit den Masseleitungen der koplanaren Leitung mittels Oberflächenmontage-Technik gelötet. Nachteilig an dieser wegen der Lötung mechanisch starren Verbindung zwischen dem koaxialen und koplanaren Leitungssystemen ist die oben genannte temperaturbedingte unterschiedliche Ausdehnung des Substratsmaterials in Relation zum metallenen Leitungsmaterial mit der Gefahr der Zerstörung der Lötstelle oder des empfindlichen unter Belastung gesetzten Substratmaterials. - Eine Lösung zur Vermeidung einer derartigen Zerstörung des Substratmaterials des koplanaren Leitungssystems ist in der
EP 0 031 869 A2 dargestellt, bei der eine mechanische Fixierung zwischen Mittelleiter und Innenleiter bzw. Masseleiter und Schirmmantel beim Übergang zwischen koplanarem und koaxialem Leitungssystem vermieden wird. Die Verbindung zwischen dem koplanaren und koaxialen Leitungssystem wird über Bonddrähte realisiert, so dass die mechanisch starre Verbindung der einzelnen am Übergang beteiligten Materialien aufgehoben ist. Diese Lösung weist aber wiederum den Nachteil auf, dass durch das Hinzufügen der Bonddrähte der Übergang zusätzliche Induktivitäten besitzt, die den Wellenwiderstand stören und die Feldanpassung erschweren und damit das Übertragungsverhalten bei hohen und höchsten Frequenzen verschlechtern. - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem zu realisieren, die in elektrischer und mechanischer Hinsicht optimiert ist.
- Bezüglich der elektrischen Optimierung der Verbindung ist zur Reduzierung der Reflexion und der Durchlaßdämpfung ein möglichst kontinuierlicher Übergang des Feldverlaufes zu bewerkstelligen. Die mechanische Optimierung der Verbindung erfordert eine Neugestaltung des Übergangs, bei dem es zu keinen temperaturbedingten mechanischen Belastungen und damit einhergehend zu einer eventuellen Zerstörung der verwendeten Materialien oder der Verbindung kommt.
- Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Die elektrische Optimierung der Verbindung wird durch eine Übergangsstelle realisiert, die möglichst geringe zusätzliche Kapazitäten und Induktivitäten aufweist, um den Wellenwiderstand an der Übergangsstelle nicht zu verzerren. Um die Induktivitäten zu reduzieren, sind zusätzliche elektrische Verbindungsleitungen bzw. -drähte zwischen dem koaxialen und dem koplanaren Leitungssystem zu vermeiden. Die Reduzierung der Kapazitäten erfolgt durch möglichst geringe Berührungsflächen zwischen den beiden Leitungssystemen.
- Bei der mechanischen Optimierung der Verbindung wird eine beidseitige Schweiß- bzw. Lötverbindung vermieden, um eine temperaturbedingte Verspannung der beiden Berührungsmaterialien auszuschließen. Statt dessen wird eine Klemmverbindung bevorzugt, bei der die beiden Berührungsmaterialien bei Temperaturdrift nicht in formschlüssiger sondern nur in kraftschlüssiger Verbindung stehen und somit bei unterschiedlichen temperaturbedingten Ausdehnungskoeffizienten eine relative Ausgleichsbewegung durchführen können.
- Die Montage- und Reparaturfreundlichkeit wird durch eine derartige Klemmverbindung erhöht, da eine vergleichsweise einfache und zerstörungsfreie Demontage möglich ist.
- Die elektrische und gleichzeitig mechanische Optimierung des Übergangs zwischen koaxialem und koplanarem Leitungssystem erfolgt, indem das koplanare Leitungssystem im Randbereich der Masseleiter gegen Anlageelemente, vorzugsweise Stege, die an der Innenseite des Gehäuses angebracht sind, geklemmt wird. Dadurch ist es möglich, dass sich bei einer Temperaturänderung das empfindliche Substrat des koplanaren Leitungssystems in horizontaler Richtung in einem anderen Ausmaß ausdehnen kann als die metallenen Stege des Gehäuses. Es entsteht somit ein gleitender Kontakt zwischen den Stegen des Gehäuses und den Masseleitern des koplanaren Leitungssystems.
- Um die vorgenannten Kapazitäten am Übergang zwischen koplanarem und koaxialem Leitungssystem möglichst minimal zu halten, sind die Breiten der Stege möglichst gering auszuführen. Da der Übergang zwischen koplanarem Leitungssystem und Koaxialleitungssystem hinsichtlich der Massen nur durch die Flächenberührung zwischen den Stegen des Gehäuses und den Randflächen der Masseleiter erfolgt, sind keine zusätzlichen Bonddrähte erforderlich, die unnötige Induktivitäten darstellen würden. Auch der Übergang zwischen dem Innenleiter des koaxialen Leitungssystems und dem Mittelleiter des koplanaren Leitungssystems verursacht keine unnötigen zusätzlichen Induktivitäten, da der Übergang über einen Schiebekontakt mit einer auf dem Mittelleiter aufgeschweißten Fahne realisiert ist.
- Hinzu kommt, dass eine deratige Verbindung durch eine hohe Reproduzierbarkeit des Übergangs bestimmt ist, da die Masseverbindung ohne Löt-, Klebe- oder Bondvorgänge hergestellt wird. Die Güte des elektrischen Übergangs wird nicht durch den Verbindungsvorgang – z.B. Löten oder Kleben –, sondern durch die Genauigkeit der Substrat- und Gehäuseherstellung bestimmt.
- Das Feldbild des koplanaren Leitungssystems wird an das Feldbild des Koaxialleitungssystems durch Festlegung der Spaltbreite – Abstand zwischen den beiden seitlichen Masseleitern – angepasst. Die Ausnehmung in den Stegen des Gehäuses ist etwas größer aber nicht wesentlich größer als die Spaltbreite ausgeführt, um auch bei einer temperatur- oder fertigungstechnisch bedingten geringfügigen Verschiebung sicherzustellen, dass die Stege nicht in den Spalt zwischen Masseleiter und Mittelleiter hineinragen.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein Querschnitt der erfindungsgemäßen Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem; -
2 ein dreidimensionaler Schnitt der Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem von schräg oben und -
3 eine dreidimensionale Sicht der Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem von schräg unten. - Die erfindungsgemäße Verbindung zwischen einem koplanaren und einem koaxialen Leitungssystem wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
- Die Verbindung
1 besteht, wie in1 und2 dargestellt, zwischen einem koplanaren Leitungssystem2 und einem koaxialen Leitungssystem3 . Das koplanare Leitungssystem2 basiert auf einem Substrat4 aus beispielsweise Aluminiumoxidkeramik. Auf diesem Substrat4 sind entsprechend dem Schaltungsdesign in koplanarer Streifenleitertechnik Mittelleiter5 und über Schlitze6 davon seitlich getrennte Masseleiter7 aufgebracht. - Das koaxiale Leitungssystem
3 hat einen Koaxialstecker11 . Dieser setzt sich aus einem Innenleiter8 , eine um den Innenleiter8 rotationssymmetrisch angebrachte Isolation9 und einen die rotationssymmetrische Isolation9 vollständig umhüllenden Schirmmantel10 zusammen. Am Anschluß-Ende des Koaxialsteckers11 liegt der Innenleiter8 frei. - Die Verbindung
1 zwischen dem koplanaren Leitungssystem2 und dem koaxialen Leitungssystem3 erfolgt innerhalb eines Gehäuses12 . Zur Aufnahme des koplanaren Leitungssystems2 ist das Gehäuse12 in ein Rahmengehäuse mit zwei Deckeln geteilt. - Das koaxiale Leitungssystem
3 wird über den Koaxialstecker11 in einer koaxialen Einbaubuchse13 mechanisch befestigt, die von der Außenseite in das Gehäuse12 an der Stelle eingebracht ist, an der gehäuseinnenseitig der Innenleiter8 mit dem dazugehörigen Mittelleiter5 in Verbindung stehen soll. Um die Verbindung zwischen dem Innenleiter8 und dem dazugehörigen Mittelleiter5 zu ermöglichen, ist an die Einbaubuchse13 stirnseitig eine zweifach gestufte Ausnehmung14 im Gehäuse12 angefügt, die bis in den Innenraum15 des Gehäuses12 reicht. Ist der Koaxialstecker11 in die koaxiale Einbaubuchse13 eingeschraubt, so ist dessen Innenleiter8 mit seinem stirnseitigen Ende über die zweifach gestufte Ausnehmung14 bis an den Beginn des Innenraums15 des Gehäuses12 geführt, da die Länge der Ausnehmung14 der Länge des frei liegenden Innenleiters8 entspricht. - Das koplanare Leitungssystem
2 befindet sich im Innenraum15 des Gehäuses12 und ist über eine Schraub-Klemm-Verbindung in dem Gehäuse12 befestigt. Hierzu wird das koplanare Leitungssystem2 mit der die Mittel- und Masseleiter5 und7 tragenden Seite16 des Substrats5 gegen die Unterflächen17 der als Stege18 ausgebildeten Anlageelemente geklemmt. Diese Stege18 sind an den innen liegenden Seitenwänden19 des Gehäuses12 umlaufend parallel zur Bodenfläche des Gehäuses12 angebracht. Die Stege18 weisen in dem Bereich, in dem die zweifach gestuften Ausnehmungen14 in den Innenraum15 des Gehäuses12 münden – dies ist der gesamte Bereich oberhalb des Mittelleiters5 und der dazugehörigen Schlitze6 des koplanaren Leitungssystems2 –, Unterbrechungen in Form von Ausnehmungen20 auf. Auf diese weise ist gewährleistet, dass zwischen dem Mittelleiter5 und dem Gehäuse12 kein elektrischer Kontakt besteht und der Mittelleiter in diesem Bereich mit dem Innenleiter8 des Koaxialsystems verbunden werden kann. - Die Kraft für die kraftschlüssige Klemmverbindung des koplanaren Leitungssystems
2 an den Stegen18 des Gehäuses12 wird über die Verschraubung von Klemmhalterungen21 am Gehäuse12 im Bereich der Verbindungsstellen zwischen dem koplanaren Leitungssystem2 und dem koaxialen Leitungssystem3 an der Unterseite realisiert. Die Unterseite ist in3 dargestellt. Jede Klemmhalterung21 weist hierzu im Ausführungsbeispiel eine C-förmige Grundstruktur mit oben- und unterseitig planaren Grundflächen auf. An den beiden Enden der C-förmigen Grundstruktur der Klemmhalterung21 sind jeweils Bohrungen22 vorgesehen, in die Schrauben23 eingeführt sind, die die Klemmhalterung21 über eine Schraub-Verbindung am Gehäuse12 befestigen. An den Bohrungen22 der Klemmhalterung21 gegenüberliegenden Positionen im Gehäuse12 sind hierzu Ausnehmungen24 mit Bohrungen vorgesehen, in die die Schrauben23 zur Realisierung der Schraub-Verbindung eingeschraubt sind. - Durch die Verschraubung der Klemmhalterung
21 am Gehäuse12 an der Unterseite wird die für die kraftschlüssige Klemmverbindung zwischen dem koplanaren Leitungssystem2 und dem Gehäuse12 nötige Klemmkraft erzeugt, die vom mittleren Bereich des C-förmigen Grundkörpers der Klemmhalterung21 dämpfend über ein in1 dargestelltes weichelastisches Dämpfungselement26 , beispielsweise aus Silikon, auf die Unterseite27 des Substrats4 übertragen wird. Die Klemmhalterung21 weist zur formschlüssigen Halterung des weichelastischen Dämpfungselements26 im mittleren Bereich des C-förmigen Grundkörpers auf der zum koplanaren Leitungssystem2 weisenden Grundfläche eine quaderförmige Ausnehmung28 auf, deren Breite etwas größer als die Breite des quaderförmigen Volumens des weichelastischen Dämpfungselements26 ist. Da das koplanare Leitungssystem2 über mehrere Klemmhalterungen21 , die die Schraub-Klemm-Verbindungen zwischen dem koplanaren Leitungssystem2 und dem Gehäuse12 im Bereich der Einbaubuchsen13 verwirklichen, an die Unterflächen17 der Stege18 des Gehäuses12 geklemmt wird, ist eine zuverlässige formschlüssige Befestigung des koplanaren Leitungssystem2 am Gehäuse12 sichergestellt. - Die elektrische Verbindung zwischen den Masseleitern
7 des koplanaren Leitungssystems2 und dem Schirmmantel10 des koaxialen Leitungssystems3 erfolgt über das Gehäuse12 , indem über die Stege18 bzw. die Einbaubuchse13 zwischen den Masseleitern7 und dem Gehäuse12 einerseits bzw. dem Schirmmantel10 und dem Gehäuse12 andererseits ein elektrischer Kontakt hergestellt wird. - Die elektrische Verbindung zwischen dem Mittelleiter
5 des koplanaren Leitungssystems2 und dem Innenleiter8 des Koaxialleitungssystems3 wird im Ausführungsbeispiel über einen Schiebekontakt29 realisiert. Dieser Schiebekontakt29 besteht aus einem hülsenförmigen, federelastischen Grundkörper30 , der einen über die gesamte Hülsenlänge verlaufenden Schlitz31 aufweist. Der Innendurchmesser des hülsenförmigen Grundkörpers30 ist geringfügig geringer als der Durchmesser des Innenleiters8 , so dass, sobald der hülsenförmige Grundkörper30 des Schiebekontakts29 über den Innenleiter8 geführt ist, eine Preßpassung zwischen dem Innenleiter8 und dem Schiebekontakt29 hergestellt ist. An den hülsenförmigen Grundkörper30 des Schiebekontakts29 ist stirnseitig an der dem Schlitz31 gegenüberliegenden Mantelfläche des hülsenförmigen Grundkörpers30 eine planare Fahne32 angefügt. Die planare Fahne32 ist zur Herstellung der elektrischen Verbindung zwischen dem Mittelleiter5 und dem Innenleiter8 flächig mit dem Mittelleiter5 verbunden, z.B. verschweißt.
Claims (11)
- Verbindung (
1 ) zwischen einem koaxialen Leitungssystem (3 ) und einem koplanaren Leitungssystem (2 ) in einem Gehäuse (12 ), in dem das koplanare Leitungssystem (3 ) befestigt ist und in das das koaxiale Leitungssystem (2 ) über eine Einbaubuchse (13 ) eingeführt ist, wobei ein Mittelleiter (5 ) des koplanaren Leitungssystems (2 ) mit einem Innenleiter (8 ) des koaxialen Leitungssystems (3 ) verbunden ist und durch Schlitze (6 ) vom Mittelleiter (5 ) getrennte seitliche Masseleiter (7 ) über das Gehäuse (12 ) und die Einbaubuchse (13 ) mit einem Schirmmantel (10 ) des koaxialen Leitungssystems (3 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung des koplanaren Leitungssystems (2 ) am Gehäuse (12 ) über eine elastische Verbindung so erfolgt, dass die Masseleiter (7 ) des koplanaren Leitungssystems (3 ) elastisch gegen Anlageelemente (18 ) des Gehäuses (12 ) geklemmt sind. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlageelemente des Gehäuses (
12 ) innenseitig am Gehäuse (12 ) angebrachte Stege (18 ) sind. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Verbindung zwischen dem koplanaren Leitungssystem (
2 ) und dem Gehäuse (12 ) eine elastische Schraub-Klemm-Verbindung ist, wobei durch Anschrauben mehrerer Klemmhalterungen (21 ) am Gehäuse (12 ) und Anklemmen des koplanaren Leitungssystems (2 ) an den Stegen (18 ) des Gehäuses (12 ) über die am Gehäuse (12 ) angeschraubten Klemmhalterungen (21 ) unter Einklemmung von weichelastischen Dämpfungselementen (26 ) eine Verklemmung zwischen den Klemmhalterungen (21 ) und dem koplanaren Leitungssystem (2 ) erfolgt. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschrauben der Klemmhalterungen (
21 ) in Ausnehmungen (24 ) auf der den Leitern (5 ,7 ) des koplanaren Leitungssystems (2 ) abgewandten Unterseite des Gehäuses (12 ) erfolgt. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen den Masseleitern (
7 ) des koplanaren Leitungssystems (2 ) und dem Gehäuse (12 ) dadurch realisiert ist, dass die Masseleiter (7 ) im Randbereich des koplanaren Leitungssystems (2 ) mit Unterflächen (17 ) der Stege (18 ) in Kontakt stehen und die Stege (18 ) nur in dem mit Masseleitern (7 ) versehenen Randbereich des koplanaren Leitungssystems (2 ) ausgeführt sind. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden an der Verbindung (
1 ) unterbrochenen Stege (18 ) nur geringfügig größer als der Abstand der seitlichen durch Schlitze (7 ) vom Mittelleiter (5 ) getrennten Masseleiter (7 ) im Randbereich des koplanaren Leitungssystems (2 ) ist. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbaubuchse (
13 ) stirnseitig eine Ausnehmung (14 ) aufweist, die bis zu einer Innenfläche (19 ) einer Seitenwand des Gehäuses (12 ) auf der Höhe der Stege (18 ) reicht, so dass der Innenleiter (8 ) des koaxialen Leitungssystem (3 ) mit seinem Ende bis zum Innenraum (15 ) des Gehäuses (12 ) in die Nähe des Mittelleiter (5 ) des koplanaren Leitungssystems (2 ) geführt ist. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Innenleiter (
8 ) des koaxialen Leitungssystems (3 ) und dem Mittelleiter (5 ) des koplanaren Leitungssystems (2 ) über einen Schiebekontakt (29 ) erfolgt. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schiebekontakt (
29 ) einen hülsenförmigen, federelastischen Grundkörper (30 ), der einen über die gesamte Hülsenlänge verlaufenden Schlitz (31 ) aufweist, mit einem zum Durchmesser des Innenleiters (8 ) geringfügig kleineren Innendurchmesser und eine planare, die dem Schlitz (31 ) gegenüberliegende Mantelfläche des Grundkörpers (30 ) stirnseitig verlängernde Fahne (32 ) aufweist. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hülsenförmige Grundkörper (
30 ) des Schiebekontakts (29 ) auf den Innenleiter (8 ) des koaxialen Leitungssystems (3 ) gepresst ist. - Verbindung zwischen einem koaxialen und einem koplanaren Leitungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die planare Fahne (
32 ) des Schiebekontakts (29 ) flächig mit dem Mittelleiter (5 ) des koplanaren Leitungssystems (2 ) verbunden, insbesondere verschweißt, ist.
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