DE19540614A1 - Winkelverbindungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Winkelverbindungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 9.

In der Elektrotechnik besteht häufig das Problem, planare Strukturen, wie Leiterplatten oder Schaltungsträger, mit Koaxialstrukturen zu verbinden. Das elektrische Übertra­ gungsverhalten derartiger Verbindungen ist jedoch häufig nur äußerst ungenau vorherzubestimmen, da die elektromagne­ tischen Felder einer Koaxialstruktur mit denjenigen einer planaren Leiterplattenstruktur nicht übereinstimmen. Die Folge hiervon sind vom Bezugswiderstand abweichende Impe­ danzen im Verbindungsbereich, was zu Übertragungs- und Lei­ stungseinbrüchen führen kann. Diese Probleme vergrößern sich noch, wenn Übertragungen im Gigahertz-Bereich vorzu­ nehmen sind, d. h. in höheren Frequenzbereichen, da dort selbst kleinste Streuverluste, die aufgrund schlechter Ver­ bindungen entstehen können, große Auswirkungen auf den Lei­ stungsbereich eines elektrischen bzw. elektronischen Gerä­ tes haben.

Es sind Winkelstecker für den Übergang von einer Koaxial­ struktur auf eine planare Struktur, wie einer Leiterplatte oder einem planaren Schaltungsträger, bekannt. Diese be­ kannten Winkelstecker sind jedoch nicht impedanzkontrol­ liert, d. h. die Anschlüsse auf der Planarstrukturseite un­ terliegen nicht den Dimensionierungsrichtlinien für ein Wellenleitersystem, wie z. B. eine Mikrostreifenleitung.

Weiterhin sind im Bereich der planaren Meßtechnik technolo­ gisch hochwertige Meßspitzen bekannt, die hervorragende Übertragungseigenschaften aufweisen. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß diese bekannten Meßspitzen sehr teuer sind und nicht die gleichen elektrischen Eigenschaften wie die Steckverbinder aufweisen. Aus diesem Grund entsprechen die elektrischen Übertragungseigenschaften nach der Montage des Steckverbinders nicht denjenigen, welche von den Meßspitzen gemessen worden sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Winkel­ verbindungselement zu schaffen, welches einen impedanzkon­ trollierten Aufbau bei möglichst kleiner Bauform ermöglicht sowie einfach und kostengünstig herzustellen und zu montie­ ren ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Pa­ tentansprüche 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsfor­ men der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrie­ ben.

Beim erfindungsgemäßen Winkelverbindungselement gemäß Pa­ tentanspruch 1 ist das planarstrukturseitige Anschlußteil als planarer Wellenleiter ausgebildet, der innerhalb des Außenumfangs des Winkelverbindungselements mit dem koaxial­ strukturseitigen Anschlußteil verbunden ist.

Beim erfindungsgemäßen Winkelverbindungselement wird somit das planarstrukturseitige Anschlußteil in gleicher oder ganz ähnlicher Weise wie die Leiterbahn der planaren Struk­ tur ausgeführt und der eigentliche Übergang von der plana­ ren Struktur auf die Koaxialstruktur in das Winkelverbin­ dungselement hineinverlegt. Hierdurch ist es möglich, daß bereits der Hersteller das planarstrukturseitige Anschluß­ teil gemäß den Richtlinien einer planaren Leitung reali­ siert und die Komponenten des Winkelverbindungselements derart optimiert, daß eine sehr dispersionsarme Leitung re­ alisiert wird, mit der breitbandige digitale Signale ver­ zerrungsfrei übertragen werden können. Die Reflexionsdämp­ fung von derartig realisierten Winkelverbindungselementen ist sehr groß, wogegen die Transmissionsverluste sehr ge­ ring sind.

Von besonderem Vorteil ist, daß das erfindungsgemäße Win­ kelverbindungselement ohne weiteres derart ausgebildet wer­ den kann, daß es bereits über Preßdruck mit der dazugehöri­ gen Leiterbahn kontaktiert wird und folglich als Meßkopf in Meßvorrichtungen einsetzbar ist. Dies hat den großen Vor­ teil, daß der Anwender seine Schaltung in der Entwicklungs­ phase wie auch später in der Herstellung mit der gleichen Ausgangsimpedanz abschließen kann. Dem Anwender steht somit eine Meßtechnik zur Verfügung, die den realen Bedingungen der späteren Realisierung entspricht, d. h. der Anwender kann mit einer derartigen Meßspitze die Schaltung genauso abschließen, wie er sie ansonsten durch das Einlöten des Winkelverbindungselements abschließen kann.

Vorteilhafterweise ist das planarstrukturseitige Anschluß­ teil senkrecht zur planaren Struktur angeordnet, wobei es stirnseitig auf die planare Struktur aufsetzbar ist.

Zweckmäßigerweise wird das planarstrukturseitige Anschluß­ teil auf einem Substrat, insbesondere Polytetrafluoräthylen (Teflon), aufgebracht.

Besonders günstige elektrische Übertragungseigenschaften ergeben sich, wenn das planarstrukturseitige Anschlußteil zumindest an der Kontaktierungsstelle im wesentlichen die gleiche Breite wie die Leiterbahn aufweist.

Vorteilhafterweise verläuft das gesamte planarstruktursei­ tige Anschlußteil innerhalb der Außenkontur eines Gehäuses des Winkelverbindungselements. Hierdurch kann einerseits für das planarstrukturseitige Anschlußteil ein gewisser Schutz vor Beschädigungen erreicht werden. Andererseits kann auch das Gehäuse derart gestaltet werden, daß die ge­ wünschten elektrischen und magnetischen Eigenschaften im Umfeld des planarstrukturseitigen Anschlußteils erreicht werden.

Die eingangs gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiter­ hin durch ein Winkelverbindungselement gelöst, bei dem das planarstrukturseitige Anschlußteil als koaxialer Wellenlei­ ter ausgebildet ist, der innerhalb des Außenumfangs des Winkelelements mit dem koaxialstrukturseitigen Anschlußteil verbunden und von einem Gehäuse umgeben ist, dessen radi­ aler Abstand zum planarstrukturseitigen Anschlußteil sich in Richtung des koaxialstrukturseitigen Teils verringert.

Auch in diesem Fall ist die Verbindung zwischen dem pla­ narstrukturseitigen Anschlußteil und dem koaxialstruktur­ seitigen Anschlußteil in das Innere des Winkelverbindungs­ elements hineinverlegt. Der radiale Abstand des pla­ narstrukturseitigen Anschlußteils zum Gehäuse und der Win­ kel, unter dem das planarstrukturseitige Anschlußteil auf die planare Struktur aufgesetzt wird, können damit so opti­ miert werden, daß im gesamten Bereich des Winkelverbin­ dungselements die gewünschte Anpassung der elektromagneti­ schen Welle gegeben ist.

Auch dieses Winkelverbindungselement ermöglicht eine dis­ persionsarme Übertragung der Signale, was insbesondere für digitale Signale entscheidend ist. Sowohl für die Übertra­ gung analoger als auch digitaler Signale gilt, daß die er­ findungsgemäßen Winkelverbindungselemente über einen weiten Frequenzbereich, vom Gleichstrom bis in den Mikrowellenbe­ reich, eine sehr gute Anpassung aufweisen. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Winkelstecker im Bereich des pla­ narstrukturseitigen Anschlußteils so ausgelegt, daß dieses auch allein durch Andrücken kontaktiert werden kann, wo­ durch die Möglichkeit gegeben ist, daß das Winkelverbin­ dungselement als Meßspitze in mechanischen Positionierein­ heiten eingesetzt werden kann. Damit stehen Meßspitzen zur Verfügung, die nahezu die gleichen elektrischen Eigenschaf­ ten wie die an der planaren Struktur zu befestigenden Win­ kelverbindungselemente aufweisen.

Eine sichere Verbindung zwischen dem Winkelverbindungsele­ ment und der Koaxialleitung ergibt sich, wenn am koaxial­ strukturseitigen Endbereich ein Schraub- oder Klemmanschluß zur Befestigung der Koaxialleitung vorgesehen ist.

Vorteilhafterweise ist das planarstrukturseitige Anschluß­ teil als auf die Leiterbahn aufsetzbare Meßspitze ausgebil­ det. Da derartige Meßspitzen, wie bereits erwähnt, nahezu die gleichen elektrischen Eigenschaften wie die später an der planaren Struktur zu befestigen Winkelverbindungsele­ mente aufweisen, kann das elektrische Verhalten der ge­ samten planaren Struktur sehr genau vorherbestimmt werden.

Weiterhin ist die Erfindung auf die Verwendung des Winkel­ verbindungselements als Kopfteil einer Meßvorrichtung zur Messung elektrischer Eigenschaften der planaren Struktur gerichtet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Winkelver­ bindungselements,

Fig. 2 einen vertikalen, mittigen Längsschnitt durch das Winkelverbindungselement von Fig. 1 mit dar­ unter angeordneter Leiterplatte,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Winkelverbindungselements in perspektivi­ scher Darstellung,

Fig. 4 im vertikalen Längsschnitt sowie

Fig. 5 in Draufsicht und

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Winkelverbindungselements.

Wie aus Fig. 1 und 2 der Zeichnung ersichtlich, weist das dargestellte Winkelverbindungselement ein im wesentlichen würfelförmiges Gehäuse 1 auf, in dem sich ein Koaxialan­ schluß 2 befindet. Der Koaxialanschluß 2 besteht aus einer mittig im Gehäuse 1 angeordneten, horizontalen gestuften Koaxialbohrung 3, in die mittig ein horizontales koaxial­ strukturseitiges Anschlußteil 4 in Form eines Stiftes ragt. Der Koaxialanschluß 2 ist zur Rückseite 5 des Gehäuses 1 hin offen. Wenn daher von dort ein bekannter Koaxialstecker in die Koaxialbohrung 3 eingeführt wird, wird der Innenlei­ ter des Koaxialsteckers mit dem Stift 4 kontaktiert.

An seiner Vorderseite 6 weist das Gehäuse 1 eine Vertiefung 7 auf, in die ein vertikal ausgerichtetes, plattenförmiges Substrat 8 eingelegt ist. Auf dem Substrat 8 ist ein plana­ res leiterbahnförmiges Anschlußteil 9 aufgebracht, das sich von einem Bereich, der in der Nähe des Bodens 10 des Gehäu­ ses 1 liegt, vertikal nach oben bis zum Stift 4 erstreckt.

Der Stift 4 des Koaxialanschlusses 2 ist durch eine hori­ zontale Bohrung 11 des Substrats 8 hindurchgeführt und steht mit dem planaren Anschlußteil 9 in Verbindung.

Das Substrat 8 wird an denjenigen Stellen, die nicht vom planaren Anschlußteil 9 belegt sind, von einem Deckel 12 abgedeckt.

Das planare Anschlußteil 9 und das vorzugsweise aus Polyte­ trafluoräthylen (Teflon) bestehende Substrat 8 bilden einen planaren Wellenleiter.

Aus Fig. 2 geht hervor, daß bei der dargestellten Ausfüh­ rungsform nur eine koplanare Wellenleitung stattfindet, wo­ bei der untere Teil 13 des Gehäuses 1 einen geringfügigen Abstand zum Substrat 8 aufweist. Würde man das Gehäuse 1 symmetrisch ausführen, d. h., daß das untere Gehäuseteil 13 an das Substrat 8 anschließt, könnte entweder eine Tri- Plate-Leitung oder eine Mikrostreifenleitung dimensioniert werden.

Das in Fig. 2 gezeigte Winkelverbindungselement ist derart ausgebildet, daß es auf eine planare Struktur in Form einer Leiterplatte 14 aufgesetzt werden kann. Der planare Wellen­ leiter 9 liegt im montierten Zustand des Winkelverbindungs­ elements stirnseitig auf einer Leiterbahn 15 der Leiter­ platte 14 auf und ist mit der Leiterbahn 15 mittels einer Lötverbindung 16 verbunden. Das Substrat 8 erstreckt sich dagegen nicht vollständig bis zur Leiterbahn 15, so daß ein in Fig. 2 gezeigter Freiraum 23 verbleibt, in den die Lei­ terbahn 15 vorstehen kann.

Von Bedeutung ist, daß der planare Anschluß des Winkelver­ bindungselements, d. h. der Wellenleiter 9 und das darunter liegende Substrat 8, gemäß den Richtlinien einer planaren Leitung realisiert wird. Beispiele hierfür sind Mikrostrei­ fenleitungen, koplanare Leitungen oder Tri-Plate-Leitungen.

Bei der abgewandelten Ausführungsform des Winkelverbin­ dungselements gemäß Fig. 3 bis 5 ist der Koaxialanschluß 2′ vertikal angeordnet, d. h. daß ein (nicht gezeigter) Ko­ axialstecker in vertikaler Richtung zu einer (nicht gezeigten) Leiterplatte auf den Koaxialanschluß 2′ aufgesteckt werden kann.

Das Gehäuse 1′ weist ein vertikales, hohlzylinderförmiges Teil 18′ auf, an dessen Außenumfang ein Außengewinde 17′ zum Sichern des Koaxialsteckers vorgesehen ist.

Der vertikale Teil 18′ des Gehäuses 1′ geht in einen Ab­ schnitt 19′ über, welcher in einem spitzen Winkel zur hori­ zontalen Ebene angeordnet ist. Dieser Abschnitt 19′ bildet somit eine im wesentlichen liegende Röhre, in welcher der planarstrukturseitige Anschlußteil 9′ des Wellenleiters verläuft. Der radiale Abstand R1 zwischen dem vorderen Ende des planarstrukturseitigen Anschlußteils 9′ und dem Ab­ schnitt 19′ des Gehäuses 1′ ist geringer als der radiale Abstand R2 zwischen dem planarstrukturseitigen Anschlußteil 9′ und dem Gehäuse 1′ im Bereich des Übergangs zum hohlzy­ linderförmigen Teil 18′. Die geometrische Auslegung der Ab­ stände R1, R2 und eines Winkels Φ zwischen dem planar­ strukturseitigen Anschlußteil 9′ und der horizontalen Ebene werden so optimiert, daß im gesamten Bereich des Winkel­ verbindungselements eine Anpassung der elektromagnetischen Welle gegeben ist.

Bei dieser Ausführungsform ist sowohl der koaxiale Innen­ leiter 4′ als auch das planarstrukturseitige Anschlußteil 9′ gemäß den Richtlinien einer koaxialen Leitung ausgebil­ det, die sich impedanzkontrolliert verengt.

Wird das in den Fig. 3 bis 5 dargestellte Winkelverbin­ dungselement an einer Meßvorrichtung angebracht und als Meßspitze verwendet, ist das freie Ende des planarstruktur­ seitigen Anschlußteils 9′ derart angeordnet, daß es ledig­ lich durch Andrücken des Winkelverbindungselements auf eine Leiterbahn mit dieser in Kontakt gelangt. Zweckmäßigerweise steht hierfür das Ende des planarstrukturseitigen Anschluß­ teils 9′ etwas über das Gehäuse 1′ vor und weist einen ab­ geflachten Kontaktbereich 20′ auf seiner Unterseite auf.

Beim Einsatz des Winkelverbindungselements als Winkelstek­ ker kann es zweckmäßig sein, im Bodenbereich seitlich über­ stehende Fußlaschen 21′ vorzusehen, welche geeignete Boh­ rungen zum Durchführen eines Befestigungselements aufweisen können.

Zwischen dem Koaxialinnenleiter 4′ bzw. dem koaxialstruk­ turseitigen Anschlußteil 4′ und dem Gehäuse 1′ kann weiter­ hin eine dielektrische Füllmasse 22′ vorgesehen sein, die auch durch eine sog. Stütze ersetzt werden kann.

Die dritte Ausführungsform des Winkelverbindungselements gemäß Fig. 6 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 3 bis 5 dadurch, daß der vertikale hohlzylinderförmige Teil 18′ des Gehäuses 1′ an seinem freien Endbereich nochmals in horizontaler Richtung abgebogen ist, so daß der Koaxialan­ schluß im wesentlichen horizontal verläuft, d. h., daß ein Koaxialstecker im wesentlichen parallel zu einer Leiter­ platte eingesteckt werden kann.

Claims (17)

1. Winkelverbindungselement zur elektrischen Verbindung einer planaren Struktur mit einer Koaxialstruktur,
mit einem planarstrukturseitigen Anschlußteil (9), das mit mindestens einer planaren Leiterbahn (15) in Kontakt bring­ bar ist,
und mit einem zu diesem Anschlußteil (9) in einem bestimm­ ten Winkel angeordneten koaxialstrukturseitigen Anschluß­ teil (4), das mit einer Koaxialleitung verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das planarstrukturseitige Anschlußteil (9) als planarer Wellenleiter ausgebildet ist, der innerhalb des Außenum­ fangs des Winkelverbindungselements mit dem koaxialstruk­ turseitigen Anschlußteil (4) verbunden ist.

2. Winkelverbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das planarstrukturseitige Anschlußteil (9) senkrecht zur planaren Struktur (14) angeordnet ist.

3. Winkelverbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das planarstrukturseitige An­ schlußteil (9) stirnseitig auf die planare Struktur (14) aufsetzbar ist.

4. Winkelverbindungselement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das planarstruk­ turseitige Anschlußteil (9) auf einem Substrat (8), insbe­ sondere Polytetrafluoräthylen, aufgebracht ist.

5. Winkelverbindungselement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das planarstruk­ turseitige Anschlußteil (9) senkrecht zum koaxialstruktur­ seitigen Anschlußteil (4) angeordnet ist.

6. Winkelverbindungselement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das planarstruk­ turseitige Anschlußteil (9) zumindest an der Kontaktie­ rungsstelle im wesentlichen die gleiche Breite wie die Lei­ terbahn (15) aufweist.

7. Winkelverbindungselement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das planarstruk­ turseitige Anschlußteil (9) innerhalb der Außenkontur eines Gehäuses (1) des Winkelverbindungselements verläuft.

8. Winkelverbindungselement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das planarstruk­ turseitige Anschlußteil (9) als Mikrostreifenleitung, Tri- Plate-Leitung oder koplanare Leitung ausgebildet ist.

9. Winkelverbindungselement zur elektrischen Verbindung einer planaren Struktur mit einer Koaxialstruktur,
mit einem planarstrukturseitigen Anschlußteil (9′), das mit mindestens einer planaren Leiterbahn (15) in Kontakt bring­ bar ist,
und mit einem zu diesem Anschlußteil (9′) in einem be­ stimmten Winkel angeordneten koaxialstrukturseitigen An­ schlußteil (4′), das mit einer Koaxialleitung verbindbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das planarstrukturseitige Anschlußteil (9′) als ko­ axialer Wellenleiter ausgebildet ist, der innerhalb des Außenumfangs des Winkelelements mit dem koaxialstruktursei­ tigen Anschlußteil (4′) verbunden und von einem Gehäuse (1′) umgeben ist, dessen radialer Abstand (R1, R2) zum pla­ narstrukturseitigen Anschlußteil (9′) sich in Richtung des koaxialstrukturseitigen Anschlußteils (4′) verringert.

10. Winkelverbindungselement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das koaxial­ strukturseitige Anschlußteil (4, 4′) parallel zur planaren Struktur (14) angeordnet ist.

11. Winkelverbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das koaxialstruktursei­ tige Anschlußteil (4′) vertikal zur Planarstruktur (14) an­ geordnet ist.

12. Winkelverbindungselement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am koaxialstruk­ turseitigen Endbereich ein Schraub- oder Klemmanschluß (17′) zur Befestigung der Koaxialleitung vorgesehen ist.

13. Winkelverbindungselement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das planarstruk­ turseitige Anschlußteil (9, 9′) als auf die Leiterbahn (15) aufsetzbare Meßspitze ausgebildet ist.

14. Winkelverbindungselement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspitze ein Ende mit einem abge­ flachten Kontaktbereich (20′) aufweist.

15. Winkelverbindungselement nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Meßspitze über das Gehäuse (1′) des Winkelverbindungselements vorsteht.

16. Winkelverbindungselement nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Fußlaschen (21′) zur Befestigung des Winkelverbindungselements an der Pla­ narstruktur (14) vorgesehen sind.

17. Verwendung des Winkelverbindungselements gemäß den Ansprüchen 1 bis 15 als Kopfteil einer Meßvorrichtung zur Messung elektrischer Eigenschaften der Planarstruktur (14).