DE2738326A1

DE2738326A1 - Mikrowellenanordnung zum umwandeln einer hohlleiterstruktur in eine mikrostreifenleiterstruktur

Info

Publication number: DE2738326A1
Application number: DE19772738326
Authority: DE
Inventors: Abram Van De Grijp
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-09-07
Filing date: 1977-08-25
Publication date: 1978-03-09
Also published as: US4157516A; JPS588763B2; NL7609903A; FR2363914B1; GB1586784A; JPS5333031A; FR2363914A1; DE2738326C2; CA1097412A

Description

Mikrovrellenanordnung zum Umwandeln einer Hohlleiterstruktur in eine Mikrostreifenleiterstruktur

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenanordnung zum Umwandeln einer Hohlleiterstruktur in eine Mikrostreifenleiterstruktur und umgekehrt mit einem Hohlleiter, einem parallel zu den elektrischen Feldlinien und in der Längsrichtung des Hohlleiters aufgestellten Substrat, das auf der einen Seite mit einer leitenden Bodenplatte und auf der anderen Seite mit Mikrostreifenleitern versehen ist, die zusammen mit dem Substrat und der Bodenplatte die Mikrostreifenleiterstruktur bilden, wobei ein Mikrostreifenleiter Über einen sich verbreiternden streifenförmigen Leiter auf einem eich von der Mikrostreifenleiterstruktur im Hohlleiter er-

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streckenden Teil des Substrats mit einem Hohlleiterwandteil mindestens für HF-Energie leitend verbunden ist.

Eine derartige Mikrowellenanordnung ist aus der DT-OS 25 06 bekannt, wobei ein mit der Bodenplatte gekoppelter weiterer streifenförmiger Leiter angebracht ist, der gegenüber der Mittellinie des Hohlleiters zu dem mit dem Mikrostreifenleiter verbundenen streifenförmigen Leiter spiegelsymmetrisch ist. Diese spiegelsymmetrische Leiterkonfiguration bildet dabei nicht nur einen Impedanztransformator, der den Hohlleiterwiderstand an den der Mikrostreifenleiterstruktur anpaßt, und einen Modus-Transformator, der die Richtung des elektrischen Feldes um 90° dreht, sondern sie bildet auch an der bei der Mikrostreifenleiterstruktur liegenden Seite zugleich einen symmetrischen Bandleiter, der mit Hilfe eines symmetrischen-asymmetrisehen Transformators mit der Mikrostreifenleiterstruktur gekoppelt ist.

Obschon diese Mikrowellenanordnung eine verhältnismäßig niedrige Durchlaßdämpfung und einen relativ niedrigen Reflexionskoeffizienten hat, gibt es in der Praxis ein Bedürfnis nach einer derartigen Mikrowellenanordnung mit noch besseren Eigenschaften.

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, eine neue Konzeption der eingangs genannten Mikrowellenanordnung zu schaffen, die den gestellten Anforderungen entspricht.

Zur Lösung dieser Aufgabe erstreckt sich bei einer Mikro wellenanordnung der eingangs genannten Art nach der Erfindung die Bodenplatte von einem gegenüber dem Verbindungspunkt der Mikrostreifenleiterstruktur und des streifenfömigen Leiters auf dem Substrat liegenden Punkt einerseits von der Mikrostreifenleiterstruktur sammelnd zu einem gegenüber dem einen Wandteil liegenden Wandteil des Hohlleiters und bildet andererseits zu dem einen Wandteil und dabei alt des der Mikrostreifenieiterstruktur zugewandten Rand des streifenfOrBigen Leiters eine übertragungsleitung.

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2738326 5 Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer derartigen Anordnung die Leiterkonfiguration nicht symmetrisch zu sein braucht und bietet den Vorteil, daß die infolge einer symmetrischen Leiterkonfiguration bei der bekannten Anordnung auftretenden Verluste, z.B. die Verluste, die in der Impedanz auftreten, die durch den durch die Bodenplatte und den damit verbundenen streifenförmigen Leiter begrenzten Raum gebildet wird, vermieden werden und daß der infolge des symmetrischen Bandleiters bei der bekannten Anordnung erforderliche in der Signalstrecke liegende frequenzselektive symmetrisch-asymmetrische Transformator ebenfalls vermieden werden kann, wodurch eine weitere Verringerung der Verluste erhalten wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrowellenanordnung wird dadurch erhalten, daß die RänAr der Leiter, die die übertragungsleitung bilden, zusammen mit dem einen Wandteil des Hohlleiters ein Dreieck einschließen. Diese dreieckförmigc Leiterkonfiguration bildet eine übertragungsleitung mit einem hohen Eingangs- und einem hohen mittleren Wellenwiderstand. ·

Eine weitere Verbesserung der Anordnung wird dadurch erhalten, daß die übertragungsleitung eine derartige Länge hat, daß diese etwa X/h einer homogenen übertragungsleitung bei der Betriebsfrequenz entspricht und der eine Wandteil zwischen den beiden Schenkeln einen Kurzschluß bildet. Die Eingangsimpedanz der Übertragungsleitung für eine in der Mitte des Frequenzbandes liegende Betriebsfrequenz ist dadurch unendlich groß, was eine weitere Verringerung der Durchlaßverluste ergibt.

Eine besonders vorteilhafte AusfUhrungsform der Anadnung wird bei einer Mikrowellenanordnung erhalten, bei der das Substrat zwischen in den Hohlleiterwandteilen vorgesehenen Schlitzen eingeklemmt ist und die sich auf dem Substrat bis an die Wandteile erstreckenden Leiter wenigstens teilweise mit einer eingesägten Leiterstruktur mit einer Tiefe von etwa

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bei der Betriebsfrequenz verlängert worden sind, wobei die eingesägte Leiterstruktur in den Schlitzen und gegenüber den Wandteilen isoliert angeordnet ist und der sich verbreiternde Leiter mit einem sich in der Richtung der Mikrostreifenleiterstruktur erstreckenden ersten leitenden Streifen versehen ist und die Bodenplatte mit einem teilweise gegenüber diesem Streifen liegenden zweiten leitenden Streifen versehen ist, die gegenüber den Wandteilen isoliert angeordnet sind und eine etwa ,\/4 lange weitere übertragungsleitung bei der Betriebsfrequenz der Anordnung bilden, und wobei der Abstand zwischen dem genannten Punkt und der weiteren übertragungsleitung etwa )\/k bei der Betriebsfrequenz der Anordnung beträgt. Diese weitere Übertragungsleitung hat durch Ihren Aufbau einen niedrigen Wellenwiderstand. Dadurch wurde erreicht, daß die in der Praxis von Unendlich abv/eichende Impedanz des offenen Endes dieser weiteren Übertragungsleitung transformiert zum Eingang der durch die dreieckförmige Konfiguration gebildeten übertragungsleitung eine Eingangsimpedanz mit einem Wert hat, der um einen Faktor entsprechend dem Quadrat des Verhältnisses zwischen dem hohen Wellenwiderstand dieser übertragungsleitung und dem niedrigen Wellenwiderstand der weiteren übertragungsleitung größer als der von Unendlich abweichende Wert des offenen Endes der weiteren Übertragungsleitung ist, wodurch über einen großen Frequenzbereich eine niedrige Verlustleistung auftritt.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden anhand der Zeichnung für einige Ausführungsbeipiele näher erläutert, wobei entsprechende Teile in den Jeweiligen Figuren mit denselben Bezugszeichen angegeben sind. Es zeigen

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikrowellenanordnung,

Fig. 2 eine Ansicht der Mikrowellenanordnung entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Schnitt gemäß der Linie A-A,

Fig. 3 eine Ansicht der Mikrowellenanordnung entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Schnitt gemäß der Linie B-B.

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Die in Fig. 1 dargestellte Mikrowellenanordnung besteht aus einem rechteckigen Wellenleiter, der z.B. durch Fräsen aus zwei Blöcken leitenden Materials erhalten worden ist. Die in dieser Figur 1 sichtbaren Flächen dieser Blöcke 1 und 2 sind mit 1* und 2* und die Wände des Hohlleiters sind mit 3 und 4 bezeichnet. Die in montiertem Zustand in der Mitte zwischen den Blöcken 1 und 2 liegende Ebene wird durch die Symmetrieebene des Hohlleiters gebildet, die sich parallel zu den elektrischen Feldlinien und der Längsachse des Hohlleiters erstreckt.

In dieser Symmetrieebene ist ein Substrat 6 aus z.B. dielektrischem oder gyromagnetischem Material im montierten Zustand zwischen den Blöcken 1 und 2 derart angeordnet, daß diese das Substrat sowie die darauf angebrachten Leiterstrukturen nicht berühren, Diese Leiter können z.B. aus dielektrischen Folien bestehen (nicht dargestellt). Das Substrat 6 ragt aus dem Wellenleiter heraus, kann aber auch derart bemessen sein, daß es auf die Höhe des Hohlleiters begrenzt ist, oder daß der Hohlleiter eine derartige Länge hat, daß das Substrat in dieser Richtung völlig innerhalb des Hohlleiters liegt.

Das Substrat 6 ist auf den beiden Seitenflächen mit einem Leitermuster versehen, das z.B. durch selektives Aufwachsen von Metall oder durch Wegätzen von ursprünglich die beiden Seitenflächen völlig bedeckenden Metallschichten erhalten wird. Diese Leitermuster werden anhand der in Fig. 2 und dargestellten Ansichten näher erläutert, in denen die auf den Vorderseiten des Substrates 6 liegenden Leitermuster durch voll ausgezogene Linien und die auf den Rückseiten liegenden Leitermuster durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Weiterhin sind alle hinter dem Substrat liegenden Hohlleiterteile durch strichpunktierte Linien dargestellt.

Einer der Leiter wird durch eine Bodenplatte 7 gebildet, die die eine Seite des Substrats 6 teilweise bedeckt, und ein anderer Leiter wird durch einen auf der gegenüberliegenden Seite angebrachten Mikrostreifenleiter 8 gebildet, der zu sammen mit der Bodenplatte 7 und dem Substrat 6 die Mikro-8528 ·09810/07ί7 _₆_

Streifenleiterstruktur bildet. Diese Mikrostreifenleiterstruktur erstreckt sich in Fig. 2 weiter nach links, nach unten und nach oben und in Fig. 3 nach rechts, nach unten und nach oben, wobei der Mikrostreifenleiter 8 jede beliebige Form haben kann. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, die Abmessungen dieser Struktur in jeder der genannten Richtungen anders zu wählen.

Damit die Mikrostreifenleiterstruktur möglichst optimal mit dem Hohlleiter gekoppelt werden kann, ist der Mikrostreifenleiter 8 über einen sich verbreiternden streifenförmigen Leiter 9 wenigstens für HF-Signale leitend mit der unteren Wand 3 des Hohlleiters verbunden. Die Bodenplatte erstreckt sich von einem gegenüber dem Verbindungspunkt 10 der Mikrostreifenleiterstruktur und des weiteren streifenförmigen Leiters auf dem Substrat liegenden Punkt 11 einerseits von der Mikrostreifenleiterstruktur über einen sich verengenden Teil 12 der Bodenplatte 7 zu der gegenüber der unteren Wand 3 liegenden oberen Wand 5 des Hohlleiters und andererseits zur unteren Wand 3.

Dabei wird durch den Teil 13 des Randes der Bodenplatte 7 und den Teil 14 des Randes des streifenförmigen Leiters 9 eine öffnung 15 gebildet.

Für eine gut leitende und nicht kritische Verbindung für die HF-Signale können recht einfach die leitenden Teile 9 und 12 an der Stelle der unteren Wand 3 und der oberen Wand des Hohlleiters auf bekannte Weise mit kammartigen Leiterkonfigurationen 16 versehen sein, deren Zinkenlängen etwa einem Viertel der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz der Anordnung entspricht. Die auf einer Seite offenen Räume zwischen den Zinken bilden/λ/4-Transformatoren, die die hohen Impedanzen an den offenen Enden auf eine niedrige Impedanz an der Stelle der oberen und unteren Wände des Hohlleiters transformieren, wodurch auch bei kleinen Abweichungen von der idealen Montagelage des Substrats 6 im Hohlleiter ein einwandfreier HF-Kontakt zwischen den Hohlleiterwänden und den Leiterteilen 9 und 12 gewährleistet ist.

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Die Wirkungsweise der Anordnung ist wie folgt: Bei einer im Hohlleiter auftretenden TE_1Q-Schwingung stehen die elektrischen Feldlinien senkrecht auf der unleren Wand 3 und der oberen Wand 5 des Hohlleiters, d.h. daß diese in der Ebene der Zeichnung der Fig. 2 und 3 liegen. Eine derartige TE^-Schwingung weist eine maximale Stärke des elektrischen Feldes an der Stelle des Substrates auf, so daß dieses Feld mit den Leitern 9 und 12 stark gekoppelt 1st. Bei einer entsprechend dem in den Fig. 2 und 3 angegebenen Pfeil verlaufenden Fortpflanzungsrichtung der Schwingung verschieben sich die Feldlinien an den Rändern der Leiter 9 und entlang und drehen dabei aus der Ebene der Zeichnung, bis diese mit der elektrischen Feldstärke der Schwingungeart der Mikrostreifenlelterstruktur Übereinstimmen. Die Leiter 9 und 12 wandeln nicht nur die Schwingungsart des Hohlleiters in die der Mikrostreifenstruktur um, sondern sie bilden auch zugleich einen Impedanztransformator, der die Hohlleiterimpedanz von etwa 400 Ohm an die Impedanz der Nikrostreifenleiterstruktur von etwa 50 Ohm anpaßt. Wegen der reziproken Struktur der Anordnung wirkt diese auch auf identische Weise für eine Fortpflanzungsrichtung der Energie entgegengesetzt zu der des Pfeiles 17.

Die einander zugewandten Ränder der Leiter 9 und 12 bestehen aus zwei aufeinanderfolgenden Teilen 18 und 19 bzw. 20 und 21, die bei der Betriebsfrequenz der Anordnung etwa A/4 lang sind, parallel zu und in einem derartigen Abstand von den Wänden 3 und 5 liegen, daß dadurch ein zwei Glieder langer Impedanzwandler mit minimaler Welligkeit erhalten wird. Diese Konfiguration nach der Erfindung führt zu sehr kleinen Abmessungen des Hohlleiters.

Wie bereits erwähnt, wird durch den Teil 14 des Randes des streifenfurmigen Leiters 9 und den Teil 13 des Randes der Bodenplatte 7 eine öffnung gebildet. Diese Teile 13 und 14 bilden zusammen mit dieser Öffnung eine übertragungsleitung, die einerseits parallel zu der Hohlleiterkonfiguration an der Stelle der Punkte 10 und 11 angeschlossen ist und die anderer-

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seits eine hohe Eingangsimpedanz hat.

Durch diese hohe Impedanz ist die Erde der asymmetrischen Mikrostreifenleiterstruktur gegenüber der symmetrischen Hohlleiterstruktur isoliert. Diese Impedanz ergibt jedoch etwas Verlustleistung. Zur weiteren Verbesserung der Isolierung und dabei zur weiteren Verringerung der Verlustleistung ist die Länge der inhomogenen übertragungsleitung aus den Teilen 13, 14 und 15 derart gewählt worden, daß diese der Länge einer etwa A/4 langen homogenen übertragungsleitung bei der Betriebsfrequenz der Anordnung entspricht und an der Stelle der Hohlleiterwand wenigstens für HF-Signale kurzgeschlossen ist.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die öffnung 15 dreieckig. Sie kann jedoch auch andere Formen aufweisen. Die dreieckige Form der übertragungsleitung aus den Teilen 13, 14 und 15 kombiniert die günstigen Eigenschaften eines hohen Wellenwiderstandes an der Stelle der Basis (Hohlleiterwand) mit einer geringen Feldstörung an der Spitze (an den Punkten 10 und 11).

Der Leiter 9 ist weiterhin mit einem Streifen 22 versehen, und die Bodenplatte 7 mit einem Streifen 23, die einander gegenüber und in einem Schlitz zwischen den Wänden der Blöcke 1 und 2 des Hohlleiters liegen. Die Streifen brauchen jedoch nicht in dem Schlitz zu liegen. Ihre Lage wird durch die Punkte und 11 und die Länge der übertragungsleitung aus den Teilen 13, 14 und 15 bestimmt. Die Streifen 22 und 23 bilden eine weitere offene übertragungsleitung von etwa \/k Länge bei der Betriebsfrequenz der Anordnung, die durch die Abmessungen dieser Streifen einen niedrigen Wellenwiderstand hat.

Mit Hilfe dieser übertragungsleitung aus den Streifen 22 und 23 ist auf konstruktiv einfache Weise eine Kurzschlußimpedanz der übertragungsleitung mit den Teilen 13, 14 und 15 verwirklicht worden. Der in der Praxis von Unendlich abweichende Wert der Impedanz des- offenen Endes der übertragungsleitung mit den

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Streifen 22 und 23 wird mit Hilfe der Λ Λ langen Übertragungsleitungen mit den Streifen 22 und 23 sowie mit den Teilen 13» 14 und 15 an der Stelle der Punkte 10 und 11 auf eine hohe Impedanz transformiert, die um einen Faktor entsprechend dem Quadrat des Verhältnisses des hohen Wellenwiderstandes der übertragungsleitung mit den Teilen 13» 14 und 15 zu dem niedrigen Wellenwiderstand der Übertragungsleitung mit den Streifen 22 und größer 1st als die des offenen Endes der Übertragungsleitung mit den Streifen 22 und 23.

Wie aus der obenstehenden Beschreibung hervorgeht, ist nach der Erfindung die Mikrowellenanordnung mit nur einer derart bemessenen öffnung 15 versehen, daß sie über einen möglichst breiten Frequenzbereich möglichst wenig Verlustleistung aufweist. Die Durchlaßverluste der Anordnung betragen daher etwa 0,1U d3 im Frequenzbereich von 18 bis 26 GHz und der Reflexionskoeffizient in diesem Frequenzbereich ist kleiner als 1,16.

Es können auch andere Hohlleiter als dreieckförmige verwendet werden, z.B. kreisrunde oder elliptische, wenn in diesen Leitern Schwingungen erzeugbar sind, deren elektrische Feldlinien sich parallel zum Substrat erstrecken.

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Leerseite

Claims

( 1.ι Hikrowellenanordnung zum Umwandeln einer Hohlleiter-Struktur in eine Mikrostreifenleiterstruktur und umgekehrt mit einem Hohlleiter, einem parallel zu den elektrischen Feldlinien und in der Längsrichtung des Hohlleiters aufgestellten Substrat, das auf der einen Seite mit einer leitenden Bodenplatte und auf der anderen Seite mit Mikrostreifenleitern versehen ist, die zusammen mit dem Substrat und der Bodenplatte die Mikrostreifenleiterstruktur bilden, wobei ein Mikrostreifenleiter über einen sich verbreiternden streifenförmigen Leiter auf einem sich von der Mikrostreifenleiterstruktur im Hohlleiter erstreckenden Teil des Substrats mit einem Hohlleiterwandteil mindestens für HF-Energie leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bodenplatte von einem gegenüber dem Verbindungspunkt der Mikrostreifenleiterstruktur und des streifenförmigen Leiters auf dem Substrat liegenden Punkt einerseits von der Mikrostreifenleiterstruktur sammelnd zu einem gegenüber dem einen Wandteil liegenden Wandteil des Hohlleiters und andererseits zu dem einen Vandteil erstreckt und dabei mit dem der Mikrostreifenleiterstruktur zugewandten Rand des streifenförmigen Leiters eine Übertragungsleitung bildet.
2. Mikrowellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Leiter, die die übertragungsleitung bilden, zusammen mit dem einen Randteil des Hohlleiters ein Dreieck bilden.
3. Mikrowellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung eine derartige Länge hat, daß diese etwa λ/4 einer homogenen übertragungsleitung bei der Betriebsfrequenz entspricht und der eine Wandteil zwischen den beiden Schenkeln einen Kurzschluß bildet.
4. Mikrowellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat zwischen in den Hohlleiterwandteilen vorgesehenen Schlitzen eingeklemmt ist und die sich

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ORIGINAL INSPECTED

auf dem Substrat bis ^r. die tfrjidteilc erstreckenden Leite^r wenigstens teilweise mit einer eingesägten Leiterstruktur mit einer Tiefe von etwa>\/4 bei der Betriebsfrequenz verlängert sind, wobei die eingesägte Leiterstruktur in den Schlitzen und gegenüber den Wandteilen isoliert angeordnet ist undder sich verbreiternde Leiter mit einem sich in der Richtung der Mikrostreifenleiterstruktur erstreckenden ersten leitenden Streifen versehen ist und die Bodenplatte mit einem teilweise gegenüber diesem Streifen liegenden zweiten leitenden Streifen versehen ist, die gegenüber den Wandteilen isoliert angeordnet sind und eine etwa \fh lange weitere übertragungsleitung bei der Betriebsfrequenz der Anordnung bilden und wobei der Abstand zwischen dem genannten Punkt und der weiteren übertragungsleitung etwa ^/4 bei der Betriebsfrequenz der Anordnung beträgt.
5. Mikrowellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Bodenplatte zwischen dem Punkt und dem anderen Wandteil gegenüber der Mittellinie des Hohlleiters spiegelsymmetrisch in bezug auf den Rand des sich verbreiternden streifenförmigen Leiters, der dem anderen Wandteil zugewandt ist, ist.
6. Mikrowellenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem anderen Wandteil zugewandte Rand des sich verbreiternden streifenförmigen Leiters über mindestens zwei aufeinanderfolgenden Stücke von etwa/\/4 bei der Betriebsfrequenz parallel zu den Hohlleiterwandteilen mit verschiedenen, von dem Punkt aus gesehenen abnehmenden Höhen verläuft.

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