DE102006019054B4

DE102006019054B4 - Hochfrequenzanordnung mit einem Übergang zwischen einem Hohlleiter und einer Mikrostrip-Leitung

Info

Publication number: DE102006019054B4
Application number: DE102006019054.8A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Miosga; Armin Himmelstoss; Guenter Bertsch; Juergen Seiz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: DE102006019054A1

Abstract

Hochfrequenzanordnung mit einem Hohlleiter (22) und einer auf einer Platine (10) gebildeten Mikrostrip-Leitung (26), die mit einem im Feld des Hohlleiters (22) angeordneten Kopplungselement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement eine durch eine Mikrostrip-Struktur (12) gebildete Patch-Antenne (28) ist, die im Nahfeld vor einem als Antenne wirkenden Ende des Hohlleiters (22) liegt, und daß der Hohlleiter (22) und die Patch-Antenne (28) auf derselben Seite einer dielektrischen Schicht (16) und gegenübeliegend zu einer Masseschicht (14) der Mikrostrip-Struktur (12) angeordnet sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzanordnung mit einem Hohlleiter und einer auf einer Platine gebildeten Mikrostrip-Leitung, die mit einem im Feld des Hohlleiters angeordneten Kopplungselement verbunden ist.
In der Radartechnik, beispielsweise bei Radarsensoren, die in Kraftfahrzeugen als Abstandssensoren eingesetzt werden, besteht häufig das Erfordernis, einen Übergang zwischen einem Hohlleiter und einer Mikrostrip-Leitung herzustellen, so das beispielsweise ein mit Hilfe einer Gunn-Diode in den Hohlleiter eingespeistes Mikrowellensignal auf die Mikrostrip-Leitung übertragen werden kann oder umgekehrt ein über die Mikrostrip-Leitung zugeführtes Signal in den Hohlleiter eingekoppelt werden kann.
Üblicherweise wird zu diesem Zweck eine Anordnung benutzt, bei der der Hohlleiter an einem Ende durch eine elektrisch leitende Wand, einem sogenannten Backshort kurzgeschlossen ist. Das Kopplungselement ist dann im Inneren des Hohlleiters in einem Abstand von einer viertel Wellenlänge vor dieser Wand angeordnet, so daß sie im E-Schwingungsbauch des Mikrowellenfeldes liegt.
Ein Beispiel für diese bekannte Anordnung zeigt DE 102 31 688 A1 . Dort sind die Mikrostrip-Leitung und das Kopplungselement auf einer dem Hohlleiter zugewandten Seite der Platine angeordnet, und der Backshort wird durch eine metallisierte Schicht auf der vom Hohlleiter abgewandten Rückseite der Platine gebildet, die über. Durchkontaktierungen durch die Platine hindurch mit dem Hohlleiter verbunden ist. Wesentlich ist dabei, daß die Platine am Ende des Hohlleiters eine Dicke hat, die einem Viertel der mittleren Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung entspricht, für die die Anordnung ausgelegt ist. Außerdem muß eine Masseschicht der die Mikrostrip-Leitung bildenden Mikrostrip-Struktur auf dem gesamten Querschnitt des Hohlleiters entfernt werden, was beispielsweise durch Ausfräsen der Platine erreicht werden kann.
DE 197 41 944 A1 und EP 1 367 668 A1 beschreiben ähnliche Anordnungen, bei denen jedoch die Mikrostrip-Leitung auf der vom Hohlleiter abgewandten Seite der Platine liegt und der Backshort durch eine in Abstand über dem Kopplungselement angeordnete Kappe gebildet wird.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der oben genannten Art zu schaffen, die sich einfacher herstellen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kopplungselement eine durch eine Mikrostrip-Struktur gebildete Patch-Antenne ist, die im Nahfeld vor einem als Antenne wirkenden Ende des Hohlleiters liegt, und daß der Hohlleiter und die Patch-Antenne auf derselben Seite einer dielektrischen Schicht und gegenübeliegend zu einer Masseschicht der Mikrostrip-Struktur angeordnet sind.
Das offene Ende des Hohlleiters wirkt in diesem Fall als Antenne, und bei Signalübertragung vom Hohlleiter auf die Mikrostrip-Leitung wird die vom Ende des Hohlleiters abgestrahlte Leistung im Nahfeld durch die Patch-Antenne aufgefangen und dann in der Mikrostrip-Leitung weitergeführt.
Vorteile der Erfindung
Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß der Hohlleiter nicht aufgetrennt zu werden braucht und kein Backshort erforderlich ist. Es ist daher keine zusätzliche mechanische Bearbeitung der Platine wie Auffräsen oder dergleichen notwendig. Da der Hohlleiter nicht mit 1/4 kurzgeschlossen ist, entfällt der auch bisher notwendige Abgleich der Kurzschlußebene.
Die Patch-Antenne läßt sich durch Einsatz üblicher Ätztechniken einfach auf der Platine herstellen. Durch geeignete Dimensionierung der Mikrostrip-Leitung, der Patch-Antenne sowie des Hohlleiterquerschnitts und des Abstands zwischen dem Ende des Hohlleiters und der Patch-Antenne läßt sich eine einfache Impedanzanpassung erreichen.
Das den Hohlleiter bildende Bauteil kann durch SMD-Montage direkt auf der Platine angebracht werden. Durch geeignete Gestaltung des Hohlleiter-Bauteils läßt sich dabei ein definierter Abstand zwischen dem Ende des Hohlleiters und der Patch-Antenne erreichen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Hohlleiter-Bauelement ist vorzugsweise direkt auf die metallische, beispielsweise aus Kupfer bestehende obere Schicht der Mikrostrip-Struktur aufgeklebt, genietet, geschraubt oder geklemmt. Der Hohlleiter kann dann in bekannter Weise über Durchkontaktierungen mit der Masseschicht der Mikrostrip-Struktur verbunden sein. Diese Durchkontaktierungen verhindern zugleich eine unkontrollierte Ausbreitung der Hochfrequenz auf der Platine und damit unerwünschte Abstrahlungen von Mikrowellenleistung.
Der Abstand zwischen dem Ende des Hohlleiters und der Patch-Antenne wird vorzugsweise durch eine in dem Hohlleiter-Bauelement gebildete Ausnehmung definiert, in die der Hohlleiter mündet und die einen Freiraum um die Patch-Antenne herum bildet. Um zu vermeiden, daß Kleber unkontrolliert in diesen Freiraum gelangt, kann die Ausnehmung des Hohlleiter-Bauelements vorzugsweise von einer Nut umgeben sein.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 einen Schnitt durch eine Hochfrequenzanordnung gemäß der Erfindung, entsprechend der Schnittebene I-I in 2;
2 eine Platine der Anordnung gemäß 1 in der Draufsicht; und
3 und 4 modifizierte Ausführungsformen einer Anordnung aus Mikrostrip-Leitung und Patch-Antenne auf der Platine.

I zeigt eine Platine 10, auf deren oberer Oberfläche eine dreilagige Mikrostrip-Struktur 12 mit einer unteren, als Masse dienenden Leiterschicht 14, einem Dielektrikum 16 und einer oberen Leiterschicht 18 aus Kupfer gebildet ist. Auf die obere Leiterschicht 18 ist ein Hohlleiter-Bauelement 20 aufgeklebt, genietet, geschraubt oder geklemmt, das einen sich rechtwinklig zur Ebene der Platine 10 erstreckenden Hohlleiter 22 bildet. Das Hohlleiter-Bauelement 20 weist auf seiner der Mikrostrip-Struktur 12 zugewandten Seite eine erweiterte, im Grundriß rechteckige Ausnehmung 24 auf, in die der Hohlleiter 22 mit seinem unteren Ende mündet.
Aus der Mikrostrip-Struktur 12 sind eine Mikrostrip-Leitung 26 und eine leitend mit dieser verbundene Patch-Antenne 28 herausgeätzt. Die Patch-Antenne 28 liegt mittig und in einem durch die Höhe der Ausnehmung 24 definierten Abstand vor dem Ende des Hohlleiters 22 und ist von einem Freiraum 30 umgeben, der mit dem Grundriß der Ausnehmung 24 kongruent ist, wie deutlicher in 2 zu erkennen ist.
Im gezeigten Beispiel ist die Patch-Antenne 28 mit der Mikrostrip-Leitung 26 über einen schmaleren Abschnitt der Mikrostrip-Struktur 12 verbunden, die einen Mikrowellentransformator 32 zur Impedanzanpassung bildet.
Das Hohlleiter-Bauelement 20 besteht entweder ganz aus Metall oder ist an den Innenflächen des Hohlleiters 22 und der Ausnehmung 24 metallisiert. Diese Metallisierung ist über Durchkontaktierungen 34 der Platine 10 leitend mit der unteren Leiterschicht 14 der Mikrostrip-Struktur verbunden. Die Mikrostrip-Leitung 26 auf der Platine 10 ist durch eine an der Unterseite des Hohlleiter-Bauelements gebildete Nut 36 (1) aus dem Hohlleiter-Bauelement herausgeführt.
In 2 ist die obere Leiterschicht 18 der Mikrostrip-Struktur 12 schraffiert dargestellt. Man erkennt hier, daß die Durchkontaktierungen 34 nach Art eines Gitters um den Freiraum 30 und die Mikrostrip-Leitung 26 herum angeordnet sind, so daß sie eine Abstrahlung von Mikrowellenenergie durch die Platine 10 hindurch verhindern. Die Mikrostrip-Struktur 12 nimmt nahezu den gesamten Grundriß des Hohlleiter-Bauelements 20 ein, mit Ausnahme des Freiraums 30 und schmaler Zwischenräume, die die Mikrostrip-Leitung 26 begrenzen. Die obere Leiterschicht 18 bildet eine Klebefläche, mit der sich das Hohlleiter-Bauelement 20 sicher durch Klebung auf der Platine befestigen läßt. Eine in der Unterseite des Hohlleiter-Bauelements 20 ausgebildete, den Freiraum 30 umgebende Nut 40 nimmt etwa herausquellenden Kleber auf und verhindert, daß dieser Kleber unkontrolliert in den Freiraum 30 gelangt. Wahlweise kann das Hohlleiter-Bauelement jedoch auch durch Schrauben, Löten, Nieten oder dergleichen mit der Platine 10 verbunden werden.
Mikrowellenstrahlung, die sich in dem Hohlleiter 22 in Richtung auf die Platine 10 ausbreitet, wird durch das untere Ende des Hohlleiters 22, am Übergang zu der Ausnehmung 24, wie von einer Hornantenne abgestrahlt. Die Patch-Antenne 28 liegt im Nahfeld dieser Homantenne und fängt die abgestrahlte Leistung nahezu vollständig auf und leitet sie in die Mikrostrip-Leitung 26 weiter. Der Hohlleiter 22 und die Patch-Antenne 28 sind in ihren Abmessungen aufeinander abgestimmt und durch die Ausnehmung 24 aneinander angepaßt. Die Höhe, Breite und Länge dieser Ausnehmung 24 sind auf minimale Übertragungsverluste optimiert. Die Abmessungen der Patch-Antenne 28 sind außer von den Abmessungen des Hohlleiters 22 auch von der Dicke und der Dielektrizitätskonstanten des Basismaterials der Leiterplatte abhängig.
3 und 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsformen der Mikrostrip-Leitung 26 und der Patch-Antenne 28. In 3 erfolgt der Anschluß der Patch-Antenne 28 an die Mikrostrip-Leitung 26 niederohmig in der Mitte des Antennen-Patches, so daß der Mikrowellentransformator 32 entfallen kann. Die Ausführungsform nach 4 unterscheidet sich von derjenigen nach 2 dadurch, daß die Patch-Antenne 28 von Balken 38 flankiert ist, die eine breitbandigere Abstrahlung ermöglichen.

Claims

Hochfrequenzanordnung mit einem Hohlleiter (22) und einer auf einer Platine (10) gebildeten Mikrostrip-Leitung (26), die mit einem im Feld des Hohlleiters (22) angeordneten Kopplungselement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungselement eine durch eine Mikrostrip-Struktur (12) gebildete Patch-Antenne (28) ist, die im Nahfeld vor einem als Antenne wirkenden Ende des Hohlleiters (22) liegt, und daß der Hohlleiter (22) und die Patch-Antenne (28) auf derselben Seite einer dielektrischen Schicht (16) und gegenübeliegend zu einer Masseschicht (14) der Mikrostrip-Struktur (12) angeordnet sind.
Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (22) in einem auf der Platine (10) montierten Hohlleiter-Bauelement (20) gebildet ist, das auf seiner der Platine (10) zugewandten Unterseite eine Ausnehmung (24) aufweist, in die der Hohlleiter (22) senkrecht zur Ebene der Platine (10) mündet und die in ihren Abmessungen für eine verlustarme Übertragung der Hochfrequenzenergie zwischen dem Hohlleiter (22) und der Patch-Antenne (28) ausgelegt ist.
Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlleiter-Bauelement (20) unmittelbar auf einer oberen Leiterschicht (18) der Mikrostrip-Struktur (12) auf der Platine (10) montiert ist.
Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochlleiter-Bauelement (20) auf die Leiterschicht (18) aufgeklebt ist.
Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Leiterschicht (18) der Mikrostrip-Struktur (12) aus Kupfer besteht.
Hochfrequenzanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (24) von einer in dem Hohlleiter-Bauelement (20) gebildeten Nut (40) umgeben ist.
Hochfrequenzanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (22) über Durchkontaktierungen (34) in der Platine (10) mit einer als Masse dienenden Leiterschicht (16) der Mikrostrip-Struktur (12) leitend verbunden ist.
Hochfrequenzanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrip-Leitung (26) mit der Patch-Antenne (28) über einen Mikrowellentransformator (32) zur Impedanzanpassung verbunden ist.
Hochfrequenzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrip-Leitung (26) sich in die Patch-Antenne (28) hinein erstreckt und eine bis zu ihrem innerhalb der Patch-Antenne (28) liegende Ende von dieser Patch-Antenne getrennte, angepaßte Zuleitung für die Patch-Antenne (28) bildet.