DE1929672C3 - Aus Leitungselementen bestehender Bandpaß für elektrische Schwingungen - Google Patents

Description

tentschrift 3 82 872 Schaltungsstrukturen mit Band-

60 paßeigenschaften, bei denen eine oder mehrere Leitungen einseitig oder beidseitig mit der nächstgelegenen Erdplatte verbunden sind und dadurch als kurz-

Die F.rfinrliing betrifft einen aus Leitungseiemsn- geschlossene Lcitüngsabschniiie wirken. Dot I ireien ten bestehenden Bandpaß für elektrische Schwingun- jedoch dann die gleichen Schwierigkeiten auf, wenn gen, bei dem nach Art gedruckter Schaltungen ausge- 65 es darauf ankommt, Bandpaßstrukturen zu realisiebildete Leitungszüge auf eine aus Isoliermaterial be- ren, deren Leitungsabschnitte große Unterschiede im stehende Trägerplatte aufgebracht sind, die derart Wellenwiderstand aufweisen müssen.
etwa in einer Symmetrieebene zweier planparalleler Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den

Aufbau eines druck- oder ätztechnisch herstellbaren, in Streifenleitungsbauweise ausgeführten Bandpasses anzugeben, bei dem Leitungsabschnitte mit verhältnismäßig großem und verhältnismäßig kleinem Wellenwiderstand gleichermaßen realisierbar sind, wobei das hierfür erforderliche Verhältnis *ier Leiterbreiten relativ günstig gestaltet werden kann, ohne daß bei einer möglichst kleinen Bauweise gleichzeitig die Güte einer derartigen Schaltung ungünstig beeinflußt wird.

Ausgehend von einem aus Leitungselementen bestehenden Bandpaß für elektrische Schwingungen, bei dem nach Art gedruckter Schaltungen ausgebildete Leitungszüge auf eine aus Isoliermaterial bestehende Trägerplatte aufgebracht sind, die derart etwa in einer Symmetrieebene zweier planparalleler metallischer Platten angeordnet ist, daß die Trägerplatte und dL· metallischen Platten zueinander parallel verlaufen und bei dem einzelne Leitungsabschnitte einen Wellenwiderstand aufweisen, der gegenüber dem Wellenwiderstand anderer Leitungsabschnitte wesentlich kleiner ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ltitungsabschnitte größeren Wellenwiderstandes als kurzgeschlossene und die Leitungsabschnitte kleineren Wellenwiderstandes als leerlaufende Leitungen ausgebildet sind, und die beiden metallischen Platten durch einen metallischen Step miteinander verbunden sind, die die Leitungsabschnitte größeren Wellenwiderstandes, kurzschließt, daß auf der den Leitungszügen kleineren Wellenwiderstandes gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte ein durchgehender metallischer Belag aufgebracht ist und daß dieser Belag mit einem aus elektrisch leitendem Material bestehenden Steg verbunden ist, der gleichzeitig die beiden metallischen Platten leitend miteinander verbindet.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert

Es zeigt in der Zeichnung

Fig. 1 das elektrische Ersatzschaltbild eines in Streifenleitungsbauweise ausgeführten Bandpasses,

F i g. 2 ein als Bandpaß realisiertes Streifenleitungsnetzwerk nach der Erfindung.

Im elektrischen Ersatzschaltbild nach Fig. 1, bei dem die einzelnen Leitungszüge als Zweidrahtleitungen dargestellt sind, ist der Eingang des Netzwerkes mit der Bezugsziffer 1 und der Ausgang des Netzwerkes mit der Bezugsziffer Γ bezeichnet. Die elektrischen Blindwiderstände werden von kurzgeschlossenen Leitungsabschnitten 2 und von leerlaufenden Leitungsabschnitten 3 gebildet, den kurzgeschlossenen Leitungsabschnitten 2 ist der Wellenwiderstand Z₀₁, den leerlaufenden Leitungsabschnitten 3 der Wellenwiderstand Z₀₂ zugeordnet. Die einzelnen Leitungsabschnitte haben jeweils die elektrische Länge b', die einzelnen Leitungsabschnitte sind untereinander elektromagnetisch gekoppelt. Bei Streifen !ei tungsnetzwerken, die insbesondere in einem unterhalb 2 GHz liegenden Frequenzbereich eingesetzt werden sollen, wird oft der verhältnismäßig große Flächenbedarf, der durch die notwendige Länge der einzelnen Leitungsabschnitte bedingt ist, als Nachteil empfunden. Eine Verkürzung der Leitungselemente läßt sich bei dem in F i g. 1 dargestellten Netzwerk, das als Bandpaß wirkt, dadurch erreichen, daß die leerlaufenden Leitungsabschnitte mit einem Wellenwiderstand Z₀₂ realisiert werden, der kleiner ist gegenüber dem Wellenwiderstand Z₀₁ der kurzgeschlossenen Leiiimgsabschnitte. Bei einem derartigen Bandpaß, dessen Leitungselemente bei der Bandmittenfrequenz/₀ die elektrische Länge b_a' — 2 π U)₀ haben sollen (/= Leitungslänge, X₉ - Wellenlänge auf der Leitung bei /„), muß das Verhältnis der Wellenwiderstände

Z_0I'Z₀₂ α coi^äV ^sein· ^{Wählt raan zB}- V ^{= 20}°· so ist eine Verkürzung gegenüber der P.g/4-Leitung um den Faktor 40°/90° = 0,445 erreicht; das erforderliche Wellenwiderstandsverhältnis beträgt dann

ίο Z_0l/Z_0i = 7,5.

Ähnliche Zusammenhänge gehen bei einem Leitungstiefpaß, nur daß hier an Stelle von b_u' die elektrische Länge b_D bei der Grenzfrequenz steht.
Wie bereits erwähnt, muß ein derartiges Wellen-Widerstandsverhältnis in der Praxis als Grenzwert angesehen werden, da sich entweder Leitungszüge ergeben, deren Breitenabmessungen so gering sind, daß eine sichere und reproduzierbare Herstellung nicht mehr gewährleistet ist bzw. umgekehrt, bei Verwen-

ao dung von Leiterbreiten mit reproduzierbaren Verhältnissen die Abmessungen des gesamten Netzwerkes verhältnismäßig groß werden.

Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, bei einem in Streifenleitungstechnik" ausgebildeten elektrischen Netzwerk, dessen Leitungsstruktur zwischen zwei planparallelen metallischen Platten angeordnet ist, den jeweils erdsymmetrisch wirkenden Leitungsabschnitten erdunsymmetrisch wirkende Leitungsabschnitte zuzuordnen, ohne daß dabei gleichzeitig Transformationselemente zum Übergang von der einen Leitungsart auf die andere Leitungsart verwendet werden. Wie sich zeigt, lassen sich die an den Übergangsstellen zu befürchtenden Störungen durchaus beherrschen, wenn für eine geeignete Führung des in den einzelnen Leitungszügen fließenden Stroms gesorgt wird.

Als Ausiührur.gsbeispie! eines in Streifenleitungstechnik ausgebildeten Netzwerkes ist in F i g. 2 ein Kammleitungsbandpaß dargestellt, und zwar zeigt F i g. 2 a eine Draufsicht auf die Leitungsstruktur und F i g. 2 b einen Querschnitt längs der Schnittlinie A-A' von Fig. 2 a.

Bei dem in F i g. 2 a, 2 b dargestellten Bandpaß liegt in der Symmetrieebene zweier planparalleler metallischer Platten S. 5' eine aus dielektrischem Material bestehende Trägerplatte 4. Für die Trägerplatte 4 wird vorzugsweise ein dielektrisches Material verwendet, dessen Dielektrizitätskonstante groß ist gegenüber der Dielektrizitätskonstante von Luft.

Insbesondere eignet sich ein keramisches Material, vorwiegend Aluminium-Oxid, dessen relative Dielektrizitätskonstante bekanntlich etwa den Wert 9 hat. Die Trägerplatte 4 und die metallischen Platten 5 und 5' verlaufen zueinander parallel. Wenn dafür gesorgt ist, daß die Dicke h der Trägerplatte 4 klein ist im Verhältnis zum Abstand b der Platten 5, 5', erzielt man ein besonders großes Verhältnis für die verschiedenen WellenwiderstHnde. Der Abstand der Platten 5 und 5' läßt sich beispielsweise durch weitere metallische Platten 6 und 6' sicherstellen, die gleichzeitig Bestandteil eines metallischen Gehäuses 7 sein können, in das gegebenenfalls das gesamte Netzwerk eingebettet ist. An Stelle der Platten fi und fi' können auch andere Abstandshalterungen, wie beispielsweise metallische oder dielektrische Abstandsstücke treten, auch das Gehäuse 7 ist nicht zwingend erforderlich.

Auf der Trägerplatte 4 sind die kurzgeschlossenen Leitungsabschnitte 2 sowie auch die leerlaufenden

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5 6

Leitungsabschnitte 3 nach Art der Druck- oder Ätz- durch die hohe wirksame relative Dielektrizitätskon technik aufgebracht, und von den jeweils letzten Lei- stante ε/ s» t_r und den kleinen Abstand h zwischei tungsabschnitten des gesamten Netzwerkes sind ge- Leitungsstruktur und dem mit den metallischen Plat eignete'Anschlußklemmen zum Eingang 1 bzw. zum ten 5, 5' verbundenen Belag 10 bestimmt sind. FU Ausgang Y vorgesehen. Als Anschlußleitungen kön- 5 die kurzgeschlossenen Leitungsabschnittei 2 mit den nen beispielsweise koaxiale Anschlußleitungen die- Wellenwiderstand Z₀₁ ist die wirksame relative Di nen, deren Innenleiter zu den Anschlüssen 1 bzw. 1' elektrizitätskonstante ε_Γ" «; 1 und die Gehäusehöhl führen und deren Außenleiter in leitender Verbin- b ^> h wellenwiderstandsbestimmend. dung mit den metallischen Platten 5, 5' stehen. Die In einer solchen Anordnung ist z. B. bei Vervven kurzgeschlossener. Leitungen haben die Länge /, — m uung einer Aiuminiumoxidpiatte mit einer relativei b_a)._ol2 π und den Wellenwiderstand Z_n, und sind Dielektrizitätskonstante e_r = 9 von h = 0,6 mm Dick« über eine weitere Leiterbahn 8 mit den Platten 5, 5' und einem Abstand der Platten 5, 5' von b = 6 mn elektrisch leitend verbunden, was im Ausführungs- das Wellenwiderstandsverhältnis bei gleicher Leiter beispiel über die als Gehäusewand dienende Ab- breite Z_0xIZ₀₂ « 5. Mit einem durchaus reproduzier standsplatte 6' erfolgt, die beispielsweise entlang der 15 bar zu fertigenden Breitenverhältnis von nur 1 : ( Naht 8' mit der Leiterbahn 8 verlötet ist. Damit wir- bei unterschiedlich breiten Leitungszügen kann eir ken die Leitungsabschnitte 2 als kurzgeschlossene Lei- Wellenwiderstandsverhältnis Z₀JZ_n- e-: 14 erzielt Wertungen, den und damit ein Wert b₀ « 15°. In diesem Fall

Den leerlaufenden Leitungsabschnitten 3, die ge- beträgt also die Gesamtlänge der als Resonatorer

genüber den kurzgeschlossenen Leitungsabschnitten 20 wirkenden Leitungszüge 2, 3 des in F i g. 2 gezeigter

den wesentlich kleineren Wellenwiderstand Z₀₂ haben Bandpasses etwa Z₁ + I₂ rs 0,055 X₀, wobei A₀ hier die

müssen, ist auf der ihnen gegenüberliegenden Seite im kurzgeschlossenen Leitungsabschnitt 2 geltender

der Trägerplatte 4 ein metallischer Belag 10 zugeord- Wellenlänge, also annähernd die Luftwellenlänge ist,

net, der über einen aus elektrisch leitendem Material Bei einem Kammleitungsbandpaß ist im allgemei-

bestehenden Steg mit den beiden metallischen Plat- 25 nen eine Kopplung nur zwischen den benachbarten

ten 5, 5' verbunden ist. fm Ausführungsbeispiel der kurzgeschlossenen Leitungsabschnitten erwünscht; es

F i g. 2 ist als metallischer Steg die metallische ist deshalb bei einem solchen in herkömmlicher Strei-

Platte6 verwendet, die dann gleichzeitig als Ge- fenleitungsausführung mitunter erforderlich, eine

häusewand dient und die entlang einer weiteren Schirmung — z. B. durch Durchkontaktierung —

Naht 10' mit der Platte ö verlötet ist. An Stellt 'er 30 zwischen den offenen Leitungsabschnitten anzubrin-

durchgehenden metallischen Platte 6 können selbst- gen. Bei einem nach F i g. 2 ausgeführten Filter wird

verständlich auch andere metallische Verbindungen, diese Schirmung durch den mit den Platten 5, 5' ver-

wie beispielsweise metallische Stifte vorgesehen wer- bundenen Belag 10 weitgehend übernommen, der bei

den, wenn nur dafür gesorgt wird, daß diese Stifte den normalerweise auftretenden Abständen zwischen

einerseits mit dem Belag 10 und andererseits mit den 35 den Leitungselementen die unerwünschte Kopplung

Platten 5, 5' in elektrisch leitender Verbindung ausreichend unterdrückt.

stehen. Die Leitungsabschnitte 3 mit dem verhältnis- Die an einem Bandpaß nach F i g. 2, mit einer Gemäßig kleinen Wellenwiderstand Z₀₂, zu dessen Re- häusehöhe 6 = 12 mm und b₀= 15° bei /„= 360 MHz alisierung im Ausführungsbeispiel eine größere Brei- gemessenen Kreisgüte betrug Q = 250. Vergleichstenabmessung der Leitungsabschnitte 3 gegenüber 40 weise hierzu beträgt die Kreisgüte eines, in Microden Leitungsabschnitten 2 gewählt ist, hat die Länge slrip-Technik auf einer 0,6 mm dicken Aluminium- h ⁼ Vl'^' ^w°bei ε/ die wirksame Dielektrizitäts- oxidplatte mit gleichem Flächenbedarf ausgeführten konstante der Trägerplatte 4 im Bereich des Belages Bandpasses etwa Q — 50.

10 bedeutet. Wegen des geringen Abstandes der Strei- Eine Vereinfachung in der Fertigung läßt sich wei-

fenleiter3 vom Belag 10 stimmt die wirksame Di- 45 terhin dann erreichen, wenn die Leitungsstruktur,

eiektrizitätskonstante nahezu mit der tatsächlichen d. h. also, die Leitungsabschnitte 3 kleineren W?llen-

Dielektrizitätskonstante der Trägerplatte 4 überein. Widerstandes und die Leitungsabschnitte 2 größeren

Für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 gelten Wellenwiderstandes derart auf die Trägerplatte 4 auf-

im einzelnen noch die folgenden Überlegungen. gebracht werden, daß sich zwischen den Leitungsab-

Die offenen Leitungsabschnitte 3 mit dem Wellen- 50 schnitten 3 und den Leitungsabschnitten 2 eine ge-

widerstand Z₀₂ entsprechen Microstrip-Leitungen, rade Trennlinie ergibt, wie dies in F i g. 2 a durch deren Wellenwiderstandswert und elektrische Länge die gestrichelte Linie 14 kenntlich gemacht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 metallischer Platten angeordnet ist, daß die Tiäger- Patentansprüche: platte und die metallischen Platten zueinander par allel verlaufen und bei dem einzelne Leitungs-

1. Aus Leitungselementen bestehender Band- abschnitte einen Wellenwiderstand aufweisen, der ge- paß für elektrische Schwingungen, bei dem nach 5 genüber dem Wellenwiderstand anderer Leitungs-Art gedruckter Schaltungen ausgebildete Lei- abschnitte wesentlich kleiner ist.
tungszfige auf eine aus Isoliermaterial bestehende Bekanntlich werden neuerdings eine ganze Reihe

Trägerplatte aufgebracht sind, die derart etwa in elektrischer Schaltungen mit Hälfe oer sogenannten einer Syiametrieebene zweier planparalleler ine- Druck- oder Atztechnik hergestellt. Insbesondere taDischer Platten angeordnet ist, daß die Träger- 10 zum Aufbau elektrischer Netzwerke im Frequenz platte und die metallischen Platten zueinander bereich von etwa 100 MHz bis zu einigen GHz wer- parallel verlaufen und bei dem einzelne Leitungs- den Schaltungsstrukturen herangezogen, bei denen abschnitte einen Wellenwiderstand aufweisen, der auf einer aus Isoliermaterial bestehenden Trägerplatte gegenüber dem Wellenwiderstand anderer Lei- Leitungszüge aufgebracht sind Derartige Schaltungs- tungsabschnitte wesentlich kleiner ist, dadurch 15 strukturen sind beispielsweise durch einen Aufsatz gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte von Brenner in der Zeitschrift »Microwaves«, größeren Wellenwiderstandes (Z₀₁) als kurzge- September 1968, S. 38 bis 45, bekannt geworden, schlossene (2) und die Leitungsabsciinitte kleine- Die eine Möglichkeit des Schaltungsaufbaues besteht ren Wellenwiderstandes (Z₀₂) als leerlaufende dabei darin, die aus Isoliermaterial bestehende Trä- Leitungen (3) ausgebildet sind und die beiden 20 gerplatte zwischen zwei metallischen Platten derart metallischen Platten (5, 5') durch einen metalli- anzuordnen, daß die Trägerplatte und die metallischen Steg (6') miteinander verbunden sind, der sehen Platten zueinander parallel verlaufen und daß die Leitungsabschnitte (2) größeren Wellenwider- die Trägerplatte in der Symmetrieebene der beiden Standes (Z₀₁) kurzschließt, daß auf der den Lei- muallischen Platten liegt. Die Trägerplatte besteht tungsziigen (3) kleineren Wellenwiderstandes 25 dabei vorzugsweise aus einem keramischen Material, (Z₀.,) gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte wie beispielsweise Aluminium-Oxid. Bei einer wei-(4) ein durchgehender metallischer Belag (10) teren bekannten Anordnung sind die Leitungszüge aufgebracht ist und daß dieser Belag (10) mit auf der einen Seite der Trägerplatte aufgebracht, einem aus elektrisch leitendem Material bestehen- während der die Masseverbindung darstellende meden Steg (6) verbunden ist, der gleichzeitig die 30 tallische Belag auf der anderen Seite der Trägerplatte beiden metallischen Platten (5, 5) leitend mit- vorgesehen ist. Die erste Ausbildungsart bildet geeinander verbindet (F i g. 2). wissermaßen eine erdsymmetrische Leitung nach,

2. Bandpaß nach Anspruch 1, dadurch ge- während die zweite Ausbildungsart eine erdunsymkennzeichnet, daß die Trägerplatte (4) aus einem metrische Leitungsart nachbildet, für die sich in der Material besteht, dessen Dielektrizitätskonstante 35 Fachsprache auch der Ausdruck »Microstrip« eingroß ist gegenüber der Dielektrizitätskonstante gebürgert hat. Wenn die Aufgabe auftritt, Schaltunder Luft. gen zu realisieren, die Leitungszüge mit verhältnis-

3. Bandpaß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch mäßig großem Unterschied der Wcllcnwiderstänüe gekennzeichnet, daß die Dicke (A) der Träger- ei forderlich machen, dann tritt bei beiden Ausgeplatte (4) klein ist im Verhältnis» zum Abstand (b) 40 staltungsmöglichkeiten die Schwierigkeit auf, daß die der metallischen Platten (5,5'). Grenze der realisierbaren Wellenwiderstandswerte

4. Bandpaß nach einem der vorhergehenden sowohl nach größeren als auch nach kleineren WeI-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lenwiderslantlswerten zu durch die wirksame Dieiek-Leitungsstruktur (2, 3) derart auf die Trägerplatte trizitätskonstante, durch den Abstand zwischen der (4) aufgebracht ist, daß die Leitungsabschnitte 45 Leitungsstrukturebene und der Masseleiterebene und (3) kleineren Wellenwiderstandes durch eine ge- durch die kleinstmögliche bzw. die größtmögliche rade Linie (14) von den Leitungsabschnitten (2) Leiterbreite begrenzt ist. In der Praxis zeigt sich größeren Wellenwiderstandes getrennt sind. nämlich, daß für ein Wellenwiderstandsverhältnis von

5. Bandpaß nach einem der vorhergehenden nur etwa 8 bereits ein Verhältnis der zugehörigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der den 50 Leiterbreiten von etwa 1 :40 erforderlich ist, was Leitungsabschnitten kleineren Welienwiderstan- z. B. einer Leiterbreite von 0,2 mm : 8 mm entspricht, des zugeordnete, aus elektrisch leitendem Mate- Derartig große Unterschiede in den Leiterbreiten rial bestehende Steg (6) eine Seitenwand eines müssen nach den derzeitigen Erkenntnissen als Grenzmetallischen Gehäuses (7) bildet und daß der werte angesehen werden, da nämlich die große Leimetailische Beiag (10) über seine gesamte Länge 55 terbreite die Abmessungen und die kleine Leiterbreite mit dem Steg (6) verbunden (10') ist. die Güte eines elektrischen Net2werkes, wie beispielsweise eines Filters, nachteilig beeinflußt.

Bekannt sind ferner durch die schweizerische Pa-