DE69121728T2

DE69121728T2 - Mikrowellenverbinder

Info

Publication number: DE69121728T2
Application number: DE69121728T
Authority: DE
Inventors: Gregory John Ball; Michael Dean; Andrew Linton Hume
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1991-01-04
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2011-12-20
Also published as: JP3209225B2; US5369380A; EP0565545A1; DE69121728D1; EP0565545B1; WO1992012547A1; GB9100173D0; JPH06506570A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellenverbinder zum Koppeln der Mikrowellenenergie von zwei Substraten in orthogonalen oder fast orthogonalen Ebenen, die nicht elektrisch verbunden sind.
Solch ein Verbinder wird beispielsweise in phasengesteuerten Gruppenantennen-Radarsystemen angewendet, bei denen eine große Anzahl von Antennenmodulen von einem einzigen Lokaloszillator mit gleicher oder fast gleicher Amplitude und Phase gespeist werden muß. Dies wird durch aufeinanderfolgende Teiler erreicht. Wenn das Teilernetzwerk aus Streifenleitung (Dreiplattenkonfiguration) oder Mikrostreifenleitung gefertigt ist, ist es notwendig, mit der Oberfläche gekoppelte rechtwinklige Verbinder zwischen der Streifenleitung und jedem der Module zu verwenden. Dies ist teuer, zeitaufwendig und zur Zeit schwer zu verwirklichen.
Mikrostreifenleitungsschaltungen sind eine bekannte Bauteilart. Sie umfassen ein flaches, plattenähnliches, isolierendes Substrat, welches auf einer Oberfläche Leiterbahnen trägt, wobei eine Masseelektrode die gegenüberliegende Seite bedeckt. Die Leiterbahn kann in vielen Standardformen ausgebildet werden, um Koppler, Zirkulatoren, Teiler etc. zu bilden. Schlitzleitungsschaltungen sind eine bekannte Bauteilart. Sie umfassen ein plattenähnliches, isolierendes Substrat, welches auf einer Oberfläche mit einer Flächenelektrode bedeckt ist, die selektiv entfernt ist, um einen schmalen Schlitz des freiliegenden Substrats zu erzeugen; sie ist ähnlich, aber genau das umgekehrte zur Mikrostreifenleitung. Eine Variation der Mikrostreifenleitung ist die Dreiplattenanordnung, welche tatsächlich aus zwei gegenüberliegend aneinandergeklebten Mikrostreifenleitungsschaltungen besteht. Die Dreiplattenanordnung umfaßt zwei gegenüberliegende, isolierende Substraten mit einer dazwischenhegenden Streifenleitungsschaltung. Die entgegengesetzten Flächen tragen die Masseflächenelektroden.
Bekannte Mikrowellenverbinder beinhalten einfache, mit der Oberfläche gekoppelte Verbinder. Diese müssen fest auf dem Streifenleitungssubstrat befestigt werden, wofür die Verwendung von Schrauben oder Bolzen erforderlich ist, und so eine teure Konstruktionsmethode in der Produktion sein können. Diese Struktur ist sehr starr und erlaubt kein Beanspruchungsentlastung. Ein anderer bekannter Verbinder benutzt einen kundenspezifischen, mit der Oberfläche gekoppelten Verbinder, wie er in Microwaves and RE, August 1989, Seiten 137-143 von S. S. Horwktz und G. W. Bull beschrieben ist. Er benötigt eine Stiftverbindung, welche einen verbindenden Stift und das Schweißen eines Goldbandes von der Streifenleitungsbahn zu dem Stift beinhaltet. Der Verbinder hat eine hufeisenförmige Gestalt, welche durch eine geformte Öffnung der Streifenleitungsbahn geführt ist, und ist durch eine einzige Mutter befestigt. Beide Verbinder geben das Mikrowellensignal in eine Koaxialleitung aus, wofür die Benutzung eines anderen Verbinders erforderlich ist, wenn das Signal in eine Mikrostreifenleitung eingekoppelt wird. Sie benötigen möglicherweise auch eine umfangreiche teure Metallbearbeitung.
Ein weiterer Mikrowellenverbinder ist in Patent Abstracts of Japan, Bd. 14 Nr. 511 (E-99) vom 08. November 1990 (Jp-A-2-2132D1) beschrieben. Hier ist eine Finleitungsschaltung gezeigt, die einen Schlitz hat, der eine Viertelwellenlänge entfernt von der Kurzschlußebene des Wellenleiters angeordnet ist. In diesen Schlitz ist ein Ende einer Mikrostreifenleitung eingesetzt.
Der Verbinder der vorliegenden Erfindung stellt einen einfachen Mikrowellenverbinder dar, der keine elektrische Verbindung erfordert und der in Amplitude und Phase unempfindlich gegenüber Erschütterung und Beanspruchung ist.
Nach dieser Erfindung ist ein Mikrowellenverbinder versehen mit einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat, die so angeordnet sind, daß sich das erste Substrat in einer Öffnung im zweiten Substrat befindet und die beiden Substrate in Ebenen liegen, die im wesentlichen zueinander senkrecht oder in einem Bereich bis 45º aus der Senkrechten orientiert sind; wobei das erste Substrat eine Mikrostreifenschaltung mit einem konischen Abschnitt, der von einer Mikrostreifenkomponente zu einer pseudoparallelen Plattenübertragungsleitung führt, die eine Länge, die ungefähr gleich der halben Wellenlänge ist, besitzt und in einer Kurzschlußschaltung zur Masseebene endet; wobei das zweite Substrat eine Schlitzleitungsschaltung mit einer Schlitzleitungskomponente, die in einem Kurzschlußelement endet, und einer Schlitzöffnung, die an das Kurzschlußelement angrenzt und eine Länge besitzt, die ungefähr gleich der halben Schlitzleitungswellenlänge ist, die ausreicht, um die pseudoparallele Plattenübertragungsleitung des ersten Substrats aufzunehmen, und deren Breite geringer als die Breite der Schlitzleitung ist; wobei die Anordnung so beschaffen ist, daß die zwei Substrate elektrisch nicht verbunden sind und daß die Energieübertragung zwischen den zwei Substraten aufgrund der elektromagnetischen Kopplung zwischen der parallelen Plattenübertragungsleitung und der Schlitzleitung erfolgt.
Die zwei Substrate liegen vorzugsweise in zueinander orthogonalen Ebenen, können aber auch bis zu plus oder minus 45º von dieser Bedingung, mit einem sich daraus ergebenden Verlust an Betriebsleistung, abweichen.
Das zweite Substrat kann darüber hinaus einen herkömmlichen Schlitzleitungs- Mikrostreifenleitungsübergang oder -Dreiplattenübergang enthalten, so daß der gesamte Mikrowellenverbinder in ein Mikrostreifenleitungssystem eingefügt werden kann. Das zweite Substrat kann darüber hinaus auf seiner rückseitigen Fläche eine zweite Schlitzleitungskomponente enthalten, um eine Dreiplattenstruktur um den gewöhnlichen Schlitzleitungs- Mikrowellenübergang zu bilden.
Die relativen Abmessungen des ersten Substrates und der Schlitzöffnung können so beschaffen sein, daß die zwei Substrate in einem leichten Preßsitz zusammengehalten werden, das heißt, daß die zwei Substrate einfach zusammengesteckt und getrennt werden können, sich aber trotzdem selbst halten.
Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Verbinders ist;
Fig. 2 eine Vorderansicht von Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Rückansicht von Fig. 1 ist;
Fig. 4 eine Draufsicht Fig. 1 ist; und
Fig. 5 eine Draufsicht, die das elektrische Feld des Übergangs zeigt, ist;
Fig. 6 eine Vorderansicht eines anderen Verbinders, der den Dreiplattenaufbau benutzt, ist;
Fig. 7 eine Vorderansicht eines Verbinders mit mehreren Verbindungen in einer Schlitzleitung ist;
Fig. 8, 9, 10 eine Vorderansicht, eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Verbinders sind, der mehrere Mikrostreifenkomponenten in einem Substrat mit Schlitzleitungskomponenten hält.
Wie in den Figuren gezeigt, besteht der Mikrowellenverbinder 1 aus einem ersten Substrat 2, welches eine Mikrostreifenkomponente 3, die an einen konischen Abschnitt 4, der eine Viertelwellenlänge lang ist, angeschlossen ist, und eine pseudoparallele Plattenübertragungsleitung 5 trägt. Die Länge dieser Übertragungsleitung beträgt ungefähr eine halbe Wellenlänge, und dessen Ende ist eine herumgeführte Kurzschlußschaltung 6 zur Masseflächenelektrode 7 auf der Rückseite des Substrates 2.
Üblicherweise ist das Substrat 2 eine Platte aus einem Keramik-in-Kunststoff-Einlagerungsmaterial, welches 0,71 mm dick und 7 mm breit ist und eine Dielektrizitätskonstante zwischen 2,5 und 10 hat. Dies kann beispielsweise RT/Duroid (eingetragenes Warenzeichen) sein. Die Mikrostreifenleitung ist eine 18 um dicke geformte Goldoder Kupferschicht, die auf dem Substrat 2 herausgeätzt ist. Die Betriebsfrequenz beträgt ungefähr 8,5 GHz, so daß die Länge des konischen Stückes 4 ungefähr 2,8 mm, die Länge der Übertragungsleitung 5 ungefähr 5,8 mm und die Dicke der Übertragungsleitung 5 ungefähr 5,25 mm betragen. Das Substrat 2 mit den Mikrostreifenkomponenten 3 etc. bildet die Mikrostreifenleitung 8.
Das Schlitzleitungssystem 9 besteht aus einem zweiten Substrat 10 und trägt auf seiner oberen Seite eine Schlitzleitungsschaltung 11. Die Schlitzleitung ist durch einen Schlitz 13 in einer Flächenelektrode 14 gebildet. Beide Enden der Schlitzleitung enden in einer Schlitzleitungskurzschlußschaltung 15. Die angrenzende Kurzschlußschaltung 15 ist ein Schlitz 16 durch das Substrat 10 hindurch. In einem Abstand von anderen Ende des Schlitzes 16, ist eine Mikrostreifenleitung 12 auf der Unterseite des Substrates 10 angeordnet, um eine herkömmliche Übertragungsspeisung zu bilden. Der Spalt zwischen der Speisung 12 und dem benachbarten Ende des Schlitzes 15 ist ungefähr eine Viertel- Schlitzleitungswellenlänge breit; der Abstand zwischen dem leerlaufenden Ende der Speisung 12 und der Mitte der Schlitzleitung 13 beträgt ungefähr eine Viertel- Streifenleitungswellenlänge. Das erste Substrat 2 paßt in diesen Schlitz mit einem leichten Preß- oder Gleitsitz, der ausreicht, um eine leichte Montage zu ermöglichen und selbst haltend zu sein. Kleine Anderungen in den Abmessungen des Schlitzes 16 scheinen die Betriebsbedingungen des Überganges nicht zu beeinflussen. Das erste Substrat kann in den Schlitz 16 in irgendeiner der vier möglichen Orientierungen eingesetzt sein.
Üblicherweise ist das Substrat 10 eine 1,26 mm starke Platte aus RT/Duroid (TM) mit geeigneter Breite und einer Dielektrizitätskonstante zwischen 2,5 und 10. Die Elektroden 14 sind 18 um dicke Schichten aus Kupfer oder Gold. Die Schlitzleitung ist photolithographisch bestimmt und auf einer Breite von 1 mm herausgeätzt. Der Schlitz 16 ist 7,2 mm lang und 0,8 mm breit. Das bedeutet, daß die Mikrostreifenübertragungsleitung 5 und die rückseitige Elektrode 7 von den Schlitzleitungselektroden 14 durch einen Spalt von ungefähr 0,145 mm getrennt sind. Es gibt deshalb keine elektrische Verbindung zwischen den Mikrostreifenschaltungen 8 und den Schlitzleitungsschaltungen 9. Auf einem großen Substrat können viele Schlitzleitungen aufgebracht sein, insbesondere, um viele Elemente phasengesteuert zu speisen.
Die Verkopplung der Energie zwischen der Mikrostreifenleitung 8 und der Schlitzleitung 9 erfolgt durch elektromagnetische Kopplung. Wie in Fig. 5 gezeigt, regt die Mikrostreifenübertragungsleitung zur Speisung 12 den Schlitz 13 in der Schlitzleitung 9 durch einen gewöhnlichen Mikrostreifen- Schlitzleitungsübergang an. Die Länge des Schlitzes 13 ist durch L gegeben. Der Vektor des E- Feldes im Schlitz hat ungefähr die Form eines halben Cosinuswellenzuges. Die parallele Plattenübertragungsleitung 5 schneidet einen Teil dieses Feldes ab; wobei die Position der Leitung 5 als x gegeben ist.
Gesamtenergie im Schlitz = cos² xdx
Die Energie, die durch die parallele Plattenübertragungsleitung abgeschnitten wird,
= cos² xdx,
d. h., daß der Betrag an übertragener Energie mit dem Wert (L-x), der Breite der parallelen Plattenübertragungsleitung 5, variiert.
Der Energietransfer oder die Übertragung zwischen der Mikrostreifenleitung 8 und der Schlitzleitung 9 ist das Verhältnis dieser zwei Größen, wenn ein ansonsten perfekt angepaßtes System vorausgesetzt wird, d. h.
Gesamtenergie im Schlitz/durch die Platte abgeschnittene Energie
Wie in Fig. 6 gezeigt wird, kann das zweite Substrat 10 aus Fig. 1 durch eine Dreiplattenanordnung, die tatsächlich aus zwei Schlitzleitungssubstraten 21, 22 und rückseitigen Elektroden 23, 24, die gegenüberliegend aneinandergeklebt sind und eine gemeinsame Übertragungsspeisung einschließen, besteht, ersetzt werden. In dieser Konfiguration wird ein Schlitz in den beiden Substraten 21, 22 angebracht, und von beiden rückseitigen Elektroden 23, 24 wird Material entfernt. Die Mikrostreifenübertragungsleitung 8 wird durch beide Dreiplattensubstrate geführt. Wenn eine der Schlitzleitungkurzschlußschaltungen, die eine Viertelwellenlänge lang sind, teilweise abgedeckt ist (d. h. wenn einer der Schlitze 13 in den Elektroden 23 oder 24 neben der Speisung 25 abgedeckt wird), kann der Übergang so beschaffen sein, daß er ein schmaleres Frequenzband durchläßt und Frequenzen außerhalb diese Bereiches stärker dämpft.
Der Verbinder 1 kann dadurch angeregt werden, daß entweder eine Mikrostreifen- oder Schlitzleitung benutzt wird, da beide ähnliche Betriebseigenschaften aufweisen.
Bei der Mikrostreifenleitungs- und der Dreiplattenausführung des Verbinders wurde herausgefunden, daß sie bei Frequenzen zwischen 800 MHz und 10 GHZ befriedigend arbeiten.
Die folgenden Tabellen geben typische Ergebnisse an: Tabelle 1 Tabelle 2
Bei der Abänderung, die in Fig. 7 gezeigt ist, sind das zweite Substrat 10 und die Schlitzleitung 13 verlängert worden. Innerhalb der Schlitzleitung 13 sind mehrere Schlitze 16&sub1; bis 16n, die alle gleich dem Schlitz 16 aus Fig. 1 sind, ausgebildet. Die Mikrostreifenschaltungen 8&sub1;, 8&sub2; ... 8n sind für diese Schlitze 16&sub1;, 16&sub2; ... 16n ausgelegt. Die Leistungszuführung für die Schlitzleitung 13 erfolgt wie zuvor durch die Mikrostreifenspeisung 12. Jede Mikrostreifenschaltung 8&sub1; bis 8n entzieht einen Energieanteil aus der Schlitzleitung 13.
Die Schlitzleitung 13 kann gerade oder gebogen sein, so daß die Mikrostreifenschaltungen 8&sub1; bis 8n in einer Linie oder versetzt angeordnet werden können. Die Mikrostreifenschaltungen 8&sub1; bis 8n können ähnlich oder verschieden sein.
Eine andere Art verschiedene Schaltungen zu verbinden, ist in den Fig. 8, 9 und 10 gezeigt. Ein zweites Schlitzleitungssubstrat 30 trägt verschiedene Mikrostreifenleitungen 8&sub1; bis ... 8n. Jede Mikrostreifenleitung 8n besteht aus einem Substrat 2, welches ein verschmälertes Ende 31 hat. Dieses Substrat 2 trägt eine Mikrostreifenkomponente 3, welche an einen eine Viertelwellenlänge langen konischen Abschnitt 4 angeschlossen ist, und eine pseudoparallele Plattenübertragungsleitung 5, die in einer herumgelegten Schaltung endet, die zur Masseelektrode führt, die auf der Rückseite angebracht ist.
Das zweite Substrat 31 enthält verschiedene Schlitzleitungen 13&sub1;, 13&sub2; .... 13n, wovon jede durch eine gemeinsame Mikrostreifenspeiseleitung 12 gespeist wird. Innerhalb jeder Schlitzleitung 13&sub1; bis 13n befindet sich ein Schlitz 16&sub1; bis 16n, um eine Mikrostreifenleitung 8&sub1; bis 13n aufzunehmen. Die Schlitzleitungen 13&sub1; bis 13n können wie gezeigt angeordnet werden oder, je nach Anforderung, versetzt angeordnet werden.

Claims

1. Mikrowellenverbinder mit einem ersten Substrat (2) und einem zweiten Substrat (10), die so angeordnet sind, daß sich das erste Substrat (2) in einer Öffnung (16) im zweiten Substrat (10, 21, 22, 31) befindet und die beiden Substrate in Ebenen liegen, die im wesentlichen zueinander senkrecht oder in einem Bereich bis 450 aus der Senkrechten orientiert sind;

wobei das erste Substrat (2) eine Mikrostreifenschaltung (8) mit einem konischen Abschnitt (4), der von einer Mikrostreifenkomponente (8) zu einer pseudoparallelen Plattenübertragungsleitung (5) führt, die eine Länge, die ungefähr gleich der halben Wellenlänge ist, besitzt und in einer Kurzschlußschaltung (6) zur Masseebene endet;

wobei das zweite Substrat (10, 21, 22, 31) eine Schlitzleitungsschaltung mit einer Schlitzleitungskomponente (13), die in einem Kurzschlußelement (15) endet, und einer Schlitzöffnung (16), die an das Kurzschlußelement (15) angrenzt und eine Länge besitzt, die ungefähr gleich der halben Schlitzleitungswellenlänge ist, die ausreicht, um die pseudoparallele Plattenübertragungsleitung (15) des ersten Substrats aufzunehmen, und deren Breite geringer als die Breite der Schlitzleitung (13) ist;

wobei die Anordnung so beschaffen ist, daß die zwei Substrate (2, 10, 21, 22, 31) elektrisch nicht verbunden sind und daß die Energieübertragung zwischen den zwei Substraten (2, 10, 21, 22, 31) aufgrund der elektromagnetischen Kopplung zwischen der parallelen Plattenübertragungsleitung (5) und der Schlitzleitung (13) erfolgt.

2. Verbinder nach Anspruch 1, bei dem an das zweite Substrat (21) ein weiteres Substrat (22) und eine Schlitzleitungskomponente (25) geklebt sind, die zusammen eine Dreiplattenkonfiguration bilden.

3. Verbinder nach Anspruch 1, bei dem auf dem zweiten Substrat (10) eine Schlitzleitung (13) an ein Mikrostreifenelement (12) gebildet ist, um weitere Mikrostreifenschaltungen anzuschließen.

4. Verbinder nach Anspruch 1, bei dem das zweite Substrat (10) mehrere Schlitzöffnung 16&sub1; bis 16n besitzt, die sich sämtlich in der Schlitzleitungskomponente befinden, um eine pseudoparallele Plattenübertragungsleitung (5) einer Mikrostreifenkomponente (8) zu tragen.

5. Verbinder nach Anspruch 1, bei dem auf dem zweiten Substrat (31) mehrere Schlitzleitungen 13&sub1; bis 13n gebildet sind, wovon jede eine Schlitzöffnung 16&sub1; bis 16n besitzt, um das Substrat einer Mikrostreifenschaltung 8&sub1; bis 8n zu tragen.