FI98105C - Mikroliuska-aaltoputkisiirtymä - Google Patents

Description

98105 MIKROLIUS KA-AALTOPUTKIS11RTYMÄ

Esillä oleva keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määriteltyyn mikroliuska-aaltoputkisiirtymään.

5 Entuudestaan tunnetaan eräitä mikroliuska- aaltoputkisiirtymiä, joiden avulla mikroliuskasta siirretään tehoa aaltoputkeen mikro- ja millimetriaal-lonpituusalueella. Tällaisia tunnettuja siirtymiä on ainakin kolmea tyyppiä: ripa-aaltoputkityypinen siir-10 tymä, eväjohtotyyppinen siirtymä ja sondityyppinen siirtymä. Yhteistä siirtymille on, että niiden valmistus on hankalaa, eivätkä ne ole hermeettisiä.

Toisaalta ennestään tunnetaan mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, jossa siirtymä on kehitetty ns.

15 Patch-antennista (tilkkuantennista) ja johon kuuluu tasomaiseen substraattiin järjestetty mikroliuska maa-tasossa olevan kytkentäaukon yläpuolella. Edelleen siirtymään kuuluu kytkentäaukon alapuolelle aaltoputkeen järjestetty dipolielementti (patch-antenni), joka 20 on tuettu toisella tasomaisella substraatilla. Suorakulmainen liuskalevy (dipolielementti) substraatin päällä muodostaa säteilevän resonaattorin. Tällainen siirtymä on kuvattu saksalaisessa patenttijulkaisussa DE 4208 458.

25 Mainitussa julkaisussa esitetyssä siirtymässä teho kytkeytyy mikroliuskasta aaltoputkeen dipoliele-mentin avulla. Edelleen julkaisun mukaan kytkentäaukko on mitoitettava siten, että aukon resonanssitaajuus on selvästi siirtymän toimintataajuuden yläpuolella. Täl-30 laista mitoitusta pidetään alan kirjallisuudessa tyypillisenä patch-antennien kytkentäaukolle. Näin ollen aukon fyysinen koko tulee suhteellisen pieneksi. Lisäksi yllä mainitussa julkaisussa esitetyssä siirtymässä on olennaista, että kytkentäaukon ja dipoliele-35 mentin välisen aineen dielektrisyysvakio on mahdollisimman pieni, edullisimmin kytkentäaukon ja dipoliele- 98105 2 mentin välissä on ilmaa, jonka dielektrisyysvakio on l.

Tällaiselle mikroliuska-antennille on tyypillistä hyvin pieni kaistanleveys varsinkin, kun käyte-5 tään substraattina materiaalia, jonka dielektrisyysvakio on suuri.

Näin ollen ongelmana tilkkuantennia käyttävässä siirtymässä on pieni kaistanleveys, ts tehon siirto joudutaan rajaamaan pienelle taajuuskaistalle.

10 Kuitenkin monissa sovellutuksissa tarvitaan laajakaistaista toimintaa, jolloin kapeakaistaista siirtymää ei voida käyttää. Toisaalta siirtymä vaatii tarkan mitoituksen sovittuakseen, jolloin valmistusprosessin on oltava tarkka.

15 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä esitetyt ongelmat tai ainakin merkittävästi niitä lieventää. Erityisesti esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudentyyppinen mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, joka on helposti val-20 mistettavissa hermeettiseksi ja jolla on suuri kais tanleveys .

Edelleen esillä olevan keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, joka yksinkertainen ja kustannuksiltaan edullinen toteut-25 taa.

Esillä olevalle keksinnölle tunnusomaisten seikkojen osalta viitataan vaatimusosaan.

Esillä oleva keksintö kohdistuu mikroliuska-aaltoputkisiirtymään mikro- ja/tai millimetriaaltoalu-30 eella. Siirtymään kuuluu aaltoputki, aaltoputken toiseen päähän järjestetty mikroliuska ja mikroliuskan ja aaltoputkeen väliin järjestetty maataso kytkentäauk-koineen. Keksinnön mukaisesti kytkentäaukon alapuolelle aaltoputkeen on järjestetty dielektristä ainetta 35 oleva resonaattori tehon kytkemiseksi kytkentäaukon kautta resonaattoriin ja siitä aaltoputkeen. Edullisesti resonaattori ulottuu maatasoon saakka, jolloin 3 98105 resonaattorin ja maatason väliin ei jää ilmaväliä, joka vaikuttaa resonaattorin mitoitukseen. Kuitenkin on , huomattava, että eräissä ratkaisuissa voi olla edul lista jättää ilmaväli resonaattorin ja maatason vä-5 liin.

Kaistanleveyttä voidaan edelleen parantaa kasvattamalla dielektrisen levyn paksuutta. Kun paksuus kasvaa, vaatii siirtymä suuremman kytkentäaukon sovittuakseen. Kytkentäaukon resonanssitaajuus tulee 10 silloin siirtymän toimintataajuuden läheisyyteen. Dielektrisen palan paksuuden ollessa λ/4, λ vastaa tässä hakemuksessa aallonpituutta siirtymän toimintataajuudella, on osoittautunut, että siirtymä sovittuu parhaiten, kun aukon resonanssi on siirtymän toimintataa-15 juuden alapuolella. Tunnetuilla aukkosyötetyillä tilk-kuantenneilla on aukon resonanssi yleensä huomattavasti siirtymän toimintataajuutta suuremmalla taajuudella .

Esillä olevan keksinnön etuna on, että toi-20 mintataajuuden kaistanleveys on merkittävästi suurempi kuin vastaavilla hermeettisillä ja tuotannollisilla rakenteilla. Lisäksi esillä olevan keksinnön mukainen siirtymä ei ole niin herkkä valmistusprosessin muutoksille, kuten tunnetut mikroliuska-aaltoputkisiirtymät.

25 Näin ollen esillä olevan keksinnön ansiosta mikrolius-ka-aaltoputkisiirtymä tulee taloudellisesti entistä mielekkäämmäksi valmistaa.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa resonaattorin dielektrisyysvakio, εΓ, on noin 5-15, edullisesti 30 noin 6 - 10 ja edullisimmin noin 7,5. Dielektrisyysva-kion arvo voidaan valita käytettävissä olevien materiaalien sallimissa rajoissa kulloinkin haluttujen ominaisuuksien mukaisesti riippuen siirtymän muusta mitoituksesta .

35 Esillä olevan keksinnön eräässä sovellutuk sessa resonaattoriin kuuluu metalliliuska, joka on järjestetty resonaattorin vastakkaiselle puolelle kyt- 98105 4 kentäaukkoon nähden. Tyypillisesti metalliliuska on hyvin ohut ja se voidaan tehdä kuvioimalla metalli halutun muotoiseksi resonaattorin pinnalle. Edelleen edullisesti maataso kytkentäaukkoineen voidaan järjes-5 tää mikroliuskaan substraatin vastakkaiselle pinnalle mikroliuskaan nähden. Näin voidaan välttyä yhden erillisen komponentin, maatason, lisäämiseltä siirtymära-kenteeseen.

Esillä olevan keksinnön eräässä sovellutuk-10 sessa metalliliuska leveys on valittu kytkentäaukon leveyttä pienemmäksi. Näin siirtymä on kompaktina rakenteena laajakaistainen. Päästökaista on jyrkkä molemmilta reunoiltaan, jolloin päästökaistalla on vähintään kaksi resonanssia - yhdellä resonanssilla ei 15 saada päästökaistaan vastaavanlaista jyrkkyyttä.

Eräässä toisessa sovellutuksessa resonaattoriin voi kuulua kytkentäaukkoon nähden erittäin leveä metalliliuska. Tällöin siirtymä on erittäin leveäkais-tainen ottaen huomioon rakenteen pienen koon. Kuvassa 20 5 on esitetty mittaustulos rakenteesta, jossa on leveä metalliliuska. Sähköisesti lyhyellä matkalla tapahtuu monta ilmiötä, jotka yhdessä sovittavat siirtymän laajakaistaiseksi. Leveän metalliliuskan resonanssi on laajakaistaisempi kuin kapean. Resonoivan pienen me-25 talliliuskan virtajakauma on keskittynyt kummallekin reunalle kuten mikroliuskalla. Leveän metalliliuskan virtajakauma on jakautunut laajemmalle alueelle, mikä sopii hyvin aaltoputken perusaaltomuodon kenttäkuvi- oon. Leveä metalliliuska myös herättää paremmin die-30 lektrisessä resonaattorissa resonoivia aaltomuotoja, jotka laajentavat siirtymän kaistanleveyttä.

Metalliliuskan viereen voidaan lisätä para-siittisia elementtejä, joilla myös voidaan kasvattaa kaistanleveyttä. Elementtien avulla kaistanleveyttä 35 voidaan kasvattaa jopa kolmin - nelinkertaiseksi yksittäisen, pienen metalliliuskan avulla saatavaan kaistanleveyteen nähden, kun rinnalle lisättyjen ele- 5 98105 menttien resonanssitaajuudet on viritetty hieman eri taajuuksille

Edullisesti aaltoputki voi olla poikkileikkaukseltaan suorakulmion, pyöreän, monikulmion tai el-5 lipsin muotoinen.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti suoritusesimerkkien avulla viitaten oheiseen piirustukseen, jossa: kuva 1 esittää erästä keksinnön mukaista 10 siirtymää; kuvat 2a ja 2b esittävät dielektrisen palan neljännesaaltomuuntajavaikutusta sekä tyhjässä tilassa että aaltoputkessa; kuva 3 erästä keksinnön mukaista siirtymää; 15 kuva 4 eräässä keksinnön mukaisessa siirty mässä resonaattorista syntyvää peilikuvaa,· ja kuva 5 esittää erään keksinnön mukaisen siirtymän mitattua taajuusvastekäyrää.

Kuvassa 1 esitettyyn mikroliuska- 20 aaltoputkisiirtymä kuuluu aaltoputki 1, aaltoputken toiseen päähän 2 järjestetty mikroliuska 3 ja mikro-liuskan ja aaltoputkeen väliin järjestetty maataso 4 kytkentäaukkoineen 5. Edelleen mikroliuska- aaltoputkisiirtymään kuuluu kytkentäaukon 5 alapuolel-25 le aaltoputkeen 1 järjestetty dielektristä ainetta oleva resonaattori 6, jolloin teho kytkeytyy kytkentäaukon kautta resonaattoriin ja siitä aaltoputkeen. Mikroliuskan vapaan pään 9 etäisyys, ns avoimen stubin pituus kytkentäaukon 5 keskeltä mitattuna on noin λ/4, 30 jolloin magneettikentän maksimi tulee kytkentäaukon 5 keskelle sähkökentän maksimin ollessa avoimen stubin 9 päässä.

Viitaten kuviin 2a ja 2b, neljännesaallon paksuinen dielektrinen pala toimii siirtymässä neljän-35 nesaaltomuuntajana. Tilannetta voi havainnollistaa vapaan tilan esimerkillä. Vapaan tilan impedanssi η0 on 377 Ω, dielektrisen palan impedanssi on t]0/Vs, ja au- 98105 6 kon halutaan näkevän noin 50 Ω:η impedanssi. Näin ollen dielektrisen resonaattorin eli neljännesaaltomuun-tajan impedanssin, kuva 2a, tulee olla nyt: 5 -IjL· = τ]η0 x Z. ; missä (1) 4£r sr = resonaattorin dielektrisyysvakio; Z2 = kytkentäaukon oletettu impedanssi; ja η0 = vapaan tilan impedanssi,- 10 josta sopivaksi dielektrisyysvakioksi ratke aa: er = — = 7,5 (2) Z2

Kuvan 2b tilanteessa aaltoputkelle saadaan 15 vastaavasti:

Vr - ZXX-—ZXX , η° X Z, ; (3) missä

Er = resonaattorin dielektrisyysvakio; 20 Zx = on kerroin, jolla kerrottaessa aaltoput- ken aaltoimpedanssi, saadaan aaltoputken ominais impedanssi ; Z2 = kytkentäaukon oletettu impedanssi; η0 = vapaan tilan impedanssi; 25 f = toimintataajuus; ja fc = rajataajuus

Yhtälön vasemmalla puolella on dielektri-sellä aineella täytetyn aaltoputken impedanssi, oi-30 kealla on neliöjuuressa ilmatäytteisen aaltoputken impedanssi kerrottuna oletetulla aukon impedanssilla Z2. Zx on kerroin, jolla kerrottaessa aaltoput- 7 98105 ken aaltoimpedanssi saadaan aaltoputken ominaisim-pedanssi. Zx riippuu impedanssin määritelmästä. Aukon impedanssi tulisi määrätä samaa impedanssmääritelmää käyttäen. Nyt saadaan sopivaksi dielektri-5 syysvakioksi: Z.r n, Ji-(j-y , v er=-\--—Λ f <«> Z2 K f 10

Esimerkiksi aaltoputken teho - jännite -impedanssimääritelmällä poikkileikkaukseltaan suorakulmion muotoiselle standardi aaltoputkelle, jonka poikkileikkaussivujen mitat ovat suhteessa a = 2b, Zx 15 on 1. Eräässä keksinnön mukaisessa siirtymässä ollaan noin 1,8 kertaa rajataajuutta suuremmalla taajuudella. Neliöjuurilausekkeesta saadaan silloin noin 0,8. Jos aukon kohdalta aaltoputkeen päin näkyväksi impedanssiksi halutaan 50 Ω, saadaan sopivaksi dielektrisyys-20 vakioksi 6. Esimerkiksi Aluminan dielektrisyysvakio on 9,8, joten siitä tehty neljännesaaltomuuntaja alentaa aaltoputken impedanssin noin 35 Ω:ϋη. Aukkoa voi käyttää itsessään impedanssimuuntajana, mutta suuren impedanssin sovittajana aukosta tulee kapeakaistainen.

25 Koska aukon edessä on jo matala impedanssi, tulee auk-kokytkennästä laajakaistaisempi. Huomattavaa on, että neljännesaaltomuuntajavaikutuksen hyödyntäminen vaatii suurehkon dielektrisyysvakion resonaattorille.

Viitaten kuvaan 3, resonaattorin 6 pinnalle 30 on järjestetty kaksi parasiittista elementtiä 8. Siirtymän mitoituksesta ja sovitusvaatimuksista riippuen, voidaan parasiittisia elementtejä 8 lisätä enemmänkin. Elementtien 8 resonanssitaajuudet ovat samat tai ne on viritetty hieman eri taajuudelle kuin metalliliuskan 7 35 resonanssitaajuus.

98105 8

Dielektrisessä palassa voi edetä monia aaltomuotoja, jos niitä suinkin herää. Taulukossa l on esitetty esimerkkitapauksen dielektrisessä palassa etenevien aaltomuotojen m, n rajataajuudet aaltoputkessa R 5 58; sr = 10,5 ja taajuuden yksikkö GHz.

Taulukko 1 m, n 0 1 2 3 4 5 6 0 0 1,1461 2,2922 3,4383 4,5844 5,7305 6,8766 1 2,2924 2,5630 3,2418 4,1322 5,1256 6,1720 7,2486 2 4,5849 4,7259 5,1259 5,7309 6,4836 7,3389 3 6,8773 6,9721 7,2492

Erään mittauksen perusteella herääviä aaltomuotoja ovat näistä ne joiden indeksi n on parillinen 10 ja m on pariton, sillä näillä muodoilla on symmetria sekä vaaka- että pystysuuntaisissa symmetriatasoissa, kuten on aaltoputken päässä olevalla aukolla ja metal-liliuskalla. Jotkut näistä aaltomuodoista saattavat resonoida dielektrisessä resonaattorissa. Kuva 4 ha-15 vainnollistaa tällaista resonaattoria. Dielektrisen palan voidaan ajatella näkevän peilikuvansa maatasonsa takana, kuvassa 4 oikealla, jolloin palasta tulee puolen aallon mittainen.

Viitaten vielä saksalaiseen patenttijulkai-20 suun DE 4208458, julkaisussa on lähdetty liikkeelle patch-antennista eli tilkkuantennista, josta on kehitetty siirtymä. Esillä olevan keksinnön mukaisessa siirtymässä voidaan lähteä liikkeelle siitä, että rakenteessa kytketään kytkentäaukon kautta tehoa mikro-25 liuskan ja aaltoputken välillä. Kytkentäukon eteen on sijoitettu noin λ/4 paksuinen korkean dielektrisyysva-kion omaava levy, joka toimii neljännesaaltomuuntajana ja dielektrisenä resonaattorina. Siirtymä toimii hyvin jo tällaisenaan. Siirtymää voidaan edelleen parantaa, 30 jos neljännesaaltomuuntajan eteen eli dielektrisen palan päälle sijoitetaan sopiva metalliliuska. Olennais- 9 98105 ta rakenteessa on hyödyntää neljännesaaltomuuntajavai-kutusta, joka korkealla dielektrisyysvakiolla saavutetaan. Myös neljännesaallon paksuiseen levyyn syntyvien resonanssien hyödyntäminen kaistanleveyttä parantavana 5 ilmiönä on merkittävä parannus mainitussa saksalaisessa julkaisussa esitettyyn rakeenteeseen nähden.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyjä sovellutusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaati-10 musten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (9)

98105

1. Mikroliuska-aaltoputkisiirtymä mikro- ja/tai millimetriaaltoalueella, johon siirtymään kuuluu aaltoputki (1), aaltoputken toiseen päähän (2) 5 järjestetty mikroliuska (3), mikroliuskan ja aaltoput-keen väliin järjestetty maataso (4) kytkentäaukkoineen (5) ja kytkentäaukon (5) alapuolelle aaltoputkeen (1) järjestetty substraatti (6), tunnettu siitä, että substraatti (6) on dielektristä ainetta ja järjestetty 10 toimimaan resonaattorina tehon kytkemiseksi kytkentäaukon kautta substraattiin ja siitä aaltoputkeen; ja että kytkentäaukon (5) koko on valittu siten, että kytkentäaukon resonanssitaajuus on siirtymän toimintataajuuden alapuolella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mikrolius ka-aaltoputkisiirtymä, tunnettu siitä, että substraatti (6) on järjestetty impedanssimuuntajaksi, edullisesti neljännesaaltomuuntajaksi, jolloin substraatin paksuus (d) aaltoputken (1) pituussuunnas- 20 sa on noin λ/6 - λ/3, edullisesti noin λ/4, jossa λ vastaa aallonpituutta toimintataajudella.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, tunnettu siitä, että substraatti (6) ulottuu maatasoon (4) saakka.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukai nen mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, tunnettu siitä, että substraatin (6) dielektrisyysvakio εΓ on noin 5 - 15, edullisesti noin 6 - 10 ja edullisimmin noin 7,5.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukai nen mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, tunnettu siitä, että substraattiin (6) kuuluu metalliliuska (7), joka on järjestetty substraatin vastakkaiselle puolelle kytkentäaukkoon (5) nähden.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukai nen mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, tunnettu sii- 98105 tä, että maataso (4) kytkentäaukkoineen (5) on järjestetty mikroliuskaan (3).

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, tunnettu sii- 5 tä, että substraatin (6) pinnalle metalliliuskan (7) rinnalle on järjestetty ainakin kaksi parasiittista elementtiä (8), joiden resonanssitaajuus on viritetty eri taajuudelle metalliliuskan taajuuteen nähden.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukai-10 nen mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, tunnettu siitä, että aaltoputki (1) on poikkileikkaukseltaan suorakulmion, pyöreän, monikulmion tai ellipsin muotoinen .

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukai-15 nen mikroliuska-aaltoputkisiirtymä, tunnettu siitä, että kytkentäaukon (5) ja/tai metalliliuskan (7) poikkipinnan muoto vastaa aaltoputken (1) poikkileikkaus-muotoa. 98105