PL207180B1 - Przejście między linią mikropaskową a falowodem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przejście między linią mikropaskową a falowodem.

W wielu przypadkach stosowania techniki wielkiej czę stotliwoś ci, zwł aszcza w technice fal milimetrowych, wymagane jest wprowadzanie fali prowadzonej w linii mikropaskowej do falowodu i odwrotnie. Przy tym pożądane jest przejście możliwie bezodbiciowe i bezstratne. To przejście wewnątrz pewnego ograniczonego zakresu częstotliwości zapewnia wzajemne dopasowanie impedancji między falowodem a linią paskową i zamianę obrazu pola falowodu jednego rodzaju, na obraz pola falowodu innego rodzaju.

Przejścia linia mikropaskowa - falowód znane są na przykład z opisów DE 197 41 944 A1 lub US 6.265.950 B1.

W opisie DE 197 41 944 A1 opisano ukł ad, w którym linia mikropaskową umieszczona jest na górnej powierzchni podłoża. To znane rozwiązanie przedstawione jest na fig. 1 załączonego rysunku. Falowód HL powierzchnią czołową przylega do spodniej strony podłoża S. Podłoże S w obszarze falowodu HL ma przelotowe wybranie D, które w zasadzie odpowiada przekrojowi falowodu HL. Na linii mikropaskowej ML osadzony jest element sprzęgający (nie przedstawiony), który wchodzi do wewnątrz przelotowego wybrania. Przelotowe wybranie D jest po górnej stronie podłoża otoczone kołpakiem ekranującym SK, który za pośrednictwem przewodzących wierconych przepustów (ViaHoles) VH połączony jest z przewodzącą elektrycznie metalizacją RM znajdującą się na spodniej stronie podłoża S.

Ten układ ma wadę polegającą na tym, że płytka drukowana wymaga montażu z zapewnieniem przewodzenia na prefabrykowanej płycie nośnej z falowodem HL. Dodatkowo potrzebny jest wykonany precyzyjnie, dokładnie pozycjonowany mechanicznie i nałożony z zapewnieniem przewodzenia, kołpak ekranujący SK. Wytwarzanie tego układu z powodu dużej liczby różnorodnych etapów obróbki jest czasochłonne i kosztowne. Inne wady wynikają z potrzebnej dużej przestrzeni, co spowodowane jest umieszczeniem falowodu na zewnątrz płytki z obwodami.

W układzie opisanym w dokumencie US 6.265.950 B1, zapewniają cym przejście mię dzy linią mikropaskową a falowodem, podłoże wraz z umieszczoną na nim linią mikropaskową sięga do wewnątrz falowodu. Wadą tego układu jest trudność integracji falowodu ze środowiskiem obwodów drukowanych. Falowód może być umieszczony tylko na powierzchniach ograniczających płytki z obwodami (podłoża). Integracja falowodu wewnątrz płytki z obwodami, z powodu kosztownej obróbki wstępnej płytki z obwodami, nie jest możliwa.

Z artykułu „A transition from microstrip to dielectric-filled rectangular waveguide in surface mounting, 2002 lEEE-MTT-S International Microwave Symposium, str. 813-816 znany jest układ przejścia między linią mikropaskową a falowodem, który zawiera linię mikropaskową na górnej powierzchni podłoża, na której znajduje się też falowód mający ujście na przynajmniej jednej końcowej powierzchni. przy czym jedna ściana boczna falowodu ma metalizowaną warstwę utworzoną na podłożu. W metalizowanej warstwie jest utworzone wybranie, w którym wystaje do falowodu, poprzez ujś cie, linia mikropaskową. Na tylnej powierzchni podłoża jest utworzona metalizacja tylno-powierzchniowa. Pomiędzy metalizowaną warstwą na górnej powierzchni podłoża i metalizacją tylno-powierzchniową są utworzone elektrycznie przewodzące przepusty. Zastosowane w tym rozwiązaniu przewodzące przepusty są przedstawione w dokumencie EP 0 920 071 A2.

Ponadto, z dokumentu JP 05283915 znane jest przejście między linią mikropaskową i falowodem, w którym przejście dla poprawy dopasowania między linią mikropaskową a falowodem, w kierunku wydłużenia wzdłużnego falowodu, posiada wiele stopni o tej samej szerokości.

Przejście między linią mikropaskową a falowodem, zawierające linię mikropaskową usytuowaną na górnej powierzchni dielektrycznego podłoża, na której znajduje się również falowód mający ujście na przynajmniej jednej czołowej powierzchni, przy czym jedna ściana boczna falowodu jest metalizowaną warstwą utworzoną na podłożu, w której to metalizowanej warstwie jest utworzone wybranie, w którym wystaje do falowodu, poprzez uj ś cie, linia mikropaskową , przy czym na tylnej stronie podł o ż a jest utworzona metalizacja, a pomiędzy metalizowaną warstwą na górnej powierzchni podłoża a metalizacją strony tylnej, które otaczają wybranie, są utworzone przewodzące przepusty, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do linii mikropaskowej jest dołączona przewodzącym połączeniem przynajmniej jedna część struktury schodkowej w postaci przynajmniej jednego stopnia, która to struktura schodkowa jest utworzona na bocznej ścianie, przeciwległej względem górnej powierzchni czołowej

PL 207 180 B1 podłoża falowodu, w obszarze ujścia falowodowego elementu, przy czym stopnie struktury schodkowej mają szerokość wzrastającą we wzdłużnym kierunku falowodu, oddalając się od przejścia.

Korzystnym jest, jeśli falowód jest elementem do montażu powierzchniowego, czyli tak zwanym elementem SMD.

W korzystnym rozwią zaniu przejścia, struktura schodkowa, która jest utworzona w kształcie przynajmniej jednego stopnia, jest wykonana na ścianie bocznej falowodowego elementu, przeciwległej względem wybrania.

Korzystnym jest, że przewodzące przepusty rozmieszczone są w kilku wzajemnie równoległych rzędach, a podłoże w obszarze metalizowanej warstwy po stronie górnej podłoża zawiera przelotowe ujście falowodu. Korzystnie, wewnętrzna powierzchnia przelotowego ujścia falowodu jest przewodząca elektrycznie.

W korzystnym rozwią zaniu przejś cia wedł ug wynalazku, ściana boczna falowodu, przeciwległ a do górnej strony podłoża, w obszarze przelotowego ujścia zawiera strukturę schodkową o kształcie przynajmniej jednego stopnia.

Zaletą układu według niniejszego wynalazku jest prosty i oszczędny sposób wytwarzania przejścia między linią mikropaskową a falowodem. Dla realizacji przejścia, w odróżnieniu od rozwiązań znanych, potrzebnych jest mniej elementów składowych. Inna zaleta polega na tym, że implementacja falowodu w środowisku płytek z obwodami nie musi się odbywać, jak w przypadku rozwiązania według opisu US 6.265.950, na obrzeżu płytki z obwodami, lecz możliwe jest umieszczenie go w dowolnym miejscu na płytce z obwodami. Układ według wynalazku charakteryzuje się przy tym mniejszym zapotrzebowaniem przestrzeni.

Korzystnym jest, że falowód jest elementem do montażu powierzchniowego SMD (surface mount device). Element falowodowy jest osadzany w jednym etapie montażu od góry na płytce z obwodami i połączony jest z zapewnieniem przewodzenia. Przyłączenie falowodu do przejścia może być zintegrowane ze znanym procesem obsadzania elementów. Dzięki temu oszczędza się na etapach wykonawczych, a w wyniku tego obniżają się koszty i czas wytwarzania.

Przedmiot wynalazku w przykładach realizacji, jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 2 przedstawia w widoku od góry, warstwę metalizacji po górnej stronie podłoża, fig. 3 - w widoku perspektywicznym przykładową schodkową strukturę elementu SMD, fig. 4 - w przekroju wzdłużnym przejście między linią mikropaskową a falowodem, według wynalazku, fig. 5 - pierwszy przekrój, obszaru 3 na fig. 4, fig. 6 - drugi przekrój obszaru 4 z fig. 4, fig. 7 - trzeci przekrój obszaru 5 z fig. 4, fig. 8 - czwarty przekrój obszaru 6 z fig. 4, a fig. 9 przedstawia inny korzystny przykład wykonania przejścia linia mikropaskową - falowód.

Na fig. 2 przedstawiono metalizowaną warstwę LS podłoża S. Ta metalizowana warstwa LS stanowi strukturę podstawową dla przejścia linia mikropaskową - falowód. Metalizowana warstwa LS ma wybranie A z ujściem OZ. Przez to ujście OZ przebiega linia mikropaskową ML, która kończy się wewnątrz wybrania A. Wybranie A jest otoczone przewodzącymi przepustami VH, znanymi pod nazwą Via-Holes. Te przewodzące przepusty VH są przewodzącymi elektrycznie otworami przelotowymi podłoża, które strukturę podstawową utworzoną przez warstwę metalizowaną LS, łączą z metalizacją wykonaną na tylnej stronie podłoża (nie pokazana). Odstęp między poszczególnymi przewodzącymi przepustami VH jest dobrany na tyle mały, że w użytecznym zakresie częstotliwości, wypromieniowywanie fali elektromagnetycznej przez przestrzenie pośrednie jest ograniczone. Przepusty VH, dla ograniczenia wypromieniowywania, mogą być korzystnie, ustawione w kilku wzajemnie równoległych rzędach.

Na fig. 3 przedstawiono widok perspektywiczny przykładowej wewnętrznej struktury schodkowej ST falowodowego elementu do montażu powierzchniowego SMD. Falowodowy element B ma ujście OB, odpowiednio do ujścia OZ wybrania A w strukturze podstawowej z metalizowanej warstwy LS (por. fig. 2). W kierunku wzdł u ż nym tego elementu B znajduje się , w zadanym odstę pie od ujś cia OB, ukształ towana na ścianie bocznej, struktura schodkowa ST z częścią struktury stanowiąca stopień ST1. Ściana boczna elementu B, zawierająca strukturę schodkową ST i jej część stanowiąca stopień ST1, po montażu struktury podstawowej z metalizowanej warstwy LS znajduje się naprzeciwko powierzchni podłoża S (por. fig. 4). Przeznaczony do nałożenia konstrukcyjny element B falowodu jest przed montażem otwarty ku dołowi (w kierunku podłoża), w związku z czym falowód jest jeszcze niekompletny. Brakująca jeszcze ściana boczna utworzona zostaje przez wykonaną na podłożu strukturę podstawową, którą stanowi metalizowana warstwa LS.

PL 207 180 B1

Przejście według wynalazku nie jest ograniczone do liczby stopni przedstawionych na fig. 3 lub fig. 4. Struktura schodkowa ST pod względem liczby stopni, długości i szerokości poszczególnych stopni jest dostosowywana w zależności od potrzeb.

W przedstawionym rozwiązaniu, stanowiący część struktury ST stopień ST1, ma taką wysokość, że przy łączeniu kształtowym elementu B ze strukturą podstawową według fig. 2, stopień ST1 układa się dokładnie na linii mikropaskowej ML i dzięki temu tworzy połączenie z zachowaniem przewodzenia elektrycznego między linią mikropaskową ML a falowodowym elementem B.

Na fig. 4 przedstawiono przekrój wzdłużny przez przejście linia mikropaskową - falowód. Przy tym element B według fig. 5 jest nałożony, z połączeniem kształtowym, na strukturę podstawową podłoża S. Element B jest ponadto w taki sposób nakładany na podłoże, że między strukturą podstawową a elementem B powstaje połączenie przewodzące.

Po spodniej stronie, podłoże S pokryte jest w zasadzie całkowicie warstwą metalizacji RM. W przekroju wzdł u ż nym wedł ug fig. 4, obszar falowodowy w tym widoku oznaczono odnoś nikiem HB. Obszar przejścia oznaczono odnośnikiem UB.

Przejście linia mikropaskową - falowód działa na następującej zasadzie:

Sygnał wielkiej częstotliwości na zewnątrz falowodu HL jest prowadzony przez linię mikropaskową ML o impedancji Z0 (Obszar 1). Sygnał wielkiej częstotliwości wewnątrz falowodu HL jest prowadzony w postaci podstawowego modu TE10 falowodu. Przejście UB przekształca obraz pola modu linii mikropaskowej stopniowo w obraz pola modu falowodowego. Równocześnie, przejście UB w wyniku stopniowania elementu B powoduje transformację rezystancji falowej i zapewnia w użytecznym paśmie częstotliwościowym dopasowanie impedancji Z0 do impedancji ZHL falowodu HL. Dzięki temu zapewnia się mało-stratne i niskoodbiciowe przejście między obydwoma torami falowodowymi.

Linia mikropaskową ML wchodzi najpierw w obszar 2 tak zwanego kanału odcięcia (Cutoff). Ten kanał jest utworzony z elementu B, metalizacji RM strony tylnej i przewodzących przepustów przewodzących VH, które tworzą przewodzące połączenie między elementem B a metalizacją RM strony tylnej. Szerokość kanału odcięcia jest dobrana tak, że w tym obszarze 2 poza przenoszącym sygnał modu linii mikropaskowej nie propagowany jest żaden dodatkowy typ falowy. Długość kanału określa tłumienie niepożądanego, nie podlegającego propagacji modu falowodowego i uniemożliwia wypromieniowywanie do swobodnej przestrzeni (Obszar 1).

W obszarze 3 znajduje się linia mikropaskową ML w pewnego rodzaju częściowo wypeł nionym falowodzie. Falowód jest utworzony przez element B, metalizację RM strony tylnej i przepusty przewodzące VH (fig. 5). W obszarze 4 stopniowana struktura elementu B jest połączona z linią mikropaskową ML (fig. 6). Ściany boczne elementu B są połączone elektrycznie z metalizacją RM strony tylnej przez rząd ekranujący złożony z przepustów VH. Dzięki temu powstaje pewien obciążony dielektrycznie, tak zwany falowód grzbietowy. Energia sygnałowa koncentruje się między metalizacją RM strony tylnej a grzbietem utworzonym przez linię mikropaskową ML i stopień ST1 elementu B.

W porównaniu z obszarem 4, w obszarze 5 zmniejsza się wysokość struktury schodkowej ST w elemencie B, tak ż e przy kształ towym zakł adaniu elementu B na strukturę podstawową z metalizowanej warstwy LS podłoża S powstaje określona szczelina powietrzna L między materiałem podłoża a strukturą schodkową ST (fig. 7). Ś ciany boczne elementu B są za pomocą przewodzą cych przepustów VH połączone z metalizacją RM na stronie tylnej. Dzięki temu powstaje częściowo wypełniony dielektrykiem falowód grzbietowy.

Szerokość stopnia powiększa się, wyrównując obraz pola z obszaru 4 stopniowo do obrazu pola modu falowodowego (Obszar 6). Długość, szerokość i wysokość stopni są dobrane tak, że impedancja Z0 modu linii mikropaskowej ML jest transformowana na impedancję ZHL modu falowodowego na końcu obszaru 6. W razie potrzeby można również zwiększyć liczbę stopni w strukturze elementu B w obszarze 5.

Obszar 6 oznacza obszar falowodowy HB. Element B tworzy ściany boczne i pokrywę falowodu HL. Spód falowodu jest utworzony przez strukturę podstawową z metalizowanej warstwy LS podłoża S, to znaczy w porównaniu z obszarem 5 jeszcze w falowodzie HL nie znajduje się wypełnienie dielektryczne.

Jeden lub kilka, biegnących poprzecznie względem kierunku propagacji fali w falowodzie szeregów ekranujących, utworzonych z przewodzących przepustów VH w obszarze przejściowym między obszarem 5, a obszarem 6, tworzy przejście między falowodem częściowo wypełnionym dielektrykiem a falowodem czysto powietrznym. Równocześnie dzięki szeregowi ekranującemu następuje uniemożliwienie sprzężenia dla sygnałów między strukturą podstawową z metalizowanej warstwy LS a metalizacją RM strony tylnej.

PL 207 180 B1

W obszarze 6, w górnej części kołpaka może znajdować się, opcjonalnie, również pewna struktura schodkowa (analogicznie do struktury schodkowej w obszarze 5). Długość i wysokość tych stopni jest, analogicznie, jak w obszarze 5, dobrana tak, że w kombinacji z innymi obszarami impedancja Z0 modu linii mikropaskowej jest transformowana na przykładaną na końcu obszaru 6 impedancję ZHL modu falowodowego.

Na fig. 9 przedstawiono inny korzystny przykład wykonania przejścia linia mikropaskową - falowód według wynalazku. W tym przykładzie wykonania możliwe jest zrealizowanie prostego i oszczędnego pod względem kosztów przejścia falowodowego, za pomocą którego sygnał wielkiej częstotliwości może być wyprowadzany poprzez podłoże S ku dołowi, przez znajdujące się w podłożu przelotowe ujście falowodowe DB. Ujście falowodowe DB ma, korzystnie, przewodzące elektrycznie ściany wewnętrzne IW. Element konstrukcyjny B, korzystnie, w obszarze ujścia DB na ścianie przeciwległej do ujścia DB, ma ukształtowaną strukturę schodkową ST. Dzięki temu kształtowi w postaci jednego stopnia, fala z falowodu jest odchylana o 90°, z obszaru falowodowego HB elementu B, do ujścia falowodowego DB podłoża S. Na spodniej stronie podłoża S, w obszarze tego ujścia falowodowego DB, może być umieszczony na przykład dodatkowy falowód lub element promieniujący. W przykładzie przedstawionym na fig. 9, na metalizację RM strony tylnej naniesiony jest dodatkowy materiał nośny TP, na przykład jednowarstwowa lub wielowarstwowa płytka z obwodami, lub metalowy wspornik. Zaleta tego układu w porównaniu z rozwiązaniem znanym z DE 197 41 944 A1 polega na uproszczeniu i zmniejszeniu kosztów budowy podłoża S i materiału nośnego TP. Ujś cie falowodowe jest frezowane przelotowe, a ściany wewnętrzne są metalizowane galwanicznie. Oba etapy obróbki są łatwo realizowalnymi standardowymi procesami, zwykłymi w technologii obwodów drukowanych.

Claims (7)

Zastrzeżenia patentowe

1. Przejście między linią mikropaskową a falowodem, zawierające linię mikropaskową (ML) usytuowaną na górnej powierzchni dielektrycznego podłoża (S), na której znajduje się również falowód mający ujście (OB) na przynajmniej jednej czołowej powierzchni, przy czym jedna ściana boczna falowodu jest metalizowaną warstwą (LS) utworzoną na podłożu (S), w której to metalizowanej warstwie (LS) jest utworzone wybranie (A), w którym wystaje do falowodu, poprzez ujście (OB), linia mikropaskową (ML), przy czym na tylnej stronie podłoża (S) jest utworzona metalizacja (RM), a pomiędzy metalizowaną warstwą (LS) na górnej powierzchni podłoża (S) a metalizacją (RM) strony tylnej, które otaczają wybranie (A), są utworzone przewodzące przepusty (VH), znamienne tym, że do linii mikropaskowej (ML) jest dołączona przewodzącym połączeniem przynajmniej jedna część (ST1) struktury schodkowej (ST) w postaci przynajmniej jednego stopnia, która to struktura schodkowa (ST) jest utworzona na bocznej ścianie, przeciwległej względem górnej powierzchni czołowej podłoża (S) falowodu, w obszarze ujś cia (OB) falowodowego elementu (B), przy czym stopnie struktury schodkowej (ST) mają szerokość wzrastającą we wzdłużnym kierunku falowodu, oddalając się od przejścia.

2. Przejście według zastrz. 1, znamienne tym, że falowód jest elementem do montażu powierzchniowego.

3. Przejście według zastrz. 1 lub 2, znamienne tym, że struktura schodkowa (ST), która jest utworzona w kształcie przynajmniej jednego stopnia, jest wykonana na ścianie bocznej falowodowego elementu (B), przeciwległej względem wybrania (A).

4 Przejście według zastrz. 1, znamienne tym, że przewodzące przepusty (VH) rozmieszczone są w kilku wzajemnie równoległych rzędach.

5. Przejście według zastrz. 1, znamienne tym, że podłoże (S) w obszarze metalizowanej warstwy (LS) po stronie górnej podłoża (S) zawiera przelotowe ujście (DB) falowodu.

6. Przejście według zastrz. 5, znamienne tym, że wewnętrzna powierzchnia przelotowego ujścia (DB) falowodu jest przewodząca elektrycznie.

7. Przejście według zastrz. 4 lub 5, znamienne tym, że ściana boczna falowodu, przeciwległa do górnej strony podłoża (S), w obszarze przelotowego ujścia (DB) zawiera strukturę schodkową (ST) o kształ cie przynajmniej jednego stopnia.