DE2942035C2 - Einrichtung zum Empfang von Mikrowellen - Google Patents
Einrichtung zum Empfang von MikrowellenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Empfang von Mikrowellen nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Bei einer bekannten Methode zum Verbinden eines Wellenleiters mit einer integrierten Mikrowellenschaltung,
wie z. B. einer Streifenleitung, ist die integrierte
Mikrowellenschaltung (im folgenden kurz MIC genannt) mit einem Koaxial-Stecker oder -Flansch ausgestattet,
und der Koaxial-Stecker ist über einen getrennten Koaxial-Wellenleiter-Zwischenstecker mit
dem Wellenleiter gekoppelt Entsprechend einer anderen ähnlichen herkömmlichen Methode wird ein
Antennenmuster auf der Vorderfläche des MIC-Substrats gebildet, wobei der Teil des auf der Rückfläche
des MIC-Substrates liegenden Leiters, der dem Antennenmuster entspricht, entfernt wird, und das
MIC-Substrat wird in den Wellenleiter gebracht, so daß
die Streifenleitung auf dem MIC-Substrat direkt elektromagnetisch mit dem Wellenleiter gekoppelt werden
kann.
Diese bekannten Methoden haben jedoch Nachteile: Die Anordnung der integrierten Mikrowellenschaltung
im Wellenleiter verursacht einen Übertragungsverlust. Es ist nicht einfach, die integrierte Mikrowellenschaltung
am Wellenleiter zu befestigen bzw. vom Wellenleiter zu lösen, und die MlC-Vonichtung ist aufwendig.
Um diese Nachteile auszuschließen, wurde eine MIC-Vorrichtung vorgeschlagen, in der eine integrierte
Mikrowellenschaltung auf der Innenfläche der Kurzschlußplatte eines Wellenleiters angebracht ist, um
direkt die integrierte Mikrowellenschaltung elektromagnetisch mit dem Wellenleiter zu koppeln. Die integrierte
Mikrowellenschaltung kann dann einfach mit einem guten luftdichten Verschluß am Wellenleiter
befestigt oder von diesem gelöst werden; diese MIC-Vorrichtung ist ohne großen Aufwand herstellbar. Bei
der vorgeschlagenen MIC-Vorrichtung liegt jedoch die Demodulatordiode oder die Mischdiode so nahe zum
Kurzschlußglied des Wellenleiters, daß die elektromagnetische Kopplung der Diode mit dem elektromagnetischen
Feld im Wellenleiter zu lose gekoppelt ist. Dies fuhrt zu dem Nachteil, daß die Empfangsempfindlichkeit
der Diode nicht ausreichend hoch gemacht werden kann.
Um den obigen Nachteil auszuschließen, wurde eine MIC-Vorrichtung vorgeschlagen, in der die Leiter, die
auf der Rückfläche des Substrates vorgesehen sind, die gegenüber den MIC-Leitern liegen, die mit der Anode
und der Kathode der Demodulator- oder Mischdiode zu verbinden sind, teilweise entfernt werden, und bei der
eine Nut zur Steigerung der elektromagnetischen Kopplung zwischen der Diode und der elektromagnetischen
Welle im Wellenleiter im Kurzschlußglied des Wellenleiters gebildet wird (vgl. US-PS 4255730). Bei dieser
MIC-Vorrichtung streut die elektromagnetische Welle im Wellenleiter in die Nut, um die elektromagnetische
Kopplung zur Demodulator-Diode zu steigern. Dagegen versteuert jedoch die Anordnung der Nut den Frequenzgang,
so daß das Frequenzband, in dem hohe Empfangsempfindlichkeiten erzielt werden, eingeengt
ist. In extremen Fällen kann das sich ergebende Frequenzband die gewünschte Frequenz nicht enthalten,
und es ist nicht immer möglich, eine ausreichende Empfangsempfindlichkeit bei der gewünschten Frequenz
zu erhalten.
Es ist eine Mikroweiienschaiiung bckaiiiii (DE-GS
2853 205), bei der eine Mikrowellen-Leiterplatte im Inneren eines Wellenleiters angeordnet ist und bei der
durch verstellbare Schrauben, die in das Innere des Wellenleiters hineinragen, eine veränderbare Ankopplung
von Bauteilen verwirklicht wird. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung weist die bekannte Mikrowellenschaltung
jedoch keine Abstimmeinrichtung
auf, mit der die wirksamen Abmessungen einer Ankopplungsnut geändert werden können.
Es ist ferner bei einer Mischerstufe für einen Mikrowellenemplanger
bekannt (DE-OS 2421840), im Oszillator
als aktives Element eine Gunn-Diode einzusetzen. Hierbei ist es gleichfalls bekannt, den Empfinger durch
Verändern der Abmessungen der Hohlräume auf die Empfangsfrequenz abzustimmen. Aber auch bei dieser
bekannten Mischerstufe für einen Mikrowellenempfänger sind keine Abstimmeinrichtungen zur Änderung
der Abmessungen einer Ankoppelnut vorhanden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung bei einer Einrichtung zum Empfang von Mikrowellen nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die integrierte Empfangsschaltung in optimaler Weise an den Wellenleiter is
zur Erhöhung der Empfangsempfindlichkeit anzukoppeln.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprächen angegeben.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht einer bekannten MlC-Vorrichtung
zum Übertragen/Empfangen eines Signales,
Fig. 2 einen Querschnitt der in Fig. 1 dargestellten
MIC-Vorrichtung,
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 1 gezeigten MIC-Vorrichtung,
Fig. 4 eine Draufsicht einer MIC-Vorrichtung zum Empfangen eines Signals nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
Fig. 5 einen Querschnitt der in Fig. 4 dargestellten
MIC-Vorrichtung,
Fig.6 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 4 gezeigten
MlC-Vorrichtung,
Fig.7 eine Draufsicht eines Sende/Empfangssystems, bei dem die als das erste Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Fig. 4 gezeigte integrierte Mikrowellenschaltung verwendet wird,
Fig. 8 eine Draufsicht eines Teiles einer MIC-Vorrichtung
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig.9 einen Querschnitt der in Fig. 8 gezeigten MIC-Vorrichtung,
Fig. 10 vergleichsweise die Demodulationskennlinien
einer bekannten MIC-Vorrichtung und der erfindungsgemäßen MIC-Vorrichtung innerhalb eines Frequenzbereiches
von 22 GHz bis 26 GHz,
Fig. 11 eine Draufsicht einer MIC-Vorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 12 einen Querschnitt der in Fig. 11 gezeigten M IiC-Vorrichtung, und
F i g. 13 ein Ersatzschältbild der in F i g. 11 gezeigten
MIC-Vorrichtung.
Zunächst wird zum besseren Verständnis der Erfindung eine bekannte MIC-Vorrichtung anhand der
F i g. 1 und 2 näher erläutert. F i g. 1 zeigt in einer Draufsicht eine bekannte Sende/Empfangs-MIC-Vorrichtung,
und Fig. 2 ist ein Querschnitt der MIC-Vorrichtung, die in F i g. 1 dargestellt ist. Wie in den F i g. 1 und 2
gezeigt ist, wird im Empfangsabschniii der MlC-Vurrichtung
ein isolierendes Substrat 3 mit einem MIC-Muster darauf an einem Kurzschlußglied 2 befestigt, das
als ein Kurzschlußende eines Wellenleiters 1 dient; eine Empfangsdiode 6 ist zwischen Leitern 4 und 5 des MIC-Musters
angeschlossen; der Leiter 5 ist mit dem Kurzschlußglied 2 verbunden, das geerdet ist, während der
Leiter 4, der ein Tiefpaßfilter bildet, über einen Leitungsdraht 7 an einen Ausgangsanschluß 8 angeschlossen
ist. Der Teil eines auf die Rückfläche des isolierenden Substrates 3 aufgetragenen Leiterfilmes 9, der
gegenüber zum Spalt zwischen den das MIC-Muster bildenden
Leitern 4 und 5 liegt, ist entfernt, und es ist eine Ankopplungsnut 10 zur Steigerung der Kopplung zwischen
der Empfangsdiode 6 und der elektromagnetischen Welle im Wellenleiter 1 im Kurzschbißglied 2 des
Wellenleiters 1 gebildet. Im Sendeabschnitt der MIC-Vorrichtung ist eine als Oszillator dienende Gunn-Diode
11 nahe beim isolierenden Substrat 3 vorgesehen, und die MIC-Vorrichtung bildet insgesamt eine
Doppler-Radar-Schaltung. Ein Muster-Leiter 13 ist auch auf dem isolierenden Substrat 3 angeordnet, um
einen Kondensator für den Gunn-Oszillator zu bilden. Eine Elektrode der Gunn-Diode 11 ist über ein Goldband 12 mit dem Muster-Leiter 13 und weiterhin über
einen Leitungsdraht 14 mit einem Durchführungskondensator 15 verbunden. Die andere Elektrode der
Gunn-Diode 11 ist über einen Kühlkörper mit dem Kurzschlußglied 2 verbunden, das geerdet ist. Eine
Gleichvorspannung liegt an der Gunn-Diode 11 über den Durchführungskondensator 15.
Fig. 3 ist ein Ersatzschaltbild der in Fig. 1 gezeigten
MIC-Vorrichtung. Die Schwingungsfrequenz des Gunn-Oszillators wird durch die Reihenresonanzschaltung
aus der Kapazität des Muster-Leiters 13, der Kapazität der Gunn-Diode 11 und der Induktivität des Goldbandes
12 bestimmt. Das Ausgangssignal des Gunn-Oszillators wird nach außen über den Wellenleiter und
die Antenne abgegeben sowie durch das Ziel reflektiert und kehrt zur Wellenleiter-Schaltung zurück. Die
reflektierte Welle liegt zusammen mit der vom Gunn-Oszillator ausgesandten direkten Welle an der
Empfangsdiode 6 in erster Linie infolge der Ankopplungsnut 10. Das als die Differenz zwischen der reflektierten
Welle und der direkten Welle erhaltene Niederfrequenz-Signal wird über den ein Tiefpaßfilter bildenden
Leiter 4 und durch den Leitungsdraht 7 an einen Ausgangsanschluß 8 abgegeben.
Im folgenden wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der F i g. 4 und 5 näher erläutert. Die
Fig. 4 zeigt in einer Draufsicht eine Einrichtung zum Empfang als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
und die Fig. S ist ein Querschnitt der in Fig. 4 dargestellten
MIC-Vorrichtung. Ein isolierendes Substrat 3 ist so angeordnet, daß es eine Ankopplungsnut 10
bedeckt, die im Kurzschlußglied 2 eines Wellenleiters 1 angeordnet ist, und eine Empfangsdiode 6 ist mit Leitern
4 und 5 verbunden und überbrückt den Spalt zwischen den Leitern 4 und 5.
In den Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht der Wellenleiter 1 aus Kupfer mit einer go'dbelegten
Innenfläche, wobei die Innenabmessungen im Querschnitt 10 mm (Breite) · 4 mm (Höhe) betragen, und das
isolierende Substrat 3 besteht aus Keramik mit Abmessungen von 6 mm (Breite) · 3 mm (Höhe) · 0,5 mm
(Dicke). Alternativ kann das isolierende Substrat 3 aus Saphir oder Quarz bestehen. Für die Empfangsdiode 6
(oder die Mischdiode 6) wird z. B. eine »Beam-iead«-
. ι/τη if..
und 5 und das Leiter-Muster 9 bestehen aus Leitern, wie z. B. einem Goldfilm, der mittels der herkömmlichen
integrierten Dickfilm- oder Dünnfilm-Technik hergestellt ist. Die integrierte Mikrowellenschaltung insgesamt
ist mit der Innenfläche des Kurzschlußgliedes 2 verbunden oder verlötet. Die Ankopplungsnut 10 hat
Abmessungen von ca. 8 mm (Breite) ■ ca. 2 mm (Höhe) ■
ca. 2 mm (Tiefe) und ist mit einem einen Kurzschlußkolben bildenden Bauteil 16 versehen, durch den die wirksame
Wellenlänge in der Richtung der Tiefe der Ankopplungsnut 10 veränderlich gemacht werden S
kann. Der Kurzschlußkolben 16 kann durch eine von außen einstellbare Schraube 17 verschoben und injeder
gewünschten Stellung innerhalb des Hubes des Kolbens 16 fest angehalten werden.
Um die empfangene Mikrowelle wirksam in eine elektrische
Leistung durch die integrierte Mikrowellenschaltung umzusetzen, ist es erforderlich, daß die
Ankopplungsnut 10 eine Länge von wenigstens (1/4) Aj(^g= Leiter-Wellenlänge) und eine Tiefe von
wenigstens (1/8) ?.g besitzt. Der Kurzschlußkolben 16 is
sowie das Kurzschlußglied 2 bestehen aus Metall, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, und sind gewöhnlich mit
Gold belegt.
F i g. 6 ist ein Ersatzschaltbild der in F i g. 4 gezeigten MlC-Vorrichtung. Da in Fig. 6 die Kapazität Cx der
Ankopplungsnut 10 zum Koppeln der Empfangsdiode 6 mit dem Wellenleiter 1 durch Ändern der Stellung des
Kurzschlußkolbens 16 verändert werden kann, kann die Empfangsempfindlichkeit bei einer gewünschten Frequenz
erhöht werden. Je kürzer insbesondere der Abstand zwischen dem MIC-Substrat und dem Kurzschlußkolben
16 ist, desto größer ist die Kapazität Cx.
F i g. 7 zeigt in einer Draufsicht ein Sende/Empfangs-System, auf das die MIC-Vorrichtung nach dem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung angewandt wird. In diesem System ist der in der MIC-Vorrichtung der
F i g. 4 verwendete Kurzschlußkolben 16in der Ankopplungsnut 10 vorgesehen, die entsprechend der in F i g. 1
gezeigten MIC-Vorrichtung ausgeführt ist. In diesem Fall kann der Ausgangspegel der Empfangsdiode 6 bei
einer gewünschten Frequenz auf den Höchstwert eingestellt werden, indem die Stellung des Kurzschlußkolbens
16 gesteuert wird.
Fi g. 8 zeigt in einer Draufsicht einen Teil der MIC-Vorrichtung
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und F i g. 9 ist ein Querschnitt IX-IX der
in F i g. 8 dargestellten MIC-Vorrichtung, wie dies durch Pfeile angezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind
drei Schrauben 18 in die Ankopplungsnut 10 eingeführt,
wobei sie das Kurzschlußglied 2 von der Außenseite durchdringen. Das Ende der Schraube in der Ankopplungsnut
10 kann injeder gewünschten Stellung innerhalb von deren Hub liegen, die durch Drehung der
Schraube 18 eingestellt wird. Die verschieden von der Empfangsdiode 6 beanstandeten Schrauben 18 haben so
verschiedene Steuerungseffekte auf den Ausgangspegel der Empfangs-Diode 6, und eine geeignete Kombination
oder Auswahl der Schrauben erfolgt abhängig von der Frequenz der Mikrowelle im Wellenleiter 1. Die
Anzahl der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Schrauben beträgt drei; jedoch ist dies nicht die einzige
Möglichkeit, was sofort einzusehen ist Insbesondere kann die Verwendung von mehr als einer Schraube
zu einem ähnlichen Ergebnis führen.
Fig. 10 zeigt in einer graphischen Darstellung die Demodulations-Kennlinie einer MIC-Vorrichtung für
lediglich einen Empfang im Frequenzband von 22 GHz bis 26 GHz. In Fig. !0 entspricht eine Kurve 22 der
Demodulations-Kennlinie einer bekannten MIC-Vorrichtung ohne Ankopplungsnut, eine Kurve 23 entspricht
der Demodulations-Kennlinie einer bekannten MIC-Vorrichtung, die eine Kopplungs-Nut besitzt,
deren wirksame Tiefe und Länge nicht für eine Einstellung veränderbar sind, und eine Kurve 24 entspricht
einer Kennlinie einer MIC-Vorrichtung mit einer veränderlichen Ankopplungsnut. Wie aus Fig. 10 zu ersehen
ist, ist der Pegel des demodulierten Ausgangssignales nach der Erfindung höher über einen weiten Frequenzbereich
als der Pegel des demodulierten Ausgangssignales, das durch jede Kurve 22 und 23 bezeichnet
ist, die die Kennlinien der bekannten MlC-Vorrichtungen
darstellen. Da insbesondere bei der erfindungsgemäßen MIC-Vorrichtung der Spitzenwert des Ausgangspegels
auf eine gewünschte Frequenz innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes eingestellt werden
kann, können große Ausgangssignale über einem weiten Frequenzbereich erhalten werden, wie dies aus
Fig. 10 zu ersehen ist.
Obwohl lediglich die Demodulations-Kennlinie der MIC-Vorrichtung für allein einen Empfang als ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Fig. 10 erläutert wurde, kann die Erfindung in gleicher Weise
auf die MIC-Vorrichtung für Empfang und Senden angewandt werden (vgl. Fig. 7), und in diesem Fall
kann die Empfindlichkeit der Empfangsdiode 6 verbessert werden.
Fig. 11 zeigt in einer Draufsicht eine MIC-Vorrichtung
nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und Fig. 12 ist ein Längsschnitt XII-XII der in
Fig. 11 dargestellten MIC-Vorrichtung. Fig. 13 ist ein
Ersatzschaltbild der in Fig. 11 gezeigten MIC-Vorrichtung. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Induktivität
der Ankopplungsnut 10 verändert, indem die Längsabmessung der Ankopplungsnut 10 durch Einstellen
einer Schraube 17 gesteuert wird, die an einem Ende mit einem Kurzschluß-Kolben 16 in der Ankopplungsnut
10 verbunden und so angeordnet ist, daß sie sich lediglich in der Richtung parallel zur Längsrichtung
der MIC-Vorrichtung, d. h. der Ankopplungsnut 10 bewegt, was zu der Längsverschiebung des Kurzschlußkolbens
16 führt. Mit diesem Aufbau kann durch Steuern der Schraube 17 die Resonanzfrequenz der
Ankopplungsnut 10 an eine gewünschte Empfangsfrequenz angenähert werden, so daß die Empfangsempfindlichkeit
verbessert werden kann.
Wie oben erläutert wurde, kann bei der Erfindung die integrierte Mikrowellenschaltung elektromagnetisch
mit der Wellenleiter-Schaltung mit einer hohen Wirksamkeit bei jeder gewünschten Frequenz gekoppelt
werden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Einrichtung zum Empfang von Mikrowellen, bestehend aus: S
— einem Wellenleiter (1), der mit einem Kurzschlußglied
(2) abgeschlossen ist,
— einem Substrat (3), das auf der zum Wellenleiter zeigenden Fläche des Kurzschlußgliedes
(2) angebracht ist und auf dessen, zur Öffnung des Wellenleiters zeigenden Fläche, eine integrierte
Empfangsschaltung (4,5,6) ausgebildet ist,
— einer Ankopplungsnut (10), die im Kurzschlußglied
(2) ausgebildet ist, wobei das Substrat (3) so angeordnet ist, daß es die Öffnung
der Ankopplungsnut (10) überdeckt und
— einer Empfangsdiode (6), die sich in der integrierten Schaltung (4, 5, ti) befindet, zur
Umwandlung des Mikrowellensignals in ein Gleichstrom- bzw. NF-Signal und die gegenüber
der Öffnung der Ankopplungsnut (10) angeordnet ist,
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dadurch gekennzeichnet, daß das Kurzschlußglied (2) Abstimmeinrichtungen (16,17,18)
aufweist, mit der die wirksamen Abmessungen der Ankopplungsnut (10) verändert werden können.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung aus einem
Bauteil (16) besteht, das die gleiche Querschnittsform wie die Ankopplungsnut (10) besitzt und das
senkrecht zur Fläche des Substrats (3) durch eine im Kurzschlußglied (2) befindliche Schraube (17) von
außen bewegt werden kann.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung aus wenigstens
zwei Schrauben (18) besteht, die von außen in das Kurzschlußglied (2) eingedreht sind und wobei
die Schrauben (18) in die Ankopplungsnut (10) hineinragen und senkrecht zur Oberfläche des Substrats
(3) verstellt werden können.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmeinrichtung aus
einem Bauteil (16) besteht, das die gleiche Längsquerschnittsform wie der Längsquerschnitt der
Ankopplungsnut (10) besitzt und das parallel zur Befestigungsebene des Substrats (3) durch eine im
Kurzschlußglied (2) befindliche Schraube (17) von außen bewegt werden kann.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Ankopplungsnut (10) gleich oder größer als 1/4 Ag ist, wobei Ag die Wellenleiter-Wellenlänge
ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ankopplungsnut (10)
gleich oder größer als 1/8 Ag ist, wobei Ag die Wellenleiter-Wellenlänge ist.
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