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Die
Erfindung betrifft RF-Durchführungen, die
kurze Länge
von steifen RF-Übertragungsleitungen,
die RF-Energie durch eine Barriere leiten, und insbesondere eine
RF-Durchführung
zur Niedrigverlustsausbreitung von RF-Energie von Millimeterwellen
niedriger Leistung aus Gehäusen
elektrischer RF-Millimeterwellenvorrichtungen. Die Erfindung betrifft
auch eine Mikrowellen-Strip-Leitung für Wellenleiterübergänge.
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HINTERGRUND
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Elektrische
Festkörpervorrichtungen
wie z.B. integrierte Schaltkreise werden häufig in geschlossenen Behältern oder
Verpackungen mit Metallwänden untergebracht.
Die Verpackung ist üblicherweise
hermetisch abgedichtet und beschützt
die elektrischen Vorrichtungen vor der Außenumgebung, die manchmal Strahlung,
korrosive Gase oder anderes Material enthält, das für die verpackten elektrischen
Vorrichtung schädlich
ist. RF-Durchführungen
werden verwendet, um RF-Signale durch die Metallwand der Verpackung
zwischen dem Inneren und dem Äußeren der
Verpackung zur Verbindung mit externen Vorrichtungen zu tragen.
Im Wesentlichen ist die Durchführung
eine sehr kurze RF-Übertragungsleitung
und ist das herkömmliche
Mittel, um RF-Energie
durch eine RF-Barriere wie z.B. eine Metallwand weiterzuleiten.
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Üblicherweise
sind Durchführungen
aus Glas und Metall entworfen worden, wobei das Glas, als eine Glasperle
bezeichnet, in einem Loch in der Verpackungswand angeordnet ist,
als eine isolierende Unterstützung
und Dielektrikum dient, die einen graden Metallstift, den Übertragungsleitungsleiter,
in einer isolierten Beziehung mit den Wänden der Metallverpackung hält und als
eine undurchdringliche Barriere für die Außenumgebung dient. Bei einigen Beispielen
kann eine einzige Glasperle mehrere Stifte unterstützen.
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Die
US 5,376,901 offenbart eine
hermetisch abgedichtete Millimeterwellenleitereinführungsübergangsdurchführung zum
Hindurchleiten elektrischer Signale hoher Frequenz in einen Schaltkreis,
der mindestens einen Wellenleiter einschließt. Sie benutzt Glas, um den
von einem Ring und dem Stift definierten Innenraum auszufüllen, um
den Stift innerhalb des Rings und isoliert von der Wellenleiterwand hermetisch
abzudichten.
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Glas-Metall-Durchführungen
verschiedener Größen, Formen
und Stiftkonfigurationen sind der Industrie seit über 50 Jahren
bekannt. Solche Durchführungen
sind unmittelbar innerhalb der Metallwand der Verpackung gebildet
worden, wo die Wand aus einem Nickel-, Kobalt- und Eisen-Material,
wie z.B. Kovar, gebildet worden ist. Sie sind auch innerhalb eines
röhrenförmigen Endrings
aus Kovar zum späteren
Zusammenbau in der Verpackungswand entworfen worden. Der Kovar-Endring
ist in eine zylindrische Öffnung
in der Metallwand der Verpackung eingesetzt und an Ort und Stelle
verlötet,
um eine relativ undurchdringliche Dichtung zu bilden.
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Gläser, die
gegen Angriffe von atmosphärischen
Gasen, wie z.B. H2O-Dampf und Kohlendioxid, chemischen
Abgasen und Industriedämpfen
sehr resistent sind, sind wohlbekannt. Eine solche Glasart ist Borosilikatsglas,
wie z.B. Corning 7052, ein dem Kovar entsprechendes Glas mit thermischen
Ausdehnungseigenschaften, die den von Kovar entsprechen, Corning
7070, ein Wolfram entsprechendes Glas, wobei beide von der Firma
Corning vermarktet werden, und Kimble EN-1, das von der Firma Kimble vermarktet
wird.
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Bei
der Konstruktion der Durchführung
wird Borosilikatsglas zwischen dem zentralen Metallstift, typischerweise
einem aus Kovar-Material gebildeten Stift, und dem äußeren Endring
zurückfließen gelassen.
Beim Zurückfließen bildet
das geschmolzene Glas einen Glasmeniskus um einen Teil der Länge des
Stifts. Beim Härten
bildet das Glas eine starke Außendichtung,
die Feuchtigkeit, Oxidation und anderen schädlichen Chemikalien, welche
die integrierten Schaltungen angreifen könnten, widersteht.
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Ein
Maß der
Unversehrtheit der Durchführung
wird erhalten, indem die Durchführung
einem hermetischen Undichtigkeitstest unterworfen wird. Bei diesem
Test wird Heliumgas in der abgedichteten Metallverpackung oder sonstigen
Umhüllung,
in welcher die Durchführung
befestigt worden ist, angeordnet und ein Undichtigkeitsdetektor
von der Art eines Helium-Massenspektrometers wird verwendet, um die
Rate zu bestimmen, bei welcher Helium-Atome die Glas-Metall-Dichtungen
passieren, aufgrund eines Defekts in dem Glas. Eine annehmbare Verpackung
gemäß den Industriestandards
ist eine, die eine Helium-Undichtigkeitsrate von weniger als 1 × 10–8 ATM-cc/sec.
He hat, unabhängig
davon, wie viele Durchführungen
die Verpackung enthält.
Eine gute individuelle Dichtung sollte eine Undichtigkeitsrate von
nicht größer als
1,0 × 10–1 ATM-cc/sec.
He haben.
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Die
Leistungsfähigkeit
der Borosilikat-Glas-Metall-Durchführungen ist in der Industrie gut
demonstriert worden. Zur Zeit werden Mikroelektronikverpackungen
unter Verwendung dieser Durchführungen
routinemäßig mit
Heliumundichtigkeitsraten von nur 1 × 10–1 atm
Kubikzentimeter pro Sekunde hergestellt.
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Trotz
ihrer Wirksamkeit haben Glas-Metall-Dichtungen einen Nachteil. Sie
sind nicht dauerhaft. Das Glas ist spröde. Wenn der vom Glas eingeschlossene
Metallstift der Durchführung
bei der Handhabung oder dem Testen verwunden, gebogen oder deformiert
wird, werden Glasteilchen bei dem den Stift umgebenden Glasmeniskus
gebrochen. Dieser Bruch gefährdet
die Unversehrtheit der Durchführung.
In einigen Fällen
treten radiale Risse oder Risse entlang des Umfangs im Glas auf.
Diese Risse können
von Unterschieden in den thermischen Ausdehnungseigenschaften zwischen
dem Glas und dem Stift herrühren,
oder aus einer Art von Ermüdung
oder aus anderen Gründen,
die unbekannt bleiben.
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Jedoch
kann sich der Riss, sogar sobald ein kleiner Riss auftritt, bei
wiederholtem thermischen Zyklieren ausbreiten, wie es während normaler
Benutzung der elektrischen Vorrichtung mit der Verpackung auftritt.
Sobald Rissausbreitung auftritt, kann mechanische Bewegung der Verpackung
oder mechanische Beanspruchungen, die von der Handhabung, Verschiffung,
Flugzeug- oder Raumfahrzeugschwingung herrühren, die Risse verschlimmern
und die Durchführung
beginnt, merkenswert undicht zu sein. Atmosphärische Gase können dann
in die Verpackung eintreten und die inneren integrierten Schaltkreise
beschädigen.
Sogar wenn der anfängliche
Riss im Glas nicht die Glasdichtung durchdringt, kann der Riss einen
guten Teil der Länge
des Metallstifts offen legen. Wenn dies auftritt, kann nachfolgender
chemischer Angriff den verbleibenden Teil des Stifts in Mitleidenschaft
ziehen und schließlich die
Dichtung brechen und die Unversehrtheit der Verpackung zerstören. In
Anbetracht der Zerbrechlichkeit von Gläsern lassen Fachleute bei der
Herstellung von Vorrichtungen, welche diese RF-Durchführungen enthalten,
notwendigerweise eine besondere Vorsicht bei der Handhabung walten,
um die Unversehrtheit des Produkts sicherzustellen. Man könnte sich einen
dynamischeren und kostengünstigeren
Zusammenbauprozess wünschen,
wie er möglich
wäre, wenn
die Glasdichtungen keine solch vorsichtige Handhabung benötigten.
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Zusätzlich zu
seiner Zerbrechlichkeit ist die Glasdichtungsstruktur mit größeren „Verlusten" bei seinen elektrischen
Eigenschaften versehen, als man wünschen würde, hauptsächlich aufgrund der Verwendung
von Kovar-Material für
den zentralen Stift. Kovar ist ein schlechter elektrischer Leiter;
es ist bei der Glasdurchführung
nur dadurch annehmbar geworden, dass der offengelegte Teil der Außenoberfläche des
Stifts mit Metallen höherer
Leitfähigkeit versehen
ist, wie zum Beispiel einer Schicht von Nickel, gefolgt von einer Überschicht
aus Gold. Leider muss das Kovar, um die hermetische Glas-Metall-Dichtung
zu bilden, bei den Bereichen oxidiert werden, die in Kontakt mit
dem Glas treten sollen, um das Überziehen
mit Borosilikatgläsern
zu er lauben. Diese Oxidoberfläche
beeinträchtigt
die elektrische Leitfähigkeit
der Glasdurchführung,
was zu einer wesentlichen Einschränkung des Stroms führt, der durch
den Glasperlenbereich der Durchführung
führt.
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Die
Leitfähigkeit
des Stifts ist von dem „Haut-Effekt" (skin effect) abhängig, der
in der Literatur zur Übertragungsleitung
beschrieben und den RF-Ingenieuren wohlbekannt ist. Dieser Effekt
zwingt den Großteil
des Stroms dazu, im Wesentlichen entlang der Außenoberfläche der elektrischen Leiter
zu fließen,
wobei sich die elektrischen Felder nur in eine kurze Tiefe unter
der Oberfläche
erstrecken. Wegen dieses Phänomens
bildet Gold, das sehr leitfähig
ist und auf einen anderen Leiter, wie zum Beispiel Kovar, aufgebracht
ist, ein exzellentes Kabel für
die Leitung. Bei RF-Frequenzen über 20 Ghz
ist der Haut-Effekt stärker,
wodurch die RF-Felder auf die Oberfläche und eine minimalen Tiefe
im Leiter konzentriert sind. Da der Kovar-Stift mit einer Goldschicht
versehen ist, tritt der Hauptteil der RF-Übertragung prinzipiell in und
entlang der Goldschicht und nicht wesentlich in dem darunter liegenden
hochresistiven Kovar auf. Aus diesem Grund ist es möglich, Kovar-Material
als Teil einer RF-Übertragungsmediums
zu nehmen, ohne dass das RF-Signal wesentliche Widerstandsverluste
erleidet. Jedoch können
bei der Glas-Metall-Dichtung nur die Teile des Kovar-Stifts, die
außerhalb
der Glasteile liegen, vergoldet sein, um die elektrische Leitfähigkeit
des Stifts zu erhöhen.
Der zentrale Teil des Kovarstifts, der durch die Glasperle hindurchpasst,
kann jedoch aus dem oben genannten Grund nicht vergoldet sein und schadet
daher der elektrischen Leitfähigkeit
des Übertragungswegs.
Die Glas-Metall-Durchführung weist
daher eine niedrige elektrische Wirksamkeit auf.
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Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend, die
elektrische Wirksamkeit der RF-Durchführungen zu verbessern, indem die
elektrische Leitfähigkeit
der Durchführung
erhöht wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, RF-Durchführungen bereitzustellen, die
physikalisch widerstandsfähiger
und haltbarer als der Glas-Metall-Typ sind, indem Glas aus der Durchführungsstruktur
eliminiert wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine neue Durchführungsstruktur
bereitzustellen, die Metalle mit höherer elektrischer Leitfähigkeit
als Kovar verwendet.
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Eine
zusätzliche
Aufgabe der Erfindung ist, die Wirksamkeit zu erhöhen, mit
welcher RF-Durchführungen
in elektrischem Gerät
installiert werden können.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine glasfreie RF-Durchführung bereitzustellen,
die eine Helium-Undichtigkeitsrate von weniger als 1 × 10–1 Atmosphären Kubikzentimeter
pro Sekunde hat und von größerer Haltbarkeit
als die Durchführungen
vom Glas-Metall-Typ sind.
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Eine
Nebenaufgabe der Erfindung ist, eine neue Durchführungsstruktur bereitzustellen,
deren Zentralstift wie gewünscht
gebogen oder geradegezogen werden kann, ohne die hermetische Dichtung der
Durchführung
zu beschädigen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß den oben
genannten Aufgaben ist eine verbesserte RF-Durchführung aus
Metall und Keramik gebildet, wodurch Glas vollständig eliminiert wird. Die Keramik-Metall-Durchführung ist
gekennzeichnet durch einen Metallstift, eine Metallflanschoberfläche, die
den Stift einfasst und daran fest gemacht ist, eine unterlegscheibenförmige Scheibe
aus starkem dielektrischen Material, das nicht aus Glas ist, wie
zum Beispiel Aluminiumkeramik, wobei die zentrale Öffnungsscheibe
die Erstreckung des Stifts dadurch, aber nicht durch die Flanschoberfläche, erlaubt.
Bei einem in Übereinstimmung
mit der Erfindung entworfenen Ausführungsbeispiel ist die Keramikscheibe
mit einem metallisierten Innenrand auf einer Seite zum Verlöten mit
der Flanschoberfläche und
einem metallisierten Außenrand
auf einer gegenüberliegenden
Seite zum Verlöten
mit einer anderen Metallflanschoberfläche eines Metallendrings oder einem
in einer Metallverpackungswand gebildeten zylindrischen Hohlraum
ausgestattet.
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Der
Metallstift kann aus einem der Metalle mit höherer Leitfähigkeit gebildet sein, die
eine Leitfähigkeit
größer als
die von Kovar-Material haben. Alternative Ausführungsbeispiele können Silber,
Kupfer, Molybdän,
Messing und bei unbeschränktem Budget
sogar Gold für
den Zentralleiter der Durchführung
verwenden. Weichlot- oder Hartlot-Dichtungen können mit kontinuierlich beschichteten
Metallen höherer
Leitfähigkeit
ohne unbeschichtete zentrale Bereiche, wie sie mit Kovar bei Glas-Metall-Dichtungen benötigt werden,
durchgeführt
werden. Bei weniger bevorzugten Ausführungsbeispielen kann ein Kovar-Stift,
der mit einem hochleitfähigen
Material, wie zum Beispiel Gold, beschichtet ist, benutzt werden.
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Mit
der vorliegenden Durchführung
wird wirksame breitbandige Durchführungsübertragung von Millimeterwellensignalen
mit geringerem Eingangsverlust und hohem Rückkehrverlust als bei einer Glas-Metall-Durchführung erhältlich und
größerer Halt barkeit,
als von einer Durchführung
von Keramik-Metall-Konstruktion erreicht wird, erreicht.
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In Übereinstimmung
mit einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung dient die vorangehende Durchführung als das Hauptelement
einer neuen Mikrowellen-Mikrostrip-Leitung
für den
Wellenleiterübergang.
Bei diesem Übergang
ist ein Mikrowellen-Eingangselement fest eingebaut befestigt am oder
auf dem Ende des Zentralstifts der Durchführung gebildet, um eine einheitliche
einteilige Baugruppe zu bilden. Der neue Übergang erlaubt einem Wellenleiter,
unmittelbar über
dem Eingangselement angebracht zu werden, was eine kompaktere Baugruppe
erlaubt.
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Die
vorangehenden und zusätzliche
Ziele und Vorteile der Erfindung zusammen mit der dafür charakteristischen
Struktur, welche nur kurz in den vorangehenden Abschnitten zusammengefasst
worden ist, wird den Fachleuten beim Lesen der ausführlichen
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels deutlicher
werden, welche in der Beschreibung folgt, zusammen mit der Darstellung
desselben, die in den begleitenden Zeichnungen vorgestellt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen:
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stellt 1 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Schnittansicht dar;
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ist 2 eine
schematische elektrische Darstellung des Ausführungsbeispiels der 1;
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stellt 3 ein
zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung in Schnittansicht dar; Veranschaulicht 4 bildlich
ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Schnittansicht;
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stellt 5 bildlich
ein viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Schnittansicht dar;
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ist 6 eine
schematische elektrische Darstellung des Ausführungsbeispiels der 5;
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stellt 7 ein
Ausführungsbeispiel
eines Übergangs
von einer Mikrostrip-Leitung zu einem Wellenleiter dar, der teilweise
mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
gebildet ist; und
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Stellt 8 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines
Mikrostrip-Wellenleiter-Übergangs
in Schnittansicht dar.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein
Ausführungsbeispiel
der RF-Durchführung,
die in Übereinstimmung
mit der Erfindung konstruiert ist, ist in einer nicht maßstabsgetreuen Schnittansicht
in 1 dargestellt, auf welche Bezug genommen wird.
Um Missverständnissen
vorzubeugen soll anfangs bemerkt werden, dass der Ausdruck RF, der
ursprünglicherweise
nur als ein Akronym für Radiofrequenz,
wie hier als Teil des Ausdrucks RF-Durchführung verwendet, benutzt wurde,
hier dazu gedacht ist, alle Frequenzen von elektromagnetischer Energie,
die nicht nur für
Radio, sondern auch für
Radar benutzt werden, zu umfassen. Der Ausdruck umfasst nicht nur
die niedrigen, hohen und sehr hohen Frequenzen, die im Energiespektrum
gefunden werden, sondern auch die Mikrowellen- und Millimeterwellen-Frequenzen. Bei
einer praktischen Anwendung, die von den vorliegenden Anmeldern
für die
Durchführung
erwogen wird, ist die verwendete RF 50 Ghz, eine Frequenz, welche
in den Millimeterwellenbereich des Energiespektrums fällt.
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Die
Durchführung
aus 1 umfasst ein Metallendstück 1, eine keramische
Scheibe 3 und einen Metallstift 5, die wie dargestellt
zusammengebaut sind, geeigneter Weise durch Hartlöten und/oder Weichlöten. Das
Endstück 1 ist
von der Geometrie her im Wesentlichen ein hohler Zylinder, der eine
radial nach innen hervorstehende ringförmige Leiste 11 einer
vorherbestimmten Dicke enthält.
Die Leiste steht von der inneren zylindrischen Wand des Endrings
in einem rechten Winkel zur Achse des Endrings ab. Obwohl er den
axialen Durchgang durch den Endring ein wenig einschränkt, lässt der
kreisförmige
Rand der Kante 11 einen relativ breiten zylindrischen Durchgang,
der auf der Hauptachse des Endrings zentriert ist. Geeigneter Weise
ist der Endring aus Kovar gebildet.
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Der
Stift 5 ist aus einem elektrisch leitfähigen Metall gebildet, wie
zum Beispiel Kupfer, Molybdän, Silber
oder Messing, da es die Ausbreitung von RF mit niedrigem Widerstandsverlust
unterstützt.
In weniger bevorzugten Ausführungsbeispielen
kann der Stift aus Kovar geformt sein, das mit Gold beschichtet ist.
Der Stift 5 umfasst einen fest eingebauten ringförmigen Flanschteil 13,
der ungefähr
in der Mitte entlang der Länge
des Stifts angeordnet ist, der sich über eine kurze Entfernung von
der zylindrischen Oberfläche
mit kleinerem Durchmesser radial nach außen erstreckt, die den Hauptteil
der Länge
des Stifts ausmacht. Der Flansch dient als ein Kragen, der den schmaleren
Schaft umkreist, und, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird,
als eine Bindeoberfläche.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der leitende Stift in seiner Länge größer als die axiale Länge des
Endrings 1, wodurch sich die Enden des Stifts bis jenseits
der Enden des Endrings erstrecken. Dies erlaubt externen elektrischen
koaxialen RF-Steckverbindern, einfacher die vorderen und/oder hinteren
Enden des Stifts zu erreichen, wenn die Durchführung im Betrieb eingesetzt
wird.
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Die
Scheibe 3 ist in ihrer Geometrie unterlegscheibenförmig, von
einer vorherbestimmten Dicke und enthält einen schmalen zylindrischen
Durchgang durch das Zentrum, durch welches der Stift 5 hervorsteht.
Der kleine zylindrische Durchgang ist in seinem Durchmesser ausreichend,
um dem schmalen zylindrischen Bereich des Stifts 5 zu erlauben,
durchzugehen, aber ist zu klein, um den Durchgang des Flansches 13 des
Stifts zu erlauben, der im Wesentlichen an der Scheibe abschließt. Die
Scheibe unterstützt den
Stift in der zentralen Position in der Baugruppe koaxial von den
Metallwänden
des Endrings und isoliert den Stift elektrisch von diesen Metallwänden.
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Die
Scheibe 3 ist aus einem dielektrischen Material mit niedrigem
Verlust konstruiert, das steif, für Gase undurchdringlich und
stark ist, wie zum Beispiel Berylliumoxid, Quarz-Materialien, Siliziumdioxid,
Cordierit und vorzugsweise Aluminium. Das ausgewählte Material besitzt auch
eine gut verstandene thermische Ausdehnungseigenschaft und die beschriebenen
Metallelemente sind ausgewählt,
um die thermische Ausdehnungseigenschaft so gut wie es die Technologie
erlaubt zu treffen. Alle resultierenden Kräfte, die aus einer kleinen
Differenz in der thermischen Ausdehnungseigenschaft zwischen den
Elementen herrührt,
wird von der Stärke
der die Elemente bildenden Materialien aufgenommen, einschließlich der
Stärke
der dielektrischen Scheibe.
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Um
beim Hartlöten
oder Löten
der Elemente zusammen mit der Scheibe 3 in die einheitliche
dargestellte Baugruppe zu helfen, wird ein schmaler Ring aus metallisiertem
Material 7 entlang des Außenrands der oberen Oberfläche der
Scheibe 3 aufgetragen und verbunden, und ein zweiter schmaler Ring
aus metallisiertem Material 9 wird entlang der Bodenfläche der
keramischen Scheibe aufgetragen, die an den zentralen kreisförmigen Durchgang
durch die Scheibe angrenzt. Diese metallisierten Ringe werden unter
Verwendung herkömmlicher
Technik vor dem Zusammenbau der Scheibe im Endring auf der Scheibe 3 gebildet.
Weichlot- oder Hartlot-Vorformen 8 und 10 werden
vorgeformt und zwischen den metallisierten Oberflächen der
Scheibe und des Körpers
angeordnet. Indem die Temperatur bis zu den jeweiligen eutektischen
Temperaturen angehoben werden, werden die Elemente zusammen verbunden.
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Fachleute
können
bemerken, dass der Stift 5 auch durch Verwendung von Weichlot- oder Hartlot-Material,
welches auf der zylindrischen Wand des zentralen Durchgangs in der
Scheibe 3 angeordnet ist, mit der Scheibe verbunden werden
könnte.
Jedoch ist diese Struktur weniger zuverlässig und schwieriger herzustellen
und bildet daher keinen Teil der vorliegenden Erfindung.
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Es
wird zu schätzen
gewusst, dass die Elemente der RF-Durchführung eine fest zusammengebaute
Baugruppe bilden, welche für
Gas undurchdringlich ist und eine hermetische Barriere zwischen den
Vorder- und Rückseiten
davon bildet. Die vorangehende Durchführungsstruktur stellt eine
elektrische Gleichstromverbindung durch den Stift 5 bereit und
kann daher alternativ verwendet werden, um zusätzlich zur RF-Gleichströme zu leiten,
ein herkömmliches
Merkmal von Durchführungen.
Beim Betrieb pflanzt sich RF-Energie, die an einem Ende des Stifts 5 angelegt
wird, zu dem anderen Ende des Stifts und zu einem elektrischen RF-Steckverbinder
fort, welcher in der Praxis mit dem Ende des Stifts verbunden ist
und der RF erlaubt, sich dadurch fortzupflanzen und an externe Schaltkreise
verteilt zu werden, idealerweise mit maximaler Leistungsübertragung.
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Fachleute
auf dem Gebiet der Mikrowellen- und RF-Übertragungsleitungen, insbesondere
der koaxialen Übertragungsleitungen,
erkennen, dass die vorangehende mechanische Baugruppe eine kurze
Koaxialleitung definiert, die bestimmte elektrische RF-Merkmale
besitzt. Diese Merkmale können
weiter vereinfacht und schematisch als ein einfacher Einzelbereichstiefpassfilter
dargestellt werden, gebildet aus zwei Induktivitäten und einer Kapazität, wie in 2 schematisch
dargestellt. Schematisch ist die Durchführung in der Form eines „T"-Tiefpassfilters
dargestellt, in welchem die Selbstinduktivität der koaxial angeordneten
Wände des
Endrings und der Oberfläche
des Stifts auf einer Seite der Scheibe durch L1 und das auf der
anderen Seite der Scheibe von L2 dargestellt ist. Die von der Scheibe
bereitgestellte Kapazität
ist durch C1 dargestellt. Die Kapazität, die von dem Luftdielektrikum
zwischen den Metallelementen bereitgestellt wird, ist so viel geringer
als die der Scheibe und wird in der schematischen Darstellung vernachlässigt. Die
Induktivität
der Scheibe und des Bereichs ist auch unwesentlich und wird vernachlässigt.
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Da
die Durchführung
dazu dient, RF-Energie zwischen den Anschlüssen über einen Frequenzbereich weiterzuleiten,
sollte die Struktur der Durchführung „breitbandig" in der charakteristischen
Eigenschaft sein oder, wie andernorts erklärt, das niedrigstmögliche Verhältnis von
Spannung zur stehenden Welle, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), über ein
breites Band von Frequenzen haben. Das bedeutet, dass die parasitären Induktivitäten L1 und
L2 und die parasitäre
Kapazität
C minimiert werden sollten, während
sie so gewählt
werden, dass sich ihre Auswirkungen gegenseitig aufheben.
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Obwohl
steif, stark und für
Gas undurchdringlich besitzt das Aluminium in der vorangehenden
Durchführung
eine hohe dielektrische Konstante εr, was
eine Kapazität
zum elektrischen Massenpotential erzeugt, welche im Betrag übermäßig ist.
Um diese zusätzliche
Nebenkapazität
zu kompensieren, muss der Übertragungsschaltkreis
durch die Durchführung
eine ausreichende Induktivität
enthalten. Allgemein gesprochen kann diese Induktivität durch
das Vergrößern der
Länge des
Stifts vergrößert werden. Die
Induktivität
kann auch durch Ändern
des Durchmessers eines Teils des Stiftes vergrößert werden, um einen kürzeren Umfang
bereitzustellen und/oder weiter von der zylindrischen Metallinnenwand
des Endrings zu sein. Um die Induktivität zu vergrößern, kann genauso der Innendurchmesser
des Endrings vergrößert werden,
um die Wand weiter von der Oberfläche des Stifts entfernt anzuordnen.
Obwohl die in der technischen Literatur erhältlichen mathematischen Formeln
eine allgemeine Anleitung bieten, um die geeigneten Abmessungen
und Beabstandung zwischen den Übertragungsleitungselementen
einzurichten, sind gemäß dieser
Anleitung Tests und Simulationen gewünscht, um ein genaueres Ergebnis zu
liefern.
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Für maximalen
RF-Leistungsübergang
zwischen Übertragungsleitungen
tritt das VSWR (Low Voltage Standing Wave Ratio) auf, wenn die verbindenden Übertragungsleitungen
oder Wellenleiter dieselbe charakteristische Impedanz Z0 bei
der interessierenden Hauptfrequenz haben, wie zum Beispiel 50 GHz.
Daher sollte der Tiefpassfilter dieselbe charakteristische Impedanz
bei seinem Eingang wie die Übertragungsleitung
haben, welche bei der Anwendung mit ihr verbunden ist, d.h. dem
Eingangsende des Stifts 5. Genauso sollte die Ausgangsimpedanz des
gebildeten Tiefpassfilters der Übertragungsleitung
gleichkommen, die bei der Anwendung mit ihr verbunden ist, d.h.
dem Ausgangsende des Stifts 5. Als ein Beispiel haben die
externen Transmissionsleitungen, die für die Benutzung mit einem praktischen Ausführungsbeispiel
der RF-Durchführung
betrachtet werden, üblicherweise
charakteristische Widerstände
von ungefähr
50 Ohm und daher ist der Eingang und der Ausgang der RF-Durchführung entworfen, um
denselben Widerstandswert zu haben.
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Die
Auswirkungen der parasitären
Widerstände
der Keramikscheibe 3 und Flansche 11 und 13 können mit
geeigneten Geometrien minimiert werden, was zu einem minimalen VSWR über die
breiteste Bandweite führt.
Eine weitere Verringerung in der VSWR für schmalere Bandbreiten kann
dann erreicht werden, indem Längen
von Niedrig- oder Hoch-Widerstandsbereichen in das Gehäuse eingearbeitet
werden, benachbart zu dem Keramik-Durchführungsbereich bei dem Eingang
und/oder dem Ausgang.
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Bei
der beabsichtigten Anwendung für
die vorangehende Durchführung
ist die Metallverpackungswand, in welcher die Durchführung installiert werden
soll, vorgebohrt, um das geeignete zylindrische Loch oder den Durchgang
zu bilden, der mit der Größe und der
Form der Außenoberfläche des
Endrings zusammenpasst. Der Endring wird dann in den Durchgang eingesetzt
und vor Ort weichgelötet
oder hartgelötet,
wobei eine hermetische Dichtung zwischen dem Endring und der Wand
gebildet wird.
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Bei
einem praktischen Ausführungsbeispiel der 1 zum
Betrieb bei 50 GHz ist der Durchmesser des Schafts des Stifts 31 0,009
Zoll und die Länge
des Stifts ist insgesamt 0,155 Zoll. Der Flansch oder Kragen 13 ist
0,030 Zoll im Durchmesser und seine Dicke ist 0,010 Zoll. Der enge
zylindrische Durchgang im Eisenring ist auch 0,021 Zoll im Durchmesser,
während
der größere Durchgangsbereich 0,049
Zoll im Durchmesser ist. Die Aluminiumscheibe ist 0,010 Zoll dick
und ist gerade unter 0,120 Zoll in seinem Außendurchmesser. Die zentrale Öffnung in der
Scheibe ist gerade ausreichend, um dem Teil des Stifts mit 0,009
Zoll Durchmesser Spielraum zu erlauben.
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Sollte
jemand wünschen,
auf den Vorteil einer einsetzbaren Durchführung zu verzichten, kann die
Erfindung unmittelbar in die Wand der Verpackung oder des Gehäuses eingebaut
werden, eine Alternative, welche innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden
Erfindung fällt,
wie zum Beispiel in der Teilschnittansicht der 3 dargestellt,
auf welche Bezug genommen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der „Endring" 15 mit seinen geformten
Innenwänden
(und simulierten Außenwänden, die
von den gestrichelten Linien in der Figur dargestellt werden) im
Wesentlichen fest eingebaut in der Metallwand der Verpackung als
eine einheitliche einteilige Baugruppe gebildet. Alternativ kann
dieses Ausführungsbeispiel
als eine „Endring-freie" RF-Durchführung betrachtet
werden.
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Wie
es aus der Darstellung ersichtlich ist, haben die Elemente bei diesem
Ausführungsbeispiel Gegenstücke zu den
Elementen in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Dies umfasst
eine Metallwand 25, geeigneter Weise aus vergoldetem Kovar-Material, das dieselben
strukturellen Merkmale wie der Endring 1 in dem vorhergehenden
Ausführungsbeispiel
bereitstellt, eine Scheibe 17, die aus einem starken, dielektrischen
Material, wie zum Beispiel Aluminium gebildet ist, und einen Metallstift 19, der
aus vergoldetem Kovar gebildet ist, die in der dargestellten permanenten
Beziehung mit Bereichen des Stifts 19, die sich vor und
hinter der Metallwand 15 erstrecken, dargestellt ist. Der
Stift umfasst auch den festeingebauten ringförmigen Kragen 21.
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Wie
bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
umfasst die Scheibe 17 Metallisierungringe 18 und 20,
die in einer größeren Skala
als die übrigen Elemente
dargestellt sind, und jeweils an die äußere Kante der oberen Oberfläche und
die innere kreisförmige
Kante der Bodenfläche
angrenzen. Zum endgültigen
Zusammenbau werden Vorform-Lötringe 22 und 24,
die auch in einem größeren Maßstab dargestellt
sind, geeigneter Weise aus einer 80/20 Gold-Zinn-Zusammensetzung
bestehend, zwischen der Metallisierung und dem Ring in der Innenwand angeordnet,
und der andere zwischen der unteren metallisierten Scheibenoberfläche und
dem oberen ringförmigen
Bereich des Kragens 21. Mit den zusammengepressten Elementen
wird die Baugruppe erhitzt und die Temperatur wird bis zur eutektischen Temperatur
des Lötmittels
und des Reflow-Lötens angehoben.
Beim Entfernen der Hitze wird das Lötmittel fest und bindet die
Elemente elektrisch und mechanisch fest zusammen.
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Um
die Herstellung der geformten Öffnung zu
vereinfachen, während
man eine angemessene Induktivität
und andere wünschenswerte
RF-Eigenschaften, die von der Durchführung benötigt werden, behält, werden
die inneren Wände
des Durchgangs in Form gestuft. Daher werden drei pillen- oder scheibenförmige geformte Öffnungen
aufeinander und zusammen aus dem Durchgang gebildet. Die erste Stufe
ist weit genug, um Platz für
Scheibe 17 zu bieten, und enthält eine ringförmige Stufe,
gegen welche die obere Kantenoberfläche der Scheibe gebunden wird. Diese
gestuften Durchmesser sind entworfen, um eine optimale RF-Koaxialstruktur
bereitzustellen, wenn sie mit den gegebenen Stiften 19 und
der Scheibe 17 kombiniert wird.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung nimmt zwei Aluminiumscheiben wie in der Teilschnittansicht
der 5 gezeigt auf. Diese Durchführung enthält ein zylindrisches Endstück 35,
das aus vergoldetem Kovar-Material gebildet ist, ein Paar von unterlegscheibenförmgigen
dielektrischen Scheiben 37 und 39, die geeigneter
Weise aus Aluminium gebildet sind und einen „Rollstift"-geformten oder -gestuften zylindrischen
Metallstift 41, der aus vergoldetem Kovar gebildet ist.
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Der
Endring umfasst eine innere ringförmige Kante an jedem seiner
vorderen und hinteren Enden, um die äußeren Umfangskanten der Aluminiumscheiben 37 und 39 zu
unterstützen.
Die Scheiben sind in der Struktur identisch. Jede enthält eine
zentrale zylindrische Öffnung
oder Durchgang, die ausreichend sind, um den kleineren zylindrischen
Enden des Stifts 41 zu erlauben, sich durch die entsprechenden
Scheibendurchgänge
hervorzustehen, aber nicht durch den größeren Durchmesserteil. Jede Scheibe
enthält
ein Paar von Metallisierungsringen an einer der Oberflächen: ein
Ring 38 grenzt an die äußere Kante
der Scheibe an und der andere Ring 40 grenzt an den zentralen
Durchgang an.
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Der
Stift 41 umfasst eine ringförmig geformte Stufe an jedem
Ende, welches den Übergang
zwischen dem „Griff"-Teil der Rollstiftform
mit kleinerem Durchmesser und dem „Rollstift"-Teil des Stifts 41 mit größerem Durchmesser.
Beim Zusammenbau werden die entsprechenden Ringe mit den benachbarten inneren
Metallisierungsringen auf den benachbarten Keramikscheiben verlötet. Die äußeren Metallisierungsringe
auf den Scheiben werden an die entsprechenden Kanten auf dem Endring 35 gelötet. Das Verlöten dichtet
die Durchführung
wirksam hermetisch ab.
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Die
RF-Koaxialübertragungsleitung,
die von der vorhergehenden Durchführungskonstruktion dargestellt
wird, kann schematisch durch den „Pi"-konfigurierten Tiefpassfilter, der
in 6 dargestellt ist, dargestellt werden. In dieser
Figur stellt L3 die Induktivität
der Durchführung
dar und C3 und C4 stellen die Kapazitäten dar, die von den dielektrischen Scheiben
eingeführt
werden. Die Kapazität
aufgrund der Luftisolation zwischen den inneren und äußeren Leitern,
die viel kleiner als die von den Scheiben ist, kann vernachlässigt werden.
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Bei
den vorangehenden Ausführungsbeispielen
wurde Aluminium als dielektrisches Material verwendet. Jedoch können andere
elektrische Materialien, die auch stark, steif und relativ undurchdringlich
für Gase
sind, in der Lage sind, metallisiert und hartgelötetet oder weichgelötet mit
dem für
den Endring und den zentralen Stift ausgewählten Metall zu werden und
ausreichend ähnliche
thermische Ausdehnungseigenschaften wie diese Metalle haben, ersetzt
werden. Einige solcher dielektrischen Materialien umfassen Saphir,
Einkristall-Quarz, Cordierit und Beryllium.
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Wie
Fachleute zu schätzen
wissen, ist es, wenn ein anderes Isolationsmaterial mit einer von Aluminium
verschieden dielektrischen Konstante Aluminium ersetzen, notwendig,
die Ausmaße
der Metallelemente zu ändern,
eine Induktivität,
wie geeignet, hinzuzufügen
oder zu verringern, um die Beziehung zwischen den kapazitiven und
induktiven Widerständen
beizubehalten, wie die gewünschte
charakteristische Impedanz bei den Eingangs- und Ausgangsenden der
Durchführung
beibehalten wird.
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Andere
Metalle mit hoher Leitfähigkeit
können
im Stift Kovar ersetzen, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf,
Kupfer, Messing oder Molybdän.
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Je
niedriger der Oberflächenwiderstand
des Metalls ist, desto niedriger ist die in der Durchführung erzeugte
Einfügungsdämpfung.
Eine gute Einfügungsdämpfung ist
eine, die weniger als 0,2 dB ist. Von den aufgezeigten Metallen
ist Kupfer das am besten leitende und das mit dem geringsten Widerstand.
Daher würde
mit Kupferstiften die Durchführung
die besten Einfügungsdämpfungskennzahl
haben, das heißt,
der geringste Einfügungsdämpfungsverlust.
Jedoch besitzt Kovar, obwohl es hochohmiger ist, eine thermische
Ausdehnungseigenschaft, die der thermischen Ausdehnungseigenschaft
von Aluminium besser entspricht als Kupfer. Jedoch muss Kovar, um
in den vorangehenden Durchführungen
nützlich
zu sein, mit einem stärker
leitfähigen Metall
versehen sein. Für
eine größere Haltbarkeit bei
Situationen, in welchen die RF-Durchführung größeren Temperaturschwankungen
durchmacht, bietet Kovar daher den besseren Kompromiss und die bevorzugte
Wahl. Wo weite Temperaturschwankungen nicht erwartet werden, ist
ein intrinsisch hoch leitfähiges,
das heißt,
niederohmiges Metall, wie zum Beispiel Kupfer, die bevorzugte Wahl,
wobei der Stift 15 weniger kostspielig herzustellen ist.
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Bei
der vorliegenden Beschreibung wird das Wort „fest eingebaut" in Verbindung mit
der Beschreibung der Kante auf dem Eisenring und dem Kragen auf
dem Stift verwendet. Der Begriff wird in dem Sinne verwendet, dass
die genannte Komponente mit dem jeweiligen Element gebildet wird,
an welches es in einem Stück
angebracht wird, wobei es eine einheitliche einteilige Baugruppe
definiert.
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Die
vorangehende Durchführungsstruktur kann
einfach an eine zusätzliche
Funktion angepasst werden, nämlich
einen Mikrostrip-Wellenleiter-Übergang,
durch Hinzufügung
eines „Einkopplers" an ein Ende, welcher
eine Mikrowellen-Mode koppelt, die sich in dem Wellenleiter fortpflanzen
kann. Solch ein Einkoppler kann aus leitfähigem Metall in der Form eines
Kreuzes oder T gebildet werden, oder kann als ein vergrö ßerter Zylinder
oder eine Kappe gebildet werden, wobei beide bekannte Wellenleiterkopplungsvorrichtungen
sind.
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Wie
in 7, auf welche Bezug genommen wird, bildlich dargestellt
ist, umfasst eine Durchführung 43,
die in Übereinstimmung
mit einem der vorangehenden Ausführungsbeispiele
konstruiert ist, einen leitfähigen
Metallstift 45. Das „T"-geformte Metallteil,
welches als der Einkoppler dient, wird invertiert und an dem Ende
des Stifts 45 angebracht, wobei eine fest zusammengebaute
Baugruppe gebildet wird. Bei der Anwendung ist die Durchführung innerhalb
der Wand einer elektrischen Baugruppe installiert und in dieser
Installation ist das Bodenende des Stifts 45 unmittelbar
oder mittelbar mit einer Mikrowellen-Mikrostrip-Leitung, die auf
einem Substrat gebildet ist, verbunden. Bei dem anderen Ende des Stifts 45,
das den Einkoppler 47 umfasst, wird ein rechtwinkliger
Wellenleiter 48 über
dem Einkoppler eingesetzt. Im Wesentlichen wird der Einkoppler 47 durch
eine Öffnung
in der Wand des Wellenleiters eingesetzt und, wie es üblich ist,
bei einem Ort innerhalb des Wellenleiters angeordnet, wo der Einkoppler Mikrowellenenergie
an die elektrischen Felder der dominanten Mikrowellenmode für den Wellenleiter koppelt.
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8 veranschaulicht
bildlich einen entsprechende Strip-Leitung-Wellenleiter-Übergang, der den zweiten erwähnten Einkoppler
von zylindrischer Geometrie verwendet. Daher umfasst die Durchführung 51 einen
zentralen leitfähigen
Metallstift 53. Der leitfähige Metallzylinder 55,
der den Einkoppler definiert, ist fest eingebaut an einem Ende des
Stifts 53 angebracht, während
das entgegengesetzte Ende des Stifts der Verbindung mit einer Strip-Leitung
dient. Wie in dem vorhergehenden Fall wird ein rechtwinkliger Wellenleiter 56 über dem
Einkoppler 55 angeordnet und letzterer ist darin angeordnet,
um an eine dominante Mode zu koppeln. Bei seinem anderen Ende ist
der Stift 53 mit einer Mikrowellen-Mikrostrip-Leitung 54 verbunden,
die auf einer Seite eines Schaltkreisbaugruppensubstrats 52 gebildet
ist.
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Die
letzteren zwei Strukturen kombinieren die Vorteile der neuen Durchführungskonstruktion und
einen fest eingebauten Mikrowellen-Wellenleiter-Übergang.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines Übergangs von
einer Mikrowellen-Mikrostrip-Leitung zu einem Wellenleiter ist in
Teilschnittansicht in 4 dargestellt, auf welche Bezug
genommen wird. Aus der vorhergehenden Beschreibung erkennt man die
Elemente der Einzelscheibendurchführungskonstruktion. Diese umfasst
auch einen Endring 27, eine Aluminiumscheibe 29,
die Metallisierungsringe 28 und 30 enthält, und
einen vergoldeten Kovar-Stift 31. Für zusätzliche Konstruktionsdetails
der Baugruppe und Alternativen mag sich der Leser auf die Beschreibung der 1 und 3 beziehen,
welche nicht wiederholt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält die innere
zylindrische Wand des Endrings eine einzelne Stufe mit einem breiteren
Durchmesserteil, der ausreichend ist, um für die Scheibe Platz zu haben,
und einen Teil mit kleinerem Durchmesser, der von dem schmaleren
Teil der zylindrischen Oberfläche
des Stifts 31 beabstandet ist.
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Anstelle
eines Kragens hat der Stift 31 in der Figur einen zylindrischen
Teil 33 mit vergrößertem Durchmesser
an dem Bodenende, welcher mit dem Schaft des Stifts fest eingebaut
ist. Der Teil mit vergrößertem Durchmesser
ist eine Mikrowellenkopplung, von welcher Mikrowellen in einen rechtwinkligen
Wellenleiter gekoppelt werden können
und ist in einem Stück
mit einem Durchführungsstift
gebildet. Die Oberfläche,
die in Stift 31 als ein Ergebnis der Vergrößerung des
Durchmessers zu dem Teil 33 mit vergrößertem Durchmesser gebildet
ist, ist mit dem Metallisierungsband auf der Scheibe mit einem 80/20 Gold-Zinn-Legierungs-Vorformring
verbunden. Die Scheibe ist ihrerseits mit der kreisförmigen Stufenoberfläche im Eisenring 27 verbunden,
auch mit einem 80/20 Gold-Zinn-Legierungs-Vorformring.
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Idealerweise
sind Durchführungen
der vorliegenden Bauart über
einen Frequenzbereich von Gleichstrom bis 50 GHz verwendbar. Sie
sind in ihren Eigenschaften breitbandig; das heißt, um die Hauptfrequenz, für dessen
Benutzung sie entworfen sind, zeigen sie eine Widerstandscharakteristik,
die relativ flach oder konstant über
einen Frequenzbereich ist, der sich oberhalb der Hauptfrequenz um
mindestens 10% und unterhalb der Hauptfrequenz um denselben Prozentsatz
erstreckt. Insbesondere bei einer Frequenz von 44 GHz sollte sich
die Bandbreite von 40 GHz bis 48 GHz erstrecken.