WO2013120469A1 - Rf bushing - Google Patents

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feedthrough
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Michael Lausch
Albert Chmelicek
Harald Mayr
Dirk HÖFIG
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Eads Deutschland Gmbh
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    • H01R24/00—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure
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    • H01R24/40—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts specially adapted for high frequency
    • H01R24/50—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure having concentrically or coaxially arranged contacts specially adapted for high frequency mounted on a PCB [Printed Circuit Board]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced with unbalanced lines or devices
    • H01P5/103—Hollow-waveguide/coaxial-line transitions

Definitions

  • the invention relates to an RF implementation according to the features of patent claim 1.
  • feedthroughs are made of glass and metal, the glass being disposed in a hole in the packaging wall, serving as an insulating support and dielectric that holds a straight metal pin, the transmission lead, in an insulated relationship with the walls of the metal package as an impenetrable barrier to the outside environment.
  • US 5,376,901 discloses a hermetically sealed millimeter-waveguide insertion transition bushing for passing high frequency electrical signals into a circuit including at least one waveguide. It uses glass to fill in the space defined by a ring and pin to hermetically seal the pin within the ring and isolated from the waveguide wall.
  • RF feedthroughs are e.g. from DE 699 23 805 T2 or DE 20 2009 001 395 U1.
  • US Pat. No. 7,517,258 B1 describes an HF feedthrough comprising two sleeves enclosing a central conductor and welded together, wherein a sleeve is completely filled with a dielectric material.
  • a further HF feedthrough is known, in which an HF feedthrough is formed by means of a sleeve whose length corresponds to the through-hole through a housing.
  • borosilicate glass is allowed to flow back between the central metal pin, typically a pin formed of Kovar material, and the outer end ring. When reflowed, the molten glass forms a glass meniscus around part of the length of the pin. When hardened, the glass forms a strong outer seal.
  • Such glass-to-metal bushings have a disadvantage. They are not permanent. The glass is brittle. When the glass enclosed metal pin is bent or deformed during handling or testing, glass particles are broken in the glass meniscus surrounding the pin. This break endangers the integrity of the execution. In some cases, radial cracks or cracks occur circumferentially in the glass.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a glass-metal lead-through D of the prior art.
  • the reference numeral 1 denotes the wall of a housing.
  • the through-hole DB has a first diameter GD and a second diameter KD.
  • an RF feedthrough is introduced in the area of the through hole DB with the larger diameter GD.
  • the HF feedthrough comprises an annular body RK which is filled with a dielectric material DK.
  • a center conductor ML is arranged to guide the RF signals.
  • the center conductor ML protrudes into the inner and outer area IB, AB of the housing.
  • a connection of the center conductor ML to a substrate can take place.
  • the connection can not be made directly at the exit of the center conductor ML from the ring body RK filled with a dielectric material DK.
  • a so-called Heilkoax LK This results in transmission errors and signal losses.
  • the object of the invention is to provide an RF implementation in which a direct connection to a substrate is possible.
  • the RF feedthrough comprises a sleeve completely filled with a dielectric material and a middle conductor arranged axially in the sleeve for transmitting RF signals.
  • the sleeve has at one end a radially outwardly extending collar part.
  • the collar portion has an outer diameter greater than the central opening of the throughbore.
  • the length of the sleeve completely filled with the dielectric material corresponds to the length of the through-hole.
  • the HF conductor according to the invention makes it easier to contact the center conductor to a substrate.
  • the sleeve is expediently made of Kovar.
  • Sintered glass is expediently used as the dielectric material.
  • the advantage here is that sintered glass combines better thermally and chemically with Kovar than with oxidic surfaces, e.g. Tungsten.
  • a compound with iron is not possible because of the very different expansion coefficients.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an HF implementation according to the state
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an HF according to the invention Execution.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an RF implementation according to the invention.
  • the reference numeral 1 denotes the wall of a housing.
  • the housing 1 has a through hole DB, in which the RF feedthrough D according to the invention can be introduced.
  • the HF feedthrough D has an annular body RK which is filled with a dielectric material DK. Axially in the ring body RK is a center conductor ML arranged to guide the RF signals.
  • the center conductor ML projects into the inner and outer regions IB, AB of the housing 1. In the inner region IB, a connection of the center conductor ML to a substrate (not shown), e.g. a microstrip line or a waveguide made.
  • the HF feedthrough D has a collar part K extending radially outwards.
  • the collar part K has an outer diameter DM_K, which is greater than the diameter DM_DB of the through hole DB.
  • the ring body RK can be glued or soldered into the through hole DB.
  • RF signals of up to 40 GHz can be transmitted.
  • the RF feedthrough may be a glass-to-metal feedthrough.
  • the housing 1 has a matching for the collar part K recess.

Abstract

The invention relates to an RF bushing for being introduced into a passage hole (DB) which is formed in a printed circuit board, a waveguide or a housing, comprising a sleeve (RK), which is completely filled with a dielectric material (DK), and a central conductor (ML), which is arranged axially in the sleeve (RK), for transmitting RF signals, wherein the sleeve (RK) has a collar part (K), which extends outward in the radial direction, at one end, wherein the collar part (K) has an outside diameter (DM_K) which is larger than the central opening (DM_DB) in the passage hole (DB). According to the invention, the length of the sleeve (RK), which is completely filled with the dielectric material, corresponds to the length of the passage hole (DB).

Description

HF-Durchführung  RF implementation
Die Erfindung betrifft eine HF-Durchführung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. The invention relates to an RF implementation according to the features of patent claim 1.
Üblicherweise sind Durchführungen aus Glas und Metall gefertigt, wobei das Glas in einem Loch in der Verpackungswand angeordnet ist, als eine isolierende Unterstützung und Dielektrikum dient, die einen geraden Metallstift, den Übertragungslei- tungsleiter, in einer isolierten Beziehung mit den Wänden der Metallverpackung hält und als eine undurchdringliche Barriere für die Außenumgebung dient. Typically, feedthroughs are made of glass and metal, the glass being disposed in a hole in the packaging wall, serving as an insulating support and dielectric that holds a straight metal pin, the transmission lead, in an insulated relationship with the walls of the metal package as an impenetrable barrier to the outside environment.
Die US 5,376,901 offenbart eine hermetisch abgedichtete Millimeterwellenleiterein- führungsübergangsdurchführung 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. US 5,376,901 discloses a hermetically sealed millimeter-waveguide insertion transition bushing for passing high frequency electrical signals into a circuit including at least one waveguide. It uses glass to fill in the space defined by a ring and pin to hermetically seal the pin within the ring and isolated from the waveguide wall.
Weitere HF-Durchführungen sind z.B. aus DE 699 23 805 T2 oder DE 20 2009 001 395 U1 bekannt. Other RF feedthroughs are e.g. from DE 699 23 805 T2 or DE 20 2009 001 395 U1.
US 7,517,258 B1 beschreibt eine HF-Durchführung aus zwei, einen Mittelleiter umschließenden Hülsen, welche miteinander verschweißt sind, wobei eine Hülse vollständig mit einem dielektrischen Material gefüllt ist. Aus US 6,841 ,731 B1 ist eine weitere HF-Durchführung bekannt, bei welcher eine HF-Durchführung mittels einer Hülse gebildet ist, deren Länge der Durchgangsbohrung durch ein Gehäuse entspricht. Bei der Konstruktion der HF-Durchführung wird Borosilikatglas 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 bil- det das Glas eine starke Außendichtung. US Pat. No. 7,517,258 B1 describes an HF feedthrough comprising two sleeves enclosing a central conductor and welded together, wherein a sleeve is completely filled with a dielectric material. From US Pat. No. 6,841,731 B1 a further HF feedthrough is known, in which an HF feedthrough is formed by means of a sleeve whose length corresponds to the through-hole through a housing. In the design of the RF feedthrough, borosilicate glass is allowed to flow back between the central metal pin, typically a pin formed of Kovar material, and the outer end ring. When reflowed, the molten glass forms a glass meniscus around part of the length of the pin. When hardened, the glass forms a strong outer seal.
Trotz ihrer Wirksamkeit haben solche Glas-Metall-Durchführungen einen Nachteil. Sie sind nicht dauerhaft. Das Glas ist spröde. Wenn der vom Glas eingeschlossene Metallstift der Durchführung bei der Handhabung oder dem Testen 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.  Despite their effectiveness, such glass-to-metal bushings have a disadvantage. They are not permanent. The glass is brittle. When the glass enclosed metal pin is bent or deformed during handling or testing, glass particles are broken in the glass meniscus surrounding the pin. This break endangers the integrity of the execution. In some cases, radial cracks or cracks occur circumferentially in the glass.
Weitere Nachteile von herkömmlichen Glas-Metall-Durchführungen ist, dass der An- schluss einen so genannten Luftkoax aufweist. Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Glas-Metall-Durchführung D aus dem Stand der Technik. Mit dem Bezugszeichen 1 ist die Wandung eines Gehäuses bezeichnet. Die Durchgangsbohrung DB weist einen ersten Durchmesser GD und einen zweiten Durchmesser KD auf. In dem Bereich der Durchgangsbohrung DB mit dem größeren Durchmesser GD ist eine HF-Durchführung eingebracht. Die HF-Durchführung um- fasst einen Ringkörper RK, welcher mit einem dielektrischen Material DK gefüllt ist. Axial in dem Ringkörper ist ein Mittelleiter ML zur Führung der HF-Signale angeordnet. Der Mittelleiter ML ragt in den Innen- und Außenbereich IB, AB des Gehäuses. Im Innenbereich IB kann ein Anschluss des Mittelleiters ML an ein Substrat (nicht dargestellt) z.B. eine Mikrostreifenleitung oder einem Hohlleiter erfolgen. Der An- schluss kann allerdings aus fertigungstechnischen Gründen nicht direkt am Austritt des Mittelleiters ML aus dem mit einem dielektrischen Material DK gefüllten Ringkörpers RK erfolgen. Somit entsteht zwischen dem Austritt des Mittelleiters ML aus dem mit einem dielektrischen Material DK gefüllten Ringkörpers RK und dem Anschluss des Mittelleiters ML an ein Substrat ein so genannter Luftkoax LK. Dadurch ergeben sich Übertragungsfehler und Signalverluste. Aufgabe der Erfindung ist es, eine HF-Durchführung anzugeben, bei welcher ein direkter Anschluss an ein Substrat möglich ist. Further disadvantages of conventional glass-metal bushings is that the connection has a so-called air coax. Fig. 1 shows a schematic sectional view of a glass-metal lead-through D of the prior art. The reference numeral 1 denotes the wall of a housing. The through-hole DB has a first diameter GD and a second diameter KD. In the area of the through hole DB with the larger diameter GD, an RF feedthrough is introduced. The HF feedthrough comprises an annular body RK which is filled with a dielectric material DK. Axially in the annular body, a center conductor ML is arranged to guide the RF signals. The center conductor ML protrudes into the inner and outer area IB, AB of the housing. In the interior area IB, a connection of the center conductor ML to a substrate (not shown), for example a microstrip line or a waveguide, can take place. However, for technical reasons, the connection can not be made directly at the exit of the center conductor ML from the ring body RK filled with a dielectric material DK. Thus arises between the exit of the center conductor ML from the filled with a dielectric material DK ring body RK and the connection of the center conductor ML to a substrate, a so-called Luftkoax LK. This results in transmission errors and signal losses. The object of the invention is to provide an RF implementation in which a direct connection to a substrate is possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die HF-Durchführung mit den Merkmalen des gel- tenden Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. This object is achieved by the RF implementation with the features of the applicable claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
Die erfindungsgemäße HF-Durchführung umfasst eine mit einem dielektrischen Material vollständig ausgefüllte Hülse und einen in der Hülse axial angeordneten Mittel- leiter zur Übertragung von HF-Signalen. Gemäß der Erfindung weist die Hülse an einem Ende ein sich radial nach außen erstreckendes Kragenteil auf. Das Kragenteil hat einen Außendurchmesser, größer ist als die zentrale Öffnung der Durchgangsbohrung. Gemäß der Erfindung entspricht die Länge der mit dem dielektrischen Material vollständig gefüllten Hülse der Länge der Durchgangsbohrung. The RF feedthrough according to the invention comprises a sleeve completely filled with a dielectric material and a middle conductor arranged axially in the sleeve for transmitting RF signals. According to the invention, the sleeve has at one end a radially outwardly extending collar part. The collar portion has an outer diameter greater than the central opening of the throughbore. According to the invention, the length of the sleeve completely filled with the dielectric material corresponds to the length of the through-hole.
Durch den fehlenden Luftkoax ist mit der erfindungsgemäßen HF-Durchführung ein leichteres Kontaktieren des Mittelleiters an ein Substrat möglich. Due to the lack of air coax, the HF conductor according to the invention makes it easier to contact the center conductor to a substrate.
Die Hülse ist hierbei zweckmäßig aus Kovar gefertigt. Als dielektrisches Material wird zweckmäßig Sinterglas verwendet. Der Vorteil hierbei ist, dass sich Sinterglas thermisch und chemisch besser mit Kovar verbindet als mit oxidischen Oberflächen, z.B. Wolfram. Eine Verbindung mit Eisen ist wegen der stark unterschiedlichen Aus- dehnungskoeffzienten nicht möglich. Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The sleeve is expediently made of Kovar. Sintered glass is expediently used as the dielectric material. The advantage here is that sintered glass combines better thermally and chemically with Kovar than with oxidic surfaces, e.g. Tungsten. A compound with iron is not possible because of the very different expansion coefficients. The invention and further advantageous embodiments will be explained in more detail with reference to drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer HF-Durchführung nach dem Stand  Fig. 1 is a schematic representation of an HF implementation according to the state
der Technik,  of the technique,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen HF- Durchführung. 2 shows a schematic representation of an HF according to the invention Execution.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen HF-Durchführung. Mit dem Bezugszeichen 1 ist die Wandung eines Gehäuses bezeichnet. Das Gehäuse 1 weist eine Durchgangsbohrung DB auf, in welche die erfindungsgemäße HF-Durchführung D einbringbar ist. Fig. 2 shows a schematic representation of an RF implementation according to the invention. The reference numeral 1 denotes the wall of a housing. The housing 1 has a through hole DB, in which the RF feedthrough D according to the invention can be introduced.
Die HF-Durchführung D weist einen Ringkörper RK, welcher mit einem dielektrischen Material DK gefüllt ist. Axial in dem Ringkörper RK ist ein Mittelleiter ML zur Führung der HF-Signale angeordnet. Der Mittelleiter ML ragt in den Innen- und Au- ßenbereich IB, AB des Gehäuses 1. Im Innenbereich IB kann ein Anschluss des Mittelleiters ML an ein Substrat (nicht dargestellt) z.B. eine Mikrostreifenleitung oder einem Hohlleiter erfolgen.  The HF feedthrough D has an annular body RK which is filled with a dielectric material DK. Axially in the ring body RK is a center conductor ML arranged to guide the RF signals. The center conductor ML projects into the inner and outer regions IB, AB of the housing 1. In the inner region IB, a connection of the center conductor ML to a substrate (not shown), e.g. a microstrip line or a waveguide made.
An einem Ende der Hülse weist die HF-Durchführung D ein sich radial nach außen erstreckendes Kragenteil K auf. Das Kragenteil K weist einen Außendurchmesser DM_K auf, welcher größer ist als der Durchmesser DM_DB der Durchgangsbohrung DB. At one end of the sleeve, the HF feedthrough D has a collar part K extending radially outwards. The collar part K has an outer diameter DM_K, which is greater than the diameter DM_DB of the through hole DB.
Der Ringkörper RK kann in die Durchgangsbohrung DB eingeklebt oder eingelötet werden. The ring body RK can be glued or soldered into the through hole DB.
Mit der erfindungsgemäßen HF-Durchführung können HF-Signale von bis zu 40 GHz übertragen werden. Die HF-Durchführung kann eine Glas-Metall-Durchführung sein. With the RF implementation according to the invention, RF signals of up to 40 GHz can be transmitted. The RF feedthrough may be a glass-to-metal feedthrough.
Zweckmäßig weist das Gehäuse 1 eine für das Kragenteil K passende Aussparung auf. Appropriately, the housing 1 has a matching for the collar part K recess.

Claims

Patentansprüche claims
1. HF-Durchführung zur Einbringung in eine in einer Leiterplatte, einem Wellenleiter oder einem Gehäuse ausgeführten Durchgangsbohrung (DB) 1. RF feedthrough for introduction into a through hole (DB) made in a printed circuit board, a waveguide or a housing
umfassend eine mit einem dielektrischen Material (DK) vollständig ausgefüllte Hülse (RK) und einen in der Hülse (RK) axial angeordneten Mittelleiter (ML) zur Übertragung von HF-Signalen, wobei die Hülse (RK) an einem Ende ein sich radial nach außen erstreckendes Kragenteil (K) aufweist, wobei das Kragenteil (K) einen Außendurchmesser (DM_K) hat, der größer ist als die zentrale Öffnung (DM_DB) der Durchgangsbohrung (DB), dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der mit dem dielektrischen Material vollständig gefüllten Hülse (RK) der Länge der Durchgangsbohrung (DB) entspricht.  comprising a sleeve (RK) completely filled with a dielectric material (DK) and a center conductor (ML) axially arranged in the sleeve (RK) for transmitting RF signals, the sleeve (RK) being radially outwardly at one end extending collar part (K), wherein the collar part (K) has an outer diameter (DM_K) which is greater than the central opening (DM_DB) of the through hole (DB), characterized in that the length of the completely filled with the dielectric material sleeve (RK) corresponds to the length of the through hole (DB).
2. HF-Durchführung nach Anspruch 1 , 2. RF feedthrough according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Hülse (RK) aus Kovar gefertigt ist.  the sleeve (RK) is made of Kovar.
3. HF-Durchführung nach Anspruch 1 oder 2, 3. RF feedthrough according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das dielektrische Material (DK) Sinterglas ist.  the dielectric material (DK) is sintered glass.
4. HF-Durchführung nach einem der vorangehenden Ansprüche, 4. RF feedthrough according to one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die HF-Durchführung in die Durchgangsbohrung (DB) einklebbar oder einlötbar ist.  the RF feedthrough can be glued or soldered into the throughbore (DB).
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