DE10009453A1

DE10009453A1 - Phasenschieber und Anordnung aus mehreren Phasenschiebern

Info

Publication number: DE10009453A1
Application number: DE10009453A
Authority: DE
Inventors: Peter Nuechter; Dietmer Pilz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2002-04-04
Also published as: WO2001065630A1; EP1266422A1; US20030146806A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Phasenschieber, insbesondere für Millimeterwellenanwendungen, die entsprechend einem mikromechanischen Schalter ausgebildet sind und deren Dicke d der Isolationsschicht abhängig von der geschalteten, gewünschten Phasenverschiebung PHI gewählt ist. DOLLAR A Vorzugsweise wird die Dicke d nach folgender Beziehung DOLLAR F1 oder nach folgender Beziehung DOLLAR F2 gewählt. DOLLAR A Weiterhin betrifft die Erfindung Anordnungen aus mehreren dieser Phasenverschieber, welche über eine gemeinsame Signalleitung und eine gemeinsame Koplanarleitung zeitgleich gemeinsam ansteuerbar sind.

Description

Es sind eine Vielzahl analoger Phasenschieber bekannt, die mittels einer angelegten Spannung gesteuert werden. Derar tige Schaltungen enthalten typisch Varaktordioden, verän derbare Ferroelektrika oder Ferromagnetika. Weiterhin sind digitale Phasenschieber bekannt, bei denen der einzustel lende Phasenbereich in 2^N Zustände mit Hilfe von N digita len Phasenschiebern unterteilt ist. Diese digitalen Pha senschieber sind typisch durch verschieden lange Leitungen realisiert, zwischen denen digital gesteuert umgeschaltet wird.

Aus dem US-Patent 5,526,172 ist ein mikromechanischer Schalter bekannt, bei dem eine Brückenleitung durch Anlegen einer Steuerspannung über eine Steuerleitung in Richtung eines Mittelleiters bewegt wird, bis ein elektrischer Kontakt geschlossen ist und dadurch der Schaltvorgang abgeschlossen ist. Derartige mikromechanische Schalter werden mit bekannten Chipfertigungstechnologien entspre chend von Widerständen, Kapazitäten und Leitungsstrukturen in Chips mit bekannten Chipfertigungstechnologien herge stellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Phasenschieber oder Anordnungen daraus anzugeben, die möglichst klein, kostengünstig und gut herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch einen Phasenschieber mit den Merk malen des Anspruchs 1 sowie durch Anordnungen mit mehreren Phasenschiebern mit den Merkmalen der Ansprüche 6 und 7 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Der erfindungsgemäße Phasenschieber, der für hochfrequente Anwendungen, insbesondere für Millimeterwellenanwendungen, beispielsweise für die Realisierung von elektronisch schwenkbaren Radarantennen, besonders geeignet ist, zeigt eine Anordnung aus einer Brückenleitung, dem Signalleiter und einer dazwischen angeordneten Isolationsschicht mit hoher definierter Dicke, was zu einem Aufbau des mikrome chanischen Schalters in der Art eines Zweiplattenkondensa tors führt. Dabei ist die Dicke der Isolierschicht, die aus einem Dielektrikum besteht, so gewählt, daß zwischen dem geschalteten Zustand des mikromechanischen ausgebildeten Phasenschiebers und dem ungeschalteten Zustand eine defi nierte Phasenverschiebung Φ des Transmissionsfaktors gegeben ist. Durch diesen mikromechanischen Phasenschieber ist es nun möglich, eine definierte und unveränderliche Phasenschiebung zu aktivieren oder zu deaktivieren. Dabei erweist sich der mikromechanische Phasenschieber als in seinen Abmessungen aufgrund der für die Herstellung verwendete Chiptechnologie als sehr klein und als sehr kostengünstig herstellbar. Diese Art von mikromechanischen Phasenschiebern ist besonders geeignet, für elektronisch schwenkbare Phased-Array-Antennen, welche eine Vielzahl von T/R-Modulen aufweisen, denen jeweils ein oder mehrere geschaltete Phasenschieber zugeordnet sind. Aufgrund der geringen Größe und des geringen Energieverbrauchs der mikromechanischen Phasenschieber ist es möglich, diese unmittelbar in oder an den T/R-Modulen anzuordnen und damit die Verbindungsleitungen von den Phasenschiebern zu den T/R-Modulen zu verkürzen, was die Störanfälligkeit der Übertragung hochfrequenter Signale reduziert. Auch mit kleinen Abweichungen der Dicke der Isolationsschicht gegenüber der idealen Dicke sind wesentliche Vorteile dieser mikromechanischen Phasenschieber gegeben.

Der mikromechanische Phasenschieber zeigt folgenden funk tionellen Aufbau.

Wird neben den schwachen HF-Signalen eine stärkere Gleich spannung zwischen der Signalleitung und der Masseverbin dung, welche als flexible Brückenleitung ausgebildet ist, angelegt, so wirkt auf die Brückenleitung eine Kraft, die proportional dem Quadrat der angelegten Spannung ist. Ab einer bestimmten Spannung ist diese Kraft so groß, daß sie die flexible Brücke in der Mitte durchbiegt und die Brüc kenleitung auf der Isolationsschicht über der Signallei tung, auch Mittelleiter genannt, zum Liegen kommt. Es er gibt sich eine Kondensatoranordnung zwischen Signalleitung und Brückenleitung. Die Kapazität des Zweiplattenkondensa tors wird durch die Breite der Signalleitung, die Breite der Brücke, die Höhe der Isolationsschicht und die effek tive Dielektrizitätszahl der Isolationsschicht, welche sich aus der Dielektrizitätszahl des Isolationsmateriales und der Art der Strukturierung des Isolationsmaterials und/oder der Brücke ergibt, bestimmt. Diese zugeschaltete Kapazität bewirkt eine Phasenänderung des Transmissionsfaktors der Signalleitung. Um kleine Phasenänderungen zu realisieren, genügt es einen einzigen, mikromechanischen Phasenschieber mit dementsprechend festgelegten Abmessungen vorzusehen. Dabei hat es sich insbesondere bewährt, die Dicke der Iso lationsschicht des mikromechanischen Phasenschiebers ent sprechend nachfolgender Formel zu wählen:

Dabei stellt:
d die Dicke der Isolationsschicht,
∈₀ die elektrische Feldkonstante,
∈_eff die effektive Dielektrizitätszahl,
A die Fläche des Zweiplattenkondensators,
Z₀ der Leitungswellenwiderstand,
f die Frequenz des hochfrequenten Signals und
Φ die gewünschte Phasendifferenz zwischen den beiden Zuständen
dar.

Will man nach diesem ermittelten Zusammenhang einen Phasen schieber mit einer Phasendifferenz von 11,25° bei einem Leitungswellenwiderstand von 50 Ω, bei einer Frequenz von 35 GHz, einer Fläche A von 2000 µm² und einer effektiven Dielektrizitätszahl von 4,8 realisieren, so ergibt sich nach dem ermittelten Zusammenhang eine erforderliche Dicke der Isolationsschicht von 2,34 µm. Realisiert man einen derartigen mikromechanischen Schalter mit Hilfe gängiger Chipherstellverfahren, so ergibt sich ein sehr kleiner, kostengünstig hergestellter Phasenschieber von hoher Qualität.

Soll eine negative Phasenverschiebung realisiert werden, so wird dies durch eine inverse Verwendung des geschalteten und des ungeschalteten Zusandes erreicht.

Soll eine noch höhere Qualität, respektive Genauigkeit der Phasenverschiebung erreicht werden, so hat es sich beson ders bewährt, die Dicke des Dielektrikums nach folgender Beziehung zu wählen:

wobei entsprechend der zuvor dargestellten Beziehung zu sätzlich d_A als Abstand der Brückenleitung zur Isola tionsschicht im ungeschalteten Zustand gewählt ist. Dies führt bei dem zuvor beschriebenen Rechenbeispiel bei einem Abstand der Brückenleitung zur Isolationsschicht d_A = 3 µm zu einer Dicke der Isolationsschicht von 2,1 µm. Der be schriebene Zusammenhang führt zu einer höheren Genauigkeit zwischen der gewünschten Phasenbeziehung und der Dicke der Isolationsschicht. Will man für spezielle Anwendungen sehr genaue Phasenschieber realisieren, so hat es sich bewährt, diese zuletzt genannte Beziehung zu verwenden, wobei, es notwendig ist, den Abstand der Brückenleitung zur Isola tionsschicht sehr genau zu kennen. Dies erweist sich als durchaus schwierig, da dieser durch die Qualität des Her stellungsprozeß des mikromechanischen Phasenschiebers stark beeinflußt wird.

Vorzugsweise wird die Isolationsschicht strukturiert ausge bildet, so daß sie vorzugsweise Bereiche ohne Dielektrikum aufweist, wodurch die Dielektrizitätszahl der flächig aus gebildeten Isolationsschicht zu einer effektiven Dielek trizitätszahl erniedrigt ist. Entsprechend der Ausbildung der Strukturierung, beispielsweise durch Ausnehmungen, die vorzugsweise schachbrettartig angeordnet sind, läßt sich die effektive Dielektrizitätszahl sehr genau festlegen. Damit ist es möglich, die gewünschte Phasenverschiebung sehr genau in kleinen Phasenschritte zu wählen. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die Signalleitung bzw. die Brückenleitung mit einer entsprechenden Strukturierung zu versehen, wobei sich dieses als weniger vorteilhaft im Hinblick auf die Fertigungsqualität und die definierte Durchbiegung der flexiblen Brückenleitung erweist. Daneben kann die Strukturveränderung zur Anpassung der Phasen verschiebung auch durch eine Anpassung der Kondensator fläche realisiert werden.

Nach einer weiteren, bevorzugten Ausbildung der Erfindung werden mehrere Phasenschieber zu einer gemeinsamen Anord nung zusammengefaßt, die gemeinsam mit einer Gleichspannung beaufschlagt werden, so daß ihre flexiblen Brückenleitungen zeitgleich auf die Isolationsschicht abgesenkt werden und damit gemeinsam als mikromechanischer Phasenschieber ein geschaltet werden. Dadurch ist sichergestellt, daß durch das Zusammenschalten mehrerer identischer oder im wesent lichen identischer, mikromechanischer Phasenschieber in ei ner Anordnung in Reihen- oder Parallelschaltung verschiede ne Phasenänderungen realisiert werden können, ohne daß einzelne unterschiedliche, mikromechanische Phasenschieber realisiert werden müssen. Allein durch die unterschiedliche Anordnung verschieden vieler gleicher oder auf wenige Standardtypen reduzierter, mikromechanischer Phasenschieber mit unterschiedlicher Dicke und/oder Strukturierung des Dielektrikums, der Brückenleitung bzw. der Signalleitung, ist es möglich, auf einfache und sichere Weise große Be reiche von Phasenverschiebungen zu realisieren. Durch die gemeinsame Ansteuerbarkeit eines Teils oder aller mikrome chanischer Phasenschieber einer Anordnung gelingt es, zu definierten Zeitpunkten festgelegte Phasenverschiebungen zu realisieren, was von besonderer Bedeutung, insbesondere für das Regeln von phasengesteuerten elektronischen, schwenkba ren Antennen ist.

Vorzugsweise werden dabei die Phasenschieber in einem Ab stand von λ/4 hintereinander angeordnet, so daß sich die durch die geänderte Kapazität bewirkte Reflexion des hoch frequenten Signals vollständig reduzieren läßt. Bei geringen Abweichungen von λ/4 ist eine weitgehende Reduktion gegeben, die ein zufriedenstellendes Ergebnis zeigt.

Sollen große Phasenwinkel realisiert werden, hat es sich bewährt, neben den erfindungsgemäßen, mikromechanischen Pha senschiebern, die die Funktion eines Phasenschiebers zeigen, auch deren Wirkung als mikromechanischen Schalter zu verwenden, um zusätzliche Umwegleitungen, die ebenso eine Wirkung als Phasenschieber besitzen, in den hochfrequenten Signalweg einzugliedern und dadurch definierte große Phasenverschiebungen bis zu 360° zu realisieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten, beispielhaften Ausführungsformen näher erläu tert.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Phasenschieber im nicht geschalteten Zustand,

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Phasenschieber im geschalteten Zustand,

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf den Phasenschieber,

Fig. 4 zeigt eine Struktur der Isolationsschicht zur Beeinflussung der effektiven Dielektrizitätszahl und

Fig. 5 zeigt eine Anordnung mehrerer Phasenschieber.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Phasenschieber 1 im nicht geschalteten Zustand dargestellt. Der Aufbau dieses Phasenschiebers 1 entspricht in Grundzügen dem eines mikro mechanischen Schalters. Der Phasenschieber 1 ist auf einem Substrat 2 angeordnet. Auf dem Substrat 2 ist ein Signal leiter 3 aufgebracht, auf dem wiederum eine Isolations schicht 4 von einer festgelegten Dicke d aufgebracht ist. Parallel zu dem Signalleiter 3 sind beabstandet Masseleitungen, hier als Koplanarleitungen 5 ausgebildet, auf dem Substrat 2 angebracht, die über eine Brückenleitung 6 miteinander verbunden sind. Die Brückenleitung 6 ist als flexible Membran ausgebildet. Die Membran erstreckt sich beabstandet zu der Isolationsschicht 4 oberhalb dieser.

Über den Signalleiter 3 werden die hochfrequenten Signale, die typischerweise Millimeterwellensignale darstellen, geleitet. Soll der Phasenschieber 1 aktiviert werden, so wird die Signalleitung gegenüber der Koplanarleitung 5 unter Spannung gesetzt, so daß aufgrund der Spannungsdifferenz eine Kraft auf die flexible Brückenleitung 6 gebildet wird, die die Brückenleitung 6 in Richtung der Isolationsschicht 4 bewegt, bis sie auf dieser zu liegen kommt. Dieser Zu stand ist in Fig. 2 dargestellt. Durch die geeignete Wahl der Dicke d der Isolationsschicht 4 ist eine definierte Phasenverschiebung Φ auf dem Signalleiter 3 für die auf diesen übertragenen, hochfrequenten Signale gegeben. Wird die angelegte Gleichspannung zwischen dem Signalleiter 3 und der Koplanarleitung 5 aufgehoben, so geht der Phasenschie ber 1 in den Zustand gemäß Fig. 1 zurück, und die einge schaltete, aktivierte Phasenverschiebung wird wieder auf gehoben. Der beschriebene Phasenschieber 1 stellt einen durch Mikromechanik aktivierten Phasenschieber, auch mikro mechanischer Phasenverschieber genannt, dar. Er erweist sich als sehr klein; er kann mit weiteren elektronischen Komponenten in einem Chip realisiert werden, und er kann in angemessenen Stückzahlen auch sehr kostengünstig und qualitativ sehr hochwertig realisiert werden.

In Fig. 3 ist in einer Aufsicht der Phasenschieber 1 aus den Fig. 1 oder 2 dargestellt. Dabei ist die Steuerleitung 3 zwischen zwei parallel verlaufenden Koplanarleitungen 5 beabstandet und voneinander elektrisch isoliert angeordnet. Die beiden Koplanarleitungen 5 sind über eine Brückenlei tung 6 verbunden. Die Brückenleitung 6 überspannt die Si gnalleitung 3 mit Abstand und ist flexibel ausgebildet. Vorzugsweise werden die beispielhaften Koplanarleitungen zur Darstellung der für das Schalten des Phasenschiebers notwendige Spannung auf Masse gelegt, während die Signalleitung neben dem hochfrequenten Signal mit einem Gleichspannungssignal überlagert wird. Durch die flächig ausgebildeten Koplanarleitungen 5 ist eine sehr wirksame Masse und eine sehr wirksame Abschirmung der Signalleitung gegen EMV-Störungen gewährleistet.

In Fig. 4 ist ein beispielhafter, strukturierter Aufbau der Isolationsschicht 4 dargestellt. Er zeigt eine Reihe von rechteckigen Ausnehmungen 7, die schachbrettartig über die Fläche der Isolationsschicht 4 verteilt sind. Die Ausneh mungen 7 sind voneinander durch Stege 8 aus dem Material der Isolationsschicht 4 getrennt. Durch diese strukturierte Ausbildung der Isolationsschicht gelingt es, eine effektive Dielektrizitätszahl zur realisieren, die im wesentlichen durch das Verhältnis der Ausnehmungen 7 zu der Isolations schicht bestimmt ist. Durch die Möglichkeit, daß die Ausnehmungen 7 bzw. die Strukturierung der Isolations schicht 4 aufgrund der verwendeten Chipherstellungs verfahren hochpräzise sind, ist es möglich, die effektive Dielektrizitätszahl sehr genau einzustellen, so daß die Möglichkeit besteht, neben der Dicke d der Isolations schicht 4 auch die effektive Dielektrizitätszahl ∈_eff fest zulegen, um eine definiert gewählte Phasenverschiebung zu realisieren.

In Fig. 5 ist eine Anordnung mehrerer Phasenschieber dar gestellt, wobei die Signalleitung 3 sich vom Tor 1 bis zum Tor 2 erstreckt und die Phasenschieber durch die quer zur Signalleitung 3 angeordneten Brückenleitungen 6 angedeutet sind. In der Anordnung gemäß Fig. 5 sind Phasenschieber mit unterschiedlichen Phasenswinkeln dargestellt. Der erste zeigt einen schaltbaren Phasenwinkel, von 5,6°, der zweite von 11,25°.

Die Anordnung des gemeinsam geschalteten, dritten und vier ten Phasenschiebers realisiert gemeinsam eine Phasenverschiebung von 22,5°. Diese Phasenschieber sind zur Reduktion der Reflexionswirkung in einem Abstand von λ/4 angeordnet. In entsprechender Weise sind der fünfte und sechste Phasenschieber zu einer Anordnung mit einem schaltbaren Phasenwinkel von 45° angeordnet.

Die unterschiedlichen Phasenwinkel werden dabei zum einen durch die unterschiedlich gewählte Dicke der Isolations schicht festgelegt und/oder durch eine angepaßte Struktur der Isolationsschicht und/oder der Brückenleitung und/oder der Signalleitung festgelegt. Hierdurch (Veränderung der Breiten- und/oder Längenverhältnisse der Signalleitung bzw. Der Brückenleitung bzw. der Isolationsschicht) wird die Fläche des Zweiplattenkondensators bzw. dessen Dielektrizitätszahl variiert.

Dabei sind der dritte und vierte Phasenschieber durch eine gemeinsame Ansteuerung über eine gemeinsame Beaufschlagung mit der Steuerspannung gemeinsam und damit auch zeitgleich geschaltet, so daß hier die Phasenverschiebung von 0 auf 22,5° ansteigt. In entsprechender Weise ist das auch bei anderen Anordnungen aus mehreren gemeinsamen, mikro mechanischen Phasenschiebern realisiert.

Sollen noch höhere Phasenwinkel realisiert werden, so werden diese durch Kombination von Phasenschiebern und entsprechenden Umwegleitungen unterschiedlicher Länge realisiert. Derartige Teilanordnungen sind auf der rechten Seite der Fig. 5 dargestellt.

Claims

1. Phasenschieber insbesondere für Millimeterwellenanwen dungen, dadurch gekennzeichnet, daß er als mikromechanischer Schalter ausgebildet ist und seine Dicke (d) der Isolationsschicht (4) abhängig von der geschalteten Phasenverschiebung (Φ) gewählt ist.

2. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Phasenschieber im geschalteten und im ungeschalteten Zustand im Transmissionszustand geführt ist.

3. Phasenschieber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) nach folgender Beziehung:
gewählt ist.

4. Phasenschieber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) nach folgender Beziehung:
gewählt ist.

5. Phasenschieber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die flächige Isolationsschicht (4) Ausnehmungen aufweist, durch die die effektive Dielektrizitätszahl (ε_eff) festgelegt ist.

6. Phasenschieber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen schachbrettartig durch Stege voneinander getrennt in der Isolationsschicht (4) angeordnet sind.

7. Anordnung aus mehreren Phasenschiebern nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der mehrere Phasenschieber (1) über eine gemeinsame Signalleitung (3) und wenigstens eine gemeinsame Masseleitung (5), die insbesondere als Koplanarleitung ausgebildet sind, gemeinsam ansteuerbar sind, wobei die Brückenleitungen (6) mit der/den Masseleitung/en verbunden sind.

8. Anordnung aus mehreren Phasenschiebern nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der mehrere Phasenschieber (1) in einem Abstand von etwa λ/4 in Reihe angeordnet sind.