DE102012216513A1

DE102012216513A1 - High-frequency line-waveguide converter

Info

Publication number: DE102012216513A1
Application number: DE201210216513
Authority: DE
Inventors: Koichiro Gomi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2013-04-04
Also published as: US20130082899A1; US9105953B2; JP2013081009A; JP5431433B2

Abstract

Ein Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler wird bereitgestellt, der ein erstes Substrat umfasst, das eine erste dielektrische Schicht, eine erste Leitungsschicht, die auf einer Fläche der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet ist, und ein Leitungsmuster, das auf der Fläche der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet ist, die die zweite Leitungsschicht umgibt. Eine Antenne ist auf einer unteren Fläche der ersten dielektrischen Schicht mit einem festen Intervall von der zweiten Leitungsschicht ausgebildet. Der Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler umfasst auch ein zweites Substrat, das eine dritte Leitungsschicht und eine vierte Leitungsschicht umfasst, die durch eine zweite dielektrische Schicht getrennt sind. Eine Adhäsionsschicht ist zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat ausgebildet, ein Abschirmleitungsteil ist durch mehrere Vias zwischen dem Leitungsmuster und der vierten Leitungsschicht ausgebildet und ein Leitungswellenleiter kontaktiert die vierte Leitungsschicht.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der Japanischen Patentanmeldungsnummer 2001-218757 , eingereicht am 30.09.2011, deren gesamte Inhalte durch Bezugnahme aufgenommen wurden.
GEBIET
Hier beschriebene Ausführungsformen betreffen einen Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler zum Wandeln von Hochfrequenzsignalen, wie zum Beispiel Mikrowellensignalen und Milliwellensignalen, usw., auf einer Hochfrequenzleitung einer planaren Schaltung zu dem Ausbreitungsmodus des Wellenleiters.
HINTERGRUND
In letzter Zeit werden Mikrowellen von 1–30 GHz und Milliwellen von 30–300 GHz zum Informationstransfer verwendet und Systeme, die Hochfrequenzsignale nutzen, zum Beispiel Hochkapazitätskommunikationssysteme von 60 GHz oder am Fahrzeug angebrachte Radarsysteme des 76 GHz Bands, sind weit verbreitet. In diesen Hochfrequenzschaltungen, die in Hochfrequenzsystemen verwendet werden, ist es wichtig, Verbindungen mit reduziertem Verlust zwischen Hochfrequenz-ICs und einer Antenne bereitzustellen. Insbesondere in Systemen, die Milliwellensignale nutzen, wird der Wellenleiter sehr oft zur Schnittstelle der Antenne und Breitband-Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler mit niedrigem Verlust werden benötigt.
Ein konventioneller, hochfrequenter, Leitungswellenleiter-Wandler umfasst typischerweise eine Sandwichstruktur eines dielektrischen Substrats mit einer Hochfrequenzleitung zwischen einem Wellenleiter, der in einem rechteckigen metallischen Block ausgebildet ist, und einem metallischen Kurzschlussblock. In der Struktur, die den Kurzschlussblock verwendet, wird externes Lecken von elektromagnetischen Wellen in der Moduswandlungsschaltung, die die Hochfrequenzleitung mit dem Wellenleiter verbindet, durch den Kurzschlussblock verhindert.
Im Falle eines Installierens des Kurzschlussblockes gibt es jedoch zwei Probleme. Erstens muss der Kurzschlussblock Teile trennen, die den Kurzschluss verursachen können. Zweitens benötigt der Leitungswellenleiter-Wandler hinreichend Anbringungsplatz, um den Kurzschlussblock anzubringen.
Aufgrund dieser Nachteile wurde ein Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler entwickelt, der keinen Kurzschlussblock verwendet. Jedoch lecken elektromagnetische Wellen leicht nach außen und der Wandlungsverlust wird groß, da die Kurzschlussstruktur in einem Substrat gebildet wird, das einen hohen Verlust und eine hohe Dielektrizitätskonstante verglichen mit Luft aufweist. Ferner wird das Anpassbereichsband in ungewünschter Weise beschränkt.
ZUSAMMENFASSUNG
Generell wird gemäß einer Ausführungsform ein Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler, der die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung betrifft, detailliert unter Bezugnahme der Figuren beschrieben.
Gemäß der Ausführungsform wird ein Breitband-Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler mit niedrigem Wandlungsverlust bereitgestellt.
Der Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler in der Ausführungsform hat ein erstes Substrat umfassend eine erste dielektrische Schicht, eine erste Leitungsschicht, die auf der oberen Fläche der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet ist, ein Leitungsmuster, welches auf der oberen Fläche der ersten dielektrischen Schicht in einer Weise gebildet ist, die die erste Leitungsschicht in regelmäßigen Abstandsintervallen einkapselt. Eine zweite Leitungsschicht ist auf der unteren Fläche der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet und eine Antenne, die auf der unteren Fläche der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet ist, jedoch mit einem festen Intervall von der zweiten Leitungsschicht beabstandet ist. Ein zweites Substrat, umfassend eine zweite dielektrische Schicht, ist bei einer Seite der zweiten Leitungsschicht ausgebildet. Eine dritte Leitungsschicht ist auf der oberen Fläche der zweiten dielektrischen Schicht ausgebildet, und eine vierte Leitungsschicht ist auf der unteren Fläche der zweiten dielektrischen Schicht ausgebildet. Eine Adhäsionsschicht ist zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat ausgebildet, einem Abschirmleitungsteil, welcher als mehrere Durchgangslöcher zwischen dem Leitungsmuster und dem vierten Leiter ausgebildet ist, und ein Wellenleiter ist ausgebildet, so dass er von der vierten Leitungsschicht kontaktiert wird und mit dieser elektrisch verbunden ist.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind schematische Abbildungen eines Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandlers gemäß einer Ausführungsform; 1A ist eine Draufsicht und 1B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A von 1A.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie in 1A und 1B gezeigt, besteht der Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler 1, der die Ausführungsform der Erfindung betrifft, aus einem ersten Substrat 2, einem Blind-Via-Loch B, einer Antenne N, einem zweiten Substrat 3, einer Adhäsionsschicht 4, einem abgedichtetem Leitungsteil 5 und einem leitendem Wellenleiter 6.
Das erste Substrat 2 umfasst eine erste dielektrische Schicht 2a, eine erste Leitungsschicht 2b und Leitungsmuster D, das auf der oberen Fläche der ersten dielektrischen Schicht 2a installiert ist, und eine zweite Leitungsschicht 2c, die bei der unteren Fläche der ersten dielektrischen Schicht 2a angeordnet ist. Das Leitungsmuster D und die zweite Leitungsschicht 2c sind ein Muster mit GND-Potential (z. B., GND-Plane) bei hoher Frequenz. In dem ersten Substrat 2 gibt es eine Antenne N, die auf der unteren Fläche der ersten dielektrischen Schicht 2a ausgebildet ist, jedoch mit einem festen Abstand zu der zweiten Leitungsschicht 2c.
Die erste Leitungsschicht 2b bildet eine Signalleitung, welche eine Hochfrequenzleitung ist, die mit einem oder beiden aus dem Leitungsmuster D und der ersten dielektrischen Schicht 2a in dieser Ausführungsform koplanar ist. Während die erste Leitungsschicht 2b in dieser Ausführungsform koplanar ist, ist die erste Leitungsschicht 2b nicht auf diese Struktur beschränkt und die erste Leitungsschicht 2b kann eine Mikrostreifenleitung sein. Die erste Leitungsschicht 2b ist mit einem Halbleiterchip verbunden, der nicht gezeigt ist. Ferner ist das Leitungsmuster D so ausgebildet, dass es die erste Leitungsschicht 2b umschließt, während es eine Lücke von ungefähr 0,1 mm herum lässt. Die Antenne N ist mit der ersten Leitungsschicht 2b über das Blind-Via-Loch B verbunden.
Aufgrund obiger Struktur kann das Hochfrequenzsignal des ersten Leiters 2b direkt der Antenne N zugeführt werden, ohne dass das Risiko einer Strahlenemission an die Luftschicht der oberen Fläche besteht. Genauer gesagt kann der Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler 1 Emissionsverluste reduzieren, ohne dass ein Kurzschlussblock verwendet wird.
Das zweite Substrat 3 ist so installiert, dass es die zweite Leitungsschicht 2c des ersten Substrats 2 über die Adhäsionsschicht 4 kontaktiert. Genauer gesagt wird die Adhäsionsschicht 4 zwischen der zweiten Leitungsschicht 2c und dem zweiten Substrat 3 bereitgestellt.
Das zweite Substrat 3 umfasst eine zweite dielektrische Schicht 3a, eine dritte Leitungsschicht 3b, die auf der oberen Fläche der zweiten dielektrischen Schicht 3a ausgebildet ist, und eine vierte Leitungsschicht 3c, die bei der unteren Fläche der zweiten dielektrischen Schicht 3a angeordnet ist. Der dritte Leiter 3b und die vierte Leitungsschicht 3c sind Muster mit GND-Potential (z. B., GND-Planes) bei Hochfrequenz. Ein Intervall K (gezeigt in 1B) wird als ein Abstand zwischen dem zweiten Leiter 2c gebildet. Die dritten und vierten Leitungsschichten 3a, 3c werden gebildet, um dieselben Abstandsintervalle aufzuweisen wie das Intervall K der zweiten Leitungsschicht 2c, welche unter einem konstanten Abstandsintervall hinsichtlich der Antenne N ausgebildet ist. Dies stellt eine einheitliche Rohrbreite des dielektrischen Wellenleiters bereit und erleichtert eine zufriedenstellende Wellenausbreitung darin.
Die Adhäsionsschicht 4 ist zwischen dem ersten Substrat 2 und dem zweiten Substrat 3 so ausgebildet, dass sie einen Teil der ersten und zweiten dielektrischen Schichten 2a, 3a, zweite und dritte Leitungsschichten 2c, 3b und Antenne N umgibt. Ferner wird die Adhäsionsschicht aus nichtleitenden Materialien gebildet.
Der abgedichtete Leitungsteil 5 ist eine Durchgangsbohrung, die zwischen dem Leitungsmuster D und dem vierten Leiter 3c ausgebildet ist und installiert ist, um die Antenne N zu umgeben. In dieser Weise wird ein dielektrischer Wellenleiter gebildet und insbesondere ein Lecken von elektromagnetischen Wellen, die von der Antenne N ausgestrahlt werden, kann reduziert oder eliminiert werden.
Ferner sind das Leitungsmuster D, die zweiten, dritten und vierten Leitungsschichten 2c, 3b, 3c zusammen Muster mit GND-Potential (z. B., GND-Planes) und sind bei Hochfrequenz mit GND-Potential durch die Durchgangsbohrung des abgedichteten Leitungsteils 5 verbunden.
Der leitende Wellenleiter 6 ist installiert, um die vierte Leitungsschicht 3c des zweiten Substrats 3 zu kontaktieren und mit dieser elektrisch verbunden zu sein (d. h. in Kommunikation). Im leitenden Wellenleiter 6 wird eine Öffnung H bereitgestellt, welche breiter als das Intervall K der zweiten Leitungsschicht 2c ist, ausgebildet mit einem konstanten Abstand hinsichtlich der Antenne N wie auch dem Intervall K.
Dielektrischen Materialien, die zum Bilden der ersten und zweiten dielektrischen Schichten 2a, 3a verwendet werden umfassen keramische Materialien, die als Hauptbestandteil Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid, Mullit, usw., Glas oder Glaskeramiken, erhalten durch Brennen einer Mischung von Glas und keramischem Füllmaterial, Materialien der Art organischen Harzes, wie zum Beispiel Epoxidharz, Polyamidharz, fluorbasiertes Harz wie Tetrafluorethylenharz, usw., und organische Harzkeramik-(umfassend Glas)Mischungen, usw. umfassen.
Die leitenden Komponenten umfassen metallische Materialien, die als Hauptbestandteil Wolfram, Molybdän, Gold, Silber, Kupfer, usw., umfassen oder Metallfolie, die als Hauptbestandteil Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, usw., umfasst, werden als Materialien verwendet, die die ersten bis vierten Leitungsschichten 2b, 2c, 3b, 3c, Antenne N, Blind-Via-Loch B und abgedichteten Leitungsteil 5 bilden.
Die Adhäsionsschicht 4 ist eingerichtet, um den Abstand von der Antenne N und der zweiten dielektrischen Schicht 2a zu der vierten Leitungsschicht 3c bereitzustellen, um λg/4 bereitzustellen, welches eine Impedanzinversionsschaltung wird. Ferner ist λg die Rohr-Wellenlänge des dielektrischen Wellenleiters, gebildet durch die abgedichteten Leitungsteile 5.
Da die Distanz von der Antenne N zur vierten Leitungsschicht 3c des zweiten Substrats 3 eingerichtet ist, λg/4 bereitzustellen, ist die Impedanz eingestellt, Ze = (Zp × Zw)^1/2 zu erfüllen, wobei Zp(Ω) die Impedanz der Antenne N ist, Ze(Ω) die charakteristische Impedanz des dielektrischen Wellenleiters ist und Zw(Ω) die charakteristische Impedanz des Leitungswellenleiters 6 ist.
Die Antenne N ist mit dem ersten Leiter 2b durch das Blind-Via-Loch B verbunden, hat jedoch die Funktion inne, das Impedanzverhältnis bei der Hochfrequenzleitung, umfassend den ersten Leiter 2b, und die Impedanz Zp der Antenne N, zu dem geeigneten Wandlungsverhältnis zu wandeln.
Die Verbindungsposition der Antenne N und des Via-Lochs B wird eingestellt, um zu der Impedanz der Hochfrequenzleitung zu passen (z. B. die erste Leitungsschicht 2b).
Die charakteristische Impedanz des dielektrischen Wellenleiters wird ungefähr 200–350 Ω, wenn die charakteristische Impedanz der ersten Leitungsschicht 2b in dieser Ausführungsform ungefähr 50 Ω ist. Die Impedanz der Antenne N ist ungefähr 100–200 Ω und die charakteristische Impedanz des Leitungswellenleiters 6 (WR-10, 75–110 GHz) ist ungefähr 300–600 Ω.
Das Anpassen der charakteristischen Impedanz, ungefähr 50 Ω, der ersten Leitungsschicht 2b und der Impedanz von ungefähr 100–200 Ω der Antenne N kann eingestellt werden, indem die Verbindungsposition des Blind-Via-Lochs B eingestellt wird.
Das Anpassen der Impedanz der Antenne N wird auch gesteuert, indem eine Impedanzinversionsschaltung zwischen der Antenne N und dem Leitungswellenleiter 6 eingerichtet wird. Da eine Impedanzwandlung durch zwei Wandlungsschaltungen zwischen der Hochfrequenzleitung und der Antenne N und zwischen der Antenne N und dem Leitungswellenleiter 6 ausgeführt wird, ist ein Erweitern des Anpassungsbereichs möglich. Das Band von –20 dB oder niedriger ist ungefähr 2,5 GHz in der konventionellen Struktur, es wird jedoch ungefähr 4 GHz in dem Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler 1, und eine zusätzliche Banderweiterung kann realisiert werden.
Der Leitungswellenleiter 6 besteht aus Metall, beispielsweise einem Edelmetall wie zum Beispiel Gold, Silber, usw. und wird zur Reduzierung von Leitungsverlust durch elektrischen Strom und/oder zur Korrosionsvermeidung verwendet. Das Metall kann verwendet werden, um die Innenwand des Rohrs innerhalb des Leitungswellenleiters 6 zu bedecken. Andere Materialien als Metall können für den Leitungswellenleiter 6 verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Harz verwendet werden, indem der Leitungswellenleiter 6 zu der benötigen Wellenleiterform geformt wird. Wenn Harz verwendet wird, ist die Innenwand des Rohrs mit einem Edelmetall bedeckt, wie zum Beispiel Gold, Silber, usw..
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler 1 gebildet, indem die erste Leitungsschicht 2b auf der oberen Fläche der ersten dielektrischen Schicht 2a des ersten Substrats 2 installiert wird und die Antenne N, die auf der unteren Fläche der ersten dielektrischen Schicht 2a eingerichtet ist, mit der ersten Leitungsschicht 2b durch ein Blind-Via-Loch B verbunden wird. Als nächstes wird die erste Leitungsschicht 2b von dem Leitungsmuster D umschlossen, das auf der oberen Fläche der ersten dielektrischen Schicht 2a installiert wird. Der abgedichtete Leitungsteil 5, welcher aus einer Vielzahl von Durchgangsbohrungsleitungen besteht, wird gebildet, indem Löcher durch das Leitungsmuster D bis zu einer Tiefe gebildet wird, die einen Kontakt mit der vierten Leitungsschicht 3c des zweiten Substrats 3 bereitstellt. Der abgedichtete Leitungsteil 5 wird gebildet, um die Antenne N zu umgeben, den dielektrischen Wellenleiter bildend. Der Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler 1 wird gebildet, um die Distanz von der Antenne N zu der Fläche des vierten Leiters 3c auf λg/4 einzustellen.
Hochfrequenzleitungen, die aus der ersten Leitungsschicht 2b und der Antenne N bestehen, werden durch das Blind-Via-Loch B verbunden und die Hochfrequenzleitung wird durch das Leitungsmuster D eingeschlossen, so dass der Verlust von elektromagnetischer Strahlung an die Luftschicht unterbunden wird, um den Leitungsverlust zu reduzieren. Ferner wird ein Lecken von elektromagnetischen Wellen, die von der Antenne N an die Außenseite des dielektrischen Wellenleiters emittiert werden, durch den abgedichteten Leitungsteil 5 unterbunden, der aus einer Vielzahl von Durchgangsbohrungsleitungen besteht, installiert, um die Antenne N einzuschließen, um so Leitungsverlust zu reduzieren.
Eine Banderweiterung des Anpassungsbereichs kann realisiert werden durch zwei Impedanzwandlungsschaltungen, nämlich eine Impedanzwandlungsschaltung durch den dielektrischen Wellenleiter mit einer Länge von λg/4 und eine Impedanzwandlungsschaltung, die aus der selektiven Verbindung zwischen der Hochfrequenzleitung und der Antenne N durch das Blind-Via-Loch B besteht.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurden, wurden diese Ausführungsformen nur als Beispiele präsentiert und es ist nicht beabsichtigt, dadurch den Umfang der Erfindungen zu beschränken. In der Tat können die hier beschriebenen neuen Ausführungsformen in einer Vielzahl von anderen Formen verkörpert werden; ferner können verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen bei der Form der Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, erfolgen, ohne dass von dem Geist der Erfindungen abgewichen wird. Die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente sollen solche Formen oder Modifikationen abdecken, die innerhalb des Schutzbereichs und Geists der Erfindungen fallen würden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2001-218757 [0001]

Claims

Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler, umfassend: ein erstes Substrat, umfassend: eine erste Leitungsschicht; eine zweite Leitungsschicht; eine erste dielektrische Schicht, die zwischen der ersten Leitungsschicht und der zweiten Leitungsschicht angeordnet ist, und ein Leitungsmuster, das auf einer oberen Fläche der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet ist, um die erste Leitungsschicht mit einer definierten Lücke dazwischen zu umgeben; ein zweites Substrat, das an das erste Substrat durch eine Adhäsionsschicht gekoppelt ist, wobei das zweite Substrat umfasst: eine dritte Leitungsschicht; und eine vierte Leitungsschicht; eine Antenne, die auf der ersten dielektrischen Schicht in einer im Wesentlichen koplanaren Beziehung zu der zweiten Leitungsschicht und mit einem festen Abstand zu der zweiten Leitungsschicht angeordnet ist; und einen abgedichteten Leitungsteil mit mehreren Abschnitten, der zwischen dem Leitungsmuster und der vierten Leitungsschicht angeordnet ist.
Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler nach Anspruch 1, wobei die definierte Lücke einen Abschnitt der ersten dielektrischen Schicht umfasst, die das Leitungsmuster und die erste Leitungsschicht elektrisch isoliert.
Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Leitungswellenleiter, der angrenzend an die vierte Leitungsschicht angeordnet ist, wobei der Leitungswellenleiter mit der vierten Leitungsschicht elektrisch verbunden ist.
Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler nach Anspruch 1, wobei der abgedichtete Leitungsteil einen dielektrischen Wellenleiter umfasst.
Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler nach Anspruch 4, wobei ein Abstand zwischen der Antenne und der vierten Leitungsschicht eingestellt wird, um λg/4 bereitzustellen, wobei λg eine Rohr-Wellenlänge des dielektrischen Wellenleiters ist.
Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler nach Anspruch 1, wobei ein Abstandsintervall zwischen der zweiten Leitungsschicht und der Antenne innerhalb der Adhäsionsschicht ausgebildet ist.
Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler nach Anspruch 6, wobei die dritte Leitungsschicht eine Lücke umfasst, die im Wesentlichen gleich dem Abstandsintervall ist.
Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler nach Anspruch 6, wobei die vierte Leitungsschicht eine Lücke umfasst, die im Wesentlichen gleich dem Abstandsintervall ist.
Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler nach Anspruch 3, wobei der Leitungswellenleiter eine Öffnung umfasst, die eine Abmessung aufweist, die größer als ein Abstandsintervall ist, das zwischen der zweiten Leitungsschicht und der Antenne innerhalb der Adhäsionsschicht ausgebildet ist.
Hochfrequenzleitungswellenleiter-Wandler nach Anspruch 1, wobei ein Via-Loch in der Adhäsionsschicht angeordnet ist, das die erste Leitungsschicht mit der Antenne verbindet.