DE19744445A1

DE19744445A1 - Verfahren zum Bestimmen des dispersiven Wellenwiderstandes einer Mikrostreifenleitung

Info

Publication number: DE19744445A1
Application number: DE1997144445
Authority: DE
Inventors: Walter Graf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 1999-04-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des dispersiven Wellenwiderstandes einer Mikrostreifenleitung bei Frequenzen im GHz-Bereich.

Unter den verschiedenen Bauformen von Streifenleitungen hat die Mikrostreifenleitung (Mikrostrip) die größte praktische Bedeutung, da sie für integrierte Mikrowellenschaltungen besonders geeignet ist. Sie besitzt jedoch den Nachteil, daß ihr Wellenwiderstand stark frequenzabhängig (dispersiv) ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich auf einer Mikrostreifenleitung das elektromagnetische Feld teilweise in Luft und teilweise im Dielektrikum ausbreitet und daher nicht nur Querkomponenten, sondern auch Längskomponenten aufweist (Quasi-TEM-Welle).

Für die Berechnung und Darstellung der Dispersion des Wellenwiderstandes einer Mikrostreifenleitung sind schon eine Vielzahl von Theorien und Modelle entwickelt worden, die am häufigsten diskutieren vier Modelle sind als Kurven a, b, c und d in der Figur gegenübergestellt. Sie kommen für hohe Frequenzen zu deutlich unterschiedlichen Ergebnissen. Die am häufigsten zitierte und empfohlene Berechnungsvorschrift ist die von Jansen/Kirschning (Kurve a).

Einzelheiten dieser bekannten Modelle und Berechnungsvorschriften auch für den statischen Wellenwiderstand Z_o bei der Frequenz 0 nach Wheeler sind im Artikel "Vergleich mehrere Näherungsmethoden zur Berechnung des Wellenwiderstandes von Mikrostreifenleitungen mit experimentellen Meßergebnissen" Kleinheubacher Berichte, 1996, Band 40, Seiten 512 bis 521 mit entsprechenden Literaturangaben zusammenfassend beschrieben. .

Neueste Messungen haben ergeben, daß selbst die Berechnungsvorschrift nach Jansen/Kirschning fehlerhaft ist und nicht den tatsächlichen Verhältnissen nicht gerecht wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren aufzuzeigen, mit welchem der dispersive Wellenwiderstand einer Mikrostreifenleitung für beliebig hohe Frequenzen exakt bestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Patentanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Der gemäß der Erfindung verwendete und durch exakte Messungen gewonnene Dispersionsverlauf nach Kurve Z ermöglicht eine exakte Korrektur des in bekannter Weise beispielsweise nach Wheeler berechneten statischen Wellenwiderstandes Z_o. Eine Mikrostreifenleitung, deren statischer Wellenwiderstand unter Berücksichtigung der Dicke h und der effektiven Permittivität des Dielektrikums des Substrats sowie der Breite w und der Dicke t des Streifenleiters nach dieser bekannten Berechnungsvorschrift dimensioniert ist und beispielsweise bei der Frequenz 0 einen Wellenwiderstand von 50 Ω aufweist kann damit gemäß dem Dispersionsverlauf Z für jede Frequenz bzw. für jedes Frequenzband im GHz-Bereich zwischen 0 und etwa 30 GHz entsprechend korrigiert werden. Diese Korrekturwerte können dann beispielsweise beim Kalibrieren eines vektoriellen Netzwerkanalystors, der mit einem in Mikrostreifenleitungstechnik ausgebildeten Kalibrierstandard von 50 Ω bei niederen Frequenzen kalibriert wurde und dessen Meßparameter damit auf diesen Wellenwiderstand der Mikrostreifenleitung normiert sind, auf den für höhere Frequenzen geltenden Wellenwiderstand renormalisiert werden.

Der dargestellte Dispersionsverlauf Z resultiert aus einer direkten Messung einer Mikrostreifenleitung auf einem Substrat aus Aluminiumoxyd einer Dicke von 25 mil (0,635 mm) und einer relativen Permittivität ε_r = 9,9. Für andere Substratdicken bzw. andere Substratmaterialien können entsprechende Dispersionsverläufe für eine Korrektur gemessen werden. Darauf aufbauend kann dann ähnlich wie bei Jansen/Kirschning eine Formel für die Berechnung des dispersiven Wellenwiderstandes aus entsprechenden Stützwerten der gemessenen Dispersionsverläufe aufgestellt werden, mit der unter Berücksichtigung der relativen Permittivität des Dielektrikums, der daraus ermittelten effektiven Permittivität und der daraus beispielsweise nach dem Modell von Getsinger berechneten Dispersion der effektiven Permittivität sowie dem Produkt aus Dicke h des Substrats mal Frequenz f sowie der normierten Leiterbreite w/h auf einem Rechner der dispersive Wellenwiderstand exakt berechnet werden kann. Der statische Wellenwiderstand und die statische effektive Permittivität können wieder nach den bekannten Berechnungsvorschriften berechnet werden, wie sie in der eingangs erwähnten Zusam menfassung in "Kleinheubacher Berichte", Band 40 beschrieben sind.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des dispersiven Wellenwiderstandes einer Mikrostreifenleitung bei Frequenzen im GHz-Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß der statische Wellenwiderstand gemäß der in der dargestellten Abhängigkeit Z des Wellenwiderstandes von der Frequenz korrigiert wird.