DE4417976C1 - Mikrowellenleitungsstruktur - Google Patents
MikrowellenleitungsstrukturInfo
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- H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Mikrowellenleitungsstruktur gemäß Oberbegriff des Anspruches
1.
Für Schaltungen der Mikrowellentechnik werden bekannterweise
planare Leitungen verwendet, z. B. in Gestalt von
Mikrostreifenleitern oder koplanare Leitungen. Wie
beispielsweise in dem Buch "Streifenleitungen" von
Geschwinde und Krank, Winterische Verlagshandlung, 1960,
Seiten 1 bis 4, beschrieben ist, bestehen
Mikrostreifenleiter aus zwei auf gegenüberliegenden Seiten
eines Substrats aufgebrachten planaren Leitungen. Koplanare
Leitungen weisen zwei oder drei auf einer Substratseite
nebeneinander verlaufende Leitungen auf. Eine
Mikrowellenleitungsstruktur, wie sie einleitend dargelegt
ist, kann man der Deutschen Patentschrift 40 32 260
entnehmen. Hier ist eine Mikrostreifenleitung zwischen den
beiden Leiterbahnen einer Koplanarleitung angeordnet.
In der Hochfrequenztechnik wird der Übergang von einer
unsymmetrischen Leitung, beispielsweise Koaxleitung, auf
eine symmetrische Leitung, z. B. Zweidrahtleitung, durch ein
Symmetrierglied bewerkstelligt, welches auch unter dem Namen
Balun in die Fachliteratur eingegangen ist.
Ausführungsbeispiele für solche Symmetrierglieder zeigt das
Buch Zinke, Brunswick: "Lehrbuch der Hochfrequenztechnik"
Band 1, Seite 104.
In der Mikrowellentechnik werden zunehmend integrierte
Schaltkreise verwendet, sogenannte monolithisch integrierte
Mikrowellen-Schaltkreise MMIC.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine
Mikrowellenleitungsstruktur der eingangs genannten Art
anzugeben, die es erlaubt, eine Symmetrierschaltung für
monolithisch integrierte Schaltungen in planarer Form
herzustellen und in einem breiten Frequenzbereich
einzusetzen.
Diese Aufgabe wurde mit den Merkmalen des ersten bzw. des
zweiten Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Mikrowellenleitungsstruktur erlaubt
einen Symmetrierübergang von einem unsymmetrischen
Leitungstyp, z. B. Mikrostreifenleitung, Koplanarleitung, auf
einen symmetrischen Leitungstyp, z. B. Zweidrahtleitung, oder
auf zwei unsymmetrische Leitungen mit Gegentaktanregung oder
in umgekehrter Betriebsweise und zwar in monolithisch
integrierbarer Planarschaltungstechnik. Mit der Lösung gemäß
Anspruch 1 wird eine relativ große Betriebsfrequenz-
Bandbreite ermöglicht, mit der Lösung des Anspruches 2
dagegen eine noch wesentlich erweiterte Bandbreite,
beispielsweise von 5 bis 75 GHz.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren im folgenden
näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer
Mikrostreifenleitung, die
Fig. 2 bietet eine Draufsicht auf eine Anordnung gemäß
Anspruch 1 und die
Fig. 3 eine solche gemäß Anspruch 2.
In Fig. 3a ist ein Ersatzschaltbild zur Anordnung gemäß
Fig. 3 dargestellt.
Der Fig. 1 ist eine Mikrostreifenleitung zu entnehmen,
welche eine erste Leiterbahn 1 aufweist, die auf einer Seite
eines Substrats aufmetallisiert ist. Als Substrate können
vorzugsweise Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid,
Indiumphosphid oder Silizium, aber auch Keramik oder
Quarzglas verwendet werden. Eine zweite zu der
Mikrostreifenleitung gehörende Leitung 3 ist im Abstand über
der auf dem Substrat aufliegenden Leitung 1 hinweggeführt.
Den Abstand zwischen den beiden Leitungen 1 und 3 halten
Pfosten 4, die aus der auf dem Substrat 2 metallisierten
Leitung 1 herausragen und als Stützen für die Leitung 3
dienen. Die die Leitung 3 tragenden Pfosten 4 sind in
geeigneten Abständen aneinandergereiht, so daß der Raum
zwischen den beiden Leitungen 1 und 3 hauptsächlich mit Luft
gefüllt ist. Unter diesen Umständen ist eine 50-Ohm-
Mikrostreifenleitung realisierbar, bei der die über die
Pfosten 4 geführte Leitung 3 nicht so schmal dimensioniert
werden muß, so daß zwischen dieser Leitung und weiteren auf
dem Substrat metallisierten Leitungen noch ausreichende
Kopplungen zustandekommen können. Die Pfosten 4 bestehen
entweder aus einem dielektrischen oder einem leitenden
Material. Für den letzteren Fall ist es erforderlich, sie
gegenüber der metallisierten Leiterbahn 1 auf dem Substrat 2
zu isolieren. Wie dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zu
entnehmen ist, sind für diesen Fall in der Leiterbahn 1
Aussparungen 5 vorgesehen. Weiterhin kann eine zu beiden
Seiten der Mikrostreifenleitung sich erstreckende
Koplanarleitung mit den beiden Leiterbahnen 6 und 7, die
ebenfalls auf das Substrat 2 aufmetallisiert sind, entnommen
werden. Durch diese räumlich nahe Anordnung entsteht eine
Kopplung zwischen zwei verschiedenen Leitungstypen, nämlich
der Mikrostreifenleitung und der Koplanarleitung. Diese
gekoppelte Leitungsanordnung ist der Grundbestandteil der
vorliegenden Symmetrierschaltung. Der Wellenleiter 1, 3
führt eine elektromagnetische Welle, die an seinem
unsymmetrischen Eingang Tor A eingeführt wird (Fig. 2). An
diesem Eingang Tor A sind die beiden Leiterbahnen 6 und 7
der Koplanarleitung miteinander und mit dem ersten Leiter
der Mikrostreifenleitung verbunden. Die Länge der
Koplanarleitung beträgt etwa 1/4 der Wellenlänge der
Betriebsfrequenz. Da sie am anderen Ende offen ist, handelt
es sich hier um eine kurzgeschlossene koplanare
Stichleitung, welche bei λ/4-Resonanz am anderen Ende einen
Leerlauf bildet, so daß Rückströme auf dem ersten Leiter 1
verhindert werden. Damit wird der erste Leiter 1 an Tor B
massefrei.
Das bedeutet, daß an diesem symmetrischen Tor B massefrei
eine Last angeschlossen werden kann, insbesondere auch eine
erdsymmetrische Zweidrahtleitung.
Die Reaktanz der Koplanarstichleitung verschlechtert das
Verhalten der Anordnung außerhalb der Resonanzfrequenz.
Durch eine weitere koplanare Stichleitung 9 gemäß Fig. 3
kann der Reaktanzverlauf über einen großen Frequenzbereich
kompensiert werden. Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, ist
der Leiter 1 etwa in der Mitte unterbrochen und an seinen
beiden Enden eine symmetrische Leitung Tor B herausgeführt.
Werden die beiden erdsymmetrischen Leiter am Tor B direkt mit
zwei unsymmetrischen Leitungen verbunden, so erhält man zwei
Ausgänge mit Gegentaktsignalen. Die Phasendifferenz bleibt
dabei über einen sehr sehr weiten Frequenzbereich nahezu
exakt 180°.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen sind natürlich auch
reziprok einsetzbar und können so als Leistungsteiler oder
als Leistungsaddierer verwendet werden.
Die Geometrie des Wellenleiters 1, 3 kann entsprechend der
Anforderung verändert dimensioniert werden, so daß
zusätzlich eine Impedanztransformation zwischen den Toren A
und B erfolgt.
Es ist klar, daß der monolithische Herstellungsprozeß
mindestens zwei Metallisierungsebene beherrschen muß, um
erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen realisieren zu
können. Von weiterem Vorteil ist, daß auf dem
Halbleitersubstrat der erfindungsgemäßen Symmetrierschaltung
kompakterweise auch aktive Schaltungselemente monolithisch
integriert werden können.
Claims (7)
1. Mikrowellenleitungsstruktur, die eine auf einem Substrat
aufgebrachte erste Leiterbahn und eine zweite Leiterbahn
aufweist, die im Abstand über der ersten Leiterbahn auf
Pfosten gestützt verläuft, wobei auf dem Substrat (2) außer
der durch die erste und zweite Leiterbahn (1, 3) gebildeten
Mikrostreifenleitung eine mit dieser gekoppelte
Koplanarleitung (6, 7) angeordnet ist und die
Mikrostreifenleitung zwischen den beiden Leiterbahnen (6, 7)
der Koplanarleitung verläuft, dadurch gekennzeichnet,
daß an dem einen Ende der Koplanarleitung (6, 7) deren beide Leiterbahnen (6, 7) miteinander und mit der ersten (1) Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind,
daß an dem anderen Ende der Koplanarleitung (6, 7) dieselbe offen ist,
daß die Länge der Koplanarleitung (6, 7) etwa gleich einem Viertel der Wellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz ist und
daß an die erste und zweite Leiterbahn (1, 3) am kurzgeschlossenen Ende (Tor A) der Koplanarleitung eine unsymmetrische Leitung und am offenen Ende (Tor B) der Koplanarleitung (6, 7) eine symmetrische Doppelleitung ankoppelbar ist.
daß an dem einen Ende der Koplanarleitung (6, 7) deren beide Leiterbahnen (6, 7) miteinander und mit der ersten (1) Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind,
daß an dem anderen Ende der Koplanarleitung (6, 7) dieselbe offen ist,
daß die Länge der Koplanarleitung (6, 7) etwa gleich einem Viertel der Wellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz ist und
daß an die erste und zweite Leiterbahn (1, 3) am kurzgeschlossenen Ende (Tor A) der Koplanarleitung eine unsymmetrische Leitung und am offenen Ende (Tor B) der Koplanarleitung (6, 7) eine symmetrische Doppelleitung ankoppelbar ist.
2. Mikrowellenleitungsstruktur, nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet,
daß an dem einen Ende der Koplanarleitung (6, 7) deren beide Leiterbahnen (6, 7) miteinander und mit der ersten (1) Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind,
daß an dem anderen Ende der Koplanarleitung (6, 7) deren beide Leiterbahnen (6, 7) miteinander und mit der ersten (1) Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind,
daß die Länge der Koplanarleitung etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz beträgt,
daß die erste Leiterbahn (1) etwa in der Mitte unterbrochen ist,
daß die zweite Leiterbahn (3) nur über die Unterbrechungsstelle der ersten Leiterbahn reicht bzw. bis über die Unterbrechungsstelle der ersten Leiterbahn geführt ist und dort mit dem Ende des unterbrochenen, abgetrennten Teils (1b) der ersten Leiterbahn (1) verbunden ist, und
daß an die erste und zweite Leiterbahn (1, 3) am kurzgeschlossenen Ende der Koplanarleitung (Tor A) eine unsymmetrische Doppelleitung und an der Unterbrechungsstelle (Tor B) der ersten Leiterbahn (1) eine symmetrische Doppelleitung ankoppelbar ist.
daß an dem einen Ende der Koplanarleitung (6, 7) deren beide Leiterbahnen (6, 7) miteinander und mit der ersten (1) Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind,
daß an dem anderen Ende der Koplanarleitung (6, 7) deren beide Leiterbahnen (6, 7) miteinander und mit der ersten (1) Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind,
daß die Länge der Koplanarleitung etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz beträgt,
daß die erste Leiterbahn (1) etwa in der Mitte unterbrochen ist,
daß die zweite Leiterbahn (3) nur über die Unterbrechungsstelle der ersten Leiterbahn reicht bzw. bis über die Unterbrechungsstelle der ersten Leiterbahn geführt ist und dort mit dem Ende des unterbrochenen, abgetrennten Teils (1b) der ersten Leiterbahn (1) verbunden ist, und
daß an die erste und zweite Leiterbahn (1, 3) am kurzgeschlossenen Ende der Koplanarleitung (Tor A) eine unsymmetrische Doppelleitung und an der Unterbrechungsstelle (Tor B) der ersten Leiterbahn (1) eine symmetrische Doppelleitung ankoppelbar ist.
3. Mikrowellenleitungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der ersten und zweiten
Leiterbahn (1, 3) am offenen Ende (Tor B, Anspruch 1) bzw.
an der Unterbrechungsstelle der ersten Leiterbahn (Tor B,
Anspruch 2) jeweils mit einer Ader einer unsymmetrischen Doppelleitung
verbunden sind, deren andere Ader mit einer der Leiterbahnen
der Koplanarleitung verbunden oder kontaktiert ist.
4. Mikrowellenleitungsstruktur nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwiderstände
der beiden Leiterbahnen (1, 3) und der Koplanarleitung (6,
7) übereinstimmen.
5. Mikrowellenleitungsstruktur nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfosten (4) aus
leitendem Material bestehen und auf dem Substrat (2) in
Aussparungen (5) der ersten Leiterbahn (1) stehen.
6. Mikrowellenleitungsstruktur nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen
Abmessungen der beiden Leiterbahnen der µ Strip Leitung (1,
3) betreffend Breite, Abstand oder Dielektrikum in ihrem
Verlauf unterschiedlich dimensioniert sind, so daß eine
Impedanztransformation stattfindet.
7. Mikrowellenleitungsstruktur nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der ersten
Leiterbahn (1) gegenüberliegenden Substratseite eine weitere
Leiterbahn (8) aufgebracht ist, die zusammen mit der ersten
Leiterbahn (1) eine Mikrostreifenleitung bildet.
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