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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bestimmung des technischen
Gebiets
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Die
vorliegenden Anordnungen betreffen allgemein Verfahren und Vorrichtungen
zum Bereitstellen einer erhöhten
Entwurfsflexibilität
für Funkfrequenzschaltungen
und im Besonderen zur Optimierung dielektrischer Leiterplattenmaterialien
zur verbesserten Leistung von Resonanzleitungen mit zwei Anschlüssen.
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Beschreibung
des verwandten Standes der Technik
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Funkfrequenzschaltungen, Übertragungsleitungen
und Antennenelemente werden üblicherweise
auf speziell aufgebauten Substratplatten hergestellt. Für den Zweck
von Hochfrequenzschaitungen ist es wichtig, eine genaue Steuerung über Impedanzcharakteristiken
und die elektrische Länge
aufrechtzuerhalten. Falls die Impedanzen unterschiedlicher Teile
der Schaltung nicht übereinstimmen,
kann dies zu einem ineffizienten Leistungsübertrag, unnötiger Aufheizung
von Komponenten und anderen Problemen führen. Die elektrische Länge von Übertragungsleitungen
und Abstrahlelementen in diesen Schaltungen kann auch ein kritischer
Gestaltungsfaktor sein.
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Zwei
kritische Faktoren, welche die Leistung eines Substratmaterials
beeinflussen, sind die Permittivität (manchmal die relative Permittivität oder εr genannt)
und der Dielektrizitätsverlust
bzw. die Verlusttangente (manchmal als der Dissipationsfaktor bezeichnet).
Ein weiterer kritischer Faktor ist die Permeabilität (manchmal
die relative Permeabilität
oder μr genannt). Die relative Permittivität und Permeabilität bestimmen
die Geschwindigkeit des Signals und dadurch die elektrische Länge von Übertragungsleitungen
und anderen Komponenten, die an dem Substrat implementiert werden.
Der Dielektrizitätsverlust kennzeichnet
die Verlustmenge, die für
Signale auftritt, welche das Substratmaterial durchlaufen. Dementsprechend
werden Materialien mit niedrigem Verlust mit steigender Frequenz
noch wichtiger, insbesondere bei Entwurf von Empfängereingangsseiten und
von niedrig-rauschenden Verstärkerschaltungen.
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Gedruckte Übertragungsleitungen,
passive Schaltungen und Abstrahlelemente, die in Funkfrequenzschaltungen
verwendet werden, können
auf viele unterschiedliche Arten gebildet werden. Drei häufige Umsetzungen
sind unten beschrieben. Eine Konfiguration, die als Mikrostreifen
bekannt ist, ordnet die Signalleitung auf einer Leiterplattenoberfläche an und
stellt eine zweite leitfähige
Schicht bereit, die üblicherweise als
eine Masseplatte bezeichnet wird. Eine zweite Art von Konfiguration,
die als bedeckter Mikrostreifen bekannt ist, ist ähnlich,
außer dass
die Signalleitung mit einem dielektrischen Substratmaterial bedeckt
ist. In einer dritten Konfiguration, die als Streifenleitung bekannt
ist, ist die Signalleitung innerhalb des Substrats zwischen zwei
elektrisch leitenden (Masse)-Platten eingefügt. Wenn man die Verlustleistung
vernachlässigt,
ist die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung, wie beispielsweise
einer Streifenleitung oder eines Mikrostreifens, gleich
wobei
L
I die Induktivität bzw. der induktive Widerstand
pro Einheitslänge
und C
I die Kapazität pro Einheitslänge sind.
Die Werte von L
I und C
I werden
allgemein durch die physikalische Geometrie und den Abstand der
Leitungsstrukturen bestimmt, als auch die Permittivität und Permeabilität des dielektrischen
Materials/der dielektrischen Materialien, die verwendet werden,
um die Übertragungsleitungsstrukturen
zu trennen. Herkömmliche
Substratmaterialien weisen typischerweise eine relative Permeabilität von ungefähr 1,0 auf.
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Beim
herkömmlichen
Funkfrequenzentwürfen
wird ein Substratmaterial ausgewählt,
das einen relativen Permittivitätswert
aufweist, der für
den Aufbau geeignet ist, und die relative Permeabilität beträgt typischerweise
ca. 1 für
die meisten üblichen
dielektrischen Substratmaterialien. Sobald das Substratmaterial
ausgewählt
ist, wird der Wert der charakteristischen Impedanz der Leitung ausschließlich durch
Steuern der Leitungsgeometrie und der physikalischen Struktur angepasst.
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Funkfrequenz
("radio frequency"; RF)-Schaltungen
werden typischerweise in hybriden Schaltungen ausgebildet, in denen
eine Vielzahl aktiver und passiver Schaltungskomponenten auf einer
Oberfläche
eines elektrisch isolierenden Leiterplattensubstrats angebracht
und miteinander verbunden ist, wie beispielsweise einem Keramiksubstrat.
Die verschiedenen Komponenten werden allgemein durch aufgedruckte
metallische Leiter aus Kupfer, Gold oder Tantal zusammengeschaltet,
die beispielsweise Übertragungsleitungen
wie Streifenleitungen oder Mikrostreifen oder Doppelleitungsstrukturen
sind.
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Die
Permittivität
und Permeabilität
des ausgewählten
Substratmaterials für
eine Übertragungsleitung,
eine passive Funkfrequenzvorrichtung oder ein Abstrahlelement beeinflusst
die physikalische Wellenlänge
der Funkfrequenzenergie bei einer gegebenen Frequenz für diese
Leitungsstruktur. Eines der beim Entwerfen von mikroelektronischen
Funkfrequenzschaltungen auftretenden Probleme ist die Auswahl eines
dielektrischen Baugruppensubstratmaterials, das für alle verschiedenen
passiven Komponenten, strahlenden Elemente und Übertragungsleitungsschaltungen
geeignet ist, die auf der Baugruppe ausgebildet werden. Im Besonderen
kann die Geometrie bestimmter Schaltungselemente aufgrund der einzigartigen
elektrischen oder Impedanz-Eigenschaften, die für solche Elemente benötigt werden, physikalisch
groß oder
miniaturisiert sein. Beispielsweise müssen viele Schaltungselemente
oder abgestimmte Schaltungen eine elektrische Viertelwelle sein.
Auf gleiche Weise können
die Leitungsbreiten, die für
besonders hohe oder niedrige Werte der charakteristischen Impedanz
benötigt
wird, häufig
zu schmal oder zu breit sein bezüglich
einer praktischen Implementierung für ein gegebenes Substrat. Da
die physikalische Größe des Mikrostreifens
oder der Streifenleitung in einer inversen Beziehung zur relativen
Permittivität
des dielektrischen Materials steht, können die Ausmaße einer Übertragungsleitung durch
die Wahl des Substratleiterplattenmaterials stark beeinflusst werden.
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Dennoch
kann eine optimale Wahl für
einen Leiterplattensubstratmaterialentwurf für einige Komponenten inkonsistent
mit dem optimalen Leiterplattensubstratmaterial für andere
Komponenten sein, wie beispielsweise Antennenelemente oder Filter. Darüber hinaus
können
einige Entwurfszielsetzungen für
eine Schaltungskomponente inkonsistent mit denjenigen für eine andere
sein. Dementsprechend führen
die Randbedingungen eines Leiterplattensubstrats mit ausgewählten relativen
dielektrischen Eigenschaften oft zu Entwurfskompromissen, welche die
elektrische Leistung und/oder physikalischen Eigenschaften der Gesamtschaltung
negativ beeinflussen.
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Ein
inhärentes
Problem mit dem obigen Ansatz ist es, dass, zumindest in Bezug auf
das Substratmaterial, die einzige Steuervariable für die Leitungsimpedanz
die relative Permittivität, εr,
ist. Diese Beschränkung
verdeutlicht ein wichtiges Problem mit herkömmlichen Substratmaterialien,
d.h., dass diese keinen Vorteil aus dem anderen Materialfaktor ziehen,
welcher die charakteristische Impedanz bestimmt, nämlich die
relative Permeabilität, μr. Änderungen
der relativen Permeabilität
beeinflussen LI, die Induktivität pro Einheitslänge der Übertragungsleitung.
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Noch
ein weiteres Problem, das beim Entwurf von Funkfrequenzschaltungen
auftritt, ist die Optimierung von Schaltungskomponenten zum Betrieb
an unterschiedlichen Funkfrequenzbändern. Leitungsimpedanzen und
-längen,
die für
ein erstes Funkfrequenzband optimiert sind, können eine schlechtere Leistung
bringen, wenn sie für
andere Bänder
verwendet werden, entweder aufgrund von Impedanzschwankungen und/oder
Schwankungen in der elektrischen Länge. Solche Beschränkungen können den
effektiven Betriebsfrequenzbereich für ein gegebenes Funkfrequenzsystem
beschränken.
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Herkömmliche
Leiterplattensubstrate werden allgemein durch Abläufe, wie
beispielsweise Gießen
oder Sprühbeschichten
gebildet, welche allgemein zu einheitlichen physikalischen Substrateigenschaften,
einschließlich
der Permittivität,
führen. Dementsprechend
haben sich herkömmliche
dielektrische Substratanordnungen für Funkfrequenzschaltungen als
eine Beschränkung
beim Entwurf von Schaltungen gezeigt, die optimal bezüglich sowohl elektrischer
als auch größenmäßiger Eigenschaften sind.
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Interessierende
Referenzen auf dem Gebiet der Funkfrequenzschaltungen umfassen
JP 05 211402 von Furakawa
Electric Co. Ltd. und ein Aufsatz von Salahun et al., "Ferromagnetic Composite-Based
and Magnetically-Tunable Microwave Devices", 2002 IEEE MT-S International Microwave Symposium
Digest, 2.–7.
Juni 2002, Seiten 1185–1188.
JP 05 211402 beschreibt
eine Filterschaltung, die auf einer dielektrischen Keramikplatte ausgebildet
ist, die aus Hauptleitungen und Stichleitungen bzw. Stubs besteht.
Die Keramikplatte weist eine dielektrische Konstante auf, die niedriger
als diejenige der dielektrischen Keramikplatte ist, und ein Wandler
wird an der Basis gebildet. Gemäß
JP 05 211402 wird die Linienbreite
verdickt, ohne die charakteristische Impedanz des Wandlers zu ändern, und
zwar durch Verwenden eines dielektrischen Materials, dessen dielektrische
Konstante niedriger als diejenige eines Filters für den Wandler
ist. Der Aufsatz von Salahun et al. betrifft die Erzeugung abstimmbarer
Mikrowellenvorrichtungen unter Verwendung ferromagnetischer Materialien.
Im Vergleich zu Ferriten sagt dieser Aufsatz, dass die analysierten Komposite
gekennzeichnet sind durch eine höhere Sättigungsmagnetisierung
und eine verbesserte Empfindlichkeit gegenüber einem Gleichstrom-Magnetfeld.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird eine
Schaltung zum Verarbeiten von Funkfrequenzsignalen bereitgestellt, so
wie sie in den angehängten
Ansprüchen
definiert ist.
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In
einer Ausführungsform
umfasst der zweite Bereich eine Vielzahl entsprechender Teile, und
die Leitung mit zwei Anschlüssen
ist ein Tiefpassfilter. Das Tiefpassfilter umfasst einen Wandlerleitungsabschnitt
auf zumindest einem Teil des ersten Bereichs und auf zumindest einem
entsprechenden Teil des zweiten Abschnitts. Der Tiefpassfilter umfasst
mindestens einen ersten Stichleitungs- bzw. Stubabschnitt an mindestens
einem Teil des ersten Bereichs und an mindestens einem anderen entsprechenden Teil
des zweiten Bereichs. Der erste Bereich und der zweite Bereich der
dielektrischen Schicht können
unterschiedlich modifiziert bzw. verändert sein, um eine Kapazität zwischen
der Leitung mit zwei Anschlüssen
und einer Masseplatte anzupassen. Der erste Bereich und der zweite
Bereich der dielektrischen Schicht können unterschiedlich modifiziert
sein, um einen Gütefaktor
der Leitung mit zwei Anschlüssen anzupassen.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst
die Leitung mit zwei Anschlüssen
eine Vielzahl von Stubabschnitten, wobei jeder der Vielzahl von
Stubabschnitten mit seinem eigenen entsprechenden zweiten Substratbereich
gekuppelt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht auf eine Leitung mit zwei Anschlüssen, die an einem herkömmlichen Substrat
ausgebildet wird.
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2 ist
eine Draufsicht auf eine Leitung mit zwei Anschlüssen, die auf einem Substrat
zum Verringern der Größe der Leitung
mit zwei Anschlüssen gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet wird.
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3 ist
eine Querschnittsansicht der Leitung mit zwei Anschlüssen aus 2,
aufgetragen entlang der Linie A-A.
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer Leerlauf-Stubkonfiguration als offenem
Kreislauf der Leitung mit zwei Anschlüssen aus 1,
aufgetragen entlang der Linie B-B.
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer Kurzschluss-Stubkonfiguration der
Leitung mit zwei Anschlüssen
aus 2, aufgetragen entlang der Linie B-B.
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der Leitung mit
zwei Anschlüssen
aus 2, die entlang der Linie A-A aufgetragen ist,
wobei ein Teil der Übertragungsleitung einen
speziell angepassten Substratbereich umfasst.
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7 ist
eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der Leitung mit
zwei Anschlüssen
aus 2, aufgetragen entlang der Linie A-A, wobei ein
Wandlereinschnitt eingebettet ist.
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8 ist
eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform
der Leitung mit zwei Anschlüssen
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei die gesamte Zwei-Filter-Leitung im Substrat eingebettet
ist.
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9 ist
eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform
einer Leitung mit zwei Anschlüssen,
die auf einem Substrat gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet worden ist, wobei die Leitung mit zwei Anschlüssen in
einem Streifenleitungsformat eingebettet ist.
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10 ist
ein Flussdiagramm, das zur Darstellung eines Ablaufs zum Herstellen
einer Resonanzleitung verringerter physikalischer Größe gemäß der vorliegenden
Erfindung nützlich
ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine herkömmliche
Leitung 10 mit zwei Anschlüssen auf einem Leiterplattensubstrat 11 mit
Anschlüssen 13 und 15 gezeigt,
die mit einem Übertragungsleitungsabschnitt 17 und
mit einem Wandlerleitungsabschnitt 12 gekoppelt sind. Zusätzlich umfasst
die Filterleitung 10 mit zwei Anschlüssen ferner Stubleitungsabschnitte 14 und 16.
Der Übertragungsleitungsabschnitt 17 weist
eine erste Impedanz auf, während
die Stubleitungsabschnitte 14 mindestens eine zweite Impedanz
aufweisen können.
In diesem Fall sind die Impedanzeigenschaften der Leitung mit zwei
Anschlüssen
abhängig
von den Impedanzeigenschaften oder der effektiven Permeabilität und Permittivität des Substrats 11.
Eine Entwurfsauswahl der Größe des Wandlerleitungsabschnitts
und der Stubleitungsabschnitte werden von solchen Impedanzeigenschaften bestimmt.
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Der
Wandler wird allgemein verwendet, um eine Fehlanpassung in der Impedanz
zwischen zwei Punkten an einer Übertragungsleitung
zu kompensieren. In einem 1/4-Wellen-
bzw. λ/4-Wandler
weist eine Lastimpedanz Z
i zur charakteristischen
Speisungsleitungsimpedanz Z
0 durch eine
kurze Länge einer Übertragungsleitung
der Länge
I eine Impedanz von Z
I auf. Für einen
perfekten Übergang
mit keinen Reflexionen an der Grenzfläche zwischen einem Mikrostreifen
und einer Last würde
die charakteristische Impedanz Z
I gleich
sein zu:
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Daher
wird der Wandlerleitungsabschnitt typischerweise so entworfen, dass
die charakteristische Speisungsleitungsimpedanz mit der Lastimpedanz
(nicht gezeigt) übereinstimmt.
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Bezug
nehmend auf 2 ist die Leitung 100 mit
zwei Anschlüssen,
die als ein Tiefpassfilter dient, auf einer Schicht eines Substratmaterials
(Substratschicht 110) angebracht. In 2 ist
die Leitung 100 mit zwei Anschlüssen so konfiguriert, dass
sie einen Eingangsanschluss 113 an einem proximalen Ende
und einen Ausgabeanschluss 115 an einem distalen Ende aufweist
sowie einen Wandlerabschnitt 112, einen oder mehrere Stubabschnitte 114 und 116 und
eine Übertragungsleitung
oder -spur 117, die sich von dem proximalen Ende des Wandlerabschnitts 112 erstreckt,
wobei die Stubabschnitte sich von der Spur 117 zu einem
entsprechenden Ende des Stubs erstrecken. Die Stichleitungen bzw.
Stubs 114 und 116 und der Wandlerabschnitt 112 können breiter
aber kürzer
als die Spur 117 sein. Es wird vom Fachmann jedoch anerkannt,
dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und die Leitung mit
zwei Anschlüssen
auch in unterschiedlichen Formen konfiguriert sein kann. Beispielsweise
kann in einer Anordnung die Leitung mit zwei Anschlüssen eine
Spur mit konstanter Breite ohne einen Stub aufweisen, kann eine
Spur mit einer sich ausbreitenden oder konisch geformten Breite
aufweisen oder kann einen kreisförmigen
oder radialen Stub aufweisen. Jedoch können auch noch andere Leitungsformen
verwendet werden.
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Die
Stubs 114 und 116 können als Resonanzleitungen
angesehen werden.
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Eine
Resonanzleitung ist eine Übertragungsleitung,
die typischerweise in Funkfrequenzschaltungen verwendet wird. Eine
Resonanzleitung weist eine begrenzte Länge auf und wird nicht in ihrer
eigentümlichen
Impedanz (Z0) abgeschlossen bzw. abgesteuert.
Die Fehlanpassung zwischen Z0 und der Impedanz
bei Abschluss (Lastimpedanz) ZL bewirkt, dass
Energiereflexionen auftreten. Diese Energiereflexionen können eine
Spannung an der Leitung erhöhen
oder erniedrigen, und zwar abhängig
von der Frequenz der angelegten Spannung und der Lage an der Leitung,
an der die Spannung gemessen wird. Dementsprechend kann eine Resonanzleitung
einer gegebenen Länge
bei einigen Frequenzen eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen, ähnlich einer
parallelen Resonanzschaltung bei Resonanz, während die Resonanzleitung bei
anderen Frequenzen eine niedrige Eingangsimpedanz aufweisen kann, ähnlich einer
reihengeschalteten Resonanzschaltung bei Resonanz. Bei anderen Frequenzen
kann die Resonanzleitung auch komplexe oder reaktive Impedanzen
aufweisen. Als ein Tiefpassfilter ermöglicht die vorliegende Erfindung
eine tiefere Zurückweisung
in einer Bandstoppfläche
einer Filterantwort und einen niedrigen Verlust in einer Durchlass bandfläche der Filterantwort
als vorhergehende Entwürfe
unter Verwendung von herkömmlichen
Materialien.
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Auf
bedruckten Leiterplatten oder Substraten werden Einzelanschluss-Resonanzleitungen
typischerweise implementiert durch Erzeugen einer Leitung mit einem
einzelnen Anschluss am Eingang und entweder mit einem offenen Kreislauf
oder einem Kurzschluss zur Masse beim Abschluss. Die elektrische
Länge einer
Resonanzleitung mit einem Anschluss bzw. einer Einzelanschluss-Resonanzleitung ist üblicherweise
ein Vielfaches einer Viertel-Wellenlänge einer ausgewählten Frequenz.
An einer kurzgeschlossenen Leitung weist jeder Punkt bei einer ungeraden
Zahl von Viertelwellenlängen
vom Abschluss aus eine hohe Impedanz und relative Spannungsmaxima
auf, und jeder Punkt bei einer geraden Zahl von Viertelwellenlängen von
dem Abschluss aus weist eine niedrige Impedanz und ein relatives
Spannungsminimum auf. Die Lagen der Spannungsmaxima und -minima
sind an Leerlauf-Resonanzleitungen umgekehrt. Die Eingangsimpedanz
einer Einzelanschluss-Resonanzleitung ist üblicherweise resistiv, wenn
die Länge
der Resonanzleitung ein gerades oder ungerades Vielfaches der Viertelwellenlängen der
Betriebsfrequenz ist. Das heißt,
dass der Eingang zur Einzelanschluss-Resonanzleitung sich an einer Position
eines Spannungsmaximums oder -minimums befindet.
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Wenn
der Eingang der Einzelanschluss-Resonanzleitung sich an einer Position
zwischen den Punkten maximaler und minimaler Spannung befindet,
kann die Eingangsimpedanz reaktive Komponenten aufweisen, was ein
nützliches
Merkmal sein kann. Beispielsweise können die Resonanzleitungen auch
als fast reine Kapazitäten
oder Induktivitäten agieren.
Beispielsweise agiert eine Leerlaufleitung als eine reine Kapazität bei einer
Länge von
1/8 der Wellenlänge,
agiert als eine Reihen-LC-Impedanz bei einer Länge von 1/4 der Wellenlänge, agiert
als reine Induktivität
bei einer Länge
von 3/8 der Wellenlänge
und agiert wie eine parallele LC-Schaltung bei einer Länge von
1/2 der Wellenlänge.
Diese Abfolge wiederholt sich jede halbe Wellenlänge mit glatten Übergängen zwischen
jedem der oben angesprochenen Punkte. Daher können geeignete ausgewählte Resonanzleitungssegmente
mit einem Anschluss als parallel-resonante, Reihenschaltungs-resonante,
induktive oder kapazitive Schaltungen verwendet werden.
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Eine
Kurzschlussleitung agiert als eine reine Induktivität bei einer
Länge von
1/8 der Wellenlänge, agiert
als eine parallele LC-Impedanz bei einer Länge einer 1/4 der Wellenlänge, agiert
als reine Kapazität bei
einer Länge
von 3/8 der Wellenlänge
und agiert wie eine Reihen-LC-Schaltung bei einer Länge einer halben
Wellenlänge.
Die ser Ablauf wiederholt sich jede halbe Wellenlänge mit glatten Übergängen zwischen
jedem der oben angesprochenen Punkte. Daher können geeignete ausgewählte Resonanzleitungssegmente
mit einem Anschluss als parallel-resonante, reihengeschaltet-resonante,
induktive oder kapazitive Schaltungen verwendet werden.
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Wenn
eine Resonanzleitung in einer Kapazität abschließt, absorbiert der Kondensator
keine Energie, sondern gibt jegliche Energie an die Schaltung zurück. Die
Impedanzdiskontinuität
zwischen der Leitungsimpedanz und dem Abschluss erzeugt eine reflektierte
Welle, die sich auf die einlaufende Wellen aufaddiert, um eine stehende
Welle zu erzeugen. Die Spannung der stehenden Welle ist minimal
bei einem Abstand von genau 1/8 der Wellenlänge, vom Ende aus gesehen,
wenn die kapazitive Reaktanz des Abschlusses den gleichen absoluten
Wert wie Z0 aufweist. Falls die kapazitive
Reaktanz größer als
Z0 ist (kleinere Kapazität), sieht der Abschluss mehr
wie ein offener Kreislauf aus, und das Spannungsminimum bewegt sich
vom Ende weg. Falls die kapazitive Reaktanz kleiner als Z0 ist, bewegt sich das Spannungsminimum näher zum
Ende.
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Resonanzleitungen
mit einem Anschluss werden üblicherweise
auf speziell dazu entworfenen bedruckten Leiterplatten bzw. Platinen
hergestellt. Die Resonanzleitungen können auf viele unterschiedliche
Arten hergestellt werden. Drei übliche Konfigurationen
werden als Nächstes
beschrieben. Eine Konfiguration, die als Mikrostreifen bekannt ist, ordnet
die Resonanzleitung an einer Plattenoberfläche an und stellt eine zweite
leitfähige
Schicht bereit, die mit der Platte gekoppelt ist. Diese zweite leitfähige Schicht
wird üblicherweise
als eine Masseplatte bezeichnet. Eine zweite Art von Konfiguration,
die als bedeckter Mikrostreifen bekannt ist, ist gleich, außer dass
die Resonanzleitung mit einem dielektrischen Substratmaterial bedeckt
ist. In einer dritten Konfiguration, die als Streifenleitung bekannt
ist, ist die Resonanzleitung zwischen zwei elektrisch leitfähigen (Masse)
Platten eingefügt,
welche sich nahe der Leiterplatte befinden können oder mit der Leiterplatte gekoppelt
sein können.
Wie hierin definiert, bedeutet "gekoppelt
mit der Leiterplatte" befestigt
mit der Oberfläche
der Leiterplatte oder in der Leiterplatte enthalten.
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Materialien
für bedruckte
Leiterplatten mit niedriger Permittivität werden üblicherweise zum Entwurf von
Funkfrequenzschaltungen ausgewählt.
Beispielsweise sind Polytetrafluorethylen (PTFE)-basierte Komposite,
wie beispielsweise RT/duroid® 6002 (relative Permittivität von 2,94;
Dielektrizitätsverlust
von 0,009) und RT/duroid® 5880 (relative Permittivität von 2,2;
Dielektrizitätsverlust
von 0,0007), beide von Rogers Microwave Products, Advanced Circuit
Materials Division, 100 S Roosevelt Avenue, Chandler, AZ 85226,
erhältlich.
Diese beiden Materialien sind übliche
Wahl für
Leiterplattenmaterial. Die obigen Leiterplattenmaterialien stellen
dielektrische Schichten mit relativ niedrigen Permittivitäten mit
zugehörigen
niedrigen Dielektrizitätsverlusten
zur Verfügung.
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Jedoch
kann die Verwendung herkömmlicher
Leiterplattenmaterialien, die Miniaturisierung von Schaltungselementen
kompromittieren und mag auch einige Leistungsaspekte der Schaltung
kompromittieren, welche von Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante
profitieren können.
Durch Vergleich stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler
eine zusätzliche
Flexibilitätsstufe
bereit durch Erlauben der Verwendung von Substratschichtteilen mit
lokal hoher Permittivität
und Substratschichtteilen mit lokal niedriger Permittivität. Zusätzlich können lokalisierte
Leiterplattenteile auf einen Wirkungsgrad optimiert werden durch
die Fähigkeit,
lokalisierte magnetische Leiterplatteneigenschaften auszuwählen. Diese
zusätzliche
Flexibilität
ermöglicht
eine verbesserte Leistung und Leitungselementdichte, die anders
nicht möglich
ist.
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Dielektrische
Substratplatten bzw. -baugruppen mit Metamaterial-Bereichen, welche
lokalisierte bzw. lokal begrenzte und auswählbare magnetische und Substrat-Eigenschaften bereitstellen,
können
auf die folgende Art hergestellt werden. Wie hierin definiert, bezieht
sich der Ausdruck "Metamaterialien" auf Kompositmaterialien,
die aus dem Mischen oder einer Anordnung von zwei oder mehr unterschiedlicher
Materialien auf einer sehr feinen Ebene, wie beispielsweise der
Molekular- oder Nanometer-Ebene, gebildet werden. Metamaterialien
erlauben ein Zuschneiden elektromagnetischer Eigenschaften des Komposits,
welches durch effektive elektromagnetische Parameter definiert werden
kann, die eine effektive elektrische Permittivität εeff (oder
Dielektrizitätskonstante)
und die effektive magnetische Permeabilität μeff umfassen.
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Geeignete
dielektrische Massen- bzw. Bulk-Keramiksubstratmaterialien kann
man von kommerziellen Materialherstellern, wie beispielsweise duPont
und Ferro, erhalten. Das unverarbeitete Material, üblicherweise
Green Tape genannt, kann aus einem dielektrischen Massen-Band in
große
Bereiche geschnitten werden, wie beispielsweise in Teile von 15,24 × 15,24
cm (d. h., 6 inch × 6
inch-Teile). Beispielsweise stellt duPont Microcircuit Materials Green
Tape-Materialsysteme bereit, wie beispielsweise das dielelektrische
951-Niedertemperatur-Einbrand-Band, und die Ferro Electronic Materials
die COG-dielektrische ULF28-30-ultraniedrig-Einbrand-Formulierung.
Diese Substratmaterialien können
dazu verwendet werden, dielektrische Schichten mit relativ geringen
Dielektrizitätskonstanten
mit dazugehörigen
relativ niedrigen Dielektrizitätsverlusten für einen
Schaltungsbetrieb bei Mikrowellenfrequenzen bereitzustellen, sobald
sie gebrannt sind.
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Beim
Ablauf des Erzeugens einer Mikrowellenschaltung unter Verwendung
mehrfacher Lagen eines dielektrischen Substratmaterials können Merkmale
wie beispielsweise Durchführungen,
Poren, Löcher
oder Hohlräume
durch ein oder mehrere Schichten des Bandes gestanzt werden. Poren
können durch
mechanische Mittel (beispielsweise Stanzungen) oder durch gerichtete
Energiemittel (z. B. Laserbohren, Fotolithografie) definiert werden,
aber Poren können
auch unter Verwendung jedes anderen geeigneten Verfahrens definiert
werden. Einige Durchkontaktierungen können durch die gesamte Dicke des
großen
Substrats hindurch reichen, während
einige Poren nur durch verschiedene Bereiche der Substratdicke hindurchreichen.
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Die
Durchkontaktierungen können
dann mit Metall oder anderen dielektrischen oder magnetischen Materialien
oder Mischungen davon, aufgefüllt werden, üblicherweise
unter Verwendung von Schablonen zur präzisen Aufbringung der Hinterfüllungsmaterialien.
Die individuellen Schichten des Bandes können in einem herkömmlichen
Verfahrensablauf aufeinander gestapelt werden, um ein vollständiges Mehrlagensubstrat
herzustellen. Alternativ können individuelle
Schichten des Bandes aufeinandergestapelt werden, um ein nicht vollständiges Mehrlagensubstrat
zu erzeugen, das üblicherweise
als ein Teilstapel bezeichnet wird.
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Mit
Poren bzw. Leerräumen
versehene Bereiche können
auch Poren bleiben. Falls sie mit ausgewählten Materialien hinterfüllt werden,
umfassen die ausgewählten
Materialien vorzugsweise Metamaterialien. Die Wahl einer Metamaterialzusammensetzung
kann steuerbare effektive Dielektrizitätskonstanten über einen
vergleichsweise kontinuierlichen Bereich von weniger als 2 bis mindestens
2650 ergeben. Steuerbare magnetische Eigenschaften sind auch von
bestimmten Metamaterialien verfügbar. Beispielsweise
kann durch Wahl geeigneter Materialien die relative effektive magnetische
Permeabilität allgemein
von ungefähr
4 bis 116 für
die meisten praktischen Funkfrequenzanwendungen reichen. Jedoch
kann die relative effektive magnetische Permeabilität so niedrig
wie ca. 2 sein oder bis in die Tausende reichen.
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Der
Ausdruck "unterschiedlich
modifiziert", wie
er hier verwendet wird, bezieht sich auf Veränderungen bzw. Modifikationen,
einschließlich
Dotiermitteln, in Bezug auf eine Substratschicht, was dazu führt, dass
zumindest eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften
an einem Bereich des Substrats im Vergleich zu einem anderen Bereich
unterschiedlich ist. Ein unterschiedlich modifiziertes Leiterplattensubstrat
umfasst vorzugsweise ein oder mehr Metamaterial enthaltende Bereiche.
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Beispielsweise
kann die Modifikation eine ausgewählte Veränderung sein, bei der bestimmte
dielektrische Schichtbereiche bzw. Bereiche einer dielektrischen
Schicht verändert
werden, um einen ersten Satz dielektrischer Permittivitäts- oder
magnetischer Permeabilitäts-Eigenschaften
zu erzeugen, während
andere Bereiche der Substratschicht unterschiedlich modifiziert
bzw. verändert
werden oder unverändert
bleiben, um dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften bereitzustellen,
die sich von dem ersten Satz von Eigenschaften unterscheiden. Eine
unterschiedliche Modifizierung kann auf eine Vielzahl unterschiedlicher
Wege erreicht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann eine Ergänzungssubstratschicht
der dielektrischen Schicht hinzugefügt werden. Bekannte Techniken,
wie beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien,
verschiedene Abscheidetechnologien oder ein Zerstäuben können verwendet werden,
um die Ergänzungssubstratschicht
aufzubringen. Die Ergänzungssubstratschicht
kann ausgewählt
in räumlich
begrenzten Bereichen hinzugefügt werden,
einschließlich
innerhalb von Poren oder Löchern,
oder über
die gesamte existierende dielektrische Schicht. Beispielsweise kann
eine Ergänzungssubstratschicht
verwendet werden, um einen Substratbereich mit einer erhöhten effektiven
Permittivität bereitzustellen.
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Antworten
einer Substratschicht auf gegebene energetische Anregungen können im
Wesentlichen ganz oder teilweise permanent sein. Permanente Antworten
erlauben eine zeitliche Anwendung einer geeigneten Anregung, um
ein oder mehrere gewünschte
physikalische Eigenschaften einer Substratschicht zu erreichen.
Physikalische Eigenschaften können
auch dynamisch gesteuert werden, wie beispielsweise durch die Verwendung
von Entladungselektroden, welche eine Anwendung eines zeitlich veränderlichen
elektrischen Felds über
die Substratschicht erlauben können.
Eine dynamische Steuerung der Substratschichteigenschaften, wie
beispielsweise der Permittivität,
kann verwendet werden, um die physikalischen Eigenschaften der Substratschicht
zu steuern, um die Leistung der Resonanzleitung als Antwort auf
sich verändernde
Signaleigenschaften zu optimieren, beispielsweise auf eine wesentliche Änderung
in der Betriebsfrequenz.
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Der
Schritt des unterschiedlichen Modifizierens kann weiterhin ein räumlich begrenztes
Hinzufügen
zusätzlicher
Materialien zu der Substratschicht oder der dielektrischen Ergänzungssubstratschicht schicht
enthalten. Die Hinzufügung
von Material kann verwendet werden, um die effektiven Permittivitäts- oder
Permeabilitätseigenschaften
der Substratschicht weiter zu steuern, um ein vorgegebenes Entwurfsziel
zu erreichen.
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Das
zusätzliche
Material kann eine Vielzahl von metallischen und/oder keramischen
Teilchen umfassen. Metallteilchen umfassen vorzugsweise Eisen-,
Wolfram-, Kobalt-, Vanadium-, Mangan-, bestimmte Seltenerdmetall-,
Nickel- oder Niob-Teilchen. Die Teilchen sind vorzugsweise nanogroße Teilchen
mit allgemein physikalischen Sub-Mikrometer-Abmessungen,
die im Weiteren als Nanoteilchen bezeichnet werden.
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Die
Teilchen, wie beispielsweise Nanoteilchen, können vorzugsweise organofunktionalisierte Kompositteilchen
sein. Beispielsweise können
organofunktionalisierte Kompositteilchen Teilchen umfassen, welche
metallische Kerne mit elektrisch isolierenden Beschichtungen oder
elektrisch isolierende Kerne mit einer Metallbeschichtung umfassen.
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Magnetische
Metamaterialien, welche allgemein zur Steuerung einer magnetischen
Permeabilität
der Substratschicht für
eine Vielzahl von hierin beschriebenen Anwendungen geeignet sind,
umfassen Ferrit-Organokeramiken (FexCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik). Diese Teilchen
arbeiten gut bei Anwendungen im Frequenzbereich von 8 bis 40 GHz.
Alternativ oder zusätzlich
sind Niob-Organokeramiken (NbCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik) nützlich für den Frequenzbereich von 12–40 GHz.
Die für
eine Hochfrequenz vorgesehenen Materialien sind auch auf Niedrigfrequenzanwendungen
anwendbar. Diese und andere Arten von Kompositteilchen sind kommerziell
erhältlich.
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Allgemein
werden beschichtete Teilchen zur Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung bevorzugt, da sie eine Verbindung mit einer Polymer (z.
B. LCP)-Matrix oder mit Seitenkettenresten unterstützen. Zusätzlich zum
Steuern der magnetischen Permeabilitätseigenschaften des Dielektrikums
können die
hinzugefügten
Teilchen auch dazu verwendet werden, die effektive Permittivität des Materials
zu steuern. Unter Verwendung eines Füllungsverhältnisses von Kompositteilchen
von ungefähr
1 bis 70 % ist es möglich,
die Permittivität
von Bereichen der Substratschicht und/oder der Ergänzungssubstratschicht wesentlich
zu erhöhen
und möglicherweise
abzusenken. Beispielsweise kann ein Hinzufügen organofunktionalisierter
Nanopartikel zu einer Substratschicht dazu verwendet werden, die
Permittivität
der modifizierten Bereiche der dielektrischen Schicht anzuheben.
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Teilchen
können
mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfachmischens,
Mischens und eines heftigen Füllens.
Falls beispielsweise die Substratschicht ein LCP umfasst, kann die
Permittivität
von einem nominellen LCP-Wert von 2 bis hoch zu 10 unter Verwendung
einer Vielzahl von Teilchen mit einem Füllungsverhältnis von bis zu 70 % angehoben
werden.
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Metalloxide,
die für
diesen Zweck nützlich sind,
können
Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkonoxid
und Niob(II, IV, V)-oxid umfassen. Lithiumniobat (LiNbO3)
und Zirkonate, wie beispielsweise Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat,
können
ebenfalls verwendet werden.
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Die
wählbaren
Substrateigenschaften können
auf Flächen
so klein wie ca. 10 nm lokal begrenzt werden oder große Flächenbereiche
abdecken, einschließlich
der gesamten Baugruppen- bzw. Leiterplattensubstratoberfläche. Herkömmliche
Techniken, wie beispielsweise Lithographie und Ätzen, zusammen mit Abscheidungsabläufen, können zur
räumlich begrenzten
Handhabung der Permittivität
und Permeabilität
verwandt werden.
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Die
Materialien können
gemischt mit anderen Materialien oder einschließlich verschiedener Dichten
porenbehafteter Bereiche (welche allgemein Luft einfügen) angesetzt
werden, um effektive Permittivitäten
in einem im Wesentlichen kontinuierlichen Bereich von 2 bis ca.
2650 herzustellen, als auch andere potentiell gewünschte Substrateigenschaften.
Beispielsweise umfassen Materialien, die eine niedrige relative
Permittivität
(< 2 bis ca. 4)
zeigen, Siliziumdioxid mit unterschiedlichen Dichten porenbehafteter
Bereiche. Aluminiumoxid mit unterschiedlichen Dichten porenbehafteter
Bereiche kann eine Dielektrizitätskonstante
von ca. 4 bis 9 bereitstellen. Weder Siliziumdioxid noch Aluminiumoxid weisen
irgendeine wesentliche magnetische Permeabilität auf. Jedoch können magnetische
Partikel hinzugefügt
werden, wie beispielsweise bis zu 20 Gew.-%, um diese oder jegliches
andere Material merklich magnetisch zu machen. Beispielsweise können magnetische
Eigenschaften mit einer Organofunktionalität zugeschnitten werden. Die
Auswirkung auf die Dielektrizitätskonstante
vom Hinfügen magnetischer
Materialien führt
allgemein zu einem Anstieg in der Dielektrizitätskonstante.
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Materialien
mit mittlerer Dielektrizitätskonstante
weisen eine relative Permittivität
auf, die allgemein im Bereich von 70 bis 500 ± 10 % liegt. Wie oben angemerkt,
können
diese Materialien mit anderen Materialien oder Poren gemischt werden,
um die gewünschten
Werte der effektiven Dielektrizitätskonstanten bereitzustellen.
Diese Materialien können Ferrit-dotiertes
Kalziumtitanat umfassen. Dotiermetalle können Magnesium, Strontium und
Niob umfassen. Diese Materialien weisen einen Bereich von 45 bis
600 in der relativen magnetischen Permeabilität auf.
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Für Anwendungen
mit hoher Permittivität können Ferrit-
oder Niob-dotierte Kalzium- oder
Barium-Titanat-Zirkonate verwendet werden. Diese Materialien weisen
eine relative Permittivität
von ungefähr
2200 bis 2650 auf. Dotieranteile für diese Materialien liegen
allgemein zwischen ca. 1 bis 10 %. Wie in Bezug auf andere Materialien
angemerkt, können diese
Materialien mit anderen Materialien oder Poren gemischt werden,
um gewünschte
effektive Werte für die
Dielektrizitätskonstante
bereitzustellen.
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Diese
Materialien können
allgemein durch verschiedene molekulare Veränderungsabläufe modifiziert werden. Modifikationsbearbeiten
kann eine Erzeugung von Poren, gefolgt durch Füllen mit Materialien, wie beispielsweise
Kohlenstoff- und Fluorbasierten organofunktionalen Materialen, wie
beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), umfassen.
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Alternativ
oder zusätzlich
zur organofunktionalen Integration kann ein Bearbeiten eine Herstellung
von festen Freiformen ("solid
freeform fabrication";
SFF), Licht-, UV-Röntgenstrahl-,
Elektronenstrahl- oder Ionenstrahl-Bestrahlung umfassen. Eine Lithographie
kann auch unter Verwendung einer Foto-, UV-, Röntgenstrahl-, Elektronenstrahl-
oder Ionenstrahl- Bestrahlung durchgeführt werden.
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Unterschiedliche
Materialien, einschließlich Metamaterialien,
können
auf unterschiedliche Flächen
auf Substratschichten (Teilstapel) aufgebracht werden, so dass eine
Vielzahl von Flächen
der Substratschichten (Teilstapel) unterschiedliche dielektrische
und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Die Hinterfüllungsmaterialien,
wie oben angemerkt, können
zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Verarbeitungsschritten
verwendet werden, um gewünschte
dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften zu erreichen, entweder
lokal begrenzt oder über
einen Massen-Substratbereich.
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Ein
Leiteraufdruck auf der obersten Schicht wird dann allgemein auf
die modifizierte Substratschicht, den Schichtstapel oder den vollständigen Stapel
aufgebracht. Leiterspuren können
unter Verwendung von Dünnfilmtechniken,
Dickfilmtechniken, einer Galvanisierung oder jeder anderen geeigneten Technik
bereitgestellt werden. Die Prozessabläufe, die verwendet werden,
um das Leitermuster zu definieren, umfas sen, sind aber nicht beschränkt auf, eine
Standardlithographie und Vervielfältigungsmatrizen.
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Man
erhält
dann allgemein eine Grundplatte zum Zuordnen und Ausrichten einer
Vielzahl von modifizierten Leiterplattensubstraten. Ausrichtungslöcher durch
jede der Vielzahl der Substratleiterplatten können für diesen Zweck verwendet werden.
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Die
Vielzahl von Schichten des Substrats, ein oder mehrere Teilstapel
oder eine Kombination von Schichten und Teilstapeln können dann
miteinander geschichtet werden (z. B. mechanisch gepresst) unter
Verwendung entweder eines isostatischen Drucks, was einen Druck
auf das Material von allen Richtungen anlegt, oder eines einachsigen Drucks,
was einen Druck auf das Material nur von einer Richtung aus anlegt.
Das Mehrlagensubstrat wird dann weiterverarbeitet, wie oben beschrieben,
oder in einen Ofen eingebracht, um auf eine Temperatur aufgeheizt
zu werden, die für
das verarbeitete Substrat geeignet ist (ungefähr 850°C bis 900°C für die oben angesprochenen Materialien).
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Die
Vielzahl von Keramikbandschichten und gestapelten Teilstapeln von
Substraten kann dann unter Verwendung eines geeigneten Ofens gebrannt werden,
welcher bezüglich
eines Temperaturanstiegs mit einer Rate gesteuert werden kann, die
für das verwendete
Substratmaterial geeignet ist. Die verwendeten Prozessbedingungen,
wie beispielsweise die Anstiegsrate der Temperatur, die Endtemperatur, das
Abkühlprofil
und notwendige Halteabschnitte werden abgestimmt auf das Substratmaterial
und jedes darin hinterfüllte
oder darauf aufgetragene Material ausgewählt. Dem Brennen folgend werden
Substratplatten typischerweise unter Verwendung eines optischen
Mikroskops auf Fehler untersucht.
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Daher
können
Substratmaterialien mit lokalisierten bzw. lokal begrenzten, ausgewählten dielektrischen
und/oder magnetischen Eigenschaften zum Verbessern der Dicht und
Leistung von Schaltungen ausgestattet sein, einschließlich solcher,
die Leitungen mit zwei Anschlüssen
aufweisen, welche als elliptische oder andere Tiefpassfilter dienen.
Die Substratflexibilität
erlaubt eine unabhängige
Optimierung der Leitungsimpedanz verschiedener Elemente, welche
die Leitungen mit zwei Anschlüssen
ausmachen.
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Jedoch
kann die Verwendung herkömmlicher
Leiterplattenmaterialien die Verkleinerung von Schaltungselementen
beeinträchtigen
und kann auch einige Leistungsgesichtspunkte von Schaltungen beeinträchtigen,
die von Schichten mit hoher Dielektri zitätskonstante profitieren. Eine
typische Abwägung
bei einer Kommunikationsschaltung besteht zwischen der physikalischen
Größe einer
Resonanzleitung gegen die Betriebsfrequenz. Durch Vergleich stellt
die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler eine zusätzliche
Flexibilitätsstufe
bereit durch das Erlauben der Verwendung eines dielektrischen Schichtteils
hoher Dielektrizitätskonstante
mit magnetischen Eigenschaften, die auf eine Verringerung der Größe einer
Resonanzleitung und /oder einer Wandlerleitung zum Betrieb bei einer
bestimmten Frequenz hin optimiert sind. Ferner stellt die vorliegende
Erfindung dem Schaltungsentwickler auch Mittel zum Steuern des Gütefaktors
(Q) der Resonanzleitungsgesichtspunkte einer Leitung mit zwei Anschlüssen bereit.
Diese zusätzliche
Flexibilität
ermöglicht
eine verbesserte Leistung und Resonanzleitungsdichte und Leistung,
die anders für
Funkfrequenzschaltungen nicht möglich
ist. Wie hierin definiert, bedeutet Funkfrequenz bzw. RF jede Frequenz, die
verwendet werden kann, um eine elektromagnetische Welle zu verbreiten.
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Bezug
nehmend auf die 2 und 3 ist die
Leitung 100 mit zwei Anschlüssen auf einem Substrat (dielektrische
Schicht) 110 angebracht, welche mindestens einen ersten
Bereich 111 mit einem ersten Satz von Substrateigenschaften
(wie beispielsweise dielektrischen Permittivitäts- und magnetischen Permeabilitätseigenschaften)
einschließlich einer
relativen Permittivität
und einer relativen Permeabilität
aufweist, als auch mindestens einen zweiten Bereich 101 mit
einem zweiten Satz von Substrateigenschaften einschließlich einer
zweiten relativen Permittivität
und relativen Permeabilitätskonstanten. Die
erste relative Permittivität
unterscheidet sich vorzugsweise von der zweiten relativen Permittivität. In diesem
Fall kann der zweite Bereich 101 unter dem Wandlerabschnitt 112 liegen.
Der Wandlerleitungsabschnitt 112 und der zweite Bereich 101 der
Substratschicht 110 sind so konfiguriert, dass mindestens ein
Teil eines Spurteils 102 des Wandlungsleitungsabschnitts 112 sich
am zweiten Bereich 101 wie gezeigt befindet. Wie gezeigt,
nimmt der zweite Bereich 101 eine breitere Fläche ein
als der Spurteil 102 des Wandlerleitungsabschnitts 112,
aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Auf
gleiche Weise, aber unabhängig
vom Wandlerleitungsabschnitt (und voneinander, falls gewünscht) sind
die Stubs 114 und 116 so konfiguriert, dass mindestens ein
Teil ihrer entsprechenden Spurteile 104 und 106 ihre
entsprechenden "zweiten" Bereiche 103 und 105 mit
ihren eigenen Substrateigenschaften aufweisen. Die vorliegende Erfindung
berücksichtigt,
dass jeder der "zweiten" Bereiche 101, 103 und 105 seine
eigenen Substrateigenschaften aufweisen kann, aber ein Schaltungsentwickler
könnte
auch diese "zweiten" Bereiche passend
verwenden.
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Optional
kann ein Teil 118 der Übertragungsleitung
oder -spur 117 auch seinen eigenen Bereich oder "zweiten" Bereich mit seinen
eigenen Substrateigenschaften aufweisen. Dies würde es einem Entwurfsingenieur
erlauben, die zusammengeschalteten Spuren zwischen den Elementen
zu verlängern
oder zu verkürzen
(oder dicker zu machen), so wie es gewünscht wird, und zwar diejenigen
Elemente, die in der in 2 gezeigten beispielhaften Leitung
mit zwei Anschlüssen
und in der Querschnittsansicht von 6 umfasst
sind. Es sollte bei der Betrachtung der Erfindung verstanden werden,
dass die gesamte Spur 117 ihren eigenen Bereich mit ihren
eigenen Substrateigenschaften aufweisen kann, welche sich von den
Bereichen 101, 103 und 111 unterscheidet.
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Die
relative Permittivität
des zweiten Bereichs (101 oder 103 oder 105)
kann höher
als diejenige des ersten Bereichs 111 sein. Dementsprechend
kann die Größe der Stubs 114 und 116 kleiner sein
als es sonst notwendig wäre,
um eine ausgewählte
Kapazität
zwischen den entsprechenden Stubs 114 und 116 und
einer Masseplatte zu erreichen. Auf gleiche Weise kann die Größe der Wandlerleitungsabschnitte 112 kleiner
gemacht werden. Dies erlaubt es insbesondere der Fläche der
Spurteile 112, 104 und 106 der entsprechenden
Stubs und des Wandlungsleitungsabschnitts, kleiner zu sein. Dementsprechend
erlaubt dies der Fläche
des Substrats 110, welches die Leitung mit zwei Anschlüssen umfasst,
kleiner zu sein als die diejenige Fläche, die bei einer herkömmlichen
Leiterplatte benötigt
würde.
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Die
Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals, das an einer Resonanzleitung
läuft,
ist ungefähr umgekehrt
proportional zu
Dementsprechend verringert
ein Erhöhen
der Permeabilität
und/oder Permittivität
im zweiten Bereich (
101,
103 oder
105) die
Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals an der Leitung
100 und
dadurch die Signalwellenlänge.
Daher kann die Viertel-Wellenlänge
(oder jegliches Mehrfache davon) der Leitung
100 verringert
werden durch Erhöhen
der Permeabilität
und/oder Permittivität.
Dementsprechend kann die Fläche
der dielektrischen Schicht oder des Substrats
110, welche
die Leitung mit zwei Anschlüssen
aufnimmt, kleiner sein als diejenige Fläche, die an einer herkömmlichen
Leiterplatte benötigt
würde.
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Der
zweite Bereich kann auch eine Permittivität aufweisen, die ausgewählt wurde,
um eine bestimmte Kapazität
für Teile
oder für
die gesamte Leitung 100 mit zwei Anschlüssen zu erreichen. Ferner kann
die Permeabilität
ausgewählt
werden, um auch zu einer bestimmten Induktivität für die Leitung 100 mit
zwei Anschlüssen
zu führen.
Die Permittivität
und Permeabilität
können
so gewählt
werden, dass sie zu einem gewünschten
Z0 oder anderen Filtereigenschaften der
Leitung 100 mit zwei Anschlüssen führen. Z0 kann
ausgewählt
werden, um zu einem gewünschten
Q für bestimmte
Resonanzen an den Resonanzleitungsteilen der Leitung mit zwei Anschlüssen zu
führen,
die Resonanzantwort des Filters zu bilden und/oder Spannungsmaxima
und -minima anzupassen. Ferner kann Z0 ausgewählt werden,
um Resonanzmoden höherer
Ordnung zu unterdrücken und/oder
um eine Fehlanpassung zwischen der Impedanz der Leitung 100 mit
zwei Anschlüssen
und der Impedanz des freien Raums zu erzeugen. Diese Impedanzfehlanpassung
kann dabei helfen, eine Funkfrequenzabstrahlung von der Leitung 100 mit zwei
Anschlüssen
zu minimieren und eine elektromagnetische Interferenz (EMI) zu verringern.
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Die
Resonanzeigenschaften der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen können durch
die ersten und zweiten Bereiche des Substrats verteilt werden, da die
elektrischen Felder und die magnetischen Felder, die in diesen Bereichen
gebildet werden, Energie speichern und freigeben. Die Menge der
durch die Felder gespeicherten und freigegebenen Energie kann angepasst
werden, um unterschiedlichen Bereichen in der dielektrischen Schicht
zugeordnete Permittivitäten
und Permeabilitäten
zu steuern. Beispielsweise wird eine höhere Permittivität in einem bestimmten
Bereich zu einer größeren in
den elektrischen Feldern gespeicherten Energie führen, die in diesem Bereich
gebildet werden. Auf gleiche Weise wird eine höhere Permeabilität in einem
bestimmten Bereich zu einer höheren
Energie führen,
die in den magnetischen Feldern gespeichert ist, welche in diesem
Bereich gebildet werden.
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Weil
die Größe der Stubs 114 und 116 allgemein
kleiner sein kann als ein Stub an einer herkömmlichen Schaltungsplatte,
kann das Q der Kapazität
einfacher angepasst werden, um eine Filtertrequenzantwort zu optimieren,
d.h., Spannungsminima und -maxima bei gewünschten Frequenzen der Leitung 100 mit
zwei Anschlüssen.
Ferner können
die Frequenzbereiche, bei denen die Resonanzleitung wie eine Induktivität oder eine
Kapazität
agiert, auch einfacher gesteuert werden. Daher ermöglicht die vorliegende
Erfindung eine bessere Konfigurabilität von Resonanzleitungen im
Vergleich zum Stand der Technik.
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3 ist
eine Querschnittsansicht, die entlang einer Schnittlinie A-A gezeigt
ist, und die 4 und 5 sind Schnittansichten,
die entlang einer Schnittlinie B-B zweiter unterschiedlicher Ausführungsformen
der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen und der Substratschicht 110 von 1 gezeigt
sind. In beiden gezeigten Ausführungsformen
ist eine Masseplatte 120 unterhalb der Zwei-Anschluss-Leitung 102 vorgesehen,
und Öffnungen
können
zur Durchführung
von Resonanzleitungsspeisungen umfasst sein.
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Die
in 4 gezeigte Leitung mit zwei Anschlüssen zeigt
eine Leerlauf-Stub-Leitung, während die
Leitung mit zwei Anschlüssen
von 5 eine kurzgeschlossene Stub-Leitung mit einer Verkürzungsspeisung 125 darstellt,
welche vorgesehen ist, um die Stub-Leitung (114, 104)
zur Masseplatte 120 zu verkürzen. Auf gleiche Weise, aber
nicht gezeigt, kann der Stub 116 auch in Leerlauf- und
Kurzschluss-Konfigurationen vorkommen. Wie beim Hintergrund besprochen,
kann ein Schaltungsdesigner bzw. Schaltungsentwurfsingenieur entweder
einen Leerlauf- und Kurzschluss-Stub als Teil der Leitung mit zwei
Anschlüssen
auswählen,
und zwar abhängig von
der Anwendung, um die Spannungs- und/oder Impedanzeigenschaften
bereitzustellen, die von der Leitung mit zwei Anschlüssen erwünscht werden.
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Die
Substratschicht 110 weist eine Dicke auf, welche eine Resonanzleitungshöhe über der
Masse definiert. Die Dicke ist ungefähr gleich zum physikalischen
Abstand von der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen zur
darunter liegenden Masseplatte 106. Dieser Abstand kann
angepasst werden, um bestimmte elektrische Geometrien zu erreichen,
beispielsweise, um eine Kapazität
zu erhöhen
oder zu erniedrigen, wenn ein bestimmtes Substratmaterial verwendet
wird. Bezug nehmend auf 7 ist eine weitere Anordnung
für die
Leitung 100 mit zwei Anschlüssen gezeigt, bei der ein Stub,
oder in diesem Fall, ein Wandlerleitungsabschnitt sich innerhalb
des zweiten Bereichs 101 befindet und näher zur Masseplatte 120 angeordnet
ist. Diese Konfiguration kann die Kapazität zwischen dem Wandlerleitungsabschnitt
und der Masseplatte 120 weiter erhöhen, während sie eine relativ niedrige
Kapazität
zwischen der Spur 117 und der Masseplatte 120 aufrechterhält. In einer
weiteren Ausführungsform
kann die gesamte Leitung 100 mit zwei Anschlüssen in
der Substratschicht 100 enthalten sein, wie in 8 gezeigt.
Die Resonanzleitung 102 kann ebenfalls unter der Substratschicht
enthalten sein. Diese Konfiguration kann insbesondere nützlich sein,
falls die Masseplatte oder Massespuren sich oberhalb der Substratschicht befinden.
In noch einer anderen Anordnung kann die Leitung 100 mit
zwei Anschlüssen
in der Substratschicht enthalten sein, als auch in gegenüberliegenden
Masseplatten 120 und 130 ähnlich zu einer Streifenleitungskonfiguration,
wie in der Querschnittsansicht A-A von 9 gezeigt.
Durch Aufweisen ihrer eigenen individuellen Masseplatte oder Rücklaufspur (wie
beispielsweise in einer Doppelleitungsanordnung), könnte die
Leitung mit zwei Anschlüssen
so konfiguriert sein, dass Strom an der Masseplatte oder der Rücklaufspur
in einer zu demjenigen Strom gegenüberliegenden Richtung fließt, welcher
in der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen fließt, dadurch eine Auslöschung des
magnetischen Flusses ergebend, der den Resonanzleitungsteilen der
Leitung mit zwei Anschlüssen
zugeordnet ist, und dadurch deren Induktivität verringernd.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Permeabilität der Leiterplattensubstratschicht
gesteuert werden durch Hinzufügen
eines ferromagnetischen, diamagnetischen oder paramagnetischen Materials
zu dem zweiten Bereich/den zweiten Bereichen, um die Induktivität von Teilen
der Leitung mit zwei Anschlüssen
zu erhöhen.
Vorzugsweise ist die Leitfähigkeit
des ferromagnetischen Materials niedrig, um Stubs oder Wandlerleitungsabschnitte
nicht mit irgendwelchen anderen Leitungen in oder an der dielektrischen
Schicht 110 oder der Masseplatte 120 kurzzuschließen.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Konfigurationen der Leitung 100 mit
zwei Anschlüssen
nicht auf die gezeigten beispielhaften Figuren beschränkt sind.
Beispielsweise kann die Leitung mit zwei Anschlüssen veränderliche Formen aufweisen
und so positioniert sein, dass sie veränderliche Abstände zwischen
der Leitung mit zwei Anschlüssen
und der Masseplatte oder der Schaltungsschichtoberfläche aufweist.
Ferner kann jede Anzahl dielektrischer, ferromagnetischer, diamagnetischer
und/oder paramagnetischer Materialien in jeden Bereich des Substrats 110 eingearbeitet
werden. In einer Ausführungsform kann
Z0 über
die gesamte Länge
der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen, oder eines Teils davon,
gesteuert werden, und zwar unter Verwendung mehrfacher dielektrischer
und magnetischer Mischungen oder Konzentrationen, um Z0 über unterschiedliche
Bereiche der Leitung zu variieren. Beispielsweise kann Z0 gesteuert werden, um eine Abstrahlung von
Funkfrequenzenergie oder eine elektromagnetische Interferenz (EMI)
für die
Leitung 100 mit zwei Anschlüssen zu minimieren. Ferner
können
die Permittivität
und Permeabilität
an ausgewählten
Teilen der Substratschicht unterschiedlich modifiziert werden, um
eine Resonanzleitungsleistung zu optimieren. In noch einer weiteren
Anordnung können
alle Teile der Substratschicht durch unterschiedliches Modifizieren
der Permittivität
und Permeabilität
in allen Bereichen der Substratschicht modifiziert werden.
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Der
Ausdruck "unterschiedliches
Modifizieren", wie
er hierin verwendet wird, bezieht sich auf jegliche Modifikationen
der Substratschicht 100, einschließlich von Hinzufügungen,
die dazu führen, dass
zumindest eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften
an einem Bereich des Substrats im Vergleich zu einem anderen Bereich
unterschiedlich ist. Beispielsweise kann die Modifikation eine ausgewählte Modifikation
sein, bei der bestimmte Substratschichtteile modifiziert werden,
um eine bestimmte dielektrische oder magnetische Eigenschaft zu
erzeugen, während
andere Substratschichtteile unverändert bleiben, und zwar mit
dielektrischen und magnetischen Eigenschaften, die sich vom ersten
Satz von Eigenschaften unterscheiden, der sich aus der Modifikation
ergibt.
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Eine
Ausführungsform
des Verfahrens zum Bereitstellen einer auf Größe und Leistung hin optimierten
Resonanzleitung wird mit Bezug auf den unten stehenden Text und
das in 10 dargestellte Flow-Chart beschrieben.
Bezug nehmend auf 10 wird, in Schritt 1010,
dielektrisches Leiterplattenmaterial zur Modifikation angesetzt.
Das Leiterplattenmaterial kann kommerziell verfügbare Standardmaterialien umfassen,
wie beispielsweise RT/duroid® 6002, oder kundenangepasstes
Leiterplattenmaterial, das aus einem Polymermaterial hergestellt
wird, oder eine Kombination daraus. Der Ansetzablauf kann von der
Art des ausgewählten
Leiterplattenmaterials abhängig
gestaltet werden.
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In
Schritt 1020 sind ein oder mehrere Substratschichtteile,
wie beispielsweise der erste Bereich 111 oder der zweite
Bereich 101, unterschiedlich modifiziert, so dass die Permittivität oder Permeabilität im zweiten
Bereich 101 unterschiedlich sind im Vergleich zur Permittivität oder Permeabilität des ersten Bereichs 111.
In Schritt 1030 wird eine Metallschicht aufgetragen, um
die Leitung mit zwei Anschlüssen
zu bilden. In Schritt 1020 kann eine unterschiedliche Modifikation
auf verschiedene unterschiedliche Wege erreicht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann eine Ergänzungssubstratschicht
zur vorhandenen Substratschicht 110 hinzugefügt werden.
Aus dem Stand der Technik bekannte Techniken, wie verschiedene Sprühtechnologien,
Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder
Zerstäuben, können verwendet
werden, um die Ergänzungsschicht
aufzubringen. Die Ergänzungsschicht
kann in dem Bereich 112 oder 114 wahlweise hinzugefügt werden
oder über
die gesamte bestehende dielektrische Schicht 110.
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Der
Schritt des unterschiedlichen Modifizierens 1020 kann ferner
ein Hinzufügen
zusätzlichen Materials
zur Substratschicht 110 umfassen. Die Hinzufügung von
Material kann verwendet werden, um die Permittivität oder Permeabilität der Substratschicht 110 weiter
zu steuern, um einen Resonanzleitungswirkungsgrad zu verbessern
oder eine bestimmte Resonanzleitungsgröße zu erreichen.
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Während die
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung dargelegt und beschrieben worden sind, ist es klar,
dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Zahlreiche Änderungen,
Modifikationen, Variationen, Ersetzungen und Äquivalente werden dem Fachmann
einfallen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in
den Ansprüchen beschrieben
ist, abzuweichen.