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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Feststellung
des technischen Gebiets
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Die
erfindungsgemäßen Anordnungen
betreffen allgemein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen
einer erhöhten
Entwurfsflexibilität
für Funkfrequenzschaltungen
und im Besonderen eine Optimierung dielektrischer Leiterplattenmaterialien für eine verbesserte
Leistung in Filtern mit zwei Anschlüssen und gekoppelten Resonanzleitungen.
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Beschreibung
des verwandten Standes der Technik
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Funkfrequenzschaltungen, Übertragungsleitungen
und Antennenelemente werden üblicherweise
auf speziell entworfenen Substratplatten hergestellt. Für den Zweck
dieser Arten von Schaltungen ist es wichtig, eine genaue Steuerung über Impedanzcharakteristiken
und die elektrische Länge
aufrechtzuerhalten. Falls die Impedanz unterschiedlicher Teile der
Schaltung nicht übereinstimmt,
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).
Die relative Permittivität
bestimmt 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, werden üblicherweise
auf eine von drei Arten gebildet. 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.
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Wenn
man die Verlustleistung vernachlässigt,
ist die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung, wie beispielsweise
einer Streifenleitun oder eines Mikrostreifens, gleich
wobei
L
I die Induktanz bzw. 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
Funkfrequenzentwurf wird ein Substratmaterial ausgewählt, das
einen relativen Permittivitätswert
aufweist, der für
den Entwurf geeignet ist. Sobald das Substratmaterial ausgewählt ist,
wird der für
die Leitung charakteristische Impedanzwert 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
des gewählten
Substratmaterials für
eine Übertragungsleitung,
eine passive Funkfrequenzvorrichtung oder ein Abstrahlelement beeinflusst
die physikalische Wellenlänge
oder Funkfrequenzenergie bei einer gegebenen Frequenz für diese
Leitungsstruktur. Ein Problem, das sich ergibt, wenn eine mikroelektronische
Funkfrequenzschaltung entworfen wird, ist die Auswahl eines dielektrischen
Leiterplattensubstratmaterials, welches für all die unterschiedlichen
passiven Komponenten, Abstrahlelemente und Übertragungsleitungsschaltungen
optimiert ist, die auf der Leiterplatte ausgebildet werden. Insbesondere
kann die Geometrie gewisser Schaltungselemente aufgrund der eindeutigen
elektrischen oder Impedanz-Eigenschaften, welche für solche
Elemente benötigt
werden, physikalisch groß oder
miniaturisiert ausfallen. Beispielsweise müssen viele Schaltungselemente
oder abgestimmten Schaltungen einer elektrischen Viertelwellenlänge entsprechen.
Auf ähnliche
Weise können
die Linienbreiten, die für
außergewöhnlich hohe
oder niedrige charakteristische Impedanzwerte benötigt werden,
in vielen Fällen
zu schmal oder zu breit bezüglich
einer praktischen Umsetzung für
ein gegebenes Substratmaterial sein. Da die physikalische Größe des Mikrostreifens
oder der Streifenleitung sich umgekehrt zur relativen Permittivität des dielektrischen
Materials verhält,
können
die Anmessungen einer Übertragungsleitung
durch die Wahl des Substratplattenmaterials 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. Beispielsweise mag es wünschenswert
sein, die Größe eines
Antennenelements zu verringern. Dies könnte erreicht werden durch
Auswählen
eines Leiterplattenmaterials mit einem relativ hohen Dielektrizitätswert.
Jedoch wird die Verwendung eines Dielektrikums mit einer höheren relativen
Permittivität
allgemein den unerwünschten Effekt
aufweisen, den Strahlungswirkungsgrad der Antenne herabzusetzen.
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 Faktor ziehen, welcher
die charakteristische Impedanz bestimmt, nämlich 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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Literaturquellen
von möglichem
Interesse auf dem Gebiet der Funkfrequenzschaltungen umfassen
JP 56 123102 , betitelt "Interdigital Wave
Filter", wobei Hohlräume in einem
ersten Dielektrikum an einseitigen Anschlüssen interner Leiter vorgesehen
sind, die nicht mit einem externen Leiter verbunden sind. Zweite
Dielektrika sind in den Hohlräumen vorgesehen.
Die dielektrische Konstante des zweiten Dielektrikums ist größer als
diejenige des ersten Dielektrikums und weist einen reziproken Temperaturkoeffizienten
auf. Daher ändern
sich die dielektrischen Konstanten sowohl des ersten als auch des
zweiten Dielektrikums umgekehrt mit der Temperatur, so dass sogar
dann, falls die Temperatur schwankt, ihre Resonanzbedingungen erfüllt sein
werden.
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Siehe
auch EP-A-1 089 374, betitelt "Planar Filter
and Filter System",
welche ein planares Filter beschreibt, das, gemäß seiner Zusammenfassung, ein
Durchlassfrequenzband mit hoher Genauigkeit veränderbar steuert. Ein Planarfilterelement
und ein Abstimmelement liegen über
eine vorbestimmte Lücke
zueinander gegenüber.
Das Filterelement ist so strukturiert, dass ein Eingangs-/Ausgangsteil,
das aus einem Superleiter gebildet wird, und eine Vielzahl von Resonanzelementen
auf einem Substrat ausgebildet sind. Das Abstimmelement ist so strukturiert,
dass an der Oberfläche
einer magnetischen Platte mit einer Permeabilität, die sich durch ein angelegten
magnetisches Feld verändert,
eine Vielzahl von dielektrischen Dünnfilmen und eine Vielzahl
von Elektroden zum Anlegen elektrischer Felder an die dielektrischen
Dünnfilme
angeordnet sind. Jeder der dielektrischen Dünnfilme ist in einer Position
gegenüber
einer Lücke
zwischen den Resonanzelementen des Filterelements oder einer Lücke zwischen
dem Filterelement und dem Eingangs-/Ausgangs-Teil angeordnet. Durch
Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden wird eine effektive
Permittivität ε der Lücke zwischen
den Resonanzelementen oder der Lücke
zwischen dem Resonanzelement und dem Eingangs-/Ausgangsteil veränderlich
gesteuert, und die Skirt-Eigenschaft und die Welligkeit werden angepasst.
Darüber
hinaus können
eine Resonanzfrequenz der Resonanzelemente, eine Kopplung zwischen
den Resonanzelementen und eine Kopplung zwischen dem Resonanzelement
und dem Eingangs-/Ausgangsteil
individuell und unabhängig
gesteuert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Schaltung zum Verarbeiten von Funkfrequenzsignalen ist gemäß den Ansprüchen 1 bis
6 vorgesehen.
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In
einer ersten beispielhaften Ausführungsform
ist das gekoppelte Linienfilter bzw. Kopplungslinienfilter ein Kammlinien-Bandpassfilter
mit einer Vielzahl von Resonatorelementen, die an mindestens einem
Teil des zweiten Bereichs befestigt sind. Ein Ende jedes Resonatorelements
ist geerdet. In einer zweiten beispielhaften Umsetzung ist das gekoppelte Linienfilter
ein Haarnadel-Bandpassfilter mit einer Vielzahl von Resonatorelementen
mit dielektrischen Schichten des ersten Bereichs und des zweiten
Bereichs zwischen zumindest Teilen der Vielzahl von Resonatorelementen.
In einer dritten beispielhaften Umsetzung ist das gekoppelte Linienfilter
ein kantengekoppeltes Bandpassfilter mit einer Vielzahl von Resonatorelementen
mit dielektrischen Schichten in dem ersten Bereich und dem zweiten
Bereich zwischen mindestens Teilen der Vielzahl der Resonatorelemente.
In den verschiedenen beispielhaften Umsetzungen können die
Permittivität
und/oder die Permeabilität
des zweiten Bereichs höher
ausgeführt sein
als die Permittivität
des ersten Bereichs.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht auf ein gekoppeltes Linienfilter, das auf einem
Substrat zum Verringern der Größe des gekoppelten
Linienfilters gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des gekoppelten Linienfilters von 1,
dargestellt entlang der Linie A-A.
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des gekoppelten
Linienfilters von 1, gezeigt entlang der Linie
A-A.
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4 ist
eine Draufsicht auf ein gekoppelten Linienfilter in Form eines Haarnadel-Bandpassfilters, das
auf einem Substrat gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist.
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5 ist
eine Draufsicht auf ein gekoppeltes Linienfilter in Form eines kantengekoppelten
Bandpassfilters, das erfindungsgemäß auf einem Substrat ausgebildet
ist.
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6 ist
ein Flussdiagramm, das nützlich
ist zum Darstellen eines Ablaufs zum Herstellen eines gekoppelten
Linienfilters verringerter physikalischer Abmessung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezug
nehmend auf 1 ist das gekoppelte Linienfilter 10,
das als ein Kammleitungs-Bandpassfilter dient, an einer Schicht
von Substratmaterial oder dielektrischem Material (dielektrische
Schicht) 11 befestigt. In 1 ist das
gekoppelte Linienfilter so konfiguriert, dass es einen Eingangsanschluss 13 und
einen Ausgangsanschluss 14, als auch eine Vielzahl (1 bis
n) von miteinander gekoppelten Resonatorelementen 15, 16, 17, 18, 19, 20 und 21 umfasst. Obwohl
sieben Resonatoren gezeigt sind, sollte es klar sein, dass mehr
oder weniger Resonatorelemente erfindungsgemäß verwendet werden können. Das Kammleitungs-Bandpassfilter
besteht vorzugsweise aus miteinander gekoppelten Resonatoren, die
physikalisch weniger als eine Viertel-Wellenlänge lang sein können und
an einem Ende geerdet sein können (wie
durch die Erdungspunkte 25, 26, 27, 28, 29, 30 und 31 gezeigt),
als auch kapazitiv an gegenüberliegenden
Elementen des Resonatorelements belastet sein können. Die Erdungspunkte sind
typischerweise an einer Masseplatte 50 mittels metallisierter
Durchkontaktierungen 35 geerdet, wie in der Querschnittsansicht
von 2 gezeigt. Die vorliegende Erfindung verwendet
Substratmaterialien unterschiedlicher Substrateigenschaften, die
mit Resonatorelementen gekoppelt sind. Insbesondere Substratmaterialien (12 und 40)
mit unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften und magnetischen
Eigenschaften sind unter und zwischen jedem Resonator in der Vielzahl von
Resonatoren 15 bis 21 eingekoppelt. 2 zeigt eine
Querschnittsansicht des gekoppelten Linienfilters 10 entlang
einer Linie A-A, wobei magnetische Materialien 40 sich
unterhalb der Resonatoren (15 bis 21) befinden,
um die Leitungen des Filters zu verkürzen und aufzuweiten. Magnetische
Materialien zwischen den Leitungen und der Masse stellen ein zusätzliches
Mittel zum Steuern der Breite der Leitung bereit. 2 zeigt
ferner, dass, wo eine hohe Kopplung gewünscht ist (enge Beabstan dung),
die Kopplung verbessert werden kann (d.h., dass gerade und ungerade
Impedanzmoden besser angepasst sein können).
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Die
internen Linienabstände
zwischen Resonatoren können
ausreichend groß sein,
um jegliche Toleranzprobleme zu vermeiden, sogar für mäßig breite
Bandbreiten. Die Bandbreite ist eine Entwurfsrandbedingung und wird
gegenüber
Herstellungsrandbedingungen abgewogen. Die Resonatorlänge ist
ebenfalls eine Entwurfswahl, außer
dass sie weniger als 90° betragen
muss, da sich bei 90° Länge die magnetische
und elektrostatische Kopplung vollständig aufheben. Bei weniger
als 90° herrscht
die magnetische Kopplung vor. Resonatorleitungslängen von 45° bis weniger als 30° führen zu
kompakten Strukturen mit hervorragender Stoppband-Leistung. Die
minimale praktische Leitungslänge
ist durch ein sinkendes lastloses Q beschränkt, als auch durch eine Forderung
nach einer starken kapazitiven Belastung. Die Anforderung nach konzentrierten
Kondensatoren zum Belasten stellt ebenfalls eine Umsetzungsbehinderung
dar.
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3 ist
eine Querschnittsansicht von 1 entlang
der Linie A-A, welche eine alternative Ausführungsform zeigt, bei der unterschiedliche
Substratmaterialien 12 und 40 zwischen der oberen
Ebene des Substrats 11 und der Masseplatte 50 eingekoppelt
sind. Insbesondere koppelt das Substratmaterial 40 zwischen
den Resonatorleitungen oder -spuren und der Masseplatte 50.
Es wird jedoch vom Fachmann gewürdigt,
dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, und dass die gekoppelten
Leitungen auch in unterschiedlichen Formen konfiguriert sein können, beruhend
auf der gewünschten
Funktion und den Eigenschaften der Substratmaterialien, die damit
gekoppelt sind.
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Die
Elemente 15 bis 21 sind Resonanzleitungen. 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 Reso nanzschaltung bei Resonanz. Bei anderen Frequenzen
kann die Resonanzleitung auch komplexe oder reaktive Impedanzen
aufweisen.
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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 Abschluss 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 Resonanzleitungen mit offenem Kreislauf 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 Leitung mit offenem Kreislauf 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 Einzelanschluss-Resonanzleitungssegmente
als parallel-resonante, Reihenschaltungs-resonante, induktive oder
kapazitive Schaltungen verwendet werden.
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Eine
kurzgeschaltete Leitung 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 Einzelanschlussresonanzleitungssegmente
als parallel-resonante, reihengeschaltetresonante, 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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Einzelanschluss-Resonanzleitungen
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 Dielektrizitätskonstante werden üblicherweise
zum Entwurf von Funkfrequenzschaltungen ausgewählt. Beispielsweise sind Polytetrafluorethylen(PTFE)-basierte
Komposite, wie beispielsweise RT/duroid® 6002
(dielektrische Konstante von 2,94; Dielektrizitätsverlust von 0,009) und RT/duroid® 5880 (dielektrische
Konstante 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 dielektrischen Konstanten
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.
Eine typische Abwägung
in Kommunikationsschaltungen besteht zwischen der physikalischen
Größe von Antennenelementen
gegen den Wirkungsgrad. Durch Vergleich stellt die vorliegende Erfindung
dem Schaltungsentwickler eine zusätzliche Flexibilitätsstufe
bereit durch Erlauben der Verwendung von dielektrischen Schichtteilen
mit lokal hoher Dielektrizitätskonstante und
Schichtteilen mit lokal niedrigen Dielektrizitätskonstanten. 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
Permittivität) 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
Permittivitäten
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 dielektrische Substratschicht, was
dazu führt,
dass zumindest eine der dielektri schen 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 oder magnetischer Eigenschaften
zu erzeugen, während
andere Bereiche der dielektrischen Schicht 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 dielektrische Ergänzungsschicht
der dielektrischen Schicht hinzugefügt werden. Bekannte Techniken, wie
beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien,
verschiedene Abscheidetechnologien oder ein Zerstäuben kann
verwendet werden, um die dielektrische Ergänzungsschicht aufzubringen.
Die dielektrische Ergänzungsschicht
kann ausgewählt
in räumlich
begrenzten Bereichen hinzugefügt
werden, einschließlich
innerhalb von Poren oder Löchern,
oder über
die gesamte existierende dielektrische Schicht. Beispielsweise kann
eine dielektrische Ergänzungsschicht
verwendet werden, um einen Substratbereich mit einer erhöhten effektiven
dielektrischen Konstante bereitzustellen.
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Antworten
einer dielektrischen Schicht 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 dielektrischen Schicht 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
dielektrische Schicht erlauben können.
Eine dynamische Steuerung der dielektrischen Schichteigenschaften,
wie beispielsweise der Dielektrizitätskonstanten, kann verwendet
werden, um die physikalischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht
umzustimmen, um die Leistung der Resonanzleitung als Antwort auf
sich verändernde
Signaleigenschaften zu optimieren, beispielsweise auf eine Änderung
in der Betriebsfrequenz.
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Der
Schritt des unterschiedlichen Modifizierens kann weiterhin ein räumlich begrenztes
Hinzufügen
zusätzlicher
Materialien zu der dielektrischen Schicht oder der dielektrischen
Ergänzungsschicht enthalten.
Die Hinzufügung
von Material kann verwendet werden, um die effektive dielektrische
Konstante oder magnetische Eigenschaften der dielektrischen Schicht
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 magnetischer Eigenschaften
der dielektrischen Schicht 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 Polymermatrix oder
mit Seitenkettenresten unterstützen.
Zusätzlich zum
Steuern der magnetischen Eigenschaften des Dielektrikums können die
hinzugefügten
Teilchen auch dazu verwendet werden, die effektive dielektrische
Konstante des Materials zu steuern. Unter Verwendung eines Füllungsverhältnisses
von Kompositteilchen von ungefähr
1 bis 70% ist es möglich,
die dielektrische Konstante von Bereichen der dielektrischen Substratschicht
und/oder der dielektrischen Ergänzungsschicht
wesentlich zu erhöhen
und möglicherweise
abzusenken. Beispielsweise kann ein Hinzufügen organofunktionalisierter
Nanoparti kel zu einer dielektrischen Schicht dazu verwendet werden, die
dielektrische Konstante der modifizierten Bereiche der dielektrischen
Schicht anzuheben.
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Teilchen
können
mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfach-Mischens,
Mischens und eines heftigen Füllens.
Beispielsweise kann eine dielektrische Konstante von einem 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 dielektrischen und magnetischen Eigenschaften 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 dielektrische Konstanten in einem im Wesentlichen
kontinuierlichen Bereich von 2 bis ca. 2650 herzustellen, als auch
andere potentiell gewünschte
Substrateigenschaften. Beispielsweise umfassen Materialien, die
eine niedrige Dielektrizitätskonstante
(< 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
irgendwelche wesentlichen magnetischen Permeabilitäten 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 Dielektrizitätskonstante
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 Dielektrizitätskonstante
können
Ferrit- oder Niobdotierte Kalzium- oder Barium-Titanat-Zirkonate
verwendet werden. Diese Materialien weisen eine Dielektrizitätskonstante
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, umfassen, 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 Baugruppensubstraten. 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
dielektrische 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 gekoppelte Leitungen aufweisen, die als Bandpassfilter dienen.
Die dielektrische Flexibilität erlaubt
eine unabhängige
Optimierung der Leitungsimpedanz und der elektromagnetischen Kopplung verschiedener
Elemente, die das gekoppelte Linienfilter 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 Dielektrizitätskonstante 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 der 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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Nun
wieder Bezug nehmend auf die 1 und 2,
ist das gekoppelte Linienfilter an einem Substrat oder einer Schicht
eines dielektrischen Materials (dielektrische Schicht) 11 angebracht,
welches mindestens einen ersten Bereich 9 mit einem ersten Satz
von Substrateigenschaften (wie beispielsweise dielektrischen Eigenschaften)
einschließlich
einer ersten dielektrischen Konstante umfasst, als auch mindestens
einen zweiten Bereich 12 mit einem zweiten Satz von Substrateigenschaften,
einschließlich
einer zweiten dielektrischen Konstante. Die erste dielektrische
Konstante ist vorzugsweise unterschiedlich von der zweiten dielektrischen
Konstante. In diesem Fall kann der zweite Bereich 12 zwischen den
Resonatorleitungsabschnitten 15–21 liegen. Das Substrat
kann auch andere Bereiche, wie beispielsweise Bereich 40,
mit noch einem weiteren Satz von Substrateigenschaften aufweisen.
Wie gezeigt, nimmt der Bereich 40 eine Fläche zwischen
den entsprechenden Resonatorelementen und der Masseplatte 50 ein.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt
mit, dass jeder der Bereiche 9, 12 und 40 seine eigenen
dielektrischen Eigenschaften aufweisen kann, aber dass zwei von
den drei Bereichen auch Substrateigenschaften haben können, die äquivalent sind,
so wie es von der vorliegenden Erfindung angedacht wird.
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Die
dielektrische Konstante der Bereiche 12 und/oder 40 kann
eine höhere
Permittivität
und/oder Permeabilität
aufweisen als der erste Bereich 9. Dementsprechend kann
die Größe der Resonatorelemente 15 bis 21 kleiner
sein als es sonst üblicherweise
nötig wäre, um eine
ausgewählte
Kapazität zwischen
den entsprechenden Resonatorelementen und der Masseplatte 50 zu
erreichen. Auf gleiche Weise kann die Größe des Wandlerleitungsabschnitts 112 kleiner
gemacht werden. Dementsprechend erlaubt dies der Fläche des
Substrats 11, das Kopplungsleiterfilter aufzunehmen, das
kleiner ist als die Fläche,
die an einer herkömmlichen
Leiterplatte benötigt
würde.
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Die
Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals, das an einer Resonanzleitung
läuft,
ist ungefähr umgekehrt
proportional zu √με. Dementsprechend verringert
ein Erhöhen
der Permeabilität
und/oder Permittivität
in den Bereichen 12 oder 40 die Ausbreitungsgeschwindigkeit
des Signals an den Resonanzleitungen und dadurch die Signalwellenlänge. Daher kann
die Viertel-Wellenlänge
(oder jegliches Mehrfache davon) der Leitung verringert werden durch
Erhöhen
der Permeabilität
und/oder Permittivität.
Dementsprechend kann die Fläche
der dielektrischen Schicht oder des Substrats 11, welche
das gekoppelte Linienfilter aufnimmt, kleiner sein als diejenige
Fläche,
die an einer herkömmlichen
Leiterplatte benötigt würde.
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Die
Bereiche 12 und 40 können auch eine Permittivität aufweisen,
die ausgewählt
wurde, um eine bestimmte Kapazität
für Teile
oder für
die gesamte Resonatorleitung zu erreichen. Ferner kann die Permeabilität ausgewählt werden,
um zu einer bestimmten Induktivität für ein bestimmtes Resonatorelement
zu führen.
Die Permittivität
und Permeabilität
können
so gewählt
werden, dass sie zu einem gewünschten
Z0 oder anderen Filtereigenschaften führen. Z0 kann ausgewählt werden, um zu einem gewünschten
Q für bestimmte
Resonanzen an den Resonanzleitungsteilen zu führen, die Resonanzantwort des
Filters zu bilden und/oder Spannungsmaxima und -minima anzupassen.
Ferner kann Z0 ausgewählt werden, um höhere Resonanzmoden
zu unterdrücken
und/oder um eine Fehlanpassung zwischen der Impedanz des gekoppelten
Linienfilters und der Impedanz des freien Raums zu erzeugen. Diese
Impedanzfehlanpassung kann dabei helfen, eine Funkfrequenzabstrahlung
vom gekoppelten Linienfilter zu minimieren und eine elektromagnetische
Interferenz (EMI) zu verringern.
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Die
Resonanzeigenschaften des gekoppelten Linienfilters 10 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 Resonanzelemente
oder -leitungen allgemein kleiner sein kann als diejenige auf herkömmlichen
Leiterplatten, kann die Kapazität einfacher
angepasst werden, um Spannungsminima und -maxima an gewünschten
Orten entlang des gekoppelten Linienfilters zu lokalisieren. Ferner
können Bereiche,
bei denen Resonanzleitungen wie eine Induktivität oder eine Kapazität agieren,
ebenfalls einfacher gesteuert werden. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung
eine größere Konfigurabilität von Resonanzleitungen
im Vergleich zum Stand der Technik.
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4 zeigt
ein anderes gekoppeltes Linienfilter 400 in der Form eines
Haarnadel-Bandpassfilters.
Das Filter 400 ist an einer Schicht eines Substratmaterials
oder an einem dielektrischen Material (dielektrische Schicht) 401 angebracht.
Das Filter 400 ist so konfiguriert, dass es einen Eingangsanschluss
und einen Ausgangsanschluss und eine Vielzahl von Kopplungslinienelementen
dazwischen aufweist. Die meisten der Kopplungslinienelemente sind im
Wesentlichen U-förmig,
wie beispielsweise Elemente 404, 406, 408, 410 und 412.
Die Elemente 402 und 414 an dem Eingang und dem
Ausgang sind im Wesentlichen L-förmig.
Die vorliegende Erfindung verwendet Substratmaterialien unterschiedlicher Substrateigenschaften,
die mit den Kopplungslinienelementen gekoppelt sind. Insbesondere
sind Substratmaterialien 420 mit unterschiedlichen dielektrischen
Eigenschaften und magnetischen Eigenschaften (als dem Rest des Substrats 401)
zwischen jedem im Wesentlichen U-förmigen Element gekoppelt, und
das Substratmaterial 430 ist zwischen Abschnitten 402 und 404 und 412 und 414 eingekoppelt,
wie in 4 gezeigt. Wie vorher in Bezug auf 1 erklärt, können magnetische
und/oder dielektrische Materialien auch unterhalb der Elemente 402 bis 414 für das Filter 400 angeordnet
werden, um die Leitungen des Filters zu verkürzen oder zu erweitern. Die
Breite der Leitungen kann durch die Hinzufügung magnetischer und/oder
dielektrischer Materialien zwischen den Leitungen und der Masse
gesteuert werden.
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5 zeigt
ein anderes gekoppeltes Linienfilter 500 in Form eines
kantengekoppelten Bandpassfilters. Das Filter 500 ist auf
einer Schicht von Substratmaterial oder einem dielektrischen Material (dielektrische
Schicht) 501 angebracht. Das Filter 500 ist so
konfiguriert, dass es einen Eingangsanschluss 502 und einen
Ausgangsanschluss 516 als auch eine Vielzahl von Kopplungslinienelementen dazwischen
aufweist, die von Kante zu Kante gekoppelt sind, wie beispielsweise
Elemente 504, 506, 508, 510, 512 und 514,
wie gezeigt. Die vorliegende Erfindung verwendet Substratmaterialien
unterschiedlicher Substrateigenschaften, die mit den Kopplungslinienelementen
gekoppelt sind. Insbesondere Substratmaterialien 520 mit
unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften und magnetischen
Eigenschaften (als dem Rest des Substrats 501) sind zwischen Teilen
von Kanten der Elemente 504 und 506 und der Elemente 512 und 514 gekoppelt.
Ein anderes Substratmaterial 530 ist zwischen Teilen von
Kanten von Abschnitten 506, 508, 510 und 512 eingekoppelt.
Wie vorher in Bezug auf 1 erklärt, können magnetische und/oder dielektrische
Materialien unter den Elementen 504 bis 514 für das Filter 500 angeordnet sein,
um die Leitungen des Filters zu verkürzen und zu erweitern. Die
Breite der Leitungen kann durch Hinzufügen magnetischer und/oder dielektrischer Materialien
zwischen den Leitungen und Masse gesteuert werden.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Permeabilität der dielektrischen Schicht
des Leiterplattensubstrats gesteuert werden durch Hinzufügen eines
ferromagnetischen, diamagnetischen oder paramagnetischen Materials
in dem zweiten Bereich/den zweiten Bereichen, um die Induktivität von Teilen
des gekoppelten Linienfilters zu erhöhen. Vorzugsweise ist die Leitfähigkeit
des ferromagnetischen Materials niedrig, um einen Verlust zu minimieren
und die Resonatorabschnitte nicht mit irgendwelchen anderen Leitungen
in oder an der dielektrischen Schicht oder der Masseplatte kurzzuschließen.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Kopplungsleiterfilter-Konfigurationen
nicht auf die gezeigten beispielhaften Figuren beschränkt sind.
Beispielsweise können
die Kopplungsleiterfilter Resonanzelemente mit veränderlichen
Formen aufweisen und können
so positioniert sein, dass sie veränderliche Abstände zwischen
den Resonatorelementleitungen und der Masseplatte oder der Schaltungsschichtoberfläche aufweisen.
Ferner kann jede Anzahl dielektrischer, ferromagnetischer, diamagnetischer
und/oder paramagnetischer Materialien in jeden Bereich des Substrats
eingearbeitet werden. In einer Ausführungsform kann Z0 über die
gesamte Länge
des gekoppelten Linienfilters, oder einen Teil 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 das
gekoppelte Linienfilter zu minimieren. Ferner können die dielektrischen und
magnetischen Eigenschaften an ausgewählten Teilen der dielektrischen
Schicht unterschiedlich modifiziert werden, um eine Resonanzleitungsleistung
zu optimieren. In noch einer weiteren Anordnung können alle
Teile der dielektrischen Schicht durch unterschiedliches Modifizieren
dielektrischer Eigenschaften und magnetischer Eigenschaften in allen
Bereichen der dielektrischen Schicht 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 6 dargestellte Flow-Chart beschrieben. Bezug nehmend
auf 6 wird, in Schritt 610, 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 620 sind ein oder mehrere Teile der dielektrischen
Schicht, wie beispielsweise der erste Bereich 9 oder der
zweite Bereich 12, unterschiedlich modifiziert, so dass
die dielektrische Konstante oder magnetische Eigenschaften im zweiten
Bereich 12 unterschiedlich sind im Vergleich zur dielektrischen Konstante
oder magnetischen Eigenschaften des ersten Bereichs 9.
In Schritt 630 wird eine Metallschicht aufgetragen, um
das gekoppelte Linienfilter zu bilden. In Schritt 620 kann
eine unterschiedliche Modifikation auf verschiedene unterschiedliche Wege
erreicht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann eine dielektrische Ergänzungsschicht
zur dielektrischen Schicht 11 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 12 oder 40 wahlweise hinzugefügt werden
oder über
die gesamte bestehende dielektrische Schicht 11.
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Der
Schritt des unterschiedlichen Modifizierens 620 kann ferner
ein Hinzufügen
zusätzlichen Materials
zur dielektrischen Schicht 11 umfassen. Die Hinzufügung von
Material kann verwendet werden, um die dielektrische Konstante oder
magnetische Eigenschaften der dielektrischen Schicht 11 weiter
zu steuern, um einen Resonanzleitungswirkungsgrad zu verbessern
oder eine bestimmte Resonanzleitungsgröße 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 magnetischer Eigenschaften
der dielektrischen Schicht 11 für eine Vielzahl von hierin beschriebenen
Resonanzleitungsanwendungen 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 Polymermatrix oder
mit Seitenkettenresten unterstützen.
Zusätzlich zum
Steuern der magnetischen Eigenschaften des Dielektrikums können die
hinzugefügten
Teilchen auch dazu verwendet werden, die effektive dielektrische
Konstante des Materials zu steuern. Unter Verwendung eines Füllungsverhältnisses
von Kompositteilchen von ungefähr
1 bis 70% ist es möglich,
die dielektrische Konstante von Bereichen der dielektrischen Substratschicht
und/oder der dielektrischen Ergänzungsschicht
wesentlich zu erhöhen
und möglicherweise
abzusenken. Beispielsweise kann ein Hinzufügen organofunktionalisierter
Nanopartikel zu einer dielektrischen Schicht dazu verwendet werden, die
dielektrische Konstante der modifizierten Bereiche der dielektrischen
Schicht anzuheben.
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Teilchen
können
mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfach-Mischens,
Mischens und eines heftigen Füllens.
Beispielsweise kann eine dielektrische Konstante von einem 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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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.