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Hintergrund der Erfindung
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Darlegung des technischen
Gebiets
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Die
Anordnungen der Erfindung betreffen allgemein Verfahren und Vorrichtungen
zur Schaffung einer höheren
Flexibilität
beim Entwurf von HF-Schaltungen und insbesondere zur Optimierung dielektrischer
Leiterplattenmaterialien für
verbesserte Leistung in Einzelanschluss-Resonanzleitungen.
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Beschreibung der zugehörigen Technik
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HF-Schaltungen, Übertragungsleitungen und
Antennenelemente werden im Allgemeinen auf speziell entworfenen
Substratplatten hergestellt. Für die
Zwecke dieser Schaltungstypen ist es wichtig, die Impedanzkenndaten
sorgfältig
zu kontrollieren. Wenn die Impedanz verschiedener Teile der Schaltung
nicht übereinstimmt,
kann dies zu ineffizienter Leistungsübertragung, unnötiger Erwärmung von Komponenten
und anderen Problemen führen.
Die elektrische Länge
von Übertragungsleitungen
und Radiatoren in diesen Schaltungen kann auch ein entscheidender
Entwurfsfaktor sein.
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Zwei
entscheidende Faktoren, die sich auf die Leistung eines Substratmaterials
auswirken, sind die Dielektrizitätskonstante
(manchmal als relative Dielektrizitätskonstante oder εr bezeichnet)
und die Verlusttangente (manchmal auch als Verlustfaktor bezeichnet).
Die relative Dielektrizitätskonstante
bestimmt die Geschwindigkeit des Signals und deshalb die elektrische
Länge von Übertragungsleitungen und
anderen auf dem Substrat verwirklichten Komponenten. Die Verlusttangente
bestimmt die Menge des Verlustes, der bei das Substratmaterial traversierenden
Signalen auftritt. Verluste neigen dazu, mit steigender Frequenz
zuzunehmen. Folglich werden verlustarme Materialien bei zunehmender
Frequenz sogar noch wichtiger, insbesondere beim Entwerfen von Empfänger-Frontends
und rauscharmen Verstärkerschaltungen.
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Gedruckte Übertragungsleitungen,
passive Schaltungen und abstrahlende Elemente, die in HF-Schaltungen
verwendet werden, werden typischerweise auf eine von drei Arten
gebildet. Bei einer als Mikrostreifen bekannten Konfiguration wird
die Signalleitung auf einer Plattenoberfläche platziert und eine zweite
leitende Schicht bereitgestellt, die allgemein als eine Massefläche bezeichnet
wird. Ein zweiter Konfigurationstyp, der als "vergrabener" Mikrostreifen bekannt ist, ist ähnlich,
außer
dass die Signalleitung mit einem dielektrischen Substratmaterial
bedeckt ist. Bei einer als Streifenleitung bekannten dritten Konfiguration
ist die Signalleitung sandwichartig zwischen zwei elektrisch leitfähigen (Masse-)Flächen angeordnet.
Im Allgemeinen ist die Kennimpedanz einer parallelen Plattenübertragungsleitung
wie z. B. einer Streifenleitung oder eines Mikrostreifens gleich
wobei L
l die
Induktivität
pro Längeneinheit
und C
l die Kapazität pro Längeneinheit ist. Die Werte
von L
l und C
l werden
im Allgemeinen durch die physikalische Geometrie und den Abstand
der Leitungsstruktur sowie die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials
bzw. der dielektrischen Materialien, die zur Trennung der Übertragungsleitungsstrukturen
verwendet werden, bestimmt. Herkömmliche
Substratmaterialien haben typischerweise eine relative Permeabilität 1.
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Bei
einem herkömmlichen
HF-Entwurf wird ein Substratmaterial gewählt, das einen für den Entwurf
geeigneten Wert der relativen Dielektrizitätskonstanten hat. Wenn das
Substratmaterial gewählt
worden ist, wird der Kennimpedanzwert der Leitung ausschließlich durch
Steuern der Leitungsgeometrie und physikalischen Struktur eingestellt.
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Hochfrequenz-(HF-)Schaltungen
sind typischerweise in Hybridschaltungen verwirklicht, in denen
eine Mehrzahl aktiver und passiver Schaltungskomponenten auf einer
Oberfläche
eines elektrisch isolierenden Plattensubstrats wie z. B. eines keramischen
Substrats befestigt und miteinander verbunden sind. Die verschiedenen
Komponenten sind im Allgemeinen durch gedruckte metallische Leiter
aus Kupfer, Gold oder Tantal miteinander verbunden, die z. B. Übertragungsleitungen
als Streifenleitungs- oder Mikrostreifen- oder Doppelleitungsstrukturen sind.
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Die
Dielektrizitätskonstante
des gewählten Substratmaterials
für eine Übertragungsleitung,
ein passives HF-Bauteil oder ein abstrahlendes Element beeinflusst
die physikalische Wellenlänge
von HF-Energie bei einer gegebenen Frequenz für diese Leitungsstruktur. Ein
beim Entwerfen von mikroelektronischen HF-Schaltungen auftretendes
Problem ist die Auswahl eines dielektrischen Plattensubstratmaterials,
das für
alle verschiedenen auf der Platte zu bildenden passiven Komponenten,
abstrahlenden Elemente und Übertragungsleitungsschaltungen
optimiert ist. Insbesondere kann die Geometrie bestimmter Schaltungselemente
auf Grund der für
solche Elemente erforderlichen eindeutigen elektrischen Kenndaten
oder Impedanzkenndaten physikalisch groß oder miniaturisiert sein.
Zahlreiche Schaltungselemente oder abgestimmte Schaltungen müssen z.
B. einer elektrischen Viertelwelle entsprechen. Analog können die
für außergewöhnlich hohe
oder niedrige Kennimpedanzwerte erforderliche Leitungsbreiten in
vielen Fällen
zur praktischen Implementierung für ein gege benes Substrat zu
schmal bzw. zu breit sein. Da die physikalische Größe des Mikrostreifens
oder der Streifenleitung in umgekehrter Beziehung zur relativen
Dielektrizitätskonstante
des dielektrischen Materials steht, können die Abmessungen einer Übertragungsleitung
durch die Wahl des Substratplattenmaterials stark beeinflusst werden.
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Eine
optimale Wahl der Auslegung des Plattensubstratmaterials für einige
Komponenten kann dennoch mit dem optimalen Plattensubstratmaterial für andere
Komponenten wie z. B. Antennenelemente unvereinbar sein. Außerdem können einige
Entwurfsziele für
eine Schaltungskomponente miteinander unvereinbar sein. Es kann
z. B. wünschenswert sein,
die Größe eines
Antennenelements zu verringern. Dies könnte durch Wählen eines
Plattenmaterials mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstante
erreicht werden. Die Verwendung eines Dielektrikums mit einer höheren relativen
Dielektrizitätskonstante hat
jedoch im Allgemeinen die unerwünschte
Wirkung einer Verringerung der Abstrahlungseffizienz der Antenne.
Folglich führen
die Einschränkungen
eines Leiterplattensubstrats mit ausgewählten relativen dielektrischen
Eigenschaften oft zu Kompromissen beim Entwurf, die die elektrische
Leistung und/oder physikalischen Kenndaten der Gesamtschaltung negativ
beeinflussen können.
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Ein
inhärentes
Problem beim vorstehenden Ansatz besteht darin, dass mindestens
bezüglich
des Substrats die einzige Steuervariable für Leitungsimpedanz die relative
Dielektrizitätskonstante, εr,
ist. Diese Einschränkung
unterstreicht ein wichtiges Problem in Zusammenhang mit herkömmlichen
Substratmaterialien, d. h. sie nutzen den anderen Faktor nicht,
der die Kennimpedanz, nämlich
Ll, die Induktivität pro Längeneinheit der Übertragungsleitung,
bestimmt.
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Noch
ein anderes beim Entwerfen von HF-Schaltungen auftretendes Problem
ist die Optimierung von Schaltungskomponenten zum Betrieb auf verschiedenen
HF-Frequenzbändern.
Für ein erstes
HF-Frequenzband optimierte Leitungsimpedanzen und -längen können auf
Grund von Impedanzschwankungen und/oder Schwankungen der elektrischen
Länge eine
geringere Leistung liefern, wenn sie für andere Bänder verwendet werden. Solche
Einschränkungen
können
den effektiven Betriebsfrequenzbereich für ein gegebenes HF-System beschränken.
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Herkömmliche
Leiterplattensubstrate werden im Allgemeinen durch Prozesse wie
z. B. Gießen oder
Sprühbeschichten
gebildet, was im Allgemeinen in einheitlichen physikalischen Substrateigenschaften
einschließlich
der Dielektrizitätskonstante
resultiert. Folglich haben sich herkömmliche dielektrische Substratanordnungen
für HF-Schaltungen
als eine Einschränkung
beim Entwerfen von hinsichtlich elektrischer und physikalischer
Größeneigenschaften
optimaler Schaltungen erwiesen.
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Eine
Referenz von möglichem
Interesse auf dem Gebiet gedruckter Schaltungen ist die
JP 05 211 402 mit dem Titel "Distributed Constant
Type Circuit" von
Furukawa Electric Co., Ltd., die eine auf einer dielektrischen Keramikplatte
gebildete Filterschaltung beschreibt. Die Filterschaltung besteht
aus verschiedenen Hauptleitungen und Stichleitungen, deren Enden
offen sind und die zu den Leitungen hin gebildet sind. Eine zweite
Keramikplatte ist vorgesehen, deren Dielektrizitätskonstante niedriger ist als
die der dielektrischen Keramikplatte. Auf der Basis der zweiten Keramikplatte
ist ein Transformator gebildet. Gemäß der Zusammenfassung des Dokuments
ist die Leitungsbreite durch Verwendung eines dielektrischen Materials
mit einer Dielektrizitätskonstante,
die niedriger ist als die eines Filters für den Transformator, dick ausgelegt,
ohne die Kennimpedanz des Transformators zu ändern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird eine gedruckte Schaltung zum Verarbeiten von Hochfrequenzsignalen
bereitgestellt, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.
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Bei
einem Beispiel ist ein Ende der Einzelanschluss-Resonanzleitung
elektrisch mit Masse verbunden. Bei einem anderen Beispiel ist die
Einzelanschluss-Resonanzleitung bezüglich Masse elektrisch offen.
In jedem Fall kann die zweite Zone der dielektrischen Schicht gegenüber der
ersten Zone der dielektrischen Schicht anders modifiziert sein,
um verschiedene Ergebnisse zu erzielen. Bei einer speziellen Implementierung
ist die zweite Zone gegenüber der
ersten Zone anders modifiziert, um eine Ausbreitungsgeschwindigkeit
eines Signals auf der Einzelanschluss-Resonanzleitung zu verringern.
Bei einer anderen Implementierung ist die zweite Zone gegenüber der
ersten Zone anders modifiziert, um eine Resonanz auf der Einzelanschluss-Resonanzleitung einzustellen.
Bei einer noch anderen Implementierung ist die zweite Zone gegenüber der
ersten Zone anders modifiziert, um eine Amplitude zumindest einer
Größe Spannungsmaximum
und Spannungsminimum, gemessen auf der Einzelanschluss-Resonanzleitung,
einzuregeln. Bei einer noch anderen Implementierung ist die zweite
Zone gegenüber
der ersten Zone anders modifiziert, um eine Impedanz, gemessen auf
der Einzelanschluss-Resonanzleitung, einzuregeln. Bei einer anderen
Implementierung ist die zweite Zone gegenüber der ersten Zone anders modifiziert,
um eine Kapazität
zwischen der Einzelanschluss-Resonanzleitung und einer anderen Struktur
einzuregeln.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Draufsicht einer auf einem Substrat gebildeten Einzelanschluss-Resonanzleitung zur
Verringerung der Größe der Resonanzleitung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine Querschnittansicht einer offenen Schaltungskonfiguration einer
Einzelanschluss-Resonanzleitung von 1 entlang
einer Linie A-A.
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3 ist
eine Querschnittansicht einer Kurzschlusskonfiguration einer Einzelanschluss-Resonanzleitung von 1 entlang
einer Linie A-A.
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4 ist
eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform einer auf einem
Substrat gebildeten Einzelanschluss-Resonanzleitung zur Verringerung
der Größe der Resonanzleitung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5 ist
eine Querschnittansicht einer offenen Schaltungskonfiguration einer
Einzelanschluss-Resonanzleitung von 4 entlang
der Linie B-B.
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6 ist
eine Querschnittansicht einer anderen alternativen Ausführungsform
der Einzelanschluss-Resonanzleitung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine Querschnittansicht einer anderen Ausführungsform einer auf einem
Substrat gebildeten Einzelanschluss-Resonanzleitung zur Verringerung
der Größe der Resonanzleitung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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8 ist
ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines Prozesses zur Herstellung
einer Resonanzleitung mit verringerter physikalischer Größe gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine
Resonanzleitung ist eine typischerweise in Hochfrequenz-(HF-)schaltungen
verwendete Übertragungsleitung.
Auf gedruckten Leiterplatten oder Substraten werden Einzelanschluss-Resonanzleitungen
typischerweise verwirklicht, indem eine Leitung mit einem Einzelanschluss
am Eingang, die am Abschluss entweder offen oder mit Masse kurzgeschlossen
ist, erzeugt wird. Die elektrische Länge einer Einzelanschluss-Resonanzleitung
beträgt
gewöhnlich
ein Vielfaches einer Viertel-Wellenlänge einer gewählten Frequenz.
Die Eingangsimpedanz in eine Einzelanschluss-Resonanzleitung ist
typischerweise mit Widerstand behaftet, wenn die Länge der Resonanzleitung
ein gerades oder ungerades Vielfaches der Viertel-Wellenlänge der
Betriebsfrequenz beträgt.
Das heißt,
der Eingang zur Einzelanschluss-Resonanzleitung
befindet sich in einer Position von Spannungsmaxima oder -minima.
Wenn der Eingang zur Einzelanschluss-Resonanzleitung in einer Position
zwischen den Spannungsmaxima- und -minimapunkten liegt, kann die
Eingangsimpedanz reaktive Komponenten aufweisen, was ein nützliches Merkmal
sein kann.
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Leiterplattenmaterialien
mit niedriger Dielektrizitätskonstante
werden gewöhnlich
für HF-Schaltungsausführungen
gewählt.
Auf Polytetrafluorethylen (PTFE) basierende Verbundmaterialien wie
z. B. RT/duroid® 6002
(Dielektrizitätskonstante
2,94; Verlusttangente 0,009) und RT/duroid® 5
880 (Dielektrizitätskonstante
2,2; Verlusttangente 0,0007) sind beide bei Rogers Microwave Products,
Advanced Circuit Materials Division, 100 S. Roosevelt Ave, Chandler, AZ
85226 (USA), erhältlich.
Diese beiden Materialien sind eine übliche Plattenmaterialwahl.
Die obigen Plattenmaterialien bieten dielektrische, relativ niedrige
Dielektrizitätskonstanten
aufweisende Schichten mit damit verbundenen niedrigen Verlusttangenten.
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Die
Verwendung herkömmlicher
Plattenmaterialien kann jedoch für
die Miniaturisierung von Schaltungskomponenten sowie für einige
Leistungsaspekte von Schaltungen, die von den Schichten mit höherer Dielektrizitätskonstante
profitieren können, ungünstig sein.
Ein typischer Kompromiss in einer Kommunikationsschaltung besteht
zwischen der physikalischen Größe einer
Resonanzleitung und der Betriebsfrequenz. Im Vergleich dazu bietet
die vorliegende Erfindung dem Schaltungs-Designer ein zusätzliches
Flexibilitätsniveau,
indem sie die Verwendung einer dielektrischen Schichtzone mit hoher
Dielektrizitätskonstante
und mit zur Verringerung der Länge
und Breite einer Resonanzleitung optimierten magnetischen Eigenschaften
zum Betrieb bei einer speziellen Frequenz ermöglicht. Ferner bietet die vorliegende
Erfindung dem Schaltungs-Designer auch Mittel zum Steuern des Qualitätsfaktors
(Q) der Resonanzleitung. Diese zusätzliche Flexibilität ermöglicht verbesserte
Leistung und Resonanzleitungsdichte sowie eine Leistung, die andernfalls
bei Hochfrequenz-(HF-)schaltungen nicht möglich wäre. Wie hierin definiert, bedeutet
Hochfrequenz jede Frequenz, die zur Fortpflanzung einer elektromagnetischen
Welle verwendet werden kann.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, weist eine dielektrische Schicht 100 gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
eine erste Zone 112 mit einem ersten Satz dielektrischer
Eigenschaften und eine zweite Zone 114 mit einem zweiten
Satz dielektrischer Eigenschaften auf. Die dielektrischen Eigenschaften können eine
Dielektrizitätskonstante
und eine Permeabilität beinhalten.
Insbesondere kann sich der zweite Satz dielektrischer Eigenschaften
vom ersten Satz dielektrischer Eigenschaften unterscheiden. Die zweite
Zone 114 kann z. B. eine höhere Dielektrizitätskonstante
und/oder Permeabilität
als die der ersten Zone 112 aufweisen.
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Eine
Resonanzleitung 102 kann an der dielektrischen Schicht 100 angebracht
sein. Die Resonanzleitung 102 kann so konfiguriert sein,
dass sie einen mit einer Übertragungsleitung 104 verbindenden Eingangsanschluss 108 hat.
Bei einer Ausführungsform
kann die Länge
der Resonanzleitung 102 ein Viertel der Wellenlänge eines
durch die Übertragungsleitung 104 an
die Resonanzleitung angelegten Signals betragen. Ferner kann die
Resonanzleitung 102 breiter als die Übertragungsleitung 104 sein.
Für den
Durchschnittsfachmann versteht es sich jedoch, dass die Erfindung
nicht darauf beschränkt
ist und die Resonanzleitung auch in abweichenden Formen konfiguriert
sein kann. Bei einer Anordnung kann die Resonanzleitung z. B. eine
sich erweiternde oder konische Breite oder eine kreisförmige Stichleitung
haben. Es können
noch andere Resonanzleitungsformen verwendet werden.
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Die
Resonanzleitung 102 und die zweite Zone 114 der
dielektrischen Schicht können
so konfiguriert sein, dass mindestens ein Abschnitt der Resonanzleitung 102 auf
der zweiten Zone 114 positioniert ist wie dargestellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
kann mindestens eine beträchtlich
große Zone
der Resonanzleitung 102 auf der zweiten Zone 114 positioniert
sein.
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Die
Fortpflanzungsgeschwindigkeit eines sich auf der Resonanzleitung
fortbewegenden Signals ist gleich
Erhöhen der Permeabilität und/oder
der Dielektrizitätskonstanten
in der zweiten Zone
114 verringert folglich die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
des Signals auf der Resonanzleitung
102 und daher die Wellenlänge des
Signals. Daher kann die Viertelwellenlänge (oder ein Vielfaches von
ihr) der Resonanzleitung
102 durch Erhöhen der Permeabilität und/oder Dielektrizitätskonstante
verringert werden. Demgemäß kann die
Fläche
der dielektrischen Schicht
100, die die Resonanzleitung
enthält,
kleiner sein als die Fläche,
die auf einer herkömmlichen
Leiterplatte erforderlich wäre.
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Die
zweite Zone 114 kann ebenfalls eine Dielektrizitätskonstante
haben, die so gewählt
ist, dass eine bestimmte Kapazität
für die
Resonanzleitung 102 erreicht wird. Ferner kann die Permeabilität so gewählt werden,
dass sie auch in einer bestimmten Induktivität für die Resonanzleitung 102 resultiert. Die
Dielektrizitätskonstante
und die Permeabilität können so
gewählt
werden, dass sie in einer gewünschten
Z0 führt
die Resonanzleitung 102 resultieren.
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Z0 kann so gewählt werden, dass ein gewünschtes
Q für bestimmte
Resonanzen auf der Resonanzleitung 102 erreicht wird, die
Resonanzantwort der Resonanzleitung 102 geformt wird und/oder Spannungsmaxima
und -minima eingestellt werden. Ferner kann Z0 so
gewählt
werden, dass höhere
Resonanzmoden unterdrückt
werden und/oder eine Fehlanpassung zwischen der Impedanz der Resonanzleitung 102 und
der Impedanz von freiem Raum erzeugt wird. Diese Impedanzfehlanpassung
kann zur Minimierung der HF-Abstrahlung von der Resonanzleitung 102 und
Verringerung von elektromagnetischer Störung (EMS) beitragen.
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Die
Resonanzkenndaten der Resonanzleitung 102 können durch
die ersten und zweiten Zonen 112 und 114 verteilt
sein, während
die in diesen Zonen gebildeten elektrischen Felder und magnetischen
Felder Energie speichern und freisetzen. Die durch die Felder gespeicherte
und freigesetzte Menge Energie kann durch Steuern der Dielektrizitätskonstanten
und der Permeabilitäten,
die verschiedenen Zonen in der dielektrischen Schicht zugeordnet sind,
eingestellt werden. Eine höhere
Dielektrizitätskonstante
in einer bestimmten Zone resultiert z. B. in einer größeren Energie,
die in den in dieser Zone gebildeten elektrischen Feldern gespeichert
ist. Ebenso resultiert eine höhere
Permeabilität
in einer bestimmten Zone in einer größeren Energie, die in den in
dieser Zone gebildeten magnetischen Feldern gespeichert ist.
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Die 2 und 3 sind
entlang einer Schnittlinie A-A dargestellte Schnittansichten zweier verschiedener
Ausführungsformen
der Resonanzleitung 102 und der dielektrischen Schicht 100 von 1.
Bei beiden gezeigten Ausführungsformen
ist eine Massefläche 116 unterhalb
der Resonanzleitung 102 angeordnet. Die in 2 gezeigte
Resonanzleitung ist eine Resonanzleitung mit offenem Stromkreis.
Die Resonanzleitung von 3 ist mit einer Kurzschluss-Zuführung 300 kurzgeschlossen,
die vorgesehen ist, um ein fernes Ende 110 der Resonanzleitung 102 mit
der Massefläche 116 kurzzuschließen. Ein
Schaltungs-Designer kann je nach Anwendung entweder eine offene
oder kurzgeschlossene Resonanzleitung wählen, um die von der Resonanzleitung
gewünschten
Spannungs- und/oder Impedanzkenndaten zu liefern.
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Die
dielektrische Schicht 100 hat eine Dicke, die eine Resonanzleitungshöhe über Grund
definiert. Die Dicke ist ungefähr
gleich dem physikalischen Abstand von der Resonanzleitung 102 zur
darunter liegenden Massefläche 116.
Der Abstand kann eingestellt werden, um be stimmte dielektrische
Geometrien zu erreichen, z. B. um die Kapazität zu erhöhen oder zu verringern, wenn
ein bestimmtes dielektrisches Material verwendet wird.
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In
den 4 und 5 ist eine andere Anordnung
für die
Resonanzlinie 102 dargestellt, bei der die Resonanzlinie 102 innerhalb
der zweiten Zonen 114 angeordnet und näher an der Massefläche 116 positioniert
ist. Diese Konfiguration kann die Kapazität zwischen der Resonanzlinie 102 und
der Massefläche 116 weiter
erhöhen,
während
sie eine relativ niedrige Kapazität zwischen der Übertragungsleitung 104 und
der Massefläche 116 aufrechterhält. Alternativ
kann eine wie in 6 gezeigte Anordnung mit einem
vergrabenen Mikrostreifen verwendet werden, wenn eine höhere Kapazität zwischen
der Übertragungsleitung 104 und
der Massefläche 116 gewünscht wird.
Eine Streifenleitungs-Anordnung kann zu einem sogar noch höheren Kapazitätswert für die Übertragungsleitung 104 und
Resonanzleitung 102 führen.
Eine Kurzschluss-Zuführung
(nicht gezeigten) kann in jeder dieser Konfigurationen ebenfalls vorgesehen
sein.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung kann die Permeabilität der dielektrischen Schicht 100 gesteuert
werden, um die Induktivität
der Resonanzleitung 102 zu erhöhen. Bei einer anderen Ausführungsform
(nicht dargestellt) kann die Resonanzleitung eine eigene individuelle
Massefläche 116 oder Rückleiterbahn
(wie z. B. bei einer Zweileitungsanordnung) haben, die so konfiguriert
ist, dass Strom auf der Massefläche 116 oder
Rückleiterbahn
in eine Richtung fließt,
die dem in der Resonanzleitung 102 fließenden Strom entgegengesetzt
ist, was zur Aufhebung des mit der Resonanzleitung verbundenen magnetischen
Flusses und Senkung ihrer Induktivität führt.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
kann die zweite Zone 114 eine dritte Unterzone und eine vierte
Unterzone aufweisen. Die dritte und vierte Unterzone können unterschiedliche
dielektrische Eigenschaften haben. Die Dielektrizitätskonstante und/oder
Permeabilität
in der dritten Unterzone kann z. B. höher oder niedriger sein als
die Dielektrizitätskonstante
und/oder Permeabilität
in der vierten Unterzone. Die jeweiligen Dielektrizitätskonstanten und/oder
Permeabilitäten
können
verwendet werden, um die Impedanz- und Resonanzkenndaten der Resonanzleitung 102 zu
steuern.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Konfigurationen der Resonanzleitung 102 und
Schaltungsschicht 100 nicht auf die gezeigten beispielhaften
Figuren beschränkt
sind. Die Resonanzleitung kann z. B. unterschiedliche Formen aufweisen
und so positioniert sein, dass sie unterschiedliche Abstände zwischen
der Resonanzleitung und der Massefläche oder Schaltungsschicht-Oberfläche hat.
Bei einer Ausführungsform
kann Z0 unter Verwendung von mehreren dielektrischen
und ferromagnetischen Mischungen oder Konzentrationen über die
gesamte Länge
der Resonanzleitung 102 oder einem Teil davon gesteuert
werden, um Z0 über verschiedene Zonen der
Leitung zu variieren. Ferner können
die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an ausgewählten Zonen
der dielektrischen Schicht differentiell modifiziert werden, um
die Leistung der Resonanzleitung zu optimieren. Bei einer noch anderen Anordnung
können
alle Zonen der dielektrischen Schicht modifiziert werden, indem
dielektrische Eigenschaften und magnetische Eigenschaften in allen Zonen
der dielektrischen Schicht differentiell modifiziert werden.
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Der
hierin verwendete Begriff "differenzielles Modifizieren" bezieht sich auf
alle bei der dielektrischen Schicht 100 vorgenommenen Modifikationen einschließlich Hinzufügungen,
die dazu führen,
dass mindestens eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften
in einer Zone des Substrats im Vergleich zu einer anderen Zone anders
ist. Die Modifikation kann z. B. eine selektive Modifikation sein, bei
der bestimmte Zonen der dielektrischen Schicht modifiziert werden,
um einen ersten Satz dielektrischer oder magnetischer Eigenschaften
zu erzeugen, wohingegen andere Zonen der dielektrischen Schicht
unmodifiziert belassen werden, wobei sie Eigenschaften aufweisen,
die sich vom ersten aus der Modifikation resultierenden Satz Eigenschaften
unterscheiden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann eine zusätzliche
dielektrische Schicht zur dielektrischen Schicht 100 hinzugefügt werden.
Im Stand der Technik bekannte Techniken wie z. B. verschiedene Sprühtechnologien,
Rotationsbeschichtungs-Technologien, verschiedene Abscheidungstechnologien oder
Sputtern können
angewendet werden, um die zusätzliche
Schicht aufzubringen. Wie aus 7 ersichtlich
ist, kann eine erste zusätzliche
Schicht 710 über
der gesamten vorhandenen dielektrischen Schicht 100 und/oder
einer zweiten zusätzlichen Schicht 720 in
der ersten Zone 112 und/oder der zweiten Zone 114 selektiv
hinzugefügt
werden. Die zusätzlichen
Schichten können
die Dielektrizitätskonstante
und/oder Permeabilität
des Dielektrikums unterhalb der Resonanzleitung 102 ändern.
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Vor
allem die zweite zusätzliche
Schicht 720 kann Partikel enthalten, um die Permeabilität in der ersten
Zone 112 oder zweiten Zone 114 so zu ändern, dass
sie größer oder
kleiner als 1 ist. Diamagnetische oder ferromagnetische Partikel
können
z. B. zu den ersten und zweiten Zonen 112 und 114 hinzugefügt werden.
Ferner kann die zweite zusätzliche Schicht 720 dielektrische
Partikel enthalten, um auch die dielektrischen Eigenschaften zu ändern. Dielektrische
Partikel können
z. B. zu den ersten und zweiten Zonen 112 und 114 hinzugefügt werden.
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Ein
Verfahren zur Bereitstellung einer größen- und leistungsoptimierten
Resonanzleitung wird z. B. anhand des nachstehenden Texts und des
in 8 dargestellten Flussdiagramms beschrieben. In Schritt 810 wird
ein dielektrisches Plattenmaterial zur Modifikation hergestellt.
Wie vorher erwähnt,
kann das Plattenmaterial kommerziell erhältliches handelsübliches
Material oder aus einem Polymermaterial gebildetes kundenspezifisches
Plattenmaterial oder eine Kombination davon sein. Der Herstellungsprozess
kann vom Typ des gewählten
Plattenmaterials abhängig
gemacht werden.
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In
Schritt 820 werden eine oder mehrere Zonen der dielektrischen
Schicht wie z. B. die erste Zone 112 oder die zweite Zone 114 differentiell
modifiziert, so dass die Dielektrizitätskonstante oder die magnetischen
Eigenschaften in der zweiten Zone 106 im Vergleich zur
Dielektrizitätskonstante
oder der Permeabilität
der zweiten Zone 104 anders sind. Die differentielle Modifikation
kann in mehreren unterschiedlichen Weisen erreicht werden, wie vorher
beschrieben. Wie aus Schritt 830 ersichtlich ist, kann dann
die Metallschicht mittels im Stand der Technik bekannter Leiterplattentechniken
auf die Einzelanschluss-Resonanzleitung aufgebracht werden.
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Dielektrische
Substratplatten mit Metamaterialzonen, die lokal begrenzte und wählbare magnetische
und dielektrische Eigenschaften haben, können auf die folgende Weise
hergestellt werden. Wie hierin definiert bezieht sich der Begriff "Metamaterialien" auf Verbundmaterialien,
die durch Mischen oder Anordnen zweier oder mehrerer unterschiedlicher
Materialien auf einer sehr feinen Ebene wie z. B. der molekularen
oder Nanometerebene gebildet werden. Metamaterialien erlauben das
Zuschneiden elektromagnetischer Eigenschaften auf das Verbundmaterial,
die durch effektive elektromagnetische Parameter definiert werden
können,
welche effektive elektrische Dielektrizitätskonstante εeff (oder
Dielektrizitätskonstante)
und die effektive elektromagnetische Permeabilität μeff umfassen.
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Geeignete
dielektrische Substrat-Massenmaterialien sind bei Herstellern kommerzieller
Materialien wie z. B. DuPont und Ferro erhältlich. Das gewöhnlich als
Green TapeTM bezeichnete unverarbeitete
Material kann aus einem dielektrischen Endlosband in auf Maß zugeschnittene
Zonen wie z. B. in 15,24 mal 15,24 cm große Abschnitte (d. h. 6 Zoll
mal 6 Zoll große Abschnitte)
geschnitten werden. DuPont Microcircuit Materials liefert z. B Green
Tape-Materialsysteme
wie z. B. 951 Low-Temperature Cofire Dielectric Tape und Ferro liefert
elektronische Materialien ULF28-30 und die dielektrische Formulierung
Ultra Low Fire COG. Diese Substratmaterialien können verwendet werden, um dielektrische
Schichten mit relativ moderaten Dielektrizitätskonstanten bei damit verbundenen
relativ niedrigen Verlusttangenten für einen Schaltungsbetrieb bei
Mikrowellenfrequenzen nach dem Brennen bereitzustellen.
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Im
Zuge der einer Mikrowellenschaltung unter Verwendung von mehreren
Schichten aus dielektrischem Substratmaterial können Merkmale wie z. B. Verbindungslöcher, Leerräume, Löcher oder
Hohlräume
durch eine oder mehr Bandschichten gestanzt werden. Leerräume können mittels
mechanischen Mitteln (z. B. Stanzwerkzeug) oder gerichteten Energiemitteln
(z. B. Laserbohren, Fotolithografie) definiert, aber Leerräume können auch
mit jeden anderen geeigneten Verfahren definiert werden. Einige Verbindungslöcher können durch
die gesamte Dicke des auf Maß zugeschnittenen
Substrats reichen, wohingegen einige Leerräume nur durch unterschiedliche
Zonen der Substratdicke reichen können.
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Die
Verbindungslöcher
können
dann mit Metall oder anderen dielektrischen oder magnetischen Materialien
oder Mischungen von ihnen gefüllt
werden, wobei gewöhnlich
Schablonen zur präzisen Platzierung
der Verfüllungsmaterialien
verwendet werden. Die einzelnen Bandschichten können in einem herkömmlichen
Prozess aufeinander gestapelt werden, um ein vollständiges mehrschichtiges
Substrat zu erzeugen. Alternativ können einzelne Bandschichten
aufeinander gestapelt werden, um ein unvollständiges mehrschichtiges Substrat
zu erzeugen, das im Allgemeinen als ein Sub-Stack (Sub-Stapel) bezeichnet
wird.
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Leerräume aufweisende
Zonen können
auch Leerräume
bleiben. Bei Verfüllung
mit gewählten
Materialien enthalten die gewählten
Materialien vorzugsweise Metamaterialien. Die Wahl einer Metamaterial-Zusammensetzung
kann einstellbare effektive Dielektrizitätskonstanten über einen
relativ kontinuierlichen Bereich von weniger als 2 bis ca. 2650
liefern. Einstellbare magnetische Eigenschaften sind auch bei bestimmten
Metamaterialien verfügbar. Durch
die Wahl geeigneter Materialien kann z. B. die relative effektive
magnetische Permeabilität
für die meisten
praktischen HF-Anwendungen im Allgemeinen im Bereich von ca. 4 bis
116 liegen. Die relative effektive magnetische Permeabilität kann jedoch
lediglich ca. 2 betragen oder in die Tausende reichen.
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Der
hierin verwendete Begriff "differenziell modifiziert" bezieht sich auf
bei einer dielektrischen Substratschicht vorgenommenen Modifikationen
einschließlich
Dotierungsstoffe, die dazu führen,
dass mindestens eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften
in einer Zone des Substrats im Vergleich zu einer anderen Zone anders
ist. Ein differentiell modifiziertes Plattensubstrat enthält vorzugsweise
eine oder mehrere Metamaterial enthaltende Zonen.
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Die
Modifikation kann z. B. eine selektive Modifikation sein, bei der
bestimmte Zonen der dielektrischen Schicht modifiziert werden, um
einen ersten Satz dielektrischer oder magnetischer Eigenschaften
zu erzeugen, wohingegen andere Zonen der dielektrischen Schicht
differentiell modifiziert oder unmodifiziert belassen werden, um
dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften zu liefern, die sich
vom ersten Satz Eigenschaften unterscheiden. Eine differentielle
Modifikation kann auf mehrere unterschiedliche Arten erreicht werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann eine zusätzliche
dielektrische Schicht zur dielektrischen Schicht hinzugefügt werden.
Im Stand der Technik bekannte Techniken wie z. B. verschiedene Sprühtechnologien,
Rotationsbeschichtungs-Technologien, verschiedene Abscheidungstechnologien
oder Sputtern können
verwendet werden, um die zusätzliche
dielektrische Schicht aufzubringen. Die zusätzliche dielektrische Schicht
kann in örtlich
begrenzten Zonen einschließlich
in Leerräumen
oder Löchern oder über der
gesamten existierenden dielektrischen Schicht selektiv hinzugefügt werden.
Eine zusätzliche
dielektrische Schicht kann z. B. zur Bereitstellung einer Substratrone
mit einer erhöhten
effektiven Dielektrizitätskonstante
verwendet werden. Das als eine zusätzliche Schicht hinzugefügte dielektrische
Material kann verschiedene polymetrische Materialien enthalten.
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Der
differentielle modifizierende Schritt kann ferner örtlich begrenztes
Hinzufügen
zusätzlichen Materials
zur dielektrischen Schicht oder zusätzlichen dielektrischen Schicht
enthalten. Die Hinzufügung
von Material kann genutzt werden, um die effektive Dielektrizitätskonstante
oder magnetischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht weiter
zu steuern, um ein gegebenes Entwurfsziel zu erreichen.
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Das
zusätzliche
Material kann eine Mehrzahl metallischer und/oder keramischer Partikel
enthalten. Zu den Metallpartikeln gehören vorzugsweise Partikel aus
Eisen, Wolfram, Kobalt, Vanadium, Mangan, bestimmten Seltenerdmetallen,
Nickel oder Niob. Die Partikel sind vor zugsweise Partikel in Nanogröße, die
im Allgemeinen physikalische Abmessungen im Submikron-Bereich haben
und nachfolgend als Nanopartikel bezeichnet werden.
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Die
Partikel wie z. B. Nanopartikel können vorzugsweise organofunktionalisierte
Verbundpartikel sein. Organofunktionalisierte Verbundpartikel können z.
B. Partikel mit metallischen Kernen und elektrisch isolierenden
Beschichtungen oder elektrisch isolierende Kerne mit einer metallischen
Beschichtung umfassen.
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Magnetische
Metamaterialpartikel, die im Allgemeinen zur Steuerung von magnetischen
Eigenschaften einer dielektrischen Schicht für verschiedene hierin beschriebene
Anwendungen geeignet sind, umfassen keramisch-organische Ferritmaterialien (FexCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik). Diese Partikel
erfüllen
ihre Funktion gut bei Anwendungen im Frequenzbereich von 8 bis 40
GHz. Alternativ oder zusätzlich dazu
sind keramisch-organische Niobmaterialien (NbCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik)
für den
Frequenzbereich von 12 bis 40 GHz gut geeignet. Die für Hochfrequenz
bestimmten Materialien sind auch bei Niederfrequenzanwendungen anwendbar.
Diese und andere Typen von Verbundpartikeln sind kommerziell erhältlich.
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Im
Allgemeinen sind beschichtete Partikel zur Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung vorzuziehen, da sie bei der Bindung mit einer Polymermatrix
oder einem Seitenkettenteil förderlich
sein können.
Neben der Steuerung der magnetischen Eigenschaften des Dielektrikums
können
die hinzugefügten
Partikel auch verwendet werden, um die effektive Dielektrizitätskonstante
des Materials zu steuern. Bei einem Füllverhältnis von Verbundpartikeln
von ca. 1 bis 70% ist es möglich,
die Dielektrizitätskonstante
der dielektrischen Substratschicht und/oder von Zonen der zusätzlichen
dielektrischen Schicht wesentlich zu erhöhen und möglicherweise zu senken. Ein
Hinzufügen
von organofunktionalisierten Nanopartikeln zu einer dielektrischen
Schicht kann z. B. genutzt werden, um die Dielektrizitätskonstante
der modifizierten Zonen der dielektrischen Schicht zu erhöhen.
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Die
Partikel können
durch verschiedene Techniken einschließlich Polyblending, Mischen
und Füllen
unter Schütteln
aufgebracht werden. Eine Dielektrizitätskonstante kann z. B. unter
Verwendung verschiedener Partikel mit einem Füllungsverhältnis von bis zu ca. 70% von
einem Wert 2 bis zu 10 erhöht werden.
Zu diesem Zweck geeignete Metalloxide können Aluminiumoxid, Calciumoxid,
Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkoniumoxid und Niob(II, IV und V)-Oxid,
enthalten. Lithiumniobat (LiNbO3) und Zirkonate
wie z. B. Calciumzirkonat und Magnesiumzirkonat können ebenfalls
verwendet werden.
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Die
wählbaren
dielektrischen Eigenschaften können
auf Bereiche begrenzt sein, die nur ca. 10 Nanometer klein sind
oder sich über
große
Bereichszonen einschließlich
der gesamten Plattensubstrat-Oberfläche erstrecken. Herkömmliche
Verfahren wie z. B. Lithografie und Ätzen zusammen mit Abscheidungsverarbeitung
können
zur örtlich
begrenzten Manipulation von dielektrischen und magnetischen Eigenschaften
verwendet werden.
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Die
Materialien können
gemischt mit anderen Materialien oder mit unterschiedlichen Dichten von
Leerräume
aufweisenden Zonen (die im Allgemeinen Luft einbringen) hergestellt
werden, um wirksame Dielektrizitätskonstanten
in einem im Wesentlichen zusammenhängenden Bereich von 2 bis ca. 2650
sowie andere potentiell erwünschte
Substrateigenschaften zu erzeugen. Zu den eine niedrige Dielektrizitätskonstante
(< 2 bis ca. 4)
aufweisenden Materialien gehört
z. B. Kieselerde mit unterschiedlichen Dichten von Leerräume aufweisenden
Zonen. Aluminiumoxid mit unterschiedlichen Dichten von Leerräume aufweisenden
Zonen kann eine Dielektrizitätskonstante
von ca. 4 bis 9 bereitstellen. Weder Kieselerde noch Aluminiumoxid
haben eine nennenswerte magnetische Permeabilität. Magnetische Partikel können jedoch
z. B. bis zu 20 Gew.-% hinzugefügt werden,
um sie oder ein anderes Material ausgeprägt magnetisch zu machen. Magnetische
Eigenschaften können
z. B. mit Organofunktionalität
maßgeschneidert
werden. Die Wirkung des Hinzufügens
von magnetischen Materialien auf die Dielektrizitätskonstante führt im Allgemeinen
zu einer Erhöhung
der Dielektrizitätskonstante.
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Materialien
mit einer mittleren Dielektrizitätskonstante
haben im Allgemeinen eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von
70 bis 500 +/– 10%.
Wie oben erwähnt,
können
diese Materialien mit anderen Materialien oder Leerräumen gemischt
werden, um gewünschte
effektive Dielektrizitätskonstantenwerte zu
liefern. Diese Materialien können
ferritdotiertes Calciumtitanat enthalten. Zu den Dotierungsmaterialien
können
Magnesium, Strontium und Niob gehören. Die relative magnetische
Permeabilität
dieser Materialien liegt im Bereich von 45 bis 600.
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Für Anwendungen
mit hoher Dielektrizitätskonstante
können
ferrit- oder niobdotierte Calcium- oder Bariumtitanatzirkonate verwendet
werden. Diese Materialien haben eine Dielektrizitätskonstante von
ca. 2200 bis 2650. Dotierungsprozentsätze für diese Materialien betragen
im Allgemeinen 1 bis 10%. Wie hinsichtlich anderer Materialien erwähnt können diese
Materialien mit anderen Materialien oder Leerräumen gemischt werden, um die
gewünschten
Werte der effektiven Dielektrizitätskonstante zu liefern.
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Diese
Materialien können
im Allgemeinen durch unterschiedliche molekulare Modifikationsverarbeitung
modifiziert werden. Die Modifikationsverarbeitung kann das Erzeugen
von Leerräumen
und anschließendes
Füllen
mit Materialien wie z. B. organofunktionalen Materialien auf Kohlenstoff-
und Fluorbasis wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE) einschließen.
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Alternativ
oder zusätzlich
zur organofunktionalen Integration kann die Verarbeitung Freiform-Fabrikation
von Feststoffen (SFF, solid freeform fabrication), Foto-, UV-, Röntgen-,
Elektronenstrahl- oder Ionenstrahlbestrahlung einschließen. Lithografie
kann unter Verwendung von Foto-, UV-, Röntgen-, Elektronenstrahl- oder
Ionenstrahlbestrahlung ebenfalls ausgeführt werden.
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Unterschiedliche
Materialien einschließlich Metamaterialien
können
in verschiedenen Bereichen auf Substratschichten (Sub-Stapel) aufgebracht
werden, so dass eine Mehrzahl Bereiche der Substratschichten (Sub-Stapel)
verschiedene dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften haben.
Die z. B. oben erwähnten
Verfüllungsmaterialien
können
in Verbindung mit einem oder mehreren zusätzlichen Verarbeitungsschritten
verwendet werden, um gewünschte
dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften entweder lokal
oder über
einer Massen-Substratzone zu erreichen.
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Anschließend wird
im Allgemeinen ein Oberschicht-Leiterdruck auf die modifizierte
Substratschicht, den Sub-Stapel oder den vollständigen Stapel aufgebracht.
Leiterbahnen können
mittels Dünnfilmtechniken,
Dickfilmtechniken, Galvanisieren oder jeder anderen geeigneten Technik
bereitgestellt werden. Zu den zum Definieren des Leitermusters verwendeten
Prozessen gehören
u. a. Standard-Lithografie und Schablone.
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Dann
wird im Allgemeinen eine Basisplatte zum Zusammenstellen und Ausrichten
einer Mehrzahl modifizierter Plattensubstrate beschafft. Zu diesem
Zweck können
Ausrichtungslöcher
durch jede der Mehrzahl Substratplatten verwendet werden.
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Die
Mehrzahl Substratschichten, ein oder mehrere Sub-Stapel oder eine
Kombination von Schichten und Sub-Stapeln können dann entweder mit isostatischem
Druck, der von allen Seiten Druck auf das Material ausübt, oder
uniaxialem Druck, der nur von einer einzigen Richtung Druck auf
das Material ausübt,
zusammenlaminiert (z. B. mechanisch zusammengepresst) werden. Das
Laminatsubstrat wird dann weiterverarbeitet, wie oben beschrieben, oder
in einen Ofen gelegt, um auf einer Temperatur gebrannt zu werden,
die für
das verarbeitete Substrat geeignet ist (bei den oben aufgeführten Materialien ca.
850°C bis
900°C).
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Die
Mehrzahl Keramikbandschichten und gestapelter Sub-Stapel der Substrate
kann dann mittels eines geeigneten Ofens, der so gesteuert werden kann,
dass die Temperatur mit einer für
die verwendeten Substratmaterialien geeigneten Rate erhöht werden
kann, gebrannt werden. Die verwendeten Prozessbedingungen wie z.
B. die Rate der Temperaturerhöhung,
Endtemperatur, Abkühlprofil
und etwaige erforderliche Haltezeiten werden unter Berücksichtigung
des Substratmaterials und eines etwaigen darin verfüllten oder
darauf abgeschiedenen Materials gewählt. Nach dem Brennen werden
gestapelte Substratplatten typischerweise mit einem optischen Mikroskop
auf Fehler kontrolliert.
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Die
gestapelten Keramiksubstrate können dann
optional in würfelförmige cinguläre Stücke so klein
wie erforderlich, um funktionale Schaltungsanforderungen zu erfüllen, zerschnitten
werden. Nach der Endinspektion können
dann die cingulären
Substratstücke
an einer Testbefestigungseinrichtung zur Beurteilung ihrer verschiedenen
Kenndaten befestigt werden, um z. B. sicherzustellen, dass die dielektrischen,
magnetischen und/oder elektrischen Kenndaten innerhalb der vorgegebenen
Grenzen liegen.
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Daher
können
dielektrische Substratmaterialien mit örtlich begrenzten einstellbaren
dielektrischen und/oder magnetischen Kenndaten zur Verbesserung
der Dichte und Leistungsfähigkeit
von Schaltungen einschließlich
derjenigen mit Einzelanschluss-Resonanzleitungen versehen werden.
Die dielektrische Flexibilität
ermöglicht
unabhängige
Optimierung von Schaltungselementen.
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Obwohl
die bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, versteht es sich,
dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Für den Fachmann sind zahlreiche Modifikationen, Änderungen,
Variationen, Ersetzungen und Entsprechungen ohne Abweichung vom Gültigkeitsbereich
der vorliegenden Erfindung wie in den Ansprüchen beschrieben offensichtlich.