SE509839C2 - Konstledning - Google Patents

Description

509 839 UI 10 15 20 25 30 35 Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritning, där fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. 1 visar en känd fyrabitars fördröjningsledning med SPDT-omkopplare, 2 visar en principskiss av en sammansatt konstledning enligt en utföringsforrn av uppfinningen, vilken har kontinuerligt variabel fördröjning över ett stort tidsintervall, 3a visar ett kretsschema över ett känt allpassnät, 3b visar ett ekvivalent schema för allpassnätet i figur 3a, 4 visar ett diagram över cocGDUo) som funktion av w/wc för olika k-värden, 5 visar grupplöptid och komponentvärden som funktion av den övre gränsfrekvensen, 6 visar ett kretsschema över en första variant av en självomkopplande konstledning enligt en utföringsform av uppfinningen, 7 visar ett diagram över grupplöptiden som funktion av frekvensen för konstledningen i figur 6, 8 visar ett kretsschema över en andra variant av en självomkopplande konstledning enligt en utföringsform av uppfinningen, 9 visar ett första konkret exempel på en självomkopplande konstledning enligt en utföringsform av uppfinningen, 10 visar ett andra konkret exempel på en självomkopplande konstledning enligt en utföringsform av uppfinningen, 11 visar ett konkret exempel på flera kaskadkopplade konstledningar enligt en utföringsform av uppfinningen, 12 visar ett diagram över gmpplöptiden som funktion av pålagd styrspänning för den kaskadkopplade konstledningen i figur 11, 13 visar ett kretsschema över en utföringsform av en avstämbar konstledning enligt uppfinningen, 14 visar ett diagram över grupplöptiden som funktion av pålagd negativ styrspänning för konstledningen i figur 13 och 15 visar ett konkret exempel på en avstämbar konstledning enligt en utföringsform av uppfinningen.

Uppfinningen avser i grunden en konstledning som i ett första tillstånd uppvisar de önskade egenskapema beträffande konstant grupplöptid inom ett vitt frekvens- område. Konstledningen kan sedan vara realiserad som en kontinuerligt avstämbar konstledning eller som en självomkopplande sådan. 10 15 20 25 30 35 509 839 I figur 2 visas hur man i ett exempel skulle kunna bygga upp en sammansatt konst- ledning som kan fördröja signaler sammanlagt 120 ps, lika mycket som i det tidigare fallet med den kända konstledningen. Härvid används såväl en avstämbar konst- ledning, A, som självomkopplande konstledningar, B. Den kontinuerligt avstämbara konstledningen har, i beroende av en styrsignal, en fördröjning på upp till ca. 20 ps.

Till denna är i exemplet fem självomkopplande konstledningar kaskadkopplade.

Den självomkopplande konstledning kan inta två distinkta tillstånd. I det ena tillstån- det har den en liten fördröjning och i det andra en i stor fördröjning, i det aktuella exemplet ca. 20 ps. De självomkopplande konstledningama kan styras med en enda styrledning, vilket innebär en stor förenkling. l det följande kommer först en teoretisk härledning av hur en konstledning av aktuell typ skall vara utförd. Den självomkopplande konstledningen följer denna härledning och den avstämbara konstledningen tar sin utgångspunkt i härledningen.

Båda typema av konstledning bygger på ett allpassnät med frekvensoberoende spegelimpedans (constant-R all-pass network). l det avstämbara fallet är det riktigare att tala om i huvudsak frekvensoberoende spegelimpedans (quasi constant-R ...).

I figur 3a visas ett känt allpassnät. Det består av en shuntkopplad T-sektion bestå- ende av två ömsesidigt kopplade induktanser av samma värde L, som bildar de två armama, en kapacítans C, till jord, som det vertikala benet, och en kapacítans G1, kopplad över induktansema. Under vissa betingelser blir detta nät ett allpassnät som uppvisar en konstant inimpedans oberoende av frekvensen.

För att bestämma spridningsparametrama omformas T-nätet genom att den induk- tiva kopplingen inritas som en nätekvivalent, se figuren 3b, där: i., =L+M (1) och Lz =-M <2> Symmetrin i kretsen medför att beräkningarna reduceras. Alla spridningsparametrar kan härledas ur reflexionskoefficientema I; och I", If, är resultatet av att två lika stora spänningar av samma tecken är pålagda tvåportsnätet. To är resultatet av att 509 839 4 10 15 20 25 30 två lika stora spänningar av motsatt tecken är pålagda de två portama. Spridníngs- parametrarna S” för nätet erhålls enligt: f f S11=S22= e: o (3) f -f S21: S12 = e 2 o (4) I; och Fo kan uttryckas i de normaliserade jämna och udda modimpedansema Z, och Zo som 1-4 r° _ 1+Z, (s) 1-4 r° n 1+Z° (6) där Z. =1w(L1 +2L1) + .2 <1) ' /Wcz och Zo = ÄB: (8) 1 - 2a>2L1C1 Genom att sätta in ekvationema (5) och (6) i (3) och (4) erhålls: 1-44 <9) 31 4-4 “°> NU) Av (9) framgår att om nätet skall vara anpassat för alla frekvenser, dvs. S1,= 0, måste villkoret ZQZO =1 vara uppfyllt för alla frekvenser. Detta ger efter lite algebra {L,+2L2=2C, (11) 21-1=Cz Härav följer att transmissionskoefficienten S21 blir. 509 839 2-1 = ° 2 S2' Ze+1 (1) Genom att sätta in (7) i (12), kan S2, uttryckas som p2-ap+b 5 S21 ”i” _ 1 2 därp=jw,a= oc b=--__-.

Lim, (L.+2L2>c2 Ekvationen (13) visar att S2, har beloppet ett och ett fassvar ArgSz, som kan 10 uttryckas som ArgSn = - arctan b (14) 1__ a2 .. w _. . . b _. w _. dar Q = - ar den normahserade vinkelfrekvensen och wc = -, dar fc = -2-2- ar den wc a :r 15 övre gränsfrekvensen. Överföringsfunktionen har lågpasskaraktär. De normalisera- de kretselementen kan nu uttryckas som funktioner av a och b. Om man ínsätter uttrycken för a och b i (12) ger det u=§ 1 1 a et» 2 a1 b (15) C1=š c2=2% 20 För att kunna använda tvåporten som ett fördröjningselement måste transmissions- fasen ha ett linjärt frekvenssvar. Med andra ord måste grupplöptiden GD(a>) vara konstant med frekvensen. Grupplöptíden kan uttryckas som 25 Gow) = -í/ïšísz-J (16) 60 10 15 20 25 5o9 839 6 om (14) sätts in i (16) emåns 1+kš22 ílakffinff ll” Gow) = där k=í2. a Genom att plotta produkten wcGD(w) som en funktion av Q för olika värden på k, kan man lätt finna det värde som ger en konstant grupplöptid. Detta görs i figur 4, varur framgår att k = 0,35 är det rätta värdet.

For en gwen ovre gransvmkelfrekvens wc = - och impedansniva Zo kan man a explicit bestämma värdena för kretselementen nedan ges de som funktion av den övre gränsfrekvensen Qoch den karakteristiska impedansen Zo. r _ _ -s Zo L[nH]_1o7,41o HGHZ] MjnHj = 5172-10* Z° ¿ fG[GHz] (18) 1 c pF =27,e5-1o-3ï-_ il l zø-QQGHZ] ï I _3 czjpFj 318,3 10 ZOMGHZ] k Kretselementens värden, enligt ekvation (18), och den motsvarande grupplöptiden, enligt ekvation (17), är plottade i figur 5 som funktion av den övre gränsfrekvensen för en anordning med en karakteristisk impedans Zo uppgående till 50 Q.

Efter denna principiella genomgång, övergår vi till att se på en tillämpning av en första typ av en uppfinningsenlig konstledning i form av en självomkopplande konstledning för tidsfördröjningsändamål. Den självomkopplande konstledningen kan inta två tillstånd. l det ena har kretsen komponentvärden enligt ekvation (18), vilket ger en stor fördröjning. l det andra tillståndet är kapacitansen C, kortsluten, vilket ger en kort fördröjning.

I den kända kretsen enligt figur 3a kan kondensatom C, vara implementerad som en metall-isolator-metall (MIM) kondensatori ett MMIC-utförande. l den själv- 10 15 20 25 30 35 7 509 859 omkopplande konstledningen byts kondensatom C, ut mot ett första omkopplings- element, som kan beskrivas som en liten resistans i ett första läge (on-läget) och en kapacitans i ett andra läge (off-läget), t.ex. en PlN-diod, en bipolär transistor eller en "switch-FET". I det fall som visas i figur 6 är omkopplingselementet en första fält- effekttransistor FET 1 som är optimerad för att i beroende av sin styrspänning inta två distinkta tillstånd. l det ena fallet förspänns transistom till ledande tillstånd, VG = 0. Transistom motsvarar då en mycket låg resistans och kretsen uppför sig som en kort transmíssionsledning shuntad med CZ. l det andra fallet förspänns transistom så att den stryps, [VG] > |V,,|, där VP är transistoms strypspänning. Transistorn motsvarar då en kondensator. Om transis- torparametrama väljs så att transistoms kapacitans är C, erhåller kretsen, enligt härledningen som leder fram till ekvation (18), en grupplöptid, som är oberoende av frekvensen inom ett stort frekvensinten/all.

Resultatet blir att kretsen i beroende av styrspänningen till transistom intar ettdera av två tillstånd, i det ena är grupplöptiden mycket kort och i den andra lång, vilket visas i figuren 7.

Shuntkondensatorn CZ är emellertid normalt inte liten nog för att ge en hög impe- dans till ledningen när den första fälteffekttransistom FET1 äri det första läget.

Detta ger upphov till en försämring i spridningsegenskaperna, speciellt för höga frekvenser. En lösning på detta är att koppla ett andra omkopplingselement, av lik- nande typ som det första, i serie med kondensatom CZ. Detta andra omkopplings- element drivs komplementärt med den första, dvs. när den första är ledande är den andra strypt och vice versa. På detta sätt blir ledningen shuntad av en hög impe- dans ijämförelse med enbart CZ. I figur 8 visas en variant av detta fördelaktiga ut- förande av uppfinningen med en andra fälteffekttransistor, FET 2, optimerad för att i beroende av sin styrspänning inta två distinkta tillstånd, som det andra omkopp- lingselementet.

Två exempel på konkret layout för en självomkopplande konstledning i planar monolitisk kretsteknik visas i figurerna 9 och 10. l detta fall är den övre gräns- frekvensen vald till 18 GHz och den karakteristiska impedansen till 50 Q. De efter- strävade elementvärdena är desamma i de två exemplen. Utförandena ger olika grupplöptid på grund av kretsamas olika geometriska utformning, vilka beskrivs nedan. Utförandena i figurema är skalriktigt ritade för utförande på ett 100 um tjockt GaAs-substrat med permittiviteten 12,8. i 509 859 8 10 15 20 25 30 35 Figur 9 visar ett utförande där man eftersträvar största möjliga skillnad i grupplöptld mellan kretsens två tillstånd. Kretsen har en ingång 1 och en utgång 2. Induktan- sema och den ömsesidiga induktansen är realiserade som kopplade mikrostrip- ledningar 3. De kopplade mikrostripledningama är anordnade så att den kortslutna shunten bildad av FET1 = 4a i ledande tillstånd (dvs. när kretsen antar tillståndet med kort grupplöptid) utgör kortast möjliga gångväg mellan ingång 1 och utgång 2.

Detta åstadkoms med utnyttjande av två isolerande överkorsningar 5a och 5b. Till jord ligger G2 utförd som en plattkondensator 6, vanligen en MIM, i serie med FET2 = 4b, vars "source" är förbunden med ett viahål 7 till kretsens jordplan. Förspän- ningen av FET1 och FET2 påförs bondplättama 8a resp. 8b och matas till "gate" via resp. resistanser 9a och 9b, som här är utförda som dopade kanaleri substratet med kontrollerad resistivitet.

Figur 10 visar ett utförande där man eftersträvar en mindre skillnad i grupplöptld mellan kretsens två tillstànd. Kretsen har en ingång 1 och en utgång 2. Induktan- serna och den ömsesidiga induktansen är realiserade som kopplade mikrostrip- ledningar 3. Den kortslutna shunten bildad av FET1 = 4a i ledande tillstånd (dvs. när kretsen antar tillståndet med kort grupplöptid) utgör här en jämförelsevis längre gångväg mellan ingång 1 och utgång 2 genom att en av de kopplade mikrostnp- ledningarna 3b ingåri shunten mellan ingången och utgången. Därvid behövs bara en isolerande överkorsning 5. Till jord ligger CZ utförd som en plattkondensator 6, vanligen en MIM, i serie med FET2 = 4b, vars "source" är förbunden med ett viahål 7 till kretsens jordplan. Förspänningen av FET1 och FET2 påförs bondplättarna 8a resp. 8b och matas till "gate" via resp. resistanser 9a och 9b, som här är utförda som dopade kanaleri substratet med kontrollerad resistivitet.

Layouten enligt figurerna 9 och 10 är möjlig att kaskadkoppla, varför en samman- satt konstledning är möjlig att utföra. l figur 11 visas ett exempel på kaskadkopp- lade självomkopplande konstledningar. Genom att styrspänningen till respektive första fälteffekttransistor, och i förekommande fall respektive andra fälteffekttransis- tor, påläggs de olika konstledningama i serie via mellanliggande impedanser R ändrar respektive konstledning tillstånd i tur och ordning vid allt högre styrspänning, se figur 12. Det krävs således endast en styrledning.

När det sedan gäller en kontinuerligt avstämbar konstledning, som kan användas ensam eller tillsammans med den självomkopplande konstledningen enligt ovan, kan den realiseras på ett liknande sätt som den självomkopplande konstledningen. 10 15 20 25 30 509 839 Kretselementens teoretiska värden beräknas på motsvarande sätt som tidigare. För en given karaktenstísk impedans väljs elementvärden genom att man först väljer ett intervall inom vilket grupplöptiden GD skall vara avstämbar och överför, via dia- grammet i figur 5, detta till ett intervall för den övre gränsfrekvensen fc. Därpå väljer man en övre gränsfrekvens i mitten av detta intervall. L och M väljs så, baserat på den valda övre gränsfrekvensen, enligt ekvation (18) och figur 5.

Slutligen uppnås den kontinuerligt avstämbara grupplöptiden genom att kondensa- torema C, och C, itvåporten enligt figur 3a byts ut mot varaktorer. se figur 12.

Varaktorema väljs så att deras kapacitanser C, och C, är varierbara och följer kur- voma i figur 5 inom intervallet för önskad variation av grupplöptiden. Därvid kommer lnduktanserna L och den ömsesidiga induktansen M inte att följa sambandet exakt, varför kretsens egenskaper försämras något. Vid en variation av grupplöptiden inom intervallet 5-15 ps är försämringen av in- och utimpedans normalt acceptabel.

Det är i detta fall riktigare att tala om i huvudsak frekvensoberoende spegel- impedans (quasi oonstant-R ...).

Figur 15 visar ett exempel på en layout för en avstämbar konstledning. Kretsen har en ingång 1 och en utgång 2. lnduktanserna och den ömsesidiga induktansen är realiserade som kopplade mikrostripledningar 3. Den spänningsstyrda kapacitansen CV, är utförd som en varaktor bestående av en fälteffekttransistor 4a där "drain" och "source" sammankopplats och förspänningen för avstämning påförs dess "gate".

Den spänningsstyrda kapacitansen CV, är likaledes utförd som en varaktor 4b upp- byggd på samma sätt som den förstnämnda varaktom 4a. "Drain" och "source" för denna varaktor 4b är förbunden med kretsens jordplan med ett viahål 7. Utförandet utnyttjar en isolerande överkorsning 5. Spänning för avstämning av CV, och CV, påförs bondplättama 8a resp. 8b och matas till "gate" via resp. resistanser 9a och 9b, som här är utförda som dopade kanaler i substratet med kontrollerad reslstivitet.

Två MlM kondensatorer10a resp. 10b har införts för att varaktorema skall kunna förspännas.

Claims (11)

589 859 10 15 20 25 30 1 O Patentkrav:

1. Konstledning i form av en tvåport med en i huvudsak frekvensoberoende spegel- impedans, som i ett första tillstånd innefattar två likadana seriekopplade induktan- ser av storleken L, som uppvisar en ömsesidig induktans M, vidare en kapacitans av storleken C, över induktansema och en shuntkapacitans Cz till jord, kännetecknad av att konstledningen är anordnad att ge samma grupplöptid - lika stort fördröjning - inom ett vitt frekvensområde, genom att elementvärdena som funktion av övre gräns- frekvensen fc och karakteristiska impedansen Zo är valda enligt ekvationema: = MW] = s1,72.1o-=_31_ fc[GHz] c,[p/=] = 27, ss - 1 o* ON fifis ä! __; di. c,[p/=]= suis-io* ON J» .A ti. \

2. Konstledning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att konstledningen är en självomkopplande konstledning och kan inta ett andra tillstånd med kort för- dröjning genom att kapacitansen C, är ersatt av en kortslutning.

3. Konstledning enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att kapacitansen C, är realiserad som ett första omkopplingselement (FET1, 4a) optimerad för att i beroende av sin styrspänning inta två distinkta tillstånd, ett första motsvarande en kapacitans av värdet 0,, vilket ger konstledningen lång tidsfördröjning, och ett andra tillstånd motsvarande en kortslutning med låg impedans, vilket ger konst- ledningen kort tidsfördröjning.

4. Konstledning enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a d av att det första omkopplingselement (F ET1, 4a) är realiserat som en första fälteffekttransistor.

5. Konstledning enligt patentkravet 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a d av att i serie med kapacitansen CZ är ett andra omkopplingselement (FETZ, 4b) med mot- svarande egenskaper som det första omkopplingselementet (FET1, 4a) anordnat, 10 15 20 25 30 35 n 509 859 vilket andra omkopplingselement är drivet komplementärt med det första omkopp- lingselementet

6. Konstledning enligt något av patentkraven 3-5, k ä n n e t e c k n a d av att den är utförd i planar monolitisk kretsteknik, där induktansema och den ömsesidiga induktansen är realiserade som kopplade mikrostripledningar (3) och kortslutningen, som bildas i kretsens andra tillstånd, innefattar det första omkopplingselementet (FET1, 4a) och två isolerande över1 utgör kortast möjliga gångväg mellan ingång (1) och utgång (2).

7. Konstledning enligt något av patentkraven 3-5, k ä n n e t e c k n a d av att den är utförd i planar monolitisk kretsteknik, där induktansema och den ömsesidiga induktansen är realiserade som kopplade mikrostripledningar (3) och kortslutningen, som bildas i kretsens andra tillstånd, innefattar det första omkopplingselementet (FET1, 4a), en av de kopplade mikrostripledningama (3b) och en isolerande över- korsning (5) av en mikrostripledning.

8. Konstledning enligt något av patentkraven 2-5, k ä n n e t e c k n a d av att flera konstledningar kaskadkopplas och att en styrspänning för hela den sam- mansatta konstledningen är pålagd de olika konstledningama i serie via mellan- liggande impedanser R, så att respektive konstledning ändrar tillstånd i tur och ordning vid allt högre styrspänning.

9. Konstledning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att konstledningen är en kontinuerligt avstämbar konstledning genom att kapacitansema C1 och Q är utförda som varaktorer och att först ett intervall inom vilket grupplöptiden GD skall vara avstämbar är utvalt, därpå detta är överfört till ett intervall för den övre gräns- frekvensen fc enligt ekvationen GD(w) .-. 1+ ka: mc (1- 1602): + .(22 övre gränsfrekvens inom detta intervall är utvald, följt av ett val av L och M vid den valda frekvensen enligt ekvationema i patentkravet 1, slutligen är varaktoremas kapacitanser varierbara, så att konstledningen ger den i varje ögonblick avsedda fördröjningen enligt den i detta krav ovan utskrivna ekvationen (ekv. 17), varvid beräkningen sker via ett frekvensvärde erhållet ur ekvationema i patentkravet 1. (ekv. 17), varpå en

10. Konstledning enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a d av att den är utförd i planar monolitisk kretsteknik, där induktansema och den ömsesidiga induktansen är 509 839 12 realiserade som kopplade mikrostripledningar (3), varaktom C1 (CW) består av en fälteffekttransistor (4a) där "drain" och "source" sammankopplats och förspänningen för avstämning påförs dess "gate" och varaktom C; (CW) består av en fälteffekt- transistor (4b) kopplad och förspånd på motsvarande sätt som den förstnämnda 5 fâlteffekttransistom.

11. Konstledning enligt något av patentkraven 9 eller 10, k ä n n e t e c k n a d av att till den avstämbara konstledningen är minst en självomkopplande konstledning enligt något av patentkraven 2-8 kaskadkopplad.