SE522404C2 - Riktkopplare - Google Patents

Description

25 30 522 404 o o o - nu 2 den andra ledningen överlappar den forsta utmed den vertikala axeln. Den bredsidi- ga topologin fungerar övervägande som en kapacitiv kopplingsstruktur. I detta fall är den kapacitiva kopplingskoefficienten större än den induktiva. Om kopplingsko- efficienter är olika så är en kopplare ”icke kompenserad” och har dålig riktverkan.

Bland de många tekniker som kan användas for att utjämna den induktiva och den kapacitiva kopplingskoefficienten (för att kompensera kopplaren) finns användning- en av: ett överlagrat dielektriskt medium, kompositsubstrat av olika material, upp- hängda substrat, delade ledare, en parallell slits eller en in-ställningsskiljevägg i jordplanet (se t.ex. K. Sachse, A Sawicki, Quasi-Ideal Multilayer Two- and Three- Strip Directional Couplers for Monolithic and Hybrid MICs, IEEE Transactions on Mikrowave Theory and Techniques, vol. 47, nr 9, september 1999, sid. 1873-1882).

Enaxlade dielektriska material, slingrande kopplade ledningar och extem kompense- ring med kompenserade kondensatorer används också - de senare tillåter endast smal frekvensbandkompensering. En del av ovan nämnda tekniker är lämpliga för svagt kopplade ledningar och några av dem för tätt kopplade ledningar. I flerlagrade topologier tillhandahålls vertikala förbindelser till ingångs- och utgångsledningar (se t.ex. patenten US-6 208 220 Bl och JP-63043402) eller mellan de flertaliga koppla- de ledningarna (se t.ex. US-5 629 654) med användning av genomforingshål. Verti- kala mellanforbindelser kan enkelt användas i teknologier förtryckta mönsterkort (PCB, eng.: Printed Circuit Board), lågtemperatursambrända keramer (LTCC, eng.: Low Temperature Co-fired Ceramic) och monolitiska integrerade kretsar för mikro- vågor (MMIC, eng.: Microwave Monolithic Integrated Circuits).

De kända konfigurationema av strukturer med kopplade ledningar, tillverkade med PCB- eller LTCC-teknologier, är inte kompenserade. I de flesta fall byggs ett slut- ligt kort av några lager av substrat med samma dielektricitetskonstant. Kompensa- tionstekniken med användande av dielektriska substrat med olika dielektricitets- konstanter kan sällan tillämpas. Svagt kopplade ledningar kan kompenseras med an- vändning av koncentrerade kondensatorer monterade på det översta lagret, eller så kan tand- eller kamformade kopplade ledningar användas. Tyvärr är dessa tekniker ~ | o u | n 10 15 20 25 30 522 404 u a n | nu n 3 mycket känsliga för dimensionstoleranser hos de tryckta ledningama och för tole- ranser hos parametrar hos de använda komponentema. Det finns ingen känd teknik för att kompensera tätt kopplade ledningar tillverkade i de klassiska PCB- eller LTCC-teknologierna, där samma dielektriska material används för att bygga en flerlagrig struktur med kopplade ledningar. Användningen av olika dielektriska material resulterar i en mer komplicerad tillverkningsprocess och därför relativt höga kostnader. Dessutom har olika dielektriska material olika koefficienter för värmeutvidgning. Skillnaden hos nämnda koefficienter kommer att orsaka att en temperaturändring inducerar spänningar i substraten. Det är svårt att finna dielekt- riska substrat med liknande värmeutvidgningskoefficienter och de nödvändiga vär- dena på dielektricitetskoefficienter på samma gång. Dessutom, för att förbinda olika substratmaterial måste en terrnoplast- eller härdplastfilm användas, vilken är anpas- sad för att förbinda de två specifika materialen. Sådana fllmer är svåra, om icke omöjliga, att erhålla.

Sammanfattning Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en flerlagrig, med kopplade ledningar försedd riktkopplare av kvartsvåglängdstyp som, med ett relativt enkelt arrangemang, uppvisar en hög effektivitet.

Det är också ett syfte med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en flerlagring, med kopplade ledningar försedd riktkopplare av kvartsvåglängdstyp som kombine- rar en hög effektivitet med låga tillverkningskostnader.

Dessa syften uppnås med en flerlagrig, med kopplade ledningar försedd riktkopplare av kvartsvåglängdstyp, omfattande ett första, ett andra och ett tredje ledande lager, som är väsentligen plana, väsentligen parallella och belägna på ett avstånd från var- andra, varvid det andra ledande lagret är beläget mellan det första och det tredje le- dande lagret, det första och det andra ledande lagret är förbundna medelst minst ett n ~ n a o 0 ur 10 15 20 25 30 522 404 4 mellanliggande dielektriskt lager, och det andra och det tredje ledande lagret också är förbundna medelst minst ett mellanliggande dielektriskt lager, varvid det första ledande lagret omfattar eri/första och en andra ledande remsa, med långsträckta for- mer i ett ledande material, separerade, väsentligen inbördes parallella, var och en i en ände förbunden med en första utgång och var och en i en annan ände förbunden med en andra utgång, varvid det andra ledande lagret omfattar en tredje ledande remsa, med en långsträckt form, i ett ledande material, väsentligen parallell med den första och den andra ledande remsan, i en ände förbunden med en tredje utgång och i en annan ände förbunden med en fjärde utgång, och det tredje ledande lagret om- fattar ett första jordplan, varvid det första ledande lagret omfattar en fjärde ledande remsa med en långsträckt form, i ett ledande material, belägen mellan den första och den andra ledande remsan, i en ände förbunden med den tredje utgången och i en annan ände förbunden med den fjärde utgången.

Konfigurationen enligt uppfinningen tillåter konstruktion av flerlagriga, med kopp- lade ledningar försedda riktkopplare för tillverkning med användande av substrat med samma dielektricitetskonstant, varvid kopplama är väsentligen kompenserade, uppvisar en god riktverkan och kan därför anses som effektiva. Speciellt vid an- vändning i PCT- eller LTCC-teknologi uppvisar uppfinningen mycket stora fördelar jämfört med kända kopplare.

Dessutom kan kopplare tillverkas med användning av substrat med samma dielektri- citetskonstant för att åstadkomma tätt kopplade ledningar i en kompenserad rikt- kopplare. Emellertid tillåter också uppfinningen att riktkopplama tillverkas med andra teknologier än PCB eller LTCC, och också med andra substrat som uppvisar olika dielektricitetskonstanter i förhållande till varandra.

Företrädesvis omfattar det ininst andra ledande lagret en femte ledande remsa med en långsträckt form, i ett ledande material, väsentligen parallell med den tredje le- dande remsan, i en ände förbunden med den tredje utgången och i en annan ände n o n » a: u | c o ø o .- 10 l5 20 25 522 404 5 förbunden med den fjärde utgången. Detta möjliggör ett bredare intervall för kopp- lingskoefficienter.

Företrädesvis uppvisar det minst ena dielektriska lagret, som förbinder det första och det andra ledande lagret, och det minst ena dielektriska lagret, som förbinder det andra och det tredje ledande lagret, väsentligen samma dielektricitetskonstant. Den- na utföringsform tillhandahåller en riktkopplare som kombinerar egenskapen att vara kompenserad och samtidigt tillhandahålla en enkel tillverkningsprocedur, med användning av endast dielektriskt material för substraten. Det finns inga problem med olika värmeutvidgningskoefficienter hos substraten. Lättillgängliga material kan användas för att förbinda substraten. Antingen kan samma dielektriska material eller så kan olika material med väsentligen samma dielektricitetskonstant användas.

Företrädesvis är den första och den andra ledande remsan förbundna med varandra vid sina ändar, den fjärde ledande remsan är förbunden med den tredje och den fjär- de utgången via respektive ändar hos den tredje ledande remsan, och den tredje och den fjärde ledande remsan är förbundna med varandra väsentligen på mitten av den tredje och den fjärde ledande remsan. Därigenom begränsas antalet fältmoder hos riktkopplaren väsentligen till två.

Företrädesvis är den fjärde ledande remsan förbunden med den tredje ledande rem- san medelst minst ett genomföringshål. Detta möjliggör en enkel tillverknings- process, eftersom genomföringshål är kända som ett mycket enkelt sätt att åstad- komma förbindelser mellan olika lager hos en flerlagrig struktur.

Företrädesvis omfattar det första och/eller det andra ledande lagret ett jordplan.

Detta bidrar till att kompensera kopplaren. - u o u en n a ø o o v .- 10 15 20 25 522 404 Beskrivning av figurerna Nedan kommer uppfinningen att beskrivas i större detalj med hänvisning till de medföljande ritningarna, på vilka fig. 1(a), 1(b), 1(c) och 2 visar tvärsnittsvyer av mikrostripriktkopplare enligt känd teknik, fig. 3 visar en vy från ovan av en riktkopplare (med dolda delar indikerade med brutna linjer) enligt en första utfóringsform av uppfinningen, fig. 4 visar en tvärsnittsvy av riktkopplaren, visad i fig. 3, varvid snittet är belä- get utmed linjen IV-IV i fig. 3, fig. 5 visar en vy från ovan av ett ledande lager i riktkopplaren visad i fig. 3, fig. 6 visar en vy från ovan av ett annat ledande lager i riktkopplaren visad i fig. 3, fig. 7 visar en tvärsnittsvy av en riktkopplare enligt en andra utfóringsforin av uppfinningen, fig. 8 visar en tvärsnittsvy av en riktkopplare enligt en tredje utforingsform av uppfinningen, fig. 9 visar en tvärsnittsvy av en riktkopplare enligt en fjärde utforingsform av uppfinningen, fig. 10 visar en vy från ovan av en riktkopplare (med dolda delar indikerade med brutna linjer) enligt en femte utforingsforrn av uppfinningen, fig. ll visar en tvärsnittsvy av riktkopplaren visad i fig. 10, varvid snittet är be- läget utmed linjen XI-XI i fig. 10, fig. 12 visar en vy från ovan av ett ledande lager i riktkopplaren visad i fig. 10, fig. 13 visar en vy från ovan av ett annat ledande lager i riktkopplaren visad i fig. 10, och fig. 14 visar en vy från ovan av en riktkopplare (med dolda delar indikerade med brutna linjer) enligt en sjätte utforingsfonn av uppfinningen. . - v . en 10 15 20 25 522 404 . . « v fo n n Detaljerad beskrivning Fig. 3 och 4 visar en flerlagrig, med kopplade ledningar försedd riktkopplare av kvartsvåglängdstyp enligt en första utföringsform av uppfinningen. Denna är lämp- lig för PCB, LTCC och andra flerlagerteknologitillämpningar.

Som kan ses i fig. 4, omfattar riktkopplaren ett första 1 och ett andra 2 dielektriskt lager. Det första 1 och det andra 2 dielektriska lagret kan uppvisa samma dielektri- citetskonstant.

Riktkopplaren omfattar ett första 21, ett andra 22 och ett tredje 23 ledande lager, vilka är väsentligen plana, väsentligen parallella och belägna på ett avstånd från varandra. Det andra ledande lagret 22 är beläget mellan det första 1 och det andra 2 ledande lagret. Det första ledande lagret 21 är beläget på ytan av det första dielekt- riska lagret 1, som är motsatt ytan vid vilken det andra ledande lagret 22 är beläget.

Det tredje ledande lagret 23 är beläget på ytan av det andra dielektriska lagret 2 som är motsatt ytan på vilken det andra ledande lagret 22 är beläget.

Det tredje ledande lagret 23 omfattar ett första jordplan, och det första ledande lag- ret 21 omfattar ett flertal av andrajordplan 7. Som kan ses i fig. 4, är det första jord- planet 8 förbundet med de andra jordplanen 7 medelst genomföringshål 9. Genom- föringshålen framställs, på känt sätt, genom att hålstansa den sammansatta struktu- ren på lämpliga ställen och fylla hålen med ett ledande material, för att åstadkomma en elektrisk förbindelse mellan olika ledande lager hos strukturen.

Som kan ses i fig. 4 och 5, omfattar det första ledande lagret 21 en första 3 och en andra 4 ledande remsa med långsträckta former, i ett ledande material och separera- de. Den första 3 och den andra 4 ledande remsan är väsentligen parallella, var och en i en ände förbunden med en första utgång 10 och var och en i en annan ände för- ~ n | Q .- « . . - - .- 10 15 20 25 30 522 404 8 bunden med en andra utgång 10”. Företrädesvis är de också förbundna med varandra vid sina ändar.

Som kan ses i fig. 4 och 6, omfattar det andra ledande lagret en tredje ledande remsa 6 med en långsträckt form och i ett ledande material. Den tredje ledande remsan 6 är väsentligen parallell med den första 3 och den andra 4 ledande remsan. Som kan ses i fig. 6, är den tredje ledande remsan 6 i varje ände förbunden med en övergångs- ledning 13, medelst vilken, som kommer att beskrivas nedan, den tredje ledande remsan 6 är förbunden med det första ledande lagret 21.

I fig. 3, i vilken den tredje ledande remsan 6 och övergångsledningama 13 är indike- rade med brutna linjer, kan man se att en av övergångsledningama 13 är förbunden medelst genomföringshål 14 med en tredje utgång 12, och den andra av övergångs- ledningarna 13 är förbunden medelst genomföringshål 14 med en fjärde utgång 12'.

Som kan ses i fig. 4 och 5, omfattar det första ledande lagret 21 en fjärde ledande remsa 5 med en långsträckt form och i ett ledande material. Den fjärde ledande rem- san 5 är väsentligen parallell med och belägen mellan den första 3 och den andra 4 ledande remsan. Den är i en ände förbunden med en tredje utgång 12 med hjälp av ett genomföringshål 11, som är förbundet med den tredje ledande remsan 6, vilken i sin tur är förbunden med en av övergångsledningama 13, vilken är förbunden med den tredje utgången medelst två genomföringshål 14. I en annan ände är den fjärde remsan 5 på ett liknande sätt förbunden med den fjärde utgången 12”. Alternativt kan ett annat antal genomföringshål användas för varje förbindelse. Som ett ytterli- gare alternativ kan en annan typ av förbindelse användas mellan ändarna hos den fjärde remsan 5 och den tredje och den fjärde utgången.

I fig. 3 kan man också se att den fjärde remsan 5 är förbunden med den tredje rem- san 6 medelst ett genomföringshål 11 vid en mittdel av remsorna. Altemativt kan denna förbindelse utelämnas. Som ett ytterligare alternativ kan tillkommande för- - n - - | nu 10 15 20 25 30 522 404 9 bindelser tillhandahållas på olika ställen mellan den fjärde remsan 5 och den tredje remsan 6. Arrangemanget med genomföringshål ll vid en mittdel av remsorna 5, 6, tillsammans med det att den första 3 och den andra 4 remsan är förbundna med var- andra vid sina ändar, har fördelen att antalet fältmoder hos riktkopplaren väsentligen kommer att begränsas till två.

Sålunda tillhandahålls riktkopplaren genom att den första och den andra remsan 3, 4 är förbundna i planet och den tredje och den fjärde remsan 5, 6 är förbundna verti- kalt.

Riktkopplaren visad i fig. 3, 4, 5 och 6 utnyttjar jordplan 7 i samma plan på det för- sta ledande lagret, vilket bidrar till att kompensera kopplaren. Enligt en andra utfö- ringsform av uppfinningen, illustrerad i fig. 7, kan jordplanen 7 flyttas från det för- sta ledande lagret 21 till det andra 22 och förbindas med bottenj ordplanet 8 medelst genomföringshål 9.

Enligt en tredje utföringsform av uppfinningen, illustrerad i fig. 8, kan jordplanen 7 anbringas både på det första 21 och det andra 22 ledande lagret. Därvid bör jordpla- nen 7 förbindas medelst genomföringshål 9 och förbindas med jordplanet 8 medelst genomföringshål 9.

Enligt en fjärde utföringsform av uppfinningen, illustrerad i fig. 9, som kan använ- das om det inte är nödvändigt att kompensera kopplaren, vilket innebär att koppla- ren kan arbeta med försämrade parametrar, kan jordplan 7 i samma plan utelämnas helt och hållet. J ordplanen 7 kan också utelämnas om olika dielektriska material används för det första 1 och det andra 2 dielektriska lagret, och kompensation av kopplaren är då möjlig.

Den nya strukturen med kopplade ledningar möjliggör att ett brett intervall av kopp- lingskoefficienter kan uppnås. Exempelvis uppnåeliga kopplingsnivåer, vid vilka . n s \ « u 10 15 20 25 522 404 10 kopplaren är kompenserad, är -lOdB till -2,7dB för BT-epoxi-substrat och 0,2 till 1,0 normaliserade tj ocklekar för det första l resp. det andra 2 dielektriska lagret.

F ig. 10-13 visar en riktkopplare enligt en femte utföringsform av uppfinningen. Här (fig. ll) omfattar det andra ledande lagret 22 en femte ledande remsa 6” med en långsträckt form och i ett ledande material. Den femte ledande remsan 6” är väsent- ligen parallell med den tredje ledande remsan 6 och, liksom den senare, i en ände förbunden med den tredje utgången 12 och i en annan ände förbunden med den tjär- de utgången 12”. Den tredje 6 och den femte 6” ledande remsan är anordnade sym- metriskt i förhållande till den fjärde remsan 5 på det första ledande lagret 21. Sålun- da är den tredje 6 och den femte 6” ledande remsan förbundna i planet och även för- bundna med den fjärde remsan 5 medelst genomföringshål 11.

Som kan ses i fig. 13, är den tredje 6 och den femte 6” remsan förbundna vid en mittdel av remsoma för att ta emot en förbindelse genom ett genomföringshål 11, visat i fig. 10, till den fjärde remsan 5. Som ett alternativ kan denna förbindelse utelämnas.

Riktkopplaren visad i fig. 10-13 tillhandahåller ett bredare intervall av kopplings- koefficienter.

Riktkopplaren enligt uppfinningen är inte känslig för lateral felplacering av ledande lager, vilket är mycket viktigt i massproduktion. Exempelvis för en kopplare, i vil- ken bredden hos den första 3 resp. den andra 4 remsan är 0,33 mm, bredden hos den tredje remsan 6 är 0,64 mm och bredden hos den fjärde remsan 5 är 0,28 mm, ändrar en horisontell förflyttning av det andra ledande lagret (inkl. den tredje remsan 6) på 0,2 mm kopplingskoefficienten från 0,717 till 0,725, och impedanser från 50 ohm till 48,5 ohm, för en kopplare på 3 dB förverkligad med användning av BT-epoxi- substrat. En variation av dielektricitetskonstanten hos det första dielektriska sub- 10 15 20 25 522 404 | a ~ . no ll stratet l från 4,2 till 4,4 ändrar inte kopplingskoefficienten och ändrar impedansema från 51 ohm till 49 ohm för samma kopplare.

Uppfinningen tillåter böjning av utgångarna på två sätt. Det ena sättet visas i utfö- ringsformerna beskrivna ovan (se t.ex. fig. 3). Ett andra sätt att arrangera utgångs- ledningarna visas i fig. 14. Här är den första 10 och den andra 10” utgången belägna på samma sida av de ledande remsoma 3-6 och den tredje 12 och den fjärde 12” ut- gången är belägna på den sida av de ledande remsoma 3-6 som är motsatt sidan på vilken den första 10 och den andra 10” utgången är belägna. Konfigurationen visad i fig. 3 (beskriven ovan) används lämpligen för konstruktion av balanserade mikro- vågsanordningar, såsom blandare, modulatorer och förstärkare.

Ovan har de ledande lagren visats såsom separerade medelst två dielektriska lager.

Alternativt kan två eller flera dielektriska lager användas för att separera två av de ledande lagren. Därvid kan två eller flera dielektriska lager användas för att separera det första och det andra ledande lagret och/eller två eller flera dielektriska lager kan användas för att separera det andra och det tredje ledande lagret. Speciellt i LTCC- teknologi kan det andra dielektriska lagret 2, beskrivet ovan, omfatta en pluralitet av dielektriska substrat.

I utföringsformerna beskrivna ovan har de ledande remsoma placerats symmetriskt i förhållande till varandra. Emellertid behöver kopplaren enligt uppfinningen inte vara symmetrisk. Exempelvis kan den tredje 6 (och den femte 6”) remsan vara belä- gen asymmetriskt i förhållande till den första 3, den andra 4 och den fjärde 5 ledan- de remsan. | o n « nu u.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 522 404 » u o n nu u 12 Patentkrav . Flerlagrig, med kopplade ledningar försedd riktkopplare av kvartsvåglängdstyp, omfattande ett första (21), ett andra (22) och ett tredje (23) ledande lager, vilka är väsentligen plana, väsentligen parallella och belägna på ett avstånd från var- andra, varvid det andra ledande lagret (22) är beläget mellan det första (21) och det tredje (23) ledande lagret, varvid det första och det andra ledande lagret är förbundna medelst minst ett mellanliggande dielektriskt lager och det andra och det tredje ledande lagret också är förbundna medelst minst ett mellanliggande dielektriskt lager, varvid det första ledande lagret (21) omfattar en första ledande remsa (3) med långsträckt form, i ett ledande material, i en ände förbunden med en första ut- gång (10) och i en annan ände förbunden med en andra utgång (l0”), varjämte det andra ledande lagret (22) omfattar en tredje ledande remsa (6), med en långsträckt form, i ett ledande material, och väsentligen parallell med den för- sta (3) ledande remsan, varj ämte det första ledande lagret (21) omfattar en fjärde ledande remsa (5), med en långsträckt förrn och i ett ledande material, i en ände förbunden med en tredje utgång (12) och i en annan ände förbunden med en fjärde utgång (l2°), och det tredje ledande lagret (23) omfattar ett första jordplan (8), kännetecknad av _ att den tredje ledande remsan (6) är i en ände förbunden med den tredje utgången (12) och i en annan ände förbunden med den fjärde utgången (l2”), att det första ledande lagret (21) omfattar en andra ledande remsa (4) med långsträckt form, i ett ledande material, åtskild från den första ledande remsan (3), väsentligen parallell med den första ledande remsan (3), i en ände förbunden med den första utgången (10) och i en annan ände förbunden med den andra ut- gången (l0”), och att den fjärde ledande remsan (5), är belägen mellan den första (3) och den andra (4) ledande remsan. | o | n no u o ~ v uu 10 15 20 25 522 404 o n u | en 13 . Flerlagrig, med kopplade ledningar försedd riktkopplare enligt krav 1, känne- tecknad av att det andra ledande lagret omfattar en femte ledande remsa (6”), med en långsträckt form, i ett ledande material, väsentligen parallell med den tredje ledande remsan (6), i en ände förbunden med den tredje utgången (12) och i en annan ände förbunden med den fjärde utgången (12”). . Flerlagrig, med kopplade ledningar försedd riktkopplare enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att det minst ena dielektriska lagret, som förbinder det första och det andra ledande lagret, och det minst ena dielektriska lagret, som förbinder det andra och det tredje ledande lagret, uppvisar väsentligen samma dielektrici- tetskonstant. . Flerlagrig, med kopplade ledningar försedd riktkopplare enligt krav 1, 2 eller 3, kännetecknad av att den första (3) och den andra (4) ledande remsan är för- bundna med varandra vid sina ändar, att den fjärde ledande remsan (5) är för- bunden med den tredje (12) och den fjärde (12°) utgången via respektive ändar hos den tredje ledande remsan (6), och att den tredje (6) och den fjärde (5) le- dande remsan är förbundna med varandra, väsentligen i mitten av den tredje (6) och den fjärde (5) ledande remsan. . Flerlagrig, med kopplade ledningar försedd riktkopplare enligt något av de före- gående kraven, kännetecknad av att den fjärde ledande remsan (5) är förbunden med den tredje ledande remsan (6) medelst minst ett genomföringshål (11). . Flerlagrig, med kopplade ledningar försedd riktkopplare enligt något av de före- gående kraven, kännetecknad av att det första (21) och/eller det andra (22) le- dande lagret omfattar ett jordplan (7). o o o - ua u » u o ø u.