DE60307903T2

DE60307903T2 - Impedanzanpassungskoppler

Info

Publication number: DE60307903T2
Application number: DE60307903T
Authority: DE
Inventors: Maria CEP-22451-040 Rio de Janeiro CARVALHO; Luiz CEP-22051-030 Rio de Janeiro CONRADO; Luciene CEP-20271-120 Rio de Janeiro DEMENICIS; Walter Margulis; Daniele CEP-24210-520 Niterói SEIXAS
Original assignee: Ericsson Telecomunicacoes SA
Current assignee: Ericsson Telecomunicacoes SA
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2023-03-08
Also published as: BR0318172A; US20060226930A1; BR0318172B1; CN100350671C; JP2006514482A; WO2004079855A8; DE60307903D1; WO2004079855A1; EP1604424A1; EP1604424B1; AU2003209872A1; CN1751411A; US7348865B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Impedanzanpassungseinrichtungen.
HINTERGRUND
In zahlreichen technischen Anwendungen gibt es einen Bedarf nach einer Kopplung von elektrischen Signalen zu und von elektronischen Einrichtungen hoher Geschwindigkeit. Eine besondere Anwendung ist die Kopplung elektrischer Signale mit Halbleiterlaserdioden, die durch Signale hoher Frequenz oder sehr kurze Impulse angesteuert werden. Diese Einrichtungen haben eine geringe Impedanz, und um Reflexionsprobleme zu reduzieren, muss eine Impedanzanpassung auf z.B. ein externes Kabel von 50 Ω bereitgestellt werden. Fotodioden hoher Geschwindigkeit stellen ein ähnliches Problem dar. Um die Effizienz und das zeitliche Antwortverhalten zu verbessern, ist es notwendig, die relativ hohe Impedanz der Fotodiode mit einer geringen externen Last z.B. durch Verwendung von Breitband-Impedanzwandlern anzupassen.
Einige Lösungen zum Anpassen unterschiedlicher Impedanzwerte werden im Stand der Technik vorgestellt. In den meisten Fällen wird in Mikrowellentechnologie eine Schmalband-Resonanzstruktur aufgebaut, z.B. mit Stubs (Abzweigen) einer gegebenen Länge. Den meisten Breitbandlösungen ist gemeinsam, dass die Impedanzanpassungseinrichtung versucht, eine allmähliche Impedanzänderung zwischen den Enden der Impedanzanpassungs einrichtung zu schaffen. Die allmähliche Änderung wird durch z.B. Variieren der Übertragungsleistungsabmessungen, der Stärke eines beliebigen dielektrischen Materials zwischen der Übertragungsleitung und geerdeten Teilen der Einrichtung, der Geometrie der geerdeten Teile oder der dielektrischen Konstante des dielektrischen Materials erreicht.
Es sind jedoch komplexe zusätzliche Anforderungen oder Begrenzungen vorhanden. In vielen modernen Anwendungen wird von der Einrichtung gefordert, Impedanzen typischerweise zwischen 50 Ω und 3 Ω, und in einigen Fällen sogar von 377 Ω herab bis zu ungefähr 3 Ω anzupassen. Falls kurze Impulse verwendet werden, muss des weiteren die Impedanzanpassung innerhalb einer großen Bandbreite betriebsfähig sein. Die Größe der Einrichtung ist auch von entscheidendem Interesse, da viele der Einrichtungen, die mit ihr verbunden sind, klein sind. In dem Fall von z.B. Laserdioden sollte die Gesamtgröße vorzugsweise nicht größer als 1–2 cm sein.
Des weiteren müssen zusätzliche Effekte, wie etwa Dispersion, Modi höherer Ordnung und Energieverlust, sorgfältig betrachtet werden. Schließlich müssen derartige Impedanzanpassungseinrichtungen einfach und preiswert herzustellen sein. Die oben erörterten Anforderungen machen die Gestaltung von gut arbeitenden Impedanzanpassungseinrichtungen in der Tat sehr schwierig. Im Stand der Technik wurde eine Reihe von Vorschlägen präsentiert, von denen jeder entsprechende Nachteile hat.
Die Probleme, die Impedanzanpassungsstrukturen beeinträchtigen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, können mit dem Übertragungsleitungswandler (TLT), der in US 5,200,719 vorgeschlagen wird, veranschaulicht werden. Der Aufbau wurde gestaltet, den Eingangswiderstand von Laserdioden auf 50 Ω und von Fotodioden auf geringe Impedanzen (~3 Ω) anzupassen, was eine beträchtliche Verbesserung der Effizienz und der zeitlichen Antwort der Halbleitereinrichtungen erlaubt. Die Impedanzanpassungs-Kopplungseinrichtung umfasst eine dielektrische Platte gleichförmiger Stärke, die auf der oberen Fläche eine koplanare Übertragungsleitung stützt, die gebildet wird durch einen leitenden Streifen, der zentral angesiedelt ist, entlang dessen zwei Masseplatten platziert sind. Die charakteristische Impedanz der Einrichtung wird einer allmählichen Änderung des Wertes durch eine allmähliche Variation des Abstands zwischen seitlichen und in der Mitte gelegenen Leitern, ebenso wie durch eine Änderung der Breite der Leiter unterzogen. Die untere Fläche der Platte stützt eine andere leitende Masseplatte, und alle Leiter der Masseplatte sind in beiden Enden der Einrichtung elektrisch vereinigt, ebenso wie in mehreren Zwischenpunkten, durch kurzschließende Bänder oder Drähte. Durch Verwenden von Massenträgern einer sehr hohen dielektrischen Konstante kann die Größe des TLT stark reduziert werden. Simulationen haben jedoch gezeigt, dass die resultierenden querlaufenden physischen Abmessungsanforderungen den Transformationsimpedanzpegel von 50 Ω auf nicht weniger als 8 Ω begrenzt haben. In dieser TLT-Anordnung wurde die Lücke der geerdeten Halbplatten auf jeder Seite der Leitung von 1,07 mm bis 10 μm variiert. Sogar mit dieser extrem engen Lücke ist die Impedanz auf der Niederimpedanzseite nicht kleiner als 8 Ω. Die Herstellung einer derartigen Impedanzanpassungseinrichtung mit sehr kleinen Merkmalen ist sehr schwierig. Ein zusätzlicher Nachteil des in US 5,200,719 beschriebenen TLT besteht darin, dass es schwierig ist, Trägermaterialien mit geringem Verlust bei Mikrowellenfrequenzen und einer sehr hohen relativen dielektrischen Konstante zu erhalten. Noch ein anderer Nachteil des Aufbaus besteht darin, dass Massenträger hoher dielektrischer Konstante große Dispersion einführen, was Probleme verursacht, wie etwa Klingeln. Es wurde des weiteren beobachtet, dass dieser Aufbau oberhalb von 25 GHz wegen dem Erscheinen von Modi höherer Ordnung nicht reagiert.
Eine andere Lösung für das Problem zum Anpassen der Impedanz von zwei Übertragungsleitungen wird im US-Patent 5,119,048 offenbart. Das Impedanzanpassungsnetz umfasst zwei Schichten dielektrischer Träger. Ein in der Mitte gelegener Leiter ist zwischen den zwei Schichten angeordnet. Masseplatten befinden sich auf den Flächen der Träger, die der Seite der in der Mitte gelegenen Leitung gegenüberliegen, und die Breite der Masseplattenmetallisierung entlang des Aufbaus wird durch Bilden spitz zulaufender leitender Streifen variiert.
Ein Problem bei der Lösung in US 5,119,048 besteht darin, dass es Schwierigkeiten bei der Vermeidung einer Luftlücke zwischen den zwei dielektrischen Trägern gibt. Deshalb werden typischerweise weiche Träger für einen streifenleitungsartigen Aufbau verwendet, um die Kontaktnahme zwischen den Dielektrika zu erleichtern. Derartige weiche Träger haben allgemein eine relativ geringe dielektrische Konstante. Dies führt wiederum zu Impedanzanpassungseinrichtungen mit großer geometrischer Ausdehnung. Diese Lösung hat auch den Nachteil, dass sie große querlaufende Abmessungen verursacht, um Impedanzen in dem Bereich von Interesse anzupassen. Eine typische Ausführungsform nach US 5,119,048 passt Impedanzen von 27 bzw. 50 Ω in dem Frequenzbereich zwischen 350 MHz und 1,5 GHz an. In vielen modernen Anwendungen ist dies völlig unzureichend. Die Begrenzung der nützlichen Frequenz und des Impedanzbereiches geschieht wegen Dispersionseffekten, die in den Massenträgern entstehen, geringen Werten der dielektrischen Konstante und Größenbeschränkungen.
In US 5,140,288 wird eine andere Impedanzanpassungseinrichtung offenbart. Die Einrichtung enthält ein Dielektrikum mit einer variierenden Stärke zwischen entgegenliegenden Flächen.
Die Impedanzwandlung zwischen den zwei Anschlüssen ist der Stärkevariation des Dielektrikums proportional.
Neben ähnlichen Nachteilen wie für die zuvor erörterte Lösung ist diese letztere Einrichtung nicht sehr an Herstellungsanforderungen angepasst. Die Variation in der dielektrischen Stärke ist für härtere dielektrische Materialien nicht einfach zu bewerkstelligen. Des weiteren existiert auch in diesen Typ von Einrichtungen schwerwiegende Dispersion in höheren Frequenzen. Außerdem ist in dem engen Ende des keilförmigen dielektrischen Teils die seitliche Ausdehnung der parallelen Leitung und Masseplatten im Vergleich zu der Breite des dielektrischen Teils groß, was Probleme mit Modi höherer Ordnung des geschaffenen elektromagnetischen Feldes einführen kann.
In US 3,419,813 wird eine Impedanzanpassungseinrichtung offenbart, die einen spitz zulaufenden Leiter umfasst, der von einer Masseplatte durch eine dielektrische Platte getrennt ist. Eine spitz zulaufende Leitungssektion, die eine Impedanz von z.B. 5 Ω in ihrem Niederimpedanz-Streifenleitungsende hat, erfordert die größte Breite von 7 mm und eine Gesamtlänge, die größer als 5 cm ist, wenn eine PTFE-Trägerplatte von ε_r = 10 und einer Stärke von 0,635 mm verwendet wird. Derartige Abmessungen sind mit den kleinen Abmessungen der Pakete von optoelektronischen Einrichtungen inkompatibel.
In dem Artikel "A New, Small-Sized Transmission Line Impedance Transformer, with Applications in High-Speed Optoelectronics" von M.C.R. Carvalho et al in 8099a IEEE Microwave and Guided Wave Letters 2 (1992), November, Nr. 11, New York, wird ein Übertragungsleitungswandler beschrieben, der Schaltungen von 50 Ω zu Komponenten mit geringem Eingangswiderstand anpasst. Der Wandler wird durch unterschiedliche koplanare Wellenleiterkonfigurationen gebildet, und auf einem Träger sehr hoher dielektrischer Konstante gedruckt.
Deshalb bestehen allgemeine Probleme bei Impedanzanpassungseinrichtungen vom Stand der Technik darin, dass die Betriebsbandbreite begrenzt ist, Modi höherer Ordnung in geringen Frequenzen erscheinen, die Dispersion die Einrichtung veranlasst, in verschiedenen Frequenzen unterschiedlich zu reagieren, die Herstellung wegen der erforderlichen Toleranz schwierig und aufwändig ist oder die Größe für die Unterbringung innerhalb des Paketes zu groß ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Impedanzanpassungseinrichtungen mit verbesserten Betriebsbandbreiten und geringer Dispersion bereitzustellen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, Impedanzanpassungseinrichtungen mit kleinen geometrischen Größen bereitzustellen. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin geeignete und effiziente Herstellungsverfahren für derartige Impedanzanpassungseinrichtungen bereitzustellen.
Die obigen Ziele werden durch Impedanzanpassungseinrichtungen und Herstellungsverfahren gemäß den angefügten Patentansprüchen erreicht. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Impedanzanpassungseinrichtung einen dielektrischen Träger, eine dielektrische Schicht, die mindestens einen Teil einer ersten Fläche des dielektrischen Trägers bedeckt, einen leitenden Streifen, der zwischen dem dielektrischen Träger und der dielektrischen Schicht vorgesehen ist, eine Metallschicht, die auf einer Fläche der dielektrischen Schicht vorgesehen ist, die von dem leitenden Streifen weg gerichtet ist, wobei die Impedanzanpassungseinrichtung eine allmähliche Impedanzänderung zwischen Enden davon bietet, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die dielektrische Schicht eine wesentlich höhere dielektrische Konstante als eine dielektrische Konstante des dielektrischen Trägers hat, und wobei die dielektrische Schicht ein dielektrischer Film mit einer Stärke unter 100 μm ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Impedanzanpassungseinrichtung die Schritte zum Bereitstellen eines dielektrischen Trägers und Anordnen eines leitenden Streifens auf dem dielektrischen Träger, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die weiteren Schritte zum Bilden einer dielektrischen Schicht über dem leitenden Streifen und mindestens einem Teil des dielektrischen Trägers, wodurch der leitende Streifen durch die dielektrische Schicht und den dielektrischen Träger eingekreist ist, die dielektrische Schicht ein dielektrischer Film ist, mit einer Stärke unter 100 μm, die dielektrische Schicht eine wesentlich höhere dielektrische Konstante als eine dielektrische Konstante des dielektrischen Trägers hat und mindestens ein Teil der dielektrischen Schicht metallisiert ist, die Schritte zum Bereitstellen, Anordnen, Bilden und Metallisieren eine allmähliche Impedanzänderung zwischen Enden der Impedanzanpassungseinrichtung ergeben.
Im allgemeinen umfasst ein Impedanzanpassungskoppler gemäß der vorliegenden Erfindung einen dielektrischen Träger, auf dem ein leitender Streifen angeordnet ist. Eine dielektrische Schicht, vorzugsweise ein dielektrischer Film, ist oben auf dem leitenden Streifen und der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet, um den leitenden Streifen einzukreisen. Eine elektrisch geerdete metallische Schicht ist schließlich oben auf der dielektrischen Schicht vorgesehen. Die dielektrische Schicht ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung durch Filmablagetechniken direkt auf dem elektrischen Träger ausgebildet. Die dielektrische Schicht hat eine dielektrische Konstante, die wesentlich höher als die dielektrische Konstante für den dielektrischen Träger ist, vorzugsweise mehr als ungefähr achtmal höher.
Die dielektrische Schicht ist wie angezeigt oben vorzugsweise sehr dünn, vorzugsweise ein Film mit einer Stärke von weniger als 100 μm. Wegen Anforderungen der Herstellungsgenauigkeit ist die Filmstärke vorzugsweise zwischen 5 und 100 μm, wünschenswerter noch zwischen 10 und 70 μm. Die Stärke des dielektrischen Trägers ist vorzugsweise größer als für den dielektrischen Film, vorzugsweise mehr als zehnmal größer.
Der leitende Streifen hat vorzugsweise eine konstante Breite, vorzugsweise in der Größenordnung einer Größe von 120 μm oder breiter. Die Stärke des dielektrischen Films ist vorzugsweise größer als 10% der Breite des leitenden Streifens. Die elektrisch geerdete metallische Schicht hat vorzugsweise einen in der Mitte gelegenen Schlitz parallel zu dem leitenden Streifen, wobei der Schlitz eine spitz zulaufende Form hat. Die minimale Breite des Schlitzes ist vorzugsweise in dem gleichen Größenbereich wie die Breite des leitenden Streifens.
Die vorliegende Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen. Durch Verwenden eines Films einer dielektrischen Konstante, die viel höher als die des Trägers ist, dringt das elektromagnetische Feld nicht in den Träger ein wie es in den Film eindringt. Folglich werden die Impedanz und Dispersionscharakteristika hauptsächlich durch die Übertragungsleitung bestimmt, die über dem Film hergestellt ist. Außerdem erlaubt die relativ kleine Stärke des Films, dass die Impedanz sehr geringe Werte (< 5 Ω) bei einer passenden Herstellung davon erreicht. Zuerst öffnet sich die Filmablagerung für die Verwendung von Materialien einer sehr hohen dielektrischen Konstante (ε_T = 80 oder höher). Es ist möglich, die Einrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer kleinen geometrischen Abmessung herzustellen. Des weiteren wird wegen der Verwendung von Filmen Dispersion reduziert, und durch die bevorzugte geometrische Konfiguration wird eine Einzelmodusoperation sichergestellt. Die Einrichtungen bieten somit große Bandbreiten und geringe Impulsdeformation. Die Einrichtungen sind auch vergleichsweise preiswert herzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung, gemeinsam mit weiteren Zielen und Vorteilen von ihr, kann am besten durch Verweis auf die folgende Beschreibung verstanden werden, die gemeinsam mit den begleitenden Zeichnungen aufgenommen wird, in denen:
1 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Impedanzanpassungskopplers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform von 1 ist;
3 ein Diagramm ist, das Eingangsrückführungsverluste in Impedanzanpassungskopplern veranschaulicht;
4 ein Diagramm ist, das Frequenzdispersion einer Ausführungsform eines Impedanzanpassungskopplers gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 ein Diagramm ist, das eine simulierte ausgegebene Antwort von Impedanzanpassungskopplern auf einen Gauss'schen Eingangsimpuls veranschaulicht;
6 ein Plusdiagramm ist, das eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
7 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform von Masseplatten ist, deren Verwendung mit der vorliegenden Erfindung möglich ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Für Materialien hoher dielektrischer Konstante, z.B. ferroelektrische Keramik, wie etwa SrTiO₃, Ba_xSr_1-xTiO₃ oder KTaO₃, ist die Wellenlänge in einer bestimmten Frequenz im Vergleich zu Materialien mit geringen dielektrischen Konstanten beträchtlich reduziert. Da eine gut arbeitende Impedanzanpassungseinrichtung typischerweise eine große Größe im Vergleich zu einer typischen Wellenlänge für die verwendeten Frequenzen hat, ist dies eine Öffnung für eine Konstruktion kleinerer Einrichtungen ohne Erhöhung des Reflexionskoeffizienten bei höheren Frequenzen. Die Verwendung von Materialien hoher dielektrischer Konstante in Impedanzanpassungseinrichtungen ermöglicht deshalb Kompatibilität zwischen den Abmessungen des Impedanzwandlers und jenen von z.B. gepackten Laserdioden.
Die Möglichkeit einer Verwendung von Materialien mit einer hohen dielektrischen Konstante in Impedanzanpassungseinrichtungen erhöht sich durch moderne Entwicklungen in der Ablagerung von dünnen und dicken Filmen aus Materialien hoher dielektrischer Konstante, siehe z.B. Spartak S. Gevorgian und Erik Ludvig Kollberg, "Do We Really Need Ferroelectrics in Paraelectric Phase Only in Electrically Controlled Microwave Devices?", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 49, Nr. 11, Nov. 2001. 1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Impedanzanpassungskopplers 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Übertragungsleitung ist oben auf einem Träger 10 hergestellt. Die Übertragungsleitung umfasst einen in der Mitte gelegenen Streifen 12, eine dielektrische Schicht 14, die oben auf dem in der Mitte gelegenen Streifen 12 vorgesehen ist, und eine elektrisch geerdete Schicht 16, 18 oben auf der dielektrischen Schicht 14. Der in der Mitte gelegene Streifen 12 aus einem leitenden Material, d.h. ein leitender Streifen, hat in der vorliegenden Ausführungsform eine konstante Breite und ist auf einer oberen Fläche 13 des dielektrischen Trägers aufgedruckt, in dieser Ausführungsform ein Massenkeramikträger. (Die Verweise auf "obere", "untere", "oben" und "unten" dienen nur einer Unterstützung der Beschreibung in Verbindung mit der Figur und sollten den Bereich der Erfindung nicht begrenzen). Der in der Mitte gelegene Streifen 12 erstreckt sich zwischen einem ersten Ende 20 und einem zweiten Ende 22, die die Verbindungspunkte zu den Komponenten sind, deren Impedanz angepasst werden sollte. Da der leitende Streifen 12 mit zugehörigen elektronischen Komponenten zu verbinden ist, ist die Breite des Streifens vorzugsweise in einem Bereich, der mit typischen Verbinderanordnungen kompatibel ist. Die kleinste verwendete standardmäßige Verbindung ist auf die Breite 120 μm angepasst, und der leitende Streifen 12 hat deshalb vorzugsweise eine Breite in der gleichen Größenordnung der Größe. Die Stärke des leitenden Streifens 12 ist in der Größenordnung von 1 μm, und sollte ausreichend groß sein, um ausgezeichneten Kontakt sogar bei hohen Frequenzen zu garantieren.
Der dielektrische Träger 10 muss keinerlei Metallisierung auf der anderen, unteren, Seite 11 aufweisen. Mit anderen Worten kann die Bodenfläche des Trägers 10 sehr gut in Berührung mit einem im wesentlichen nicht-leitenden oder halb-leitenden Gegenstand sein, wie etwa Isolatoren, Halbleiter oder Flüssigkeiten unterschiedlicher nicht-leitender Arten. Eine Metallisierung ist jedoch nicht ausgeschlossen, wird aber einen kleinen Einfluss auf die Impedanzeigenschaften der Einrichtung haben. Die Stärke der dielektrischen Schicht, die den Träger 10 bildet, ist typischerweise in der Größenordnung von 0,2 bis 1 mm. Typische Beispiele von Trägermaterialien sind Aluminiumoxid oder Glas. Die dielektrische Konstante für diese Materialien ist typischerweise in dem Bereich von 5–10. Mit Bezug auf das bevorzugte Herstellungsverfahren, das weiter nachstehend beschrieben wird, sollte der dielektrische Träger 10 vorzugsweise auf 600–1000°C erwärmt werden können, ohne sich in Eigenschaften oder Form zu verschlechtern.
Eine dielektrische Schicht, in dieser Ausführungsform ein dielektrischer Film 14, mit einer sehr hohen dielektrischen Konstante ist über der Übertragungsleitung 12 ausgebildet, was auch mindestens einen Teil des dielektrischen Trägers 10 bedeckt. Die Ausbildung direkt in dem Träger 10 stellt eine gute Anhaftung zu der Übertragungsleitung 12 ebenso wie zu dem Träger 10 sicher, wobei Luftlücken zwischen den unterschiedlichen Teilen vermieden werden. Der Träger 10 und der dielektrische Film 14 werden somit gemeinsam die Übertragungsleitung 12 in einer Querschnittsansicht einkreisen. Das dielektrische Material in dem Film 14 hat eine dielektrische Konstante, die typischerweise 80 überschreitet. Der dielektrische Film 14 hat somit eine dielektrische Konstante, die beträchtlich höher als für den dielektrischen Träger 10 ist. In der Praxis schafft dies eine Asymmetrie in der Gestaltung, wobei die Gestaltung der Einrichtung auf der Trägerseite nahezu einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Impedanzeigenschaften haben wird.
Eine metallische Schicht 16, 18 ist auf einer oberen Fläche 15 des dielektrischen Films 14 aufgedruckt, d.h. auf der Seite entgegengesetzt zu der Seite, die mit dem leitenden Streifen 12 in Berührung ist. Die äußeren Seiten 23 und 24 der metallischen Schicht 16 und 18 sind elektrisch geerdet, d.h. die Seiten der metallischen Schichten 16, 18, die von der Mitte der Einrichtung nach außen sehen. Die metallische Schicht 16, 18 hat in dieser Ausführungsform einen in der Mitte gelegenen Schlitz 17, der mit der Übertragungsleitung 12 im wesentlichen parallel ist, was die metallische Schicht in zwei Masseplatten 16 und 18 trennt. Der in der Mitte gelegene Schlitz 17 erstreckt sich über den gesamten Weg zwischen dem ersten Ende 20 und dem zweiten Ende 22. Der in der Mitte gelegene Schlitz 17 ist mit Bezug auf die Übertragungsleitung 12 vorzugsweise symmetrisch.
Die metallischen Schichten 16, 18 sind in einem derartigen Fall Spiegelbilder zueinander. Es sind jedoch auch asymmetrische Anordnungen machbar, z.B. mit einer metallischen Schicht auf nur einer Seite. Der in der Mitte gelegene Schlitz 17 hat vorzugsweise eine mittlere Breite, die die Breite der Übertragungsleitung 12 überschreitet. Die charakteristische Impedanz der Einrichtung wird einer allmählichen Änderung des Wertes durch eine allmähliche Variation der Breite des Schlitzes 17 entlang seiner Länge unterzogen, d.h. zwischen dem ersten Ende 20 und dem zweiten Ende 22. Bei geeigneter Auswahl der Parameter ist eine Impedanz von weniger als 5 Ω in dem Niederimpedanzende, d.h. dem zweiten Ende 22 erreichbar. Mit anderen Worten hat der Schlitz 17 eine spitz zulaufende Form, oder äquivalent haben die zwei Masseplatten 16 und 18 spitz zulaufende Formen.
Selbst wenn die vorliegende Ausführungsform einen leitenden Streifen konstanter Breite 12 umfasst, sollte die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt werden. Es sind auch andere Ausführungsformen einschließlich einer Variation der Breite des in der Mitte gelegenen leitenden Streifens entlang der Länge des Impedanzkopplers möglich, ebenso wie Ausführungsformen, die zusätzlich andere Mittel vom Stand der Technik zum Ändern der Impedanz umfassen.
2 veranschaulicht die Ausführungsform von 1 im Querschnitt.
Um die Vorteile bei der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, wurde eine erste Mehrschichtkonfiguration gemäß 1 und 2 analysiert, und ihr Leistungsverhalten wurde mit verschiedenen Einrichtungen vom Stand der Technik verglichen. Die erste simulierte Testeinrichtung bestand aus einem abgelagerten dünnen dielektrischen Film 14 mit ε_T = 140 und einer Stärke über der Spitze der Übertragungsleitung von 1 μm. Die Übertragungsleitung 12 ist auf einem Träger 10 mit einer Breite von 120 μm und einer Stärke von 2 μm aufgedruckt. Der Träger 10 besteht in dieser Testeinrichtung aus Aluminiumoxid mit einer Stärke von 635 μm und einer dielektrischen Konstante von 9,8. Die erste Testeinrichtung ist 1,6 cm lang, und der spitz zulaufende Schlitz 17, der über dem Film mit hohem ε_r gedruckt ist, variiert von 300 μm auf einer ersten Seite zu 118 μm auf der anderen Seite, mit einer Form, die zu einem Reflexionskoeffizienten des Chebyshev-Typs führt. Die entsprechenden Impedanzen für die Einrichtung, die in der numerischen Simulation gefunden werden, die den kommerziellen Software-Hochfrequenz-Struktursimulator HFFS (High Frequency Structure Simulator) verwendet, sind 50 Ω für die erste Seite und 3,5 Ω für die zweite Seite.
Das Verhalten dieser Einrichtung wurde theoretisch untersucht und die Ergebnisse wurden mit jenen verglichen, die für Einrichtungen vom Stand der Technik erhalten wurden. 4 präsentiert Frequenzdispersionskurven für die effektive dielektrische Konstante der oben beschriebenen ersten Testeinrichtung. Kurve 104 entspricht dem Port auf der ersten Seite, d.h. dem Port von 50 Ω, und Kurve 106 entspricht dem Port auf der zweiten Seite, d.h. dem Niederimpedanzende der Abschrägungen. Die Mehrschichtkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt sehr wenig Dispersion bis zu mindestens 40 GHz, was die Ausbreitung sehr kurzer Impulse ohne wesentliche Verzerrung erlaubt. Als Vergleich werden Kurven 105, 107, die die zwei Ports eines Übertragungsleitungs-Impedanzwandlers gemäß US 5,200,719 mit einem Massenträger mit ε_r = 80 darstellen, gezeigt. Es kann beobachtet werden, dass die Dispersion beträchtlich ist.
In 5 wird die kalkulierte Reaktion der ersten Testeinrichtung auf einen kurzen Spannungsimpuls veranschaulicht. Es wird ein Eingangsimpuls 108 verwendet, der aus einem Gauss'schen Impuls von 50 ps (volle Breite halbes Maximum) besteht. Die simulierte Ausgabe der betrachteten Abschrägungen wird als die gestrichelte Kurve 110 dargestellt. Die Reaktion für die erste Mehrschicht-Testeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung präsentiert nur geringe Verzerrungen wegen ihrer großen nützlichen Bandbreite. Es können somit noch schnellere Impulse als 50 ps zusammen mit der vorliegenden Testeinrichtung verwendet werden. Als ein Vergleich wird die Ausgabereaktion des Übertragungsleitungs-Impedanzwandlers vom Stand der Technik gemäß dem oben erwähnten US 5,200,719 als eine punktierte Kurve 112 dargestellt. Das Klingeln wegen der Dispersion ist offensichtlich, und das Leistungsverhalten des Impedanzanpassungskopplers gemäß der vorliegenden Erfindung ist stark verbessert.
Wenn die Dispersionseffekte betrachtet werden, wird Massengut große Dispersion ergeben, und Filme werden kleine Dispersion ergeben. Es ist somit wünschenswert, einen dielektrischen Film 14 mit einer Stärke von weniger als 100 μm als die dielektrische Schicht zu verwenden. Eine Herstellung dicker Filme (5–100 μm) und dünner Filme (weniger als 5 μm) aus Materialien einer hohen dielektrischen Konstante ist mit Dickfilmtechniken bzw. Dünnfilmtechniken gemäß modernen Fortschritten möglich, siehe z.B. Spartak S. Gevorgian und Erik Ludvig Kollberg, "Do We Really Need Ferroelectrics in Paraelectric Phase Only in Electrically Controlled Microwave Devices?", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 49, Nr. 11, Nov. 2001 und Verweise darin. Wenn nur Dispersionsverhalten betrachtet wird, erscheint ein Film, der so dünn wie möglich ist als eine optimale Wahl zum Sicherstellen geringer Dispersion. Wie jedoch nachstehend weiter beschrieben wird, zeigen Genauigkeitsbetrachtungen bei der Herstellung in eine andere Richtung.
3 veranschaulicht eine Kurve 100, die einen geschätzten Eingangsrückführungsverlust der Testeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Es kann gesehen werden, dass über den gesamten untersuchten Frequenzbereich von 40 GHz der Rückführungsverlust in der Größenordnung einer Größe von –20 dB war. Die Reaktion verschlechtert sich nicht beträchtlich mit der Frequenz in dem untersuchten Bereich. Als Vergleich wird eine Kurve 102 gezeigt, die einen Übertragungsleitungs-Impedanzwandler gemäß US 5,200,719 mit einem Massenträger mit ε_r = 80 darstellt. Es kann beobachtet werden, dass der Aufbau wegen Erscheinen von Modi höherer Ordnung oberhalb von 25 GHz nicht reagiert.
Das Erscheinen von höheren Modi stellt somit eine ernsthafte Gefährdung für den nützlichen Frequenzbereich dar. Wenn die Testeinrichtung betrachtet wird, die in der obigen Erörterung verwendet wird, ist es unter Verwendung eines äußerst dünnen dielektrischen Films möglich zu realisieren, dass das vorteilhafte Verhalten der Einrichtung stark von der Genauigkeit der geometrischen Größe und Positionierung des leitenden Streifens 12 in Bezug auf die Masseplatten 16, 18 abhängt. Wenn der Schlitz zwischen den Masseplatten 16, 18 im Vergleich zu der Breite des leitenden Streifens 12 groß ist, ergeben kleine Fehler in der Positionierung keinerlei beträchtliche Impedanzänderungen. Auf der Seite des engen Schlitzes jedoch, d.h. nahe zu Ende 22 (1) kommen jedoch die inneren Kanten der Masseplatten 16, 18 den Kanten des leitenden Streifens 12 sehr nahe. Eine kleine Fehlausrichtung oder Ungenauigkeit der Schlitzbreite wird die Impedanz in diesem Ende beträchtlich ändern. Um in der Lage zu sein, eine gewisse Endimpedanz sicherzustellen, muss die Herstellung äußerst sorgfältig durchgeführt werden. Herstellung bei diesem Grad von Genauigkeit ist jedoch äußerst schwierig und aufwändig.
Derartige Herstellungsbetrachtungen verlangen deshalb die Verwendung etwas dickerer Filme. Die Verwendung von dicken Filme (5–100 μm) ist somit zu bevorzugen, und dicke Filme in dem Bereich von 10 bis 70 μm sind besonders vorteilhaft. von dem Einfluss einer derartigen größeren Stärke als in der oben untersuchten Testeinrichtung wird angenommen, das Dispersionsverhalten nicht beträchtlich zu ändern, und die erwarteten Eigenschaften einer Einrichtung, die eine Filmstärke von 10–70 μm verwendet, werden durch die Kurven der Diagramme in 3, 4 und 5 ziemlich gut dargestellt.
In 1 und 2 wird die Abschrägung der Masseplatten 16, 18 als linear veranschaulicht. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen mit anderen geometrischen Formen der Abschrägung der Masseplatte möglich, was einen Reflexionskoeffizienten der Bessel-, Chebyshev- oder expotenziellen Typen verursacht. Z.B. beruhten die Simulationen, die in 3–5 veranschaulicht sind, auf Einrichtungen mit einem Chebyshev-Typ der Abschrägung, was in diesem Fall etwas bessere Ergebnisse als lineare, Bessel- oder expotenzielle Typen ergibt. Ein derartiges Beispiel einer nicht-linearen Abschrägung wird z.B. in 7 gezeigt. Hier ist die allmähliche Änderung des in der Mitte gelegenen Schlitzes allgemein langsamer in dem schmalen Ende. Des weiteren sind die Masseplattenkanten parallel zu dem leitenden Streifen in beiden Enden. Eine derar tige Konfiguration kann dazu dienen, die allmähliche Impedanzänderung von einer Seite der Einrichtung zu der anderen weicher und ausgeglichener zu machen.
Die vorliegende Erfindung präsentiert eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu Einrichtungen vom Stand der Technik.
Es können dünne und dicke Filme auf verschiedenen Wegen abgelagert werden, wie etwa Sol-Gel-Verarbeitung, Laserabscheidung, Magnetronzerstäubung, chemische Bedampfung, Aerosol, Siebdruck und Techniken auf Sinter-Basis, und ihre relativen dielektrischen Konstanten können sehr hoch sein. Durch Verwenden der vorliegenden Erfindung haben die Übertragungsleitungen einfache Querschnitte und sehr komfortable Querabmessungen, was zu einer weniger aufwändigen Herstellung führt. Die Mehrschichtstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung bietet große Bandbreite und eine geringe Dispersion. Simulationen haben gezeigt, dass es möglich ist, Werte so gering wie 3,5 Ω in dem Niederimpedanzende der Abschrägung mit einer konstanten Streifenbreite von 120 μm zu erreichen, was mit Abmessungen von kommerziellen Funkfrequenzverbindern kompatibel ist. Die Untersuchung vom Eingangsrückführungsverlust in Einrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung hat Einzelmodusoperation bis nahezu 50 GHz und sehr geringe Dispersion gezeigt, was die Ausbreitung sehr kurzer Impulse ohne wesentliche Verzerrung erlaubt.
Mit gewissen Auswahlen von Trägern, dielektrischem Schichtmaterial und Filmablagetechniken kann es geringfügige Probleme geben, eine ausreichende Anhaftung zwischen dem Träger und der dielektrischen Schicht zu erreichen. Ein möglicher Weg, um derartige Anhaftungsprobleme zu reduzieren, besteht darin, eine äußerst dünne Schicht eines Brückenmaterials abzulagern. Das Brückenmaterial sollte typischerweise eine Monoschicht dick sein, und kann z.B. ein Metall umfassen, wie etwa Titan, Indium oder Chrom. Die Brückenschicht wird direkt auf dem Träger vor der Ablagerung des dielektrischen Materials abgelagert. Die chemische Bindung der abgelagerten ferroelektrischen Keramik zu der Monoschichtmetall-Brückenschicht, die wiederum zu dem Träger gebunden ist, ermöglicht erhöhte Anhaftung. Eine Monoschicht aus Metall ist nicht elektrisch leitend und würde das Leistungsverhalten der Impedanzanpassungseinrichtung nicht beträchtlich beeinflussen.
Die Verwendung von Materialien hoher dielektrischer Konstante in diesem Typ von Mehrschichtstrukturen wird durch Verwendung von Filmablagetechniken ermöglicht. Durch Bilden der unterschiedlichen dielektrischen Schichtkomponenten auf einem ursprünglichen Träger entstehen Anhaftungsprobleme nicht zu dem gleichen Ausmaß wie für Mehrschichtlösungen vom Stand der Technik. 6 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens von Impedanzanpassungseinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Prozedur beginnt in Schritt 200. In Schritt 202 wird ein dielektrischer Träger als der ursprüngliche Träger bereitgestellt, auf dem die Mehrfachschicht aufzubauen ist. Ein leitender Streifen wird in Schritt 204 auf der ersten dielektrischen Schicht angeordnet, wobei die Übertragungsleitung gebildet wird. Diese Anordnung wird vorzugsweise als ein Druck, gemäß gut bekannten Drucktechniken vom Stand der Technik, eines metallischen Films mit der erforderlichen geometrischen Ausdehnung durchgeführt. In Schritt 206 wird eine dielektrische Schicht mit einer sehr hohen dielektrischen Konstante über dem leitenden Streifen ausgebildet. Dies führt dazu, dass der leitende Streifen durch die zwei dielektrischen Entitäten, den dielektrischen Träger und die dielektrische Schicht, eingekreist wird. Die dielektrische Schicht ist vorzugsweise ein dicker Film, und die Ablagerung wird vorzugsweise durch Dickfilmtechniken durchgeführt. Die Bildung der zweiten dielektrischen Schicht direkt oben auf dem leitenden Streifen und der ersten dielektrischen Schicht sieht gute Anhaftungseigenschaften vor. In einer Ausführungsform umfasst die Bildung der dielektrischen Schicht Ablagerung dielektrischer Substanzen gemischt mit organischen Lösungsmitteln über dem leitenden Streifen und mindestens einem Teil des dielektrischen Trägers, gefolgt durch eine Wärmebehandlung. Während der Erwärmung werden beliebige organische Lösungsmittelkomponenten entfernt, und die verbleibenden dielektrischen Substanzen bilden die dielektrische Schicht. Schließlich wird in Schritt 208 ein Teil der dielektrischen Schicht metallisiert, wobei spitz zulaufende Masseplatten gebildet werden. Dies wird vorzugsweise durch Drucken von metallischen Filmen durchgeführt. Die Prozedur ist in Schritt 210 beendet.

Claims

Impedanzanpassungsvorrichtung (1), die Folgendes aufweist: einen dielektrischen Träger (10), eine dielektrische Schicht (14), die zumindest einen Teil einer ersten Fläche (13) des dielektrischen Trägers (10) bedeckt, einen leitenden Streifen (12), der zwischen dem dielektrischen Träger (10) und der dielektrischen Schicht (14) vorgesehen ist, eine Metallschicht (16, 18), die auf einer Fläche (15) der dielektrischen Schicht (14), die von dem leitenden Streifen (12) wegzeigt, bereitgestellt ist, wobei die Impedanzanpassungsvorrichtung (1) einen graduellen Impedanzwechsel zwischen ihren Enden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (14) eine wesentlich höhere dielektrische Konstante hat als eine dielektrische Konstante des dielektrischen Trägers (10), und dass die dielektrische Schicht (14) ein dielektrischer Film ist, der eine Stärke kleiner als 100 μm hat.
Impedanzanpassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (14) eine dielektrische Konstante hat, die mindestens acht Mal größer ist als die dielektrische Konstante des dielektrischen Trägers (10).
Impedanzanpassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Film (14) ein Dickfilm ist, der eine Stärke zwischen 5 und 100 μm hat.
Impedanzanpassungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Film (14) ein Dickfilm ist, der eine Stärke zwischen 10 und 70 μm hat.
Impedanzanpassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Träger (10) eine Stärke hat, die mindestens zehn Mal größer ist als die Stärke der dielektrischen Schicht (14).
Impedanzanpassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der leitende Streifen (12) eine im Wesentlichen konstante Breite hat.
Impedanzanpassungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der leitende Streifen (12) eine Breite in der Größenordnung von 120 μm hat.
Impedanzanpassungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (14) eine Stärke hat, die stärker ist als 10% der Breite des leitenden Streifens (12).
Impedanzanpassungsvorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht einen Mittenschlitz (17) hat, der im Wesentlichen zu dem leitenden Streifen (12) parallel ist,
Impedanzanpassungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenschlitz (17) eine spitz zulaufende Form hat.
Impedanzanpassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die spitz zulaufende Form eine Reflexionskoeffizientcharakteristik eines Typs ergibt, der ausgewählt ist aus der Gruppe von: linear, Bessel-Typ, Chebyshev-Typ und exponentiell.
Impedanzanpassungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die spitz zulaufende Form eine Reflexionskoeffizientcharakteristik des Chebyshev-Typs ergibt.
Impedanzanpassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein extrem dünner Zwischenfilm zwischen dem dielektrischen Träger (10) und der dielektrischen Schicht (14) angeordnet ist, wobei der extrem dünne Film ein Metallfilm in dem Einschichtenbereich ist, der das Haften der dielektrischen Schicht (14) verstärkt.
Impedanzanpassungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenfilm Substanzen aufweist, die ausgewählt sind aus der folgenden Gruppe: Titan, Indium oder Chrom.
Verfahren zum Herstellen einer Impedanzanpassungsvorrichtung (1), das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines dielektrischen Trägers (10) und Anordnen eines leitenden Streifens (12) auf dem dielektrischen Träger (10) gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Schritte: Bilden einer dielektrischen Schicht (14) über dem leitender Streifen (12) und mindestens einem Teil des dielektrischen Trägers (10), wobei der leitende Streifen (12) von der dielektrischen Schicht (14) und dem dielektrischen Träger (10) umgeben wird, wobei die dielektrische Schicht (14) ein dielektrischer Film ist, der eine Stärke kleiner als 100 μm hat, wobei die dielektrische Schicht (14) eine wesentlich höhere dielektrische Konstante hat als die dielektrische Konstante des dielektrischen Trägers (10), und Metallisieren mindestens eines Teils der dielektrischen Schicht (14), wobei die Schritte des Bereitstellens, Anordnens, Bildens und Metallisierens einen allmählichen Impedanzwechsel zwischen den Enden der Impedanzanpassungsvorrichtung ergeben.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bildens eine Filmanlegungstechnik aufweist, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Sol-Gel-Verarbeitung, Laserabschmelzen, Magnetronzerstäuben, chemische Bedampfung, Aerosol, Siebdruck, und Techniken auf Sinter-Basis.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt des Aufbringens eines extrem dünnen Zwischenfilms auf dem dielektrischen Träger (10) vor dem Durchführen des Schritts des Bildens einer dielektrischen Schicht (14), wobei der extrem dünne Zwischenfilm ein Metallfilm in dem Einschichtenbereich ist, der das Haften der dielektrischen Schicht (14) verstärkt.