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Die
Erfindung betrifft einen Richtkoppler in Streifenleitertechnik gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs 1.
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Richtkoppler
sind Schaltungselemente der Hochfrequenz-(HF-) bzw. Antennentechnik
und werden zur unsymmetrischen Leistungsaufteilung, bspw. in der
Größe von –12 dB,
in einem gewünschten
Freguenzbereich eingesetzt. Richtkoppler weisen prinzipiell einen
kurzen Leitungsabschnitt auf dessen Wellenwiderstand dem der verwendeten
Leitung entspricht. Dadurch wird nur aus der hinlaufenden oder aus
der rücklaufenden
Welle eine bestimmte Spannung ausgekoppelt.
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Ein
hier betroffener Richtkoppler geht bspw. aus einem am 5.12.2003
erschienenen Artikel mit dem Titel „HF-Passive Komponenten" von Prof. D. U. Gysel,
ZHW, Departement Technik, Informatik und Naturwissenschaften, Elektrotechnik
und Signalverarbeitung, Hochfrequenztechnik, Zürich, hervor und ist in der
nachfolgend noch im Detail beschriebenen 1 schematisch wiedergegeben.
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Wie
aus der 1 zu ersehen,
sind Richtkoppler viertorig ausgebildet und weisen zwei Empfangstore
(Eingangstore) und zwei Sendetore (Ausgangstore) auf. Die beiden
Empfangstore müssen zueinander
möglichst
stark entkoppelt sein. Die hier betroffenen in Streifenleitertechnik
hergestellten Richtkoppler werden mittels herkömmlicher Leiterplattentechnik
hergestellt. Dabei werden Substrate mit relativ niedriger Dielektrizitätskonstante
sowie Koppelspalte zwischen den beiden Leitern mit sehr geringer
Spaltbreite im Bereich von etwa 100 μm verwendet, um die gewünschten
hohen Kopplungswerte von über
15 dB, wie bspw. 12 dB, zu erreichen. So erhält man für einen 12 dB-Koppler bei 2,5 GHz
auf einem Leitersubstrat der Dicke 300 μm und der relativen Dielektrizitätszahl von
4,4 eine für
die genannte Kopplungsstärke
erforderliche Koppelspaltbreite von nur ca. 80 μm. Ein solch geringer Leiterabstand
läßt sich
in der heutigen Leiterplattentechnik nur mit sehr hohem Fertigungs-
und Kostenaufwand bei gleichzeitig hoher Ausschußrate herstellen.
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Es
besteht daher ein erheblicher Bedarf, Richtkoppler der hier betroffenen
Art mit herkömmlicher
Leiterplattentechnik mit minimalen Leiterbreiten und lateralen Leiterabständen im
Bereich von 150 μm bei Ätztoleranzen
bis +/– 20 μm fertigungsgerecht realisieren
zu können.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Richtkoppler
ist insbesondere durch einen mehrlagigen Aufbau gekennzeichnet,
bei dem wenigstens drei Metallagen und zwischen diesen wenigstens
zwei dielektrische Isolationslagen auf einem Substrat, bevorzugt
auf einer bedruckten Leiterplatte, angeordnet sind. Das Richtkopplerlayout
an sich kann dabei den im Stand der Technik bekannten Layouts entsprechen.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik entspricht die Masselage nicht einer
direkt unter der Leiterstruktur des Richtkopplers angeordneten Metallage,
sondern erst einer darauf folgenden Metallage. Zwischen der Leiterstruktur
und der Masselage wird auf einer dazwischen angeordneten Metallage
eine isolierte und besonders geformte Leiterstruktur erstellt, und
zwar bevorzugt eingeätzt.
Aufgrund dieser Struktur werden in Reihe geschaltete sehr kleine
Kapazitäten
erzeugt, welche die erforderliche Kopplung und gleichzeitig eine
sehr hohe elektrische Isolation zwischen den genannten Metallagen
ermöglichen. Diese
Struktur ermöglicht
die Herstellung eines um den Faktor 5 größeren Koppelspalts
als bei den im Stand der Technik bekannten Strukturen.
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In
bevorzugter Ausgestaltung besitzt die genannte isolierte und besonders
geformte Leiterstruktur die Form eines quer liegenden „H". Prinzipiell sind jedoch
auch beliebig andere Formen denkbar, als einfachste Form bspw. ein
ebenfalls quer liegendes Rechteck.
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In
weiterer Ausgestaltung sind an den Außenseiten der Koppelleiter
zusätzliche
Strukturen oder Strukturerweiterungen vorgesehen, und zwar bevorzugt
kurze trapezartige Strukturen.
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In
noch weiterer Ausgestaltung werden die Reflexionseigenschaften der
Koppelleiter mittels kleiner in den Ecken der Anschlüsse angeordneter
kapazitiver Strukturen („Kapazitätsflecken") verbessert. Damit
wird die in der Summe leicht induktive Impedanz der Koppelleiter
so kompensiert, daß an
den Anschlüssen
eine besonders gute Impedanzanpassung ermöglicht wird.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagene Richtkoppler
läßt sich
mittels herkömmlicher
Leiterplattentechnik ohne irgendeine Fertigungsbeschränkung, auch
unter üblichen Ätztoleranzen,
herstellen. Der Richtkoppler weist insbesondere einen sehr großen Kopplungswert
auf, der im Stand der Technik nur mit erheblich hohem Fertigungs-
und Kostenaufwand realisierbar wäre.
Darüber
hinaus wird die Fertigungsstreuung der Richtkopplerparameter, wie
insbesondere der HF-bezogenen Parameter, dank der Erfindung wesentlich
geringer. Des weiteren wird die Verwendung kostengünstiger
Substrate sowie kostengünstiger Ätzverfahren
bei der Herstellung der dem Richtkoppler zugrunde liegenden Strukturen
ermöglicht.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung,
anhand von Ausführungsbeispielen
eingehender beschrieben, aus denen weitere Merkmale und Vorteile
der Erfindung hervorgehen.
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Im
Einzelnen zeigen
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Richtkopplers in Streifenleitertechnik
gemäß dem Stand der
Technik;
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2 eine
Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Richtkopplers
in Streifenleitertechnik; und
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie A-A des in der 2 gezeigten
Richtkopplers.
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Der
in der 1 schematisch in schräger Draufsicht gezeigte Richtkoppler 10 stellt
einen Parallelleitungskoppler in Streifenleitungsausführung dar,
d.h. die elektrischen Leiter sind als dünne Metallisierungsstreifen
auf einem Substrat 15 ausgebildet. Das Substrat 15 ist
vorliegend aus einer gewöhnlichen
gedruckten Leiterplatte hergestellt. Der eigentliche Koppler besteht
aus zwei Koppelleitern 20, welche über eine Länge λ/4 parallel verlaufen. Da die Kopplung
zwischen den beiden Koppelleitern 20 naturgemäß mit abnehmendem
(Lateral-)Abstand zwischen den beiden Leitern ansteigt, hat der
Abstand ,d' zur
Erreichung einer ausreichenden Kopplung möglichst gering zu sein.
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Ein
solcher Richtkoppler 10 stellt ein passives Viertor dar,
welches die Eigenschaft hat, daß ein Eingangssignal
an einem der vier Tore 1–4 immer nur an zwei
der drei restlichen Tore weitergegeben wird. Speist man den in der 1 gezeigten
Richtkoppler nämlich
mit einer einfallenden Welle am Tor 1, so treten Wellen
an den Toren 2 und 4 aus, idealerweise nicht jedoch
am Tor 3. Das heißt,
das Tor 3 ist vom Tor 1 entkoppelt. Verfolgt man
die Aufteilung aller möglichen
einfallenden Wellen, ergibt sich, daß immer die Torpaare 1 und 3 sowie 2 und 4 voneinander entkoppelt
sind, d.h. zwischen diesen findet kein Energieaustausch statt, sofern
alle Tore mit ihrem jeweiligen Wellenwiderstand terminiert sind.
Es ist anzumerken, daß bei
einem ideal angenommenen Richtkoppler jeweils die Tore 1 und 4 sowie 2 und 3 entkoppelt
sind, d.h. es findet zwischen diesen kein Nebensprechen statt.
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Da
im Meßzweig,
d.h. in dem genannten Leitungsabschnitt λ/4 der beiden Koppelleiter,
die durch kapazitive und durch induktive Kopplung hervorgerufenen
Ströme
gleichzeitig vorhanden sind, können sie
sich in Abhängigkeit
von ihrer Phasenlage, je nach Richtung des Stromes in dem einen
Leiter, entweder addieren oder gegenseitig aufheben, was letztlich
die genannte gerichtete Kopplung bewirkt.
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Die
in der 2 in Draufsicht gezeigte bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäß mehrlagig
aufgebauten Richtkopplers besteht aus einer gedruckten Leiterplatte 100,
welche mehrere Metallagen aufweist. Diese Metallagen umfassen eine oberste
Metallage in Form von Kupferstreifen (,TOP-Cu') 105, 110, durch
welche die beiden für
den Richtkoppler erforderlichen Koppelleiter 105, 110 gebildet
werden. Der laterale Abstand zwischen den Koppelleitern 105, 110 ist
wiederum mit ,d' gekennzeichnet.
Unterhalb der obersten Metallage 105, 110 und
von dieser durch eine hier nicht gezeigte Isolationslage (siehe 3)
galvanisch getrennt ist eine ebenfalls aus Kupferstreifen gebildete
mittlere Metallage (,Mid-1-Cu') 115 angeordnet,
welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Form eines quer liegenden „H" hat. Zur besseren
Unterscheidung sind die beiden Kupferlagen 105–115 unterschiedlich
gestreift gezeichnet. Unterhalb dieser mittleren Metallage 115 befindet
sich eine hier nicht gezeigte (siehe 3), wiederum
von der mittleren Metallage 115 durch eine hier nicht gezeigte
Isolationsschicht galvanisch getrennte, auf Massepotential liegende
Kupfer-Masselage (,Mid-2-Cu') 220.
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Wie
bereits erwähnt,
sind die genannten drei Metallagen jeweils durch hier nicht gezeigte
dielektrische Isolationslagen galvanisch voneinander getrennt, welche
aus in der Leiterplattentechnik verwendetem Glasfaser/Epoxy-Substratmaterial
hergestellt sind. Die gezeigten Metall- und Isolationslagen sind
in der bevorzugten Ausführungsform
in Form einer herkömmlichen
in an sich bekannter Ätztechnik hergestellten
gedruckten Leiterplatte ausgebildet.
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Aufgrund
der genannten „H"-Form der mittleren
Metallage (,Mid-1-Cu') 115 ergeben
sich insgesamt mehrere in Reihe geschaltete, relativ kleine Kapazitäten zwischen
den einzelnen Metallagen 105–115, 220,
welche erst die erforderliche starke Kopplung und gleichzeitig sehr
hohe dielektrische Isolation zwischen den genannten Metallagen ermöglichen.
Insbesondere dadurch läßt sich
bei gleicher Koppelstärke
ein um den Faktor 5 größerer Koppelspalt
in der genannten herkömmlichen
Leiterplattenätztechnik
realisieren.
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Die
in der 2 gezeigten Koppelleiter weisen in der vorliegenden
Ausführungsform
entlang der Koppelleiter etwa mittig angeordnete, sich nach außen hin
erstreckende trapezförmige
Erweiterungsflächen 120 auf,
aufgrund derer der Kopplungseffekt noch verstärkt wird. Zusätzlich sind
in den Ecken der Tor-Anschlüsse 1–4 kapazitive
Strukturen („Kapazitätsflecken") 125 angeordnet,
mittels derer die Reflexionseigenschaften der Koppelleiter 105, 110 verbessert
werden. Bei diesen kapazitiven Strukturen werden die 90°-Innenecken
mit den gezeigten Dreiecksformen 125 schräg aufgefüllt. Prinzipiell
möglich
sind allerdings auch andere Formen, welche eine entsprechend kleine
Flächenvergrößerung erzeugen,
bspw. eine quadratische Form, mit der dann allerdings ein kleines
zusätzliches
Eck erzeugt wird. Insgesamt wird durch die genannten Maßnahmen
die in der Summe leicht induktive Impedanz der Koppelleiter so kompensiert,
daß an
den Tor-Anschlüssen eine
sehr gute Impedanzanpassung ermöglicht
wird.
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Es
ist anzumerken, daß sich
eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Richtkopplers
durch Tauschen der vorbeschriebenen obersten 105, 110 und
mittleren Metallage 115 ergibt. Die beschriebene Funktionsweise
an sich ist davon unberührt.
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Die
in der 3 gezeigte seitliche Schnittansicht entspricht
einem Schnitt der in der 2 dargestellten Struktur entlang
der dort eingezeichneten Linie ,A-A'. Aus der 3 geht die
räumliche
Anordnung der drei Metallagen 200, 210, 220 noch
deutlicher hervor. Die entsprechenden Schichtdicken der Metallagen 200, 210, 220 sind
daraus ebenfalls zu entnehmen. Die gestrichelten Bereiche 105, 110 entsprechen
den in der 2 mit übereinstimmenden Bezugszeichen
gekennzeichneten beiden Koppelleitern und die beiden gestrichelten
Bereiche 115 der in 2 ebenfalls
gezeigten ,H'-förmigen Zwischenlage.
Auch sind die zwischen den Metallagen 200, 210, 220 angeordneten
Isolationslagen 205, 215, 225 in der 3 eingezeichnet.
Die oberste Metallage 200 dient im Wesentlichen als Bauelementeseite,
d.h. zur Verbindung der gezeigten Richtkopplerstruktur mit weiteren
HF-Bauelementen im Bereich der Antennentechnik, wohingegen eine
zusätzliche
vierte unterste Metallage 230 dazu dient, die gezeigte Richtkopplerstruktur
mit einer außen
angeordneten (hier nicht gezeigten) Antenne zu verbinden.
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Bezüglich der
Herstellung der in der 3 gezeigten Leiterplattenstruktur
ist anzumerken, daß Bereiche,
in denen eine Leiterlage abgeätzt
wird, aufgrund der an sich bekannten Multilayertechnik beim Zusammenpressen
unter erhöhter
Temperatur mit dielektrischem Material gefüllt sind.
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Ein
gemäß der vorbeschriebenen
Struktur tatsächlich
gefertigter Richtkoppler von 11 dB wies einen Koppelspaltnennwert
von 380 μm
auf. Dabei waren Ätztoleranzen
bis hin zu +/– 40 μm für das einwandfreie
Funktionieren des jeweiligen Richtkopplers völlig unschädlich. Herkömmliche Koppler hätten mit
dieser Spezifikation lediglich einen Koppelwert von etwa 20 dB oder
sie würden
einen in Leiterplattentechnik nicht fertigbaren kleinen Koppelspalt
von 80 μm
erfordern.
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Die
vorbeschriebene erfindungsgemäße Richtkoppler-Struktur
ist bevorzugt im Frequenzbereich bis einige GHz und für den Einsatz
auf Leiterplatten vorgesehen. Allerdings sind die vorbeschriebenen
Strukturen prinzipiell mit allen genannten Vorteilen auch bei speziellen
HF-Substraten bei höheren Frequenzen,
bspw. im bei in der Automobiltechnik vielfach verwendeten 77 GHz
einsetzbar. Ebenso realisierbar ist ein integrierter Einsatz der
Strukturen bei HF-ICs bei noch höheren
Frequenzen (122 GHz, 150 GHz).