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Die
Erfindung betrifft eine Oszillator-Anordnung.
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Oszillatoren
für den
Hochfrequenz- und Mikrowellenbereich werden heute zunehmend nicht mehr
aus Einzelbauelementen sondern mit integrierten Mikrowellenschaltungen
(MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit) realisiert. Diese
Bausteine ermöglichen
sehr geringe mechanische Abmessungen und lassen sich ab gewissen
Stückzahlen
kostengünstig
herstellen.
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Die
spektrale Reinheit der erzeugten Schwingung (Phasenrauschen, Jitter)
hängt in
erster Linie von dem frequenzbestimmenden Resonator ab. Gebräuchlich
sind neben Schwingkreisen aus konzentrierten Elementen (Spulen,
Kondensatoren oder Varaktordioden) auch Leitungsresonatoren. Dabei
ist man bestrebt, diese Elemente mit auf der integrierten Schaltung
zu realisieren.
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Für qualitativ
hochwertige Oszillatoren mit geringem Phasenrauschen reicht die
Güte der
auf den integrierten Schaltungen realisierbaren Resonatoren nicht
aus. Deshalb müssen
externe Anordnungen (beispielsweise dielektrische Resonatoren oder keramische
Koaxialresonatoren) verwendet werden. Dies führt dann zu einem zusätzlichen
Platzbedarf und einem erhöhten
Montageaufwand. Oft ist zudem ein großvolumiges Abschirmgehäuse erforderlich.
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Aus
DE 198 00 459 A1 ist
eine Oszillator-Struktur mit einem externen Resonator bekannt, wobei
der Resonator als elektrischer Leiter und damit als Leitungsresonator
ausgebildet ist. Diese Struktur eignet sich jedoch nur für relativ
niedrige Frequenzen bis ca. 3 GHz.
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Weiterhin
ist in
US 5,075,641 ein
Hochfrequenz-Oszillator mit einem Dünnschicht-Resonator beschrieben,
wobei ein Teil der Metallisierungsschichten sowohl als Elemente
von aktiven Schaltungskomponenten als auch als Dünnschicht-Resonator dienen.
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Ferner
ist in Youngwoo Kwon et. al., A Ka-Band MMIC Oscillator
Stabilized with a Micromachined Cavity, IEEE Microwave and Guided
Wave Letters, Vol. 9, Nr. 9, Seiten 360 bis 362, September 1999
ein Oszillator beschrieben mit einem MMIC VCO (Spannungsgesteuerter
Oszillator, Voltage Controlled Oscillator) und einem eine Vertiefung
aufweisenden Wafer.
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Die
beiden zuletzt genannten Veröffentlichungen
eignen sich nur für
relativ hohe Frequenzen, wobei ein begrenzender Faktor die Waferfläche darstellt,
die für
niedrigere Frequenzen benötigt
wird.
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Eine Übersicht über Mikrowellen-Resonatoren
und Millimeterwellen-Resonatoren mit hoher Güte ist in A. Brown et. Al.,
Microwave and Millimeter-wave High-Q Micromachined Resonators, International
Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering, zu finden.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Oszillator-Anordnung zu schaffen,
welche einfach und kostengünstig
auf einem Oszillator-Trägerelement,
beispielsweise auf einer Leiterplatte, montierbar ist. Ferner liegt
der Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen
einer solchen Oszillator-Anordnung bereitzustellen.
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Die
Probleme werden durch eine Oszillator-Anordnung sowie durch ein
Verfahren zum Herstellen einer Oszillator-Anordnung mit den Merkmalen
gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Beispielhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Die
Ausgestaltungen betreffen sowohl die Oszillator-Anordnung als auch,
soweit sinnvoll, das Verfahren zum Herstellen einer Oszillator-Anordnung.
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Eine
Oszillator-Anordnung weist eine integrierte Schaltung sowie ein
Trägerelement
zum Tragen der integrierten Schaltung auf. Ferner ist ein frequenzbestimmender
Resonator vorgesehen. Weiterhin weist die Oszillator-Anordnung einen
auf dem Trägerelement
aufgebrachten Montagerahmen auf, mittels welchem das Trägerelement
und der frequenzbestimmende Resonator auf einem Oszillator-Trägerelement
montierbar ist. Die integrierte Schaltung, der frequenzbestimmende
Resonator und der Montagerahmen sind auf derselben Seite der Oszillator-Anordnung angeordnet.
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Bei
einem Verfahren zum Herstellen einer Oszillator-Anordnung wird eine
integrierte Schaltung bereitgestellt. Weiterhin werden ein Trägerelement zum
Tragen der integrierten Schaltung und ein frequenzbestimmender Resonator
bereitgestellt. Ferner wird ein Montagerahmen, mittels welchem das
Trägerelement
und der frequenzbestimmende Resonator auf einem Oszillator-Trägerelement
montierbar ist, auf dem Trägerelement
aufgebracht derart, dass die integrierte Schaltung, der frequenzbestimmende Resonator
und der Montagerahmen auf derselben Seite der Oszillator-Anordnung
angeordnet werden.
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Ein
Aspekt der Erfindung kann anschaulich darin gesehen werden, dass
ein Rahmen, der Montagerahmen, auf derselben Seite angeordnet ist
wie der Resonator und die integrierte Schaltung. Der Rahmen wirkt
anschaulich als Abstandshalter zwischen der integrierten Schaltung
und dem Resonator und damit als Sockel für den Oszillator.
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Damit
ist die Oszillator-Anordnung ein Oberflächenmontierbares Bauteil (Surface
Mountable Device). Somit wird durch die Erfindung eine einfache und
kostengünstige
Montage eines Oszillators ermöglicht.
Die integrierte Schaltung wird somit bei der Montage auf dem Oszillator-Trägerelement „auf den Kopf" gestellt, so dass
die Haupt-Prozessierungsoberfläche des
die integrierte Schaltung enthaltenden Substrats auf die Haupt-Oberfläche des
Oszillator-Trägerelements
gerichtet ist und dieser gegenüberliegend
angeordnet ist in einem Abstand, der abhängig ist von der Dicke des
Montagerahmens.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung kann darin gesehen werden, dass der
Montagerahmen die integrierte Schaltung und gegebenenfalls vorgesehene zusätzliche
passive Schaltungskomponenten und/oder aktive Schaltungskomponenten
mechanisch schützt
und elektromagnetisch abschirmt.
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Noch
ein weiterer Vorteil ist die modulare Bauweise aus aktivem Teil/Träger/Sockel
und Resonator. Bei einem micromachined Resonator an chip liegt die
Frequenz der gesamten Schaltung fest, bei der modularen Bauweise
gemäß einem
Aspekt der Erfindung können
für unterschiedliche
Frequenzen verschiedene Resonatoren aufgesetzt werden.
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Der
frequenzbestimmende Resonator kann extern zu der integrierten Schaltung
vorgesehen sein.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist der frequenzbestimmende Resonator
als Hohlraumresonator eingerichtet.
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Weiterhin
kann der frequenzbestimmende Resonator neben seiner elektrischen
Funktion als Gehäuse
und Trägerelement
zum Tragen der integrierten Schaltung des Oszillators dienen.
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Durch
die Mehrfachfunktion des Gehäuses wird
eine erhebliche Volumeneinsparung und Gewichtseinsparung erreicht.
Ferner wird der Montageaufwand deutlich reduziert. Ein automatisierter und
dadurch kostengünstiger
Aufbau wird ermöglicht.
Weiterhin führt
der kompakte Aufbau zu einer verringerten Empfindlichkeit gegen
mechanische Vibrationen (Mikrofonie). Trotz der kostengünstigen Realisierung
ist ein Einsatz auch unter problematischen Umweltbedingungen möglich.
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Anschaulich
kann somit ein Aspekt einer Ausgestaltung der Erfindung darin gesehen
werden, dass der Resonator so ausgeführt wird, dass er neben seiner
elektrischen Funktion gleichzeitig als Träger für die integrierte Schaltung
fungiert und außerdem
das Gehäuse
oder einen wesentlichen Teil des Gehäuses bildet.
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Die
Oszillator-Anordnung kann eingerichtet sein als Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung.
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Weiterhin
kann der Resonator einen Körper aus
einem Dielektrikum aufweisen, an dessen Bodenfläche und an dessen Seitenflächen eine
vollständige
Metallisierung vorgesehen ist, und an dessen oberer Oberfläche ein
Bereich von der Metallisierung frei ist und Anschlussmöglichkeiten
bietet. Diese Bauform ist sehr kompakt und kostengünstig.
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Das
Dielektrikum ist gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung aus einem Material gebildet, welches
ausgewählt
ist aus der Gruppe der folgenden Materialien:
- • Keramiken
wie Aluminiumoxid, Magnesium-Titanat, Zirkonium-Zinn-Titanat oder Dibarium Nano-Titanat
und ähnliches,
- • Teflon-Material,
- • Hochfrequenz-Weichsubstrat,
- • Polyimid.
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Die
Schaltung kann ferner passive Schaltungskomponenten und/oder aktive
Schaltungskomponenten aufweisen, beispielsweise mindestens eine der
folgenden Schaltungskomponenten:
- • mindestens
einen Verstärker,
und/oder
- • mindestens
einen Filter, und/oder
- • mindestens
ein Phasenschieber-Element, und/oder
- • mindestens
einen Frequenzteiler, und/oder
- • mindestens
einen Phasenvergleicher.
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Durch
das Aufbringen solcher Schaltungskomponenten auf eine Oberfläche des
Resonators, wird die Kompaktheit der Oszillator-Anordnung weiter
verbessert und auch die spektrale Reinheit der erzeugten Schwingung
erhöht
durch optimal kurze Massewege.
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Die
integrierte Schaltung kann auf dem Resonator aufgeklebt sein. Allgemein
kann die integrierte Schaltung beispielsweise unter Verwendung einer der
folgenden Verbindungstechniken auf den Resonator aufgebracht werden:
- • Flipchip
kleben,
- • Flipchip
löten,
- • Beam
Lead kleben,
- • Beam
Lead löten,
- • Drahtbonden
mit einem Thermokompressionsverfahren oder mit einem reinen Kompressionsverfahren
wie beispielsweise unter Verwendung von Ball- oder Wedgebondtechniken.
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Die
integrierte Schaltung kann als Monolithic Microwave Integrated Circuit
(MMIC) oder als Dünnschicht-Oszillatorschaltung
ausgebildet sein.
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Weiterhin
kann die oberste Metallisierung aus einem Material gebildet sein,
welches ausgewählt
ist aus der Gruppe der folgenden Materialien:
- • Gold,
- • Kupfer,
- • Silber.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Oszillator-Trägerelement,
beispielsweise eine Leiterplatte, auf dem Montagerahmen montiert.
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Das
Trägerelement
kann mindestens einen elektrischen Masse-Anschluss aufweisen.
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Weiterhin
kann der Montagerahmen mindestens zwei aufeinander angeordnete Substrate
aufweisen, beispielsweise ein erstes Substrat und ein zweites Substrat.
Das erste Substrat der mindestens zwei Substrate kann mindestens
einen Signal-Anschluss
und mindestens einen Masse-Anschluss aufweisen. Das zweite Substrat
der mindestens zwei Substrate kann mindestens einen Signal-Anschluss aufweisen.
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Grundsätzlich kann
der Montagerahmen eine beliebige Anzahl von Substraten (beispielsweise eine
beliebige Anzahl von Schichten (auch bezeichnet als Multilayer-Struktur))
aufweisen und damit einen mehrlagigen Aufbau.
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Das
zweite Substrat kann auf dem Trägerelement
angebracht sein und das erste Substrat kann auf dem zweiten Substrat
angebracht sein, wobei der mindestens eine Masse-Anschluss des zweiten
Substrats mit dem mindestens einen Masse-Anschluss des Trägerelements
gekoppelt sein kann, und wobei der mindestens eine Signal-Anschluss
des zweiten Substrats mit dem mindestens einen Signal-Anschluss
des ersten Substrats gekoppelt sein kann.
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Weiterhin
kann der mindestens eine Signal-Anschluss des ersten Substrats mit
der integrierten Schaltung gekoppelt sein.
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Anschaulich
bedeutet dies, dass mindestens ein Signal-Anschluss des Oszillator-Trägerelements mit
dem mindestens einen Signal-Anschluss des zweiten Substrats gekoppelt
ist und dass mindestens ein Masse-Anschluss des Oszillator-Trägerelements mit
dem mindestens einen Masse-Anschluss des zweiten Substrats gekoppelt
ist. Damit wird das von dem Resonator erzeugte und dem Trägerelement
zugeführte
Oszillatorsignal mittels der Signal-Anschlüsse von dem Trägerelement
zu dem zweiten Substrat und darüber
zu dem Oszillator-Trägerelement übertragen,
und das auf einfache Weise in dem Montagerahmen.
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Ferner
sind sowohl das Trägerelement
und damit gegebenenfalls der Resonator, das zweite Substrat und
das Oszillator-Trägerelement
geerdet, beispielsweise mittels der Masse-Anschlüsse in dem zweiten Substrat
und in dem Trägerelement,
welche durch den Montagerahmen hindurch miteinander gekoppelt sind.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Substrat mindestens
eine Schaltungsstruktur auf, wobei die mindestens eine Schaltungsstruktur
passive Schaltungskomponenten und/oder aktive Schaltungskomponenten
aufweisen kann, beispielsweise mindestens ein Phasenschieber-Element.
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Das
mindestens eine Phasenschieber-Element kann mindestens eines der
folgenden Elemente aufweisen:
- • eine bond-programmierbare
Umwegleitung, und/oder
- • einen
abstimmbaren Filter, und/oder
- • einen
abstimmbaren Koppler.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
Ansicht von seitlich oben auf eine Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
Querschnittansicht der Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung gemäß 1 entlang der
Schnittlinie B'-B';
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3 eine
Querschnittansicht der Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung gemäß 1 entlang der
Schnittlinie C'-C';
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4 eine
schematische Draufsicht auf eine Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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5 eine
Explosionsdarstellung der Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung gemäß 1 von oben;
und
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6 eine
Explosionsdarstellung der Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung gemäß 1 von
unten.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau einer Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Die
Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung 100 weist auf einen Schaltungs-externen
Hohlraumresonator 101 für
den Mikrowellenbereich, gemäß diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Hohlraumresonator 101, einen Montagerahmen 102 sowie eine
Leiterplatte 301 (in 1 nicht
dargestellt). Ferner ist mindestens eine integrierte Schaltung 103,
in diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zwei integrierte Schaltungen 103, in der
Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung 100 vorgesehen. Allgemein
kann eine beliebige Anzahl von integrierten Schaltungen 103 in
der Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung 100 vorgesehen
sein.
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Der
Hohlraumresonator 101 bildet gleichzeitig den Gehäuseboden
(im Endprodukt der Gehäusedeckel).
Er weist auf oder besteht aus einem Dielektrikum (z.B. aus Keramik
(beispielsweise aus einer Dünnschichtkeramik
oder einer LTCC-Keramik (Low Temperature Cofired Ceramic, Niedertemperatur-Einbrand-Keramik)), alternativ
aus Al2O3, in einer anderen
alternativen Ausführungsform
aus einem Teflon-Material) und ist außen, d.h. an der gesamten Oberfläche des
Dielektrikum-Körpers
fast vollständig metallisiert.
In alternativen Ausführungsformen
ist der Hohlraumresonator 101 aus einem Hochfrequenz-Weichsubstrat (beispielsweise
eine rundum metallisierte Platine oder auch ein durch VIA-Verbindungen
ummetallisierter Platinenausschnitt aus Hydrocarbon-Keramik oder
PTFE-Keramik Verbund) hergestellt oder als Polyimid-Multilayer-Struktur ausgebildet.
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Die
Metallisierung 104 (z.B. Vergoldung, alternativ kann beispielsweise
bei Verwendung von einem Teflon-Material als Dielektrikum Kupfer
verwendet werden, gemäß einer
anderen alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen,
Silber als Metallisierung zu verwenden) ist nur an einer Stelle für die Einkopplung 105 unterbrochen.
Anschaulich ist der Hohlraumresonator 101 von der Metallisierung 104 ummantelt,
anders ausgedrückt,
der gesamte Boden des Dielektrikum-Körpers sowie alle Seitenflächen des
Dielektrikum-Körpers
sind vollständig
metallisiert. Lediglich auf der dem Boden des Dielektrikum-Körpers abgewandten
Oberseite des Dielektrikum-Körpers
ist ein Bereich frei von der Metallisierung 104.
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Damit
ist der Hochfrequenz-Oszillator anschaulich als Reflexions-Oszillator
ausgestaltet, d.h. als 1-Tor-Oszillator.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist der Hochfrequenz-Oszillator anschaulich als Transmissions-Oszillator ausgestaltet,
d.h. als 2-Tor-Oszillator. In diesem Fall ist die Metallisierung 104 an
zwei Stellen für
die Einkopplung 105 unterbrochen.
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Auf
der Oberseite des Resonators 101 wird der aktive Teil,
anders ausgedrückt
das oder die aktive(n) Element(e), des Oszillators – hier realisiert
als integrierte Mikrowellenschaltung – aufgebracht, beispielsweise
aufgeklebt oder aufgelötet.
Die integrierten Schaltungen 103 können neben dem Oszillatorkern
auch noch weitere Schaltungsteile wie Trennverstärker oder einen digitalen Frequenzteiler
enthalten. Ein erster Bondraht 106 stellt die Verbindung zwischen
Oszillatorkern, anders ausgedrückt
der integrierten Schaltung 103, und Einkopplung 105 dar. Es
ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass der aktive Teil des
Oszillators in einer alternativen Ausführungsform als Dünnschicht- Oszillatorschaltung
eingerichtet ist.
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Durch
das Dielektrikum ist eine sehr kompakte und damit kleine Form des
Hohlraumresonators 101 ermöglicht. Anschaulich wird das
Feld in dem Hohlraumresonator 101 über kapazitive Sonden oder
induktive Sonden angekoppelt. Hierfür können Leiterstücke in dem
Resonatorinneren oder isolierte Koppelflächen vorgesehen werden.
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Anschaulich
kann das Wirkprinzip des Hohlraumresonators 101 darin gesehen
werden, dass ein metallisch geschlossener Hohlraum von einer stehenden
elektromagnetischen Welle ausgefüllt
wird, wobei die Frequenz in erster Linie von der Geometrie des Körpers abhängt (Resonanzfrequenz).
Durch die hohe Güte
dieses Resonators erreicht man eine hohe spektrale Reinheit der
Schwingung bei Frequenzen, die von den bisher bekannten Oszillatorkonzepten (beispielsweise
dielektrischer Resonator, YIG) nur mit sehr großem Aufwand, wenn überhaupt,
erreicht werden kann. Der Hohlraumresonator 101 dient somit
als Gehäuse
oder Träger
der gesamten Schaltung.
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Es
ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass zusätzlich zu
den Sonden aktive Schaltungskomponenten oder passive Schaltungskomponenten
auf der Oberfläche
des Hohlraumresonators 101 aufgebracht sein können. Geeignet
zum Bereitstellen der Funktion des Oszillators sind beispielsweise
Verstärker,
Filter, Phasenschieber, welche auf der Oberfläche des Hohlraumresonators 101 aufgebracht
sein können.
Weiterhin können
zusätzliche
Schaltungskomponenten wie beispielsweise Frequenzteiler, Phasenvergleicher
und andere Schaltungskomponenten zur Signalaufbereitung auf der Oberfläche des
Hohlraumresonators 101 aufgebracht sein.
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Die
Schaltungskomponenten und/oder die integrierte Schaltungen 103 können unter
Verwendung einer der folgenden Verbindungstechniken auf die Oberfläche des
Hohlraumresonators 101 aufgebracht werden:
- • Flipchip
kleben,
- • Flipchip
löten,
- • Beam
Lead kleben,
- • Beam
Lead löten,
- • Drahtbonden
mit einem Thermokompressionsverfahren oder mit einem reinen Kompressionsverfahren
wie beispielsweise unter Verwendung von Ball- oder Wedgebondtechniken.
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Die
Grundfläche
des Hohlraumresonators 101 beträgt gemäß dieser Ausführungsform
ca. 6 mm·ca.
5 mm für
eine Resonanzfrequenz von ungefähr
10 GHz bei einer relativen Dielektrizitätskonstante εr = 20.
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Wie
in 1 dargestellt ist, ist auf der Oberseite des Hohlraumresonators 101 ein
Montagerahmen 102, allgemein ein Rahmen, aufgebracht. Innerhalb
des Montagerahmens 102 liegen, wie im Folgenden noch näher erläutert wird,
geschützt
passive Schaltungskomponenten und aktive Schaltungskomponenten.
In der Wand des Montagerahmens 102 verlaufen elektrische
Signalverbindungen und elektrische Masseverbindungen. Der Montagerahmen 102 kann
vollständig
entlang dem gesamten Umfang des Hohlraumresonators 101 verlaufen,
gegebenenfalls mit einer oder mehreren Unterbrechungen, so dass der
Montagerahmen 102 anschaulich auch aus einer Mehrzahl separater
Stützstrukturen
gebildet werden kann.
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Anders
ausgedrückt
stellt der Montagerahmen 102 einen Sockel für den Hohlraumresonator 101 dar.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist der Montagerahmen 102 mindestens zwei
Substrate auf. Es ist darauf hinzuweisen, dass in einer alternativen
Ausführungsform
nur genau ein Substrat den Montagerahmen 102 bildet.
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Ein
erstes Substrat 108, im Folgenden auch bezeichnet als Rahmen-Substrat,
stellt anschaulich den eigentlichen Rahmen des Montagerahmens 102 dar.
Das erste Substrat 108 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zwischen 200 μm
und 500 μm,
beispielsweise ungefähr
250 μm dick.
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Ein
zweites Substrat 109, im Folgenden auch bezeichnet als
Signal-Substrat, ist auf der Oberfläche des Hohlraumresonators 101 angeordnet,
anders ausgedrückt
auf derselben Seite wie die integrierten Schaltungen 103 und
gegebenenfalls die anderen Schaltungskomponenten und die Einkopplung 105. Das
zweite Substrat 109 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zwischen 50 μm
und 400 μm,
beispielsweise ungefähr
250 μm dick.
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Das
Signal-Substrat 109 weist eine Durchgangsöffnung 110 auf,
welche derart ausgebildet ist, dass die integrierten Schaltungen 103 und
die gegebenenfalls zusätzlich
vorgesehenen Schaltungskomponenten auf dem Hohlraumresonator 101 bei
auf der Oberfläche
desselben aufgebrachtem Signal-Substrat 109 in dem Bereich
der Durchgangsöffnung 110 liegen
und damit weiterhin freiliegen. Auf dem Signal-Substrat 109 sind
aktive Schaltungskomponenten und/oder passive Schaltungskomponenten 111 wie
beispielsweise aus Gold hergestellte Streifenleitungen (beispielsweise
Streifenleitungen aus Gold mit einem Wellenwiderstand von beispielsweise 50 Ω und mit
einer Schichtdicke von ungefähr
5 μm) aufgebracht.
Weiterhin sind auf dem Signal-Substrat 109 erste Bond-Flächen 114 vorgesehen,
mittels welcher, wie im Folgenden noch näher erläutert wird, einerseits eine
elektrische Kopplung mit den integrierten Schaltungen 103 auf
dem Hohlraumresonator 101 und andererseits mit einer elektrisch
leitfähigen Verbindungsstruktur
in dem Rahmen-Substrat 108 bereitgestellt wird.
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Das
Signal-Substrat 109 weist ferner mindestens ein Durchgangsloch 201,
auch bezeichnet als Kontaktloch (Via), welches mit elektrisch leitfähigem Material
gefüllt
ist, beispielsweise mit Aluminium, Kupfer oder Wolfram oder einer
geeigneten Metalllegierung, auf.
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Das
Vorsehen von aktiven Schaltungskomponenten und/oder passiven Schaltungskomponenten 111 auf
dem Signal-Substrat 109, anders ausgedrückt das Unterbringen beispielsweise
von Schaltungsstrukturen auf dem Signal-Substrat 109 hat
beispielsweise folgende Vorteile:
- • Es wird
kein zusätzlicher
Platz benötigt,
da dieser ohnehin vorhanden ist und da die Gesamtfläche der
Oszillator-Anordnung 100 durch die geometrische Hohlraumgröße vorgegeben
ist.
- • Ferner
sind für
den Oszillator phasenschiebende Elemente wünschenswert, welche üblicherweise zu
groß sind,
um als integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC, Monolithic Microwave
Integrated Circuit) realisiert zu werden. Ein phasenschiebendes Element
ist beispielsweise eine bondprogrammierbare Umwegleitung, ein abstimmbares
Filter oder ein Koppler mit abstimmbaren reaktiven Elementen.
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Auf
dem Signal-Substrat 109 ist auf der dem Hohlraumresonator 101 abgewandten
Seite des Signal-Substrats 109 das Rahmen-Substrat 108 aufgebracht.
Das Rahmen-Substrat 108 weist auf der dem Signal-Substrat 109 abgewandten
Seite Signal-Anschlüsse 112 (auch
bezeichnet als Signal Pads) und Masse-Anschlüsse 113 (auch bezeichnet
als Masse Pads) auf. Ferner ist in dem Rahmen-Substrat 108 unterhalb
eines jeden Signal-Anschlusses 112 ein
Signal-Durchgangsloch 202 (Via) vorgesehen, welches, wie
auch das Durchgangsloch 201 in dem Signal-Substrat 109,
mit einem elektrisch leitfähigen
Material gefüllt
ist, beispielsweise mit einem der oben genannten Materialien. Weiterhin
ist in dem Rahmen-Substrat 108 unterhalb eines jeden Masse-Anschlusses 113 ein
Masse-Durchgangsloch 203 (Via) vorgesehen,
welches, wie auch das Durchgangsloch 201 in dem Signal-Substrat 109,
mit einem elektrisch leitfähigen
Material gefüllt
ist, beispielsweise mit einem der oben genannten Materialien. Die
zum Füllen der
Durchgangslöcher 201, 202, 203 jeweils
verwendeten Materialien können
gleich oder auch verschieden sein.
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Die
Durchgangslöcher 201 des
Signal-Substrats 109 kontaktieren bei auf dem Hohlraumresonator 101 aufgebrachtem
Signal-Substrat 109 die
Metallisierung 104.
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Wenn
das Rahmen-Substrat 108 auf dem Signal-Substrat 109 montiert
ist, ist das Rahmen-Substrat 108 auf dem Signal-Substrat 109 derart
angeordnet und sind die Durchgangslöcher 201, 202, 203 derart
zueinander angeordnet und eingerichtet, dass sich jeweils ein Masse-Durchgangsloch 203 des Rahmen-Substrats 108 über einem
Durchgangsloch 201 des Signal-Substrats 109 befindet, so
dass sich eine durchgängige
elektrische Verbindung ausgehend von einem jeweiligen Masse-Anschluss 113 entlang
einem entsprechenden Masse-Durchgangsloch 203 und
einem damit verbundenen Durchgangsloch 201 in dem Signal-Substrat 109 bis
zu der Metallisierung 104 ergibt. Weiterhin befindet sich
in diesem Fall jeweils ein Signal-Anschluss 112 über einer jeweiligen
ersten Bond-Fläche 114 des
Signal-Substrats 109. Zumindest ein Teil der ersten Bond-Flächen 114 ist
mittels eines jeweiligen zweiten Bonddrahts 107 mit einer
jeweiligen integrierten Schaltung 103 elektrisch verbunden.
Auf diese Weise ist eine durchgängige
elektrische Verbindung bereitgestellt ausgehend von dem Signal-Anschluss 202 entlang
einem entsprechenden Signal-Durchgangsloch 203,
einer jeweiligen ersten Bond-Fläche 114 und
einem jeweiligen zweiten Bonddraht 107 zu der jeweiligen
integrierten Schaltung 103 bereitgestellt.
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Um
sowohl eine elektrische Kontaktierung einer ersten Bond-Fläche 114 mit
einem zugeordneten Signal-Durchgangsloch 203 einerseits
und ein Bonden eines zugeordneten zweiten Bonddrahts 107 zu
ermöglichen
liegt ein Teil der ersten Bond-Fläche 114 jeweils
selbst bei auf dem Signal-Substrat 109 montierten Rahmen-Substrat 108 frei,
so dass der jeweilige zweite Bonddraht 207 auf dem freiliegenden Teil
der ersten Bond-Fläche 114 gebondet
werden kann. Der andere Teil der ersten Bond-Fläche 114 erstreckt
sich unterhalb des montierten Rahmen-Substrats 108 bis
zu einem jeweiligen zugeordneten Signal-Durchgangsloch 203 in
dem Rahmen-Substrats 108 (vgl. 3).
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Weiterhin
ist in der Oszillator-Anordnung 100 eine integrierte Schaltung 103 mittels
eines dritten Bonddrahts 115 mit einer Streifenleitung 111 auf
dem Signal-Substrat 109 verbunden.
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Ein
vierter Bonddraht 116 ist vorgesehen zum Verbinden einer
Einkopplung 105 mit einer anderen Streifenleitung 111 auf
dem Signal-Substrat 109.
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Weiterhin
können
mittels fünfter
Bonddrähte 117 unterschiedliche
Streifenleitungen 111 auf dem Signal-Substrat 109 miteinander
verbunden werden, um beispielsweise eine gewünschte Phasenverschiebung zu
erreichen.
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Wie
in 3 dargestellt ist wird die Oszillator-Struktur
aus Hohlraumresonator 101, Signal-Substrat 109 und
Rahmen-Substrat 108 "auf
den Kopf gestellt" und
mit dem Rahmen-Substrat 108 zuerst auf die Leiterplatte 301 gesetzt
und montiert. Damit wird anschaulich auch die Oberseite des Hohlraumresonators 101,
auf dem sich die Einkopplung 106 und die integrierte Schaltungen 103 befinden,
umgedreht, anders ausgedrückt, "nach unten" gedreht. In umgedrehter
Orientierung und damit mit dem Rahmen-Substrat 108 zuerst
wird der Oszillator auf die Leiterplatte 301, allgemein
auf das Oszillator-Trägermaterial,
montiert.
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Es
ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass unter einem Montagerahmen
im Rahmen dieser Erfindung eine beliebige Struktur zu verstehen ist,
welche auf dem Hohlraumresonator 101 auf derselben Seite
wie die integrierten Schaltungen 103 montiert ist und als
Abstandshalter dient zwischen dem Hohlraumresonator 101 und
dem Oszillator-Trägermaterial,
so das der Oszillator auf einfacher Weise mit geringem Montageaufwand
montiert werden kann, beispielsweise auf einer Leiterplatte unter
Verwendung von SMD-Techniken (Surface Mounted Devices).
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Der
Montagerahmen 102 gemäß dem oben beschriebenen
Ausführungsbeispiel
wird anschaulich mehrfach genutzt. In vertikaler Richtung können in
dem Montagerahmen 102, wie oben beschrieben, elektrische
Leiter eine Masseverbindung zwischen dem Hohlraumresonator 101 und
dem Trägermaterial,
beispielsweise der Leiterplatte 301, sowie eine Signalverbindung
zwischen den aktiven Schaltungsteilen (integrierte Schaltungen und/oder
zusätzliche Schaltungskomponenten)
und dem Trägermaterial, beispielsweise
der Leiterplatte 301, herstellen.
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Der
Montagerahmen 102 kann auch mehrlagig ausgeführt werden.
Dadurch wird der entstehende Hohlraum, in dem sich die integrierten
Schaltungen 103 und die zusätzlichen Schaltungskomponenten
befinden, um ein Substrat, beispielsweise das oben beschriebene
Signal-Substrat 109, erweitert. Auf diesem Substrat finden
passive Schaltungskomponenten und/oder aktive Schaltungskomponenten Platz
bzw. sind dort vorgesehen. Ferner wird das Signal-Substrat 109 verwendet
zur Aufnahme der ersten Bond-Fläche 114,
die, wie oben beschrieben, einen unter dem Rahmen-Substrat 108 teilweise
verdeckten Anschluss zur Signalverbindung herstellt.
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Die
Unterseite des Rahmen-Substrats 108 wird als Kontaktfläche zum
Oszillator-Trägermaterial 301 verwendet.
Die als Metallflächen
ausgestalteten Signal-Anschlüsse 112 und
Masse-Anschlüsse 113 ermöglichen
den Einsatz einer SMD-Montagetechnik zum
Verbinden des Rahmen-Substrats 108 mit dem Oszillator-Trägermaterial 301,
beispielsweise der Leiterplatte 301. Im Rahmen einer SMD-Montage können beliebige
Verfahren eingesetzt werden wie beispielsweise Reflow-Löten oder
Vapor Phase-Löten.
Die Durchgangslöcher,
anders ausgedrückt
die Durchführungen
durch das Signal-Substrat 109 und das Rahmen-Substrat 108 hindurch
zu dem Trägermaterial 301, beispielsweise
der Leiterplatte 301, welche als Hochfrequenz-Platine eingerichtet
sein kann, werden beispielsweise impedanzkontrolliert ausgeführt und
erlauben einen problemlosen und industriell weitverbreiteten Einsatz
als SMD-Bauteil.
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Wie
oben beschrieben wurde werden die integrierten Schaltungen 103 und
die zusätzlichen Schaltungskomponenten
durch den Montagerahmen 102 geschützt. Das Material des Montagerahmens 102 ist
dielektrisch und kann aus demselben Material bestehen wie der Hohlraumresonator 101,
d.h. beispielsweise aus Keramik (beispielsweise aus einer Dünnschichtkeramik
oder einer LTCC-Keramik
(Low Temperature Cofired Ceramic, Niedertemperatur-Einbrand-Keramik)),
alternativ aus Al2O3,
in einer anderen alternativen Ausführungsform aus einem Teflon-Material).
In alternativen Ausführungsformen ist
der Montagerahmen 102 aus einem Hochfrequenz-Weichsubstrat
hergestellt oder als Polyimid-Multilayer-Struktur ausgebildet.
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Durch
diesen Montagerahmen 102 erschließen sich beispielsweise folgende
Möglichkeiten:
- • Es
wird ein Vergießen
der Schaltung ermöglicht.
- • Es
wird durch einen gegebenenfalls zusätzlich vorgesehenen Deckel
das Herstellen einer hermetisch dichten Packung ermöglicht,
wobei die Montage des Deckels erfolgen kann mittels Klebens, Lötens oder
Schweißens,
und wobei der Deckel hergestellt werden kann aus einem Metall oder
aus einer Keramik.
- • Via-Verbindungen
innerhalb des Montagerahmens 102 dienen der Abschirmung
der Schaltung gegen ungewünschte
Ausstrahlung und Einstrahlung.
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Für den Fall
der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei denen
der Montagerahmen 102 einen mehrlagigen Aufbau aufweist, ergeben
sich folgende weitere Möglichkeiten:
- • Es
können
aktive Schaltungsteile oder Schaltungskomponenten auf den vorgesehenen
Zwischenschichten, beispielsweise auf dem Signal-Substrat 109 vorgesehen
sein.
- • Es
wird eine impedanzkontrollierte Signalführung an die Oberseite des
Montagerahmens 102, beispielsweise an die freiliegende
Oberseite des Rahmen-Substrats 108 ermöglicht. Um den Oszillator nach
außen
hin anzuschließen,
können
in dem Montagerahmen 102 Signal-Verbindungen bzw. Masse-Verbindungen
nach außen
geführt werden.
Die Signal-Verbindungen bzw. Masse-Verbindungen können realisiert
werden als Vias, als geschnittene Vias, als hochgezogene Außenmetallisierung
an einer Außenseite
des Montagerahmens 102 oder als hochgezogene Innenmetallisierung
an einer Innenseite des Montagerahmens 102.
- • Es
können
passive Schaltungsteile oder Schaltungskomponenten auf den vorgesehenen
Zwischenschichten, beispielsweise auf dem Signal-Substrat 109,
welches beispielsweise aus LTCC hergestellt ist, vorgesehen sein,
wie beispielsweise eine variable Umwegleitung, abstimmbar durch
Drahtbonds, eine Leitungsnachbildung oder ein Filter, beispielsweise
ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter oder ein Allpassfilter.
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Orientiert
man, wie oben beschrieben wurde, die in 1 dargestellte
Struktur mit dem Montagerahmen 102 nach unten (vgl. 3),
so können
auf der (vor der Montage auf dem Trägermaterial 301) freiliegenden
Unterseite des Montagerahmens 102 Anschluss-Pads angebracht
werden. Die Oberseite des Oszillators ist glatt und kann beschriftet
werden. Es ergibt sich somit ein industrieübliches SMD-Bauteil.
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Als
SMD-Technik zum Verbinden der in 1 dargestellten
Struktur mit dem Trägermaterial 301 kann
beispielsweise ein Pick-and-Place-Verfahren eingesetzt werden, gefolgt
von einem Klebeverfahren oder einem Lötverfahren, wobei zum Kleben beispielsweise
ein elektrisch leitfähiger
Epoxy-Kleber verwendet werden kann. Als Lötverfahren können, wie
oben beschrieben, Reflow-Löten
oder Vapor Phase-Löten
eingesetzt werden.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der beschriebenen Strukturen ist in der Möglichkeit
des Bereitstellens von normierten Footprints zu sehen; eine Anlehnung an
Industrienormen wie beispielsweise JEDEC ist ebenso ermöglicht wie
die Etablierung eines eigenen angepassten Footprints.
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Die
Dimensionierung der gesamten SMD-Struktur entspricht ungefähr der Größe des Hohlraumresonators 101.
Ein Beispiel für
eine mögliche
Grundfläche
des Hohlraumresonators 101 sind 6 mm·5 mm für eine Resonanzfrequenz von
ungefähr 10
GHz bei einem εr
= 20.
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Die
vorgesehenen Anschlüsse
sind normalerweise Oszillatorausgang und Betriebspannungszuführung. Im
Falle von elektrisch abstimmbaren Oszillatoren dient ein weiterer
Anschluss zur Zuführung der
dann erforderlichen Abstimmspannung.
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4 zeigt
eine schematische Draufsicht auf eine Oszillator-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Weiterhin
zeigt 5 eine Explosionsdarstellung der Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung
gemäß 1 von
oben.
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6 zeigt
eine Explosionsdarstellung der Hochfrequenz-Oszillator-Anordnung gemäß 1 von
unten.
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Wie
in 6 dargestellt ist, weist das Rahmen-Substrat 108 untere
Signal-Anschlüsse 601 und untere
Masse-Anschlüsse 602 auf.
Ferner weist das Signal-Substrat 109 untere Masse-Anschlüsse 603 auf.