DE102009018880A1

DE102009018880A1 - Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen integrierten Schaltkreisen und/oder Schaltungsplatinen

Info

Publication number: DE102009018880A1
Application number: DE102009018880A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof. Dr.tech. Dr.h.c. Russer; Hristomir Yordanov
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Schaltung mit zwei oder mehreren Masseflächen dadurch gekennzeichnet, dass die Masseflächen sowohl als Bezugsmasse für darauf oder darunter angeordnete elektrische und elektronische Schaltungen wirken als auch als Antennenelemente, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungen auf oder unter den einzelnen Masseflächen und/oder die Masseflächen durch zwei oder mehrere Leiter miteinander verbunden sind, wobei zu jeder Untereinheit bestehend aus einer Massefläche und den jeweils darunter oder darüber angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Schaltungen sowohl Signalströme fuhren, welche nicht zu einer Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung durch die Antennenelemente führen, als auch Antennenansteuerströme führen, wobei die Signalströme dadurch gekennzeichnet sind, dass die Summe aller Ströme, welche über alle in eine Untereinheit bestehe aus einer Grundelektrode und den darauf und/oder darunter angeordneten Schaltungseinheiten hineinfließen, die Summe gleich Null hat und das zusätzlich in jede Untergruppe bestehend aus einer Antennenelektrode und den darauf oder darunter angeordneten elektrischen und elektronischen Schaltungen ein Antennenstrom fließt, welcher gleich der Summe der...

Description

Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung zwischen integrierten Schaltkreisen und/oder Schaltungsplatinen. Mit der Steigerung der Integrationsdichte auf integrierten Schaltkreisen stößt die breitbandige Informationsübertragung zwischen Teilbereichen der integrierten Schaltungen bzw. von einer integrierten Schaltung auf eine andere integrierte Schaltung zunehmend auf Schwierigkeiten, da bei der leitergebundenen Informationsübertragung ein erheblicher Flächenbedarf entsteht und Probleme aufgrund der Signalüberkopplungen zwischen den einzelnen Leitern auftreten. Ein Lösungsansatz zur Überwindung dieser Schwierigkeiten besteht darin, von einem integrierten Schaltkreis zu einem anderen integrierten Schaltkreis oder zu einem anderen Teilbereich des gleichen integrierten Schaltkreises oder zwischen integriertem Schaltkreis und Leiterplatinen bzw. zwischen zwei Leiterplatinen Information drahtlos zu übertragen. Bei der drahtlosen Informationsübertragung können Antennen auf monolithisch integrierte Schaltkreise mitintegriert werden. Das ist insbesondere bei hohen Trägerfrequenzen im Millimeterwellenbereich möglich, wo die Antennendimensionen so klein werden, dass sich auch auf Halbleiterschaltkreisen Antennen realisieren lassen. Monolithisch integrierte Antennen auf Silizium-Substraten für Millimeterwellenanwendungen wurden zum Beispiel in der Druckschrift J40 ”P. Russer, 'Si and SiGe millimeter-wave integrated circuits,' IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, vol. 46 no. 5, May 1998, pp. 590-603” beschrieben. Problematisch ist dabei, dass integrierte Antennen im Vergleich zu den elektronischen Schaltungen einen relativ hohen Flächenbedarf haben. Das ist nachteilig, da die Kosten eines monolithisch integrierten Halbleiterbauelementes proportional mit dessen Fläche wachsen. Zur Umgehung dieses Nachteils wird im folgenden erfindungsgemäß vorgeschlagen, die für die Antennenelemente verwendeten Flächen auf dem integrierten Schaltkreis auch für die Schaltungen zu nutzen. Dabei dienen die Antennen als Masseflächen für die Schaltungen, so dass für die Antennenelemente kein zusätzlicher Flächenbedarf entsteht. Diese Doppelausnutzung der Flächenelemente ist dadurch möglich, dass die einzelnen Bereiche des integrierten Schaltkreises sowohl in einem sogenannten Antennenmodus als auch in einem sogenannten Schaltungs- bzw. Übertragungsleitungsmodus angeregt werden können. Gegenstand der Erfindung sind Antennen- und Schaltungsstrukturen, die diese unterschiedlichen Anregungen ermöglichen, und zwar in der Weise, dass die Verkopplung von Antennenmodi und Schaltungsmodi begrenzt bleibt.
1 zeigt schematisch eine beispielhafte Realisierung einer erfindungsgemäßen Anordnung. 1a ist die Ansicht von oben auf einen integrierten Schaltkreis 1 mit vier Metallisierungsflächen 11, 12, 13 und 14 dargestellt. 1b zeigt die Querschnittsansicht, wobei der integrierte Schaltkreis zuoberst zwei Metallisierungsflächen 11 und 12 aufweist. Darunter folgt eine Schicht von einer Dicke von 8 bis 10 Mikrometer aus niederohmigem Silizium-Material mit eingebetteten Halbleiterbauelementen, z. B. CMOS-Bauelementen und eingebetteten Leitungsstrukturen. Darunter folgt das hochohmige Silizium-Substrat mit einer Dicke von etwa 500 Mikrometer. Zuunterst folgt eine durchgehende Metallisierungsebene 4. Eine schematische Darstellung der Schaltungsebene ist in 2 zur Verdeutlichung angegeben. Dabei sind Verbindungsleitungsstrukturen 21, die sich in jeweils einer Ebene befinden, Durchkontaktierungsstrukturen 22 und aktive Bauelemente 23 eingezeichnet. Der innere Aufbau der Schaltungsschicht 2 entspricht den Mehrlagenstrukturen in Halbleiterbauelementen, z. B. CMOS-Schaltkreisen, wie sie zum Beispiel in der Druckschrift ”T. Lee, 'The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits', 2. Auflage, Cambridge University Press, Cambridge 2004” beschrieben werden. Schaltungen und Verbindungsleitungen sind dabei in bekannter Weise in niederohmiges Silizium mit einem spezifischen Widerstand von einigen 10 Ohm-cm eingebettet. Das Silizium-Substrat mit einer Dicke von einigen 100 Mikrometer besteht aus hochohmigem Silizium mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1000 Ohm-cm oder darüber. Für die elektronischen Schaltungen in Schicht 2 dienen die leitenden Flächenelemente 11, 12, 13 und 14 als Masse. Schichtaufbau und Funktion entsprechen hier vorbekannten CMOS Schaltungen. Die elektromagnetischen Felder dieser Schaltungen sind im wesentlichen innerhalb der Schicht 2 konzentriert. Die erfindungsgemäße Anordnung unterscheidet sich von vorbekannten Anordnungen dadurch, dass die Masseschicht für die Schaltungen in Teile 11, 12, 13, 14 segmentiert ist. Zwei Masseflächen 11 und 12 lassen sich dabei als Dipolantenne verwenden, indem, wie in 2 dargestellt, zwischen dem Leiterelementen 11 und 12 mit Hilfe einer Stromquelle 15 ein Strom eingeprägt wird. Dabei bilden die Elemente 11 und 12 gemeinsam eine Dipolantenne. Bei der Anregung der Elemente der Dipolantenne über die Stromquelle 15 entsteht ein elektromagnetisches Feld, welches nicht auf die Schicht 2 begrenzt ist, sondern sich nach unten über die gesamte Tiefe der Schicht 3 ausbreitet und nach oben in den freien Raum.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, auf Schaltungen die Masseflächen zu teilen und sowohl als Masseflächen für Teilschaltungen zu verwenden als auch als strahlende Elemente von Antennenstrukturen. Die einzelnen Masseflächen werden dabei so angesteuert, dass ein zwischen zwei Masseflächen fließender Strom diese Massenflächen zur Aussendung von Strahlung anregt oder aber einfallende Strahlung einen zwischen jeweils zwei Masseflächen fließenden Strom bzw. eine zwischen diesen Masseflächen auftretende Spannung hervorruft. Durch einen hinreichend geringen Abstand der Schaltelemente von den Masseflächen oberhalb oder unterhalb derer die jeweiligen Schaltelemente angeordnet sind kommt es zu einer vernachlässigbaren Anregung von Störsignalen innerhalb der Teilschaltungen durch einfallende elektromagnetische Wellen. Sind die Schaltungen auf oder unter den jeweiligen Masseflächen miteinander durch mehrere elektrische Leiter verbunden, so werden Masseflächen zur Strahlung angeregt, wenn die Summe aller Ströme zwischen jeweils zwei Masseflächen ungleich Null ist. Ströme, die in die Schaltungen oberhalb bzw. unterhalb einer Massefläche fließen, führen zu keiner Strahlungsanregung, wenn die Summe der in die Schaltungen unterhalb oder oberhalb der Massefläche gleich Null ist. Diese Aufteilung der Ströme einer Mehrleiteranordnung in Leitungsströme, die nicht zu einer Abstrahlung führen, und Antennenströme, die zu einer Abstrahlung führen, wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um einerseits die Schaltungen unterhalb bzw. oberhalb der verschiedenen Masseflächen so miteinander zu verbinden, dass eine Signalübertragung zwischen den oberhalb bzw. unterhalb der voneinander isolierten Masseflächen angebrachten Teilschaltungen möglich ist, ohne dass es zu einer Abstrahlung dieser Signale kommt bzw. ohne dass einfallende elektromagnetische Felder zu einer unerwünschten Einkopplung vom Signalen in die Schaltungen führen. Andererseits können Antennenmoden angeregt werden, welche zu einer elektromagnetischen Abstrahlung von Signalen über die Masseflächen, welche nunmehr als Antennenflächen dienen, führen bzw. es können Signale als Empfangssignale einfallender elektromagnetischer Strahlung wunschgemäß aus den Antennenmoden ausgekoppelt werden.
3 zeigt die schematische Darstellung des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Anordnung. Auf zwei Masseflächen 31 und 32 sind Quellen Q1, ..., QM, QM + 1, ..., QM angeordnet, die über Doppelleitungen mit Schaltungseingängen E1, ..., EM, EM + 1, ..., EN auf der gegenüberliegende Massefläche verbunden sind. Jede Quelle Q1, ..., QM, QM + 1, ..., QN ist mit einem zugeordneten Schaltungseingang E1, ..., EM, EM + 1, ..., EN auf der anderen Massefläche über eine Doppelleitung L1, ..., LM, LM + 1, ..., LN verbunden, wobei die Ströme auf beiden Leitern einer jeden Doppelleitung jeweils entgegengesetzt gleich groß sind. Das hat zur Folge, dass keine Strahlung der Masseelemente angeregt wird, obwohl eine Signalübertragung in beiden Richtungen möglich ist. Zusätzlich wird über eine Quelle QA ein Antennenmodus angeregt, der zu einer Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung von den beiden Masseflächen, welche über die Quelle QA angeregt werden, auftritt. Eine Verkopplung zwischen den Leitungsmoden auf den Leitungen L1, ..., LM, LM + 1, ..., LN und dem Antennenmodus, welcher über QA angeregt wird, tritt nicht auf. Ebenso kann die Anordnung aus den beiden Masseflächen als Emp fangsantenne ausgenutzt werden, wenn zwischen den beiden Masseelektroden ein Empfangssignal abgegriffen wird, wobei ein Empfangssignal ebenfalls nicht auf die Signalleitungen L1, ..., LM, LM + 1, ..., LN überkoppelt, da diese Leitungen symmetrisch sind und jedes Antennensignal beide Leiter der jeweiligen Doppelleitungen in gleicher Weise beeinflusst und somit kein Differenzsignal hervorruft.
4 zeigt eine mögliche Realisierung der Anordnung nach 3, wobei als Quellen Q1, ..., QM, QM + 1, ..., QN die symmetrischen Ausgänge von analogen Verstärkerschaltungen T1, ..., TM, TM + 1, ..., TN verwendet werden und als Eingänge, die symmetrischen Eingänge analoger Verstärkerschaltungen R1, ..., RM, RM + 1, ..., RN verwendet werden. Die Ansteuerung im Antennenmodus erfolgt in diesem Beispiel über die symmetrischen Ausgänge eines analogen Verstärkers A1 dessen beide Ausgänge mit den beiden Masseflächen verbunden sind. Da hier nur ein Ausgang zur anderen Massefläche geführt wird, hat das einen Nettostromfluß zwischen beiden Masseflächen zur Folge, welcher zu einer Anregung der beiden Masseflächen im Antennenmodus führt. Alternativ dazu kann, wie in 5 dargestellt, zur Ansteuerung der Antenne ein Verstärker mit nur einem Ausgang verwendet werden. Der Verstärker liegt mit seiner Masse an der Massefläche auf der er angeordnet ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird zur anderen Massefläche geführt. Auf diese Weise wird zwischen beiden Masseflächen ein Antennensignal eingeprägt.
Das hier vorgestellte Prinzip kann in vielfältiger Weise modifiziert werden ohne dass das an dem erfindungsgemäßen Vorschlag etwas ändert. Es ist zum Beispiel nicht nötig, dass für jede Signalverbindung eine eigene Doppelleitung verwendet wird, wie in 3, 4 und 5 dargestellt. Es ist auch möglich, allen Signalleitungen eine gemeinsame Masse zuzuordnen, wie in 6 dargestellt. Hierbei haben die Leiter 1 bis N eine gemeinsame Masse, so dass für N Signalverbindungen nur N + 1 Leiter erforderlich sind. Werden diese N + 1 Leiter so angeregt, dass die Summe aller darin fließenden Ströme gleich Null ist, so erfolgt keine Abstrahlung. Zusätzlich wird ein Antennenmodus angeregt, in dem, wie in 3 bis 5 beschrieben, zwischen beiden Masseflächen ein Antennenstrom eingeprägt wird. Das kann über einen zusätzlichen Leiter erfolgen, es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Verbindungsleitung mit einem Summenstrom zu beaufschlagen. Das kann durch eine geeignete Ansteuerung erfolgen. Dieser Summenstrom führt zu einer elektromagnetischen Abstrahlung.
Beschreibung der Abbildungen
1 Schematische Darstellung des integrierten Schaltkreises: a) Ansicht von oben, b) Querschnitt.
2 Schematische Darstellung des integrierten Schaltkreises.
3 Signal- und Antennenleitungen im integrierten Schaltkreis.
4 Signal- und Antennenleitungen im integrierten Schaltkreis.
5 Signal- und Antennenleitungen im integrierten Schaltkreis.
6 Signal- und Antennenleitungen im integrierten Schaltkreis.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- P. Russer, 'Si and SiGe millimeter-wave integrated circuits,' IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, vol. 46 no. 5, May 1998, pp. 590-603 [0001]
- T. Lee, 'The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits', 2. Auflage, Cambridge University Press, Cambridge 2004 [0002]

Claims

Schaltung mit zwei oder mehreren Masseflächen dadurch gekennzeichnet, dass die Masseflächen sowohl als Bezugsmasse für darauf oder darunter angeordnete elektrische und elektronische Schaltungen wirken als auch als Antennenelemente, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungen auf oder unter den einzelnen Masseflächen und/oder die Masseflächen durch zwei oder mehrere Leiter miteinander verbunden sind, wobei zu jeder Untereinheit bestehend aus einer Massefläche und den jeweils darunter oder darüber angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Schaltungen sowohl Signalströme fuhren, welche nicht zu einer Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung durch die Antennenelemente führen, als auch Antennenansteuerströme führen, wobei die Signalströme dadurch gekennzeichnet sind, dass die Summe aller Ströme, welche über alle in eine Untereinheit bestehe aus einer Grundelektrode und den darauf und/oder darunter angeordneten Schaltungseinheiten hineinfließen, die Summe gleich Null hat und das zusätzlich in jede Untergruppe bestehend aus einer Antennenelektrode und den darauf oder darunter angeordneten elektrischen und elektronischen Schaltungen ein Antennenstrom fließt, welcher gleich der Summe der Ströme über alle in die Untergruppe hineinmündenden Leitungen ist.
Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Schaltungsanordnung um eine planare Struktur handelt und die Masseflächen ebene Flächen sind.
Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Schaltungsanordnung um einen monolithisc integrierten Schaltkreis handelt und die Masseflächen ebene Metallisierungsschichten im Schaltkreis sind.
Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wie in 3, 4 und 5 dargestellt, die Signalübertragung zwischen den auf verschiedenen Masseflächen angebrachten Teilschaltungen über symmetrische Doppelleitungen erfolgt und die Antennenanregung über eine zusätzliche Leitung erfolgt.
Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragung über eine Mehrleiterstruktur in der Weise erfolgt, dass die Summe der über diese Mehrleiterstruktur fließenden Ströme gleich Null ist und über einen zusätzlichen Leiter ein Nettostrom zwischen zwei Masseflächen eingeprägt wird.
Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragung über eine Mehrleiterstruktur in der Weise erfolgt, dass die Summe der über diese Mehrleiterstruktur fließenden Signalströme gleich Null ist und der Mehrleiterstruktur zusätzlich ein Antennenstrom eingeprägt wird, dessem Summe nicht verschwindet.