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Die im Folgenden beschriebene Erfindung betrifft eine Mikrostruktur, dessen Aufgabe die breitbandige Absorption von elektromagnetischen Signalen, welche entlang von Streifenleitungen oder anderen planaren Wellenleitern geführt werden, ist. Der hierbei relevante Spektralbereich der elektromagnetischen Signale liegt im Mikrowellen und Terahertzfrequenzbereich, also im Frequenzbereich von 3 GHz bis 10 THz. Die Struktur eignet sich unter anderem zur Vermeidung von Störsignalen durch Reflexionen an Wellenleiterdiskontinuitäten wie Verbreiterungen, Einschnürungen, offenen Enden, Kurzschlüssen oder Knicken welche in integrierten Bauelementen auftreten.
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Elektromagnetische Wellen im Mikrowellen und Terahertzfrequenzbereich werden innerhalb von integrierten elektronischen Bauelementen in der Regel mit Hilfe von metallischen Streifenleitungen verschiedenster Bauform und Anordnung übertragen. Diskontinuitäten der Streifenleitungen verursachen die Abstrahlung und Rückreflexion eines Teils des übertragenen elektromagnetischen Signals. Solche Abstrahlungs- und Reflexionsverluste sind in der Regel unerwünscht, da sie unter anderem den Betrieb des elektronischen Bauelements beeinträchtigen können. Unkontrollierte Abstrahlung ist darüber hinaus problematisch in Bezug auf benachbarte Systeme, die ebenfalls gestört werden könnten oder mögliche gesundheitliche Belastungen, die durch Mikrowellen- oder Terahertzstrahlung verursacht werden könnten. Es existieren Lösungen die den Grad der Abstrahlung und Reflexion mit Hilfe von Anpassungsstrukturen an den Diskontinuitäten reduzieren, jedoch funktionieren diese häufig nur in stark begrenzten Spektralbereichen und nicht breitbandig. Abgestrahlte Signale können mit Hilfe von Absorbermaterialien wie dielektrischen Absorbern gedämpft werden, so dass deren Reflexion an einer Oberfläche verhindert wird. Es sind ebenfalls verschiedene Lösungen bekannt, die Signale während der Propagation entlang einer Streifenleitung absorbieren. In
US3585533 A wird zu diesem Zweck ein Teil einer Streifenleitung bestehend aus einer Metallschicht mit hoher elektrischer Leitfähigkeit durch einen Abschnitt mit niedriger Leitfähigkeit ersetzt, der eine starke Absorption des einlaufenden elektromagnetischen Signals verursacht. Nachteilig sind in dieser Anordnung, dass der Übergang zum Absorberabschnitt abrupt ist, so dass noch immer eine starke Reflexion auftreten kann und der elektrostatische Leitwert über die gesamte Anordnung durch den Absorberabschnitt niedrig ist, was für die meisten Anwendungen ebenfalls vermieden werden muss. Zur Reduzierung von Reflexionen werden deshalb auch graduelle Übergänge zwischen Leiter und Absorber verwendet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, entlang von Streifenleitungen geführte elektromagnetische Signale im Frequenzbereich von 3 GHz bis 10 THz möglichst effektiv zu absorbieren, jedoch dabei die Übertragung im statischen und niederfrequenten Bereich unterhalb von 100 MHz nicht zu beeinträchtigen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung die besonderen Anforderungen an eine resistive Absorberschicht im Terahertz-Frequenzbereich zu berücksichtigen. Die Feldeindringtiefe in metallische Schichten ist diesem Frequenzbereich deutlich niedriger als im Mikrowellenbereich, wodurch eine ungewünschte Ausbreitung von Oberflächenwellen auf resistiven Absorberschichten auftreten kann, die ebenfalls vermieden werden muss.
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Diese Aufgabe wird durch eine neuartige Absorber-Mikrostruktur auf die im Folgenden beschriebene Weise mit den Merkmalen von Anspruch 1 und folgenden gelöst:
Die Absorber-Mikrostruktur besteht aus einer Signalleitung mit mindestens einer durchlaufenden Streifenleitung mit niedrigem Schichtwiderstand der kleiner als 0,1 Ohm ist. Daran angeschlossen befindet sich eine periodisch beabstandete Anordnung von resistiven Stichleitungen deren Schichtwiderstand größer als 10 Ohm ist. Die resistiven Stichleitungen sind entlang der niedrig resistiven Streifenleitung in einem Abstand, der kleiner als die Wellenlänge des übertragenen Signals gewählt ist, angeordnet, wodurch Oberflächenwellen effektiv unterdrückt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
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1: Draufsicht einer Ausführungsart nach Stand der Technik: Einzelstreifenleitung mit Übergang auf eine resistive Streifenleitung.
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2: Draufsicht einer weiteren Ausführungsart nach Stand der Technik: Einzelstreifenleitung mit graduellem Übergang auf eine resistive Leiterschicht.
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3: Draufsicht der Ausführungsart an einer Einzelstreifenleitung mit angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen.
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4: Querschnitt der Ausführungsart an einer Einzelstreifenleitung mit angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen.
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5: Draufsicht der Ausführungsart an einer Koplanarstreifenleitung mit angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen.
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6: Draufsicht der Ausführungsart an einem sogenannten Koplanarwellenleiter bestehend aus drei Streifenleitern mit angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen.
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7: Draufsicht der Ausführungsart an einer Nahfeldmessspitze bestehend aus einer Koplanarstreifenleitung mit zwei Streifenleitern, deren Abstand und Breite sich zu einem Ende hin verjüngt, sowie angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen.
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8: Querschnitt entlang der gestrichelten Markierung in 5 der Ausführungsart an einer Nahfeldmessspitze.
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9: Draufsicht der Ausführungsart an einer Einzelstreifenleitung mit angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen mit gradueller Erhöhung der Stichleitungslänge entlang der Streifenleitung.
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Nach Stand der Technik ist, wie in 1 dargestellt, eine Streifenleitung mit angeschlossenem Absorberelement bekannt, bestehend aus einem Streifenleiter 100 mit niedriger Resistivität und einer lateralen Breite s sowie einem daran angeschlossenen Streifenleiter 101 mit hoher Resistivität und identischer lateraler Breite s.
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Eine weitere bekannte Ausführung nach Stand der Technik ist in 2 skizziert, bestehend aus einem Streifenleiter 200 mit niedriger Resistivität und einem lateral graduellem Übergang der lateralen Breite in eine Leiterschicht 201 mit hoher Resistivität.
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3 zeigt die Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung bestehend aus einer Einzelstreifenleitung 300 mit niedriger Resistivität und mit einer periodisch beabstandeten Anordnung von angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen 301. Die laterale Periodenlänge p der Absorberstichleitungen ist stets kleiner als die halbe effektive Wellenlänge λw des übertragenen Signals der Streifenleitung 300. Die Länge der Absorberstichleitungen 301 ist vorzugsweise deutlich größer als die laterale Breite s der Streifenleitung 300, typischerweise mindestens dreimal so lang. Der Schichtwiderstand der resistiven Absorberstichleitungen 301 wird je nach Anordnung in einem Bereich von 10 und 600 Ohm gewählt. Filmmaterialien die für diesen Zweck in Frage kommen sind unter anderem Titan, Titan-Nitrid, Nichrom oder Chrom, sowie optisch transparente Leiter wie Indiumzinnoxid, Graphen oder Mehrlagengraphen.
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4 zeigt einen Querschnitt durch die Einzelstreifenleitung entsprechend 3 mit Absorberstichleitungen auf einem Trägersubstrat 402.
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5 zeigt die Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung bestehend aus einer Koplanarstreifenleitung mit zwei Streifenleitern 500 mit niedriger Resistivität und daran angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen 501. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen den Streifenleitern 500 kann wie skizziert eine Unterbrechung der Absorberstichleitungen 501 eingefügt werden, wodurch die Absorberleistung jedoch geringfügig reduziert wird und gegebenenfalls über eine Verlängerung der Absorberstrecke ausgeglichen werden muss.
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6 zeigt die Draufsicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bestehend aus einer Koplanarwellenleitung mit drei Streifenleitern 600 mit niedriger Resistivität und daran angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen 601. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen den Streifenleitern 600 können entsprechend der Skizze Unterbrechungen der Absorberstichleitungen 601 eingefügt werden.
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7 zeigt eine beispielhafte Anwendung der Erfindung innerhalb einer Koplanarstreifenleiteranordnung mit zwei Diskontinuitäten, wie sie auch innerhalb von einer nach
DE 10 2009 000 823 B3 bekannten Nahfeldmessspitze auftreten. Die erste Diskontinuität ist durch einen Knick der Streifenleitungen
700 gegeben. Die zweite Diskontinuität ist durch den Übergang von einem Trägersubstrat
702 auf ein Trägersubstrat
703 gegeben, wobei sich beide Trägersubstrate in ihrer Dicke und ihren dielektrischen Eigenschaften unterscheiden können. An beiden Diskontinuitäten werden ohne Absorber-Mikrostruktur dadurch störende Signalreflexionen erzeugt, die im Bereich der Koplanarstreifenverjüngung
703, in dem die Abtastung des einfallenden elektromagnetischen Signals stattfindet, ebenfalls detektiert werden. Die Hinzufügung der Absorber-Stichleitungen
701 in der skizzierten Form unmittelbar im Anschluss an den vorderen Abtastbereich ermöglicht nun die Absorption der entlang der Streifenleitung
700 geführten und an den Diskontinuitäten reflektierten Signale bevor sie den Abtastbereich
703 erneut erreichen können.
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8 zeigt zur weiteren Verdeutlichung eine Querschnittansicht der Anordnung in 7 entlang der gestrichelten Markierung.
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9 zeigt die Draufsicht einer Ausführungsart an einer Einzelstreifenleitung 900 mit angeschlossenen resistiven Absorberstichleitungen 901 mit gradueller Erhöhung der Stichleitungslänge entlang der Streifenleitung zur Vermeidung von Signalreflexionen am Übergang der Einzelstreifenleitung 900 von einem absorberstichleitungsfreien Bereich auf einen Bereich mit Absorberstichleitungen 901.
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Referenzen:
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- US3585533 A Microwave microcircuit element with resistive high frequency energy absorber, Denhard Roger M, 26. Febr. 1970
- US3678417 A Planar RF load resistor for microstrip or stripline. Pratt Charles R, Ragan Lawrence H, 14. Juli 1971
- US 4777718 A Method of forming and connecting a resistive layer on a pc board. James M. Henderson, Ronald F. Kielmeyer, Jr., 30. Juni 1986
- US4716389 A Millimeter wave microstrip surface mounted attenuator, Michael J. Gawronski, John R. Lamberg, 20. Okt. 1986
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3585533 A [0002]
- DE 102009000823 B3 [0021]
