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Die Erfindung betrifft einen substrat-integrierten Hohlleiter-Filter (Englisch: Substrate Integrated Waveguide (SIW) Filter) zur Anwendung in der Mikrowellentechnik.
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Mit der Erweiterung der Surface Mount Technology (SMT), auf hohe Frequenzen bis in das Ka-Band und darüber hinaus, haben SIW-Filter an Bedeutung gewonnen, wobei SMT das Auflöten von SMD-Bauteilen (Surface-Mount Device) in Oberflächenmontagetechnik direkt auf Leiterplatten meint (z.B. SMD Prozessoren, Widerstände und Schaltungen).
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Abgeleitet werden SIW-Filter aus der Grundform eines Wellenleiters. Hohlleiter als eine Form von Wellenleiter, wie diese insbesondere in der Radartechnik oder der Telekommunikation eingesetzt werden, werden immer häufiger als substrat-integrierte Hohlleiter (im Folgenden „SIW“) ausgeführt.
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Der Aufbau eines SIW erfolgt direkt in der Platine. In diesem Fall wird der Hohlleiter mit Hohlleiterwänden aus leitendem Material begrenzt, beispielsweise sind eine obere und eine untere Hohlleiterwand jeweils Teil einer oberhalb bzw. unterhalb auf das Platinensubstrat aufgebrachten Metallisierung. Die Höhe des Hohlleiters beschränkt sich auf die Höhe des Substrats. Seitliche Hohlleiterwände werden beispielsweise mittels Durchkontaktierungen, sogenannter Vias oder auch mittels innenwandig metallisierter Gräben, sogenannter Grooves ausgebildet, oder durch eine Metallisierung der Außenseite, sofern der Hohlleiterraum mit dem Platinenrand übereinstimmt. Häufig ist die Platine als eine Mehrlagenplatine (z.B. Tri-Plate) ausgeführt und umfasst dabei mehrere Substratschichten aus jeweils einem dielektrischen Material zwischen denen jeweils eine Lage aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise Kupfer, angeordnet ist.
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Auf diese Art wird ein Stapel ausgebildet, wobei die Substratschichten aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein können.
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Bei Hochfrequenzanwendungen, wie im Radarbereich, ist typischerweise zumindest eine Substratschicht aus einem HF-Substrat vorgesehen. Zusätzliche Substratschichten können herkömmliche Platinensubstrate sein, insbesondere faserverstärktes Epoxidharz.
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Zur Vermeidung unerwünschter Signale oder zur Signalanpassung werden Filter verwendet. Aus der Literatur sind diese für Rechteckwellenleiter bekannt aus:
- Yi-Chi Shih, „Design of Waveguide E-Plane Filters with All-Metal Inserts," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 32, no. 7, pp. 695-704, Jul 1984. doi: 10.1109/TMTT. 1984.1132756 . Shih beschreibt für Wellenleiter einen einfachen Design-Prozess für E-Ebenen Filter mit Ganzmetalleinsätzen innerhalb des Wellenleiters.
- R. Vahldieck, J. Bornemann, F. Arndt and D. Grauerholz, „Optimized Waveguide E-plane Metal Insert Filters For Millimeter-wave Applications," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 31, no. 1, pp. 65-69, Jan. 1983. Doi:10.1109 / TMTT.1983.1131430 beschreibt ebenso eine Designtheorie für Rechteckhohlleiter mit Metalleinsatzfiltern, wobei die Anwendung für Mittenfrequenzen im Bereich von 15, 33, 68, 75 GHz erläutert wird und für deren gemessene hinzugefügte Bandbreitenverluste für die Mittenfrequenz von 15, 33 und 76 GHz 0,2, 06 und 0,7 dB betragen.
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Außerdem sind in der
GB 2505138 A und
US 2005/0156688 A1 bekannte Wellenleiterfilter offenbart.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen SIW-Filter mit veränderbaren Durchlasseigenschaften zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit dem SIW-Filter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße SIW-Filter umfasst: Einen substrat-integrierten Hohlleiter, der sich aus einem Substrat bildet, das an seinen beiden Flachseiten eine metallische Beschichtung z. B. eine Kupferschicht aufweist, sowie metallische Begrenzungsstrukturen an seinen seitlichen Rändern aufweist z.B. in der Form von Durchkontaktierungen oder Grooves / Fugen. Innerhalb des SIW sind mehrere Gruppen von Durchkontaktierungen zwischen den metallischen Beschichtungen der beiden Flachseiten angeordnet. Dabei ist die metallische Beschichtung einer der beiden Flachseiten derart strukturiert, dass sie mehrere, gegenüber der sie umgebenden Beschichtung isolierte Bereiche aufweist, d.h. dass die metallische Beschichtung isolierte Bereiche in der Art von einzelnen metallischen Inseln (im Folgenden „Inselbereiche“) aufweist, die zu der übrigen Beschichtung auf dieser Flachseite keinerlei elektrische Verbindung aufweisen. Diese einzelnen isolierten Bereiche sind den einzelnen Gruppen von Durchkontaktierungen derart zugeordnet, dass ein einzelner Bereich mit sämtlichen Durchkontaktierungen der zugeordneten Gruppe elektrisch verbunden ist.
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In anderen Worten, alle Vias einer Gruppe sind mit genau einem Inselbereich verbunden und somit über den Inselbereich untereinander verbunden, wobei aber keine elektrische Verbindung zur übrigen metallischen Beschichtung auf dieser Flachseite des Substrats vorhanden ist.
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Zusätzlich ist ein abnehmbarer metallischer Deckel zur Abdeckung der derart strukturierten Beschichtung vorhanden, wobei abhängig vom Einsatz des Deckels der SIW-Filter zwei Funktionen ermöglicht:
- - eine Filterfunktion bei Abdeckung der strukturierten metallischen Beschichtung durch den Deckel,
- - eine Transmissionsfunktion, wenn der Deckel die strukturierte metallische Beschichtung nicht abdeckt.
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Der erfindungsgemäße SIW-Filter weist eine Bandpasscharakteristik auf, wobei erst durch Hinzufügen eines metallischen, leitfähigen Deckels die Filtercharakteristik entsteht. Ohne diesen Deckel weist das Bauteil dagegen eine hohe Transmission auf. Es ist somit möglich, den erfindungsgemäßen Filter in zwei Zuständen zu betreiben und zwischen diesen auf einfache Weise umzuschalten.
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Die Erfindung wird anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf 1 bis 7 näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen SIW-Filter mit seinen Hauptelementen
- 2 eine Detaildarstellung der Umgebung eines isolierten Bereichs der metallischen Beschichtung des erfindungsgemäßen SIW-Filters
- 3 einen erfindungsgemäßen SIW-Filter mit aufgesetztem Deckel
- 4 einen Querschnitt durch den isolierten Bereich des SIW-Filters aus 2
- 5 einen Längsschnitt durch den isolierten Bereich des SIW-Filters aus 2
- 6 die Filtercharakteristik eines erfindungsgemäßen SIW-Filters mit aufgelegtem Deckel
- 7 das Transmissionsverhalten eines erfindungsgemäßen SIW-Filters ohne Deckel.
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Der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen SIW-Filters 1 ist in 1 dargestellt. 1 zeigt die beiden Hauptbaugruppen, den Grundkörper 10 des SIW-Filters 1 und den Deckel 20.
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Der Grundkörper 10 des SIW-Filters 1 umfasst einen substrat-integrierten Hohlleiter. Der SIW umfasst ein Substrat 40 (siehe 4), das an seinen beiden Flachseiten eine metallische Beschichtung 11, 13 aufweist, sowie metallische Begrenzungsstrukturen 12 an seinen seitlichen Rändern.
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Ein derartiger SIW könnte beispielsweise aus dem Substratmaterial RO3003 der Firma Rogers Corporation, aufgebaut sein, das ein HF-Substrat mit einer Kupferbeschichtung auf seinen Flachseiten darstellt, wobei die seitliche Begrenzung durch Vias oder durch eine zusätzliche Metallisierung an der Seite erreicht wird.
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Die metallische Beschichtung 11 auf einer der Flachseiten des Substrats weist eine Strukturierung wie in der 1 dargestellt auf. Die Strukturierung ist derart ausgebildet, dass mehrere isolierte Bereiche 11a gebildet sind, wobei die isolierten Bereiche 11a eine elektrische Trennung von der sie umgebenden Metallisierung 11b (siehe 2) auf der gemeinsamen Flachseite aufweisen. Die isolierten Bereiche 11a können als eine Art Insel verstanden werden, die von den übrigen Bereichen der metallischen Beschichtung auf dieser Flachseite getrennt sind. Die isolierten Bereiche 11a sind in der gezeigten Ausführung in der Form von Rechtecken mit abgerundeten Ecken ausgebildet. Abhängig vom Anwendungsbereich und Zweck kann sich die Form, Anzahl und Größe dieser Inselbereiche von dem gezeigten Beispiel unterscheiden und wird vom Fachmann entsprechend des Einsatzzwecks im Sinne der Erfindung angefertigt.
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Die Herstellung der isolierten Bereiche 11a auf der Flachseite der Platine kann z.B. durch einen Ätzprozess zur Herstellung der Strukturen auf der Platine oder durch Aufdruck dieser Strukturen auf das Substrat erfolgen.
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In dem von dem SIW gebildeten Hohlraum sind zur Erzielung der Filtercharakteristik mehrere räumlich getrennte Gruppen von Durchkontaktierungen 50 (siehe 4 und 5) zwischen den metallischen Beschichtungen 11, 13 der beiden Flachseiten angeordnet. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Ka-Band E-Plane Filter unter Verwendung herkömmlicher Design-Methoden für einen RWG28-Hohlleiter entworfen und zu einem SIW-Filter 1 abgeändert. Wie im Folgenden noch im Detail erläutert werden wird, sind die einzelnen Gruppen von Vias 50 jeweils mit einem der isolierten Bereiche 11a verbunden. Die isolierten Bereiche 11a bilden somit quasi eine Abdeckung der Vias 50, so dass sie in der 1 nicht zu erkennen sind. Relative Unterschiede in den Längen der isolierten Bereiche 11a entsprechen dabei einer unterschiedliche Anzahl der darunterliegenden Vias 50. Die isolierten Bereiche 11a auf den Vias 50 bilden kapazitive Strukturen, die bei Auflegen des Deckels 20 das gewünschte Filterverhalten ergeben und ohne Deckel 20 das Verhalten des Grundkörpers 10 als Transmissionsleitung ermöglichen.
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2 zeigt als Ausschnitt A der 1 einen einzelnen isolierten Bereich 11a der metallischen Beschichtung 11. Der isolierte Bereich 11a ist von der ihn umgebenden metallischen Beschichtung 11b durch eine umlaufende Isolierung 60, an dem keine metallische Beschichtung vorhanden ist, elektrisch getrennt. Im Bereich der umlaufenden Isolierung 60 ist das unter der Metallisierung 11 vorhandene Substrat 40 freigelegt.
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Zudem sind auf dem isolierten Bereich 11a die Vias 50 angedeutet. Mit Vias können mehrere Leiterbahnebenen einer Leiterplatte elektrisch miteinander verbunden werden. Die Vias 50 bilden innerhalb des SIW mehrere räumlich getrennte Gruppen zwischen den metallischen Beschichtungen 11 und 13 der beiden Flachseiten. Dabei ist jede Gruppe mit einem der isolierten Bereiche 11a verbunden. Im vorliegenden Fall verbinden somit die Vias 50 den isolierten Bereich 11a mit der metallischen Beschichtung 13 auf der anderen Flachseite des Substrats 40, wobei die Vias 50 untereinander über den isolierten Bereich 11a verbunden sind.
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Dabei können die Vias 50 als innenwandig metallisierte Bohrungen oder auch als komplett mit leitendem Material ausgefüllte Bohrungen ausgeführt sein, wobei dies auch für die seitlichen Begrenzungsstrukturen des SIW gilt, sofern diese mit Vias ausgeführt sind.
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3 zeigt den SIW-Filter 1 in einem Zustand, in dem eine Filterfunktion erreicht wird (mit einer Charakteristik gemäß 6). Dazu ist der Deckel 20 auf dem Grundkörper 10, und zwar auf dessen strukturierter metallischen Beschichtung 11 aufgelegt, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen den isolierten Bereichen 11a und der sie umgebenden Metallisierung 11b hergestellt wird.
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Wird der Deckel 20 entfernt, ändert sich die Charakteristik des Aufbaus. Er zeigt nun ein Transmissionsverhalten über einen weiten Frequenzbereich. Ein Beispiel hierfür ist in der 7 dargestellt.
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Der Deckel 20 kann als reine metallische Schicht ausgebildet sein oder eine Metallisierung auf derjenigen Flachseite aufweisen, mit der er auf den Grundkörper 10 aufgelegt wird. Der Deckel 20 kann zwangsgeführt werden, z.B. über entsprechende Scharniere oder frei aufgelegt und wieder abgenommen werden.
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In den 4 und 5 wird nachfolgend der Aufbau des erfindungsgemäßen SIW-Filters 1 gemäß den Schnitten aus 2 erläutert. Die 4 zeigt den Querschnitt B--B des SIW-Filters 1 durch den isolierten Bereich 11a für den Fall mit aufgesetztem Deckel 20 (untere Abbildung) und ohne Deckel 20 (obere Abbildung).
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Man erkennt die Metallisierungen 11, 13 an den Flachseiten des Substrats 40, wobei die obere Metallisierung 11 strukturiert ist und in den isolierten Bereich 11a und die sie umgebende Metallisierung 11b unterteilt ist. Diese Trennung wird realisiert durch die umlaufende Isolierung 60.
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An den seitlichen Rändern ist eine weitere Metallisierung 12 zur Bildung eines geschlossenen Hohlraums des SIW vorhanden. Diese Metallisierung könnte alternativ auch durch zusätzliche Vias erreicht werden, die entlang der Ränder des Substrats 40 angeordnet sind.
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Die Durchkontaktierung 50 verbindet untere 13 und obere 11 Metallisierungsebene im isolierten Bereich 11a. Man erkennt im Fall ohne Deckel 20, dass keine elektrische Verbindung zwischen dem isolierten Bereich 11a und der benachbarten Metallisierung 11b vorliegt. Diese wird erst durch den Deckel 20 hergestellt, der auf die obere Metallisierung 11 platziert ist.
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5 zeigt den Längsschnitt C-C aus 2B, wobei alle Vias 50 einer zugeordneten Gruppe eines isolierten Bereichs 11a nun zu erkennen sind. Sie verbinden jeweils die untere Metallisierung 13 mit demselben isolierten Bereich 11a. Auch hier erkennt man die umlaufende Isolierung 60, die den isolierten Bereich 11a vom Rest der oberen Metallisierung 11 trennt. Diese Trennung wird jedoch durch den Deckel 20 überbrückt. Der Abstand eines isolierten Bereichs 11a zum benachbarten isolierten Bereich (dieser ist in 5 nicht dargestellt) - oder entsprechend der Abstand zwischen benachbarten Gruppen von Vias 50 - wird abhängig von der Wellenlänge eingestellt. Die Vias 50 sind vom Substrat 40 umgeben.
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Der erfindungsgemäße SIW-Filter 1 ermöglicht zwei Funktionen, abhängig davon ob dieser mit oder ohne Deckel 20 betrieben wird. In 6 ist die zugehörige Filtercharakteristik dargestellt, wobei 220 das Maß der Reflexion und 210 das Maß der Transmission angibt. Man erkennt, dass der Graph der Reflexion 220 eine hohe Dämpfung außerhalb des Durchlassbereichs von ca. 29-30GHz aufweist.
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In 7 ist die Charakteristik des SIW-Filters 1 bei Anwendung ohne Deckel 20 dargestellt (also nur mit dem Grundkörper 10), wobei 120 das Maß der Reflexion und 110 das Maß der Transmission angibt. Man erkennt, dass durch die erfindungsgemäße Strukturierung einer der beiden Flachseiten mit den isolierten Bereichen 11a eine sehr gute Transmission über einen weiten Frequenzbereich, hier über das gesamt Ka-Band, erreicht wird. Allgemein wird mit der Transmissionsfunktion des SIW-Filters 1 eine Durchlässigkeit für Signale über das Sperrband in der Filterfunktion ermöglicht. Beispielsweise ermöglicht der Filter eine Transmission für das gesamte Ka-Band, wie aus 7 ersichtlich.
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Somit erlaubt der erfindungsgemäße SIW-Filter 1 neben einer trennscharfen Filterfunktion eine erhöhte Flexibilität in der Anwendung, was durch bekannte SIW-Filter nicht erreicht werden kann.
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Mit der Erfindung ist es möglich, in einer Schaltung die Wahl zwischen niedrigen Einfügungsdämpfungen und hoher Isolation für definierte Bereiche eines Spektrums lediglich durch Hinzufügen bzw. Weglassen eines Deckels zu ermöglichen.
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Zudem besteht die Möglichkeit, mit der Erfindung die Bandbreiten in einer Schaltung nur durch Hinzufügen bzw. Weglassen des Deckels zu modifizieren, in dem ein erfindungsgemäßer Filter mit einem zweiten, herkömmlichen Filter in Reihe geschaltet wird.
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Durch Umschalten vom Filter- in den Transmissionszustand können eventuelle Störsignaleinstreuungen innerhalb einer Schaltung, deren Bestandteil der erfindungsgemäße SIW-Filter 1 ist, beobachtet werden.
