Elektrische Bauelemente benötigen zu ihrer Anpassung an ihre
Schaltungsumgebung häufig ein elektrisches
Anpassungsnetzwerk. Ein solches kann Induktivitäten, Kapazitäten und
Transformationsleitungen umfassen und dient im wesentlichen dazu,
die Impedanz eines Bauelements der äußeren Umgebung
anzupassen. Häufig werden solche Anpassungsnetzwerke als passiv
integrierte Netzwerke ausgeführt, bei dem die das Netzwerk
bildenden diskreten Elemente zusammen in einem Substrat
integriert sind, welches vorzugsweise das Trägersubstrat für das
Bauelement bildet. Möglich ist es sogar, ein keramisches
Bauelement in einer Keramik auszubilden, in deren keramischen
Körper oder auf dessen keramischen Körper die Anpaßelemente
aufgebracht und mit dem Bauelement integriert sind.
Elektrische Transformationsleitungen als Bestandteile von
Anpassungsnetzwerken werden häufig in einem mehrlagigen
Keramiksubstrat realisiert, in dem wie angeführt noch weitere
Elemente integriert sein können. Transformationsleitungen
werden beispielsweise in Front-End-Modulen für Endgeräte der
mobilen Kommunikation eingesetzt, wo sie als Bestandteil von
Pin-Diodenschaltern zum Einsatz kommen können und zum
Beispiel eine Phasenschiebung von ca. 90° erreichen müssen.
Weiterhin soll eine solche Transformationsleitung eine möglichst
gute Anpassung unter den vorgegebenen Quell- und
Lastimpedanzen aufweisen. Eine weitere beispielhafte angeführte
Verwendung kann eine Transformationsleitung in einem Duplexer
finden, welcher, ebenfalls in einem Endgerät der mobilen
Kommunikation eingesetzt, die Antenne sowohl mit dem Sende- als
auch dem Empfangspfad des Endgeräts verbindet.
Eine weitere Anforderung an Transformationsleitungen,
insbesondere in Endgeräten der mobilen Kommunikation, ist ein
möglichst geringer Flächen- und Raumbedarf. Bei einem Front-End-
Modul sind beispielsweise die Außenabmessungen wesentlich
geringer als der Bruchteil der Wellenlänge im Keramiksubstrat,
um welche die Phasenschiebung erfolgen soll. Da die
Phasenschiebung nur mit einem Leiter erfolgen kann, der eine
gewisse geometrische Länge aufweist, sind heute verwendete
Transformationsleitungen aufgefaltet und teilweise mehrlagig
ausgeführt. Sowohl durch Faltung als auch durch die mehrlagige
Ausführung, die zu Überlappungen von Leiterabschnitten führt,
ergeben sich kapazitive und induktive Verkoppelungen zwischen
verschiedenen Abschnitten der Leitung. Dies führt zu einer
Änderung der Anpassung und zu einer zusätzlichen
Phasenschiebung gegenüber einer idealen Leitung der gleichen
geometrischen Länge, die einlagig und ungefaltet ausgeführt ist.
Darüber hinaus kann die zur Verfügung stehende Fläche sowie die
Position der Anschlußpunkte, an denen die
Transformationsleitung mit dem Bauelement oder dem weiteren Anpassungsnetzwerk
verbunden ist, nicht beliebig ausgewählt werden, da sie von
den übrigen Komponenten der zu integrierenden Schaltungsteile
abhängen.
Eine beispielhafte Ausführung einer Transformationsleitung
ist eine sogenannte Tri-Plate-Leitung, bei der ein
beispielsweise gefalteter Leiter zwischen zwei abschirmenden
Masselagen, also zwischen zwei metallisierten Ebenen geführt wird
und von diesen durch je eine keramische Schicht getrennt ist.
Der Abstand zur oberen und unteren abschirmenden Masseebene
beeinflusst die charakteristische Impedanz und wird daher
entsprechend gewählt. Technologiebedingt und durch die
Notwendigkeit der Integration mit weiteren Elementen in dem
gemeinsamen Substrat lassen sich die Dicken der Keramiklagen
jedoch nicht beliebig wählen, sondern müssen aus einer
begrenzten Anzahl verfügbarer und geeigneter Lagendicken
ausgesucht werden, so daß so eine optimale Anpassung nicht möglich
ist.
In einer platzsparenden bekannten Transmissionsleitung ist
der Leiter beispielsweise mäandriert und zweilagig
ausgeführt. Dabei wird eine symmetrische Anordnung der beiden
Ebenen, in denen der Leiter verläuft, gewählt, so daß die
charakteristische Impedanz der Leitung in den beiden
Leiterebenen gleich ist und der Impedanz von Quelle und Last
entspricht. Die Verkopplung zwischen den einzelnen Abschnitten
des Leiters wird dadurch minimiert, indem parallel liegende
Abschnitte des Leiters einen genügenden Abstand voneinander
haben, der in der Regel größer ist als die Breite des
Leiters. Die Verkopplung zwischen Leiterabschnitten in
unterschiedlichen Leiterebenen wird dadurch reduziert, indem
entweder übereinanderliegende Abschnitte in beiden Lagen
rechtwinklig zueinander angeordnet sind oder indem
Leiterabschnitte der einen Leiterebene zwischen die Projektion der
Leiterabschnitte der anderen Ebene gelegt werden. Zur Erhöhung der
Phasendrehung der Transmissionsleitung kann die geometrische
Länge des Leiters vergrößert werden. Dies ist bei begrenzter
Fläche nur möglich, indem die einzelnen Abschnitte des
Leiters näher aneinandergerückt werden. Dadurch steigt jedoch
die Verkopplung der Leitungsteile untereinander, wobei die
Anpassung zwischen Quelle und Last verschlechtert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Netzwerk
mit einer Transformationsleitung anzugeben, welches auch für
weiter miniaturisierte Bauelemente geeignet ist und mit der
eine gewünschte Anpassung von beispielsweise besser als 10 dB
erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Netzwerk mit den Merkmalen von
Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Die Erfindung gibt ein Netzwerk an, welches eine in oder auf
einem Substrat ausgebildete Transformationsleitung einer
vorgegebenen elektrischen Länge aufweist. Zur besseren
Ausnutzung der für die Transformationsleitung zur Verfügung
stehenden Fläche ist der Leiter gefaltet, wobei die Abschnitte
geradlinig ausgebildet sind und rechtwinklig miteinander
verbunden sind. Die sich daraus ergebende an sich nachteilige
Verkopplung benachbarter Abschnitte des Leiters wird
erfindungsgemäß dadurch berücksichtigt, daß die Breite des Leiters
in den Abschnitten unterschiedlich ausgebildet ist. Die
Erfinder haben erkannt, daß sich durch gezielte Veränderung in
der Breite einzelner Leiterabschnitte die Verkopplung
beeinflussen läßt, so daß durch geeignete Wahl der Leiterbreite in
einzelnen Abschnitten die gewünschte Anpassung erzielt werden
kann. Werden beispielsweise zwei Leiterabschnitte betrachtet,
die miteinander kapazitiv und induktiv koppeln, so kann
beispielsweise die induktive Verkopplung dadurch vermindert
werden, indem in einem der beiden Leiterabschnitte die
Leiterbreite erhöht wird. Durch Erhöhung der Leiterbreite in einem
Abschnitt kann darüber hinaus die parasitäre und an sich
störende kapazitive Verkopplung zu benachbarten
Leiterabschnitten erhöht werden. So kann bereits durch Variation der
Leiterbreite eines einzelnen Leiterabschnitts die elektrische
Anpassung der Transmissionsleitung verbessert werden. Durch
geeignete und voneinander unabhängige Auswahl der Breiten
aller Leiterabschnitte kann die Anpassung optimiert werden und
exakt auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Herkömmliche Schaltungsumgebungen können beispielsweise eine
Anpassung an 50 Ω erfordern.
Die Erfindung ermöglicht es in einfacher Weise, die
elektrische Anpassung der Transformationsleitung und damit insgesamt
das Netzwerk zur Anpassung des elektrischen Bauelements exakt
auf die gewünschten Werte zu optimieren, ohne daß dies zu
einem erhöhten Flächenbedarf der Transformationsleitung führt.
Im Gegenteil werden mit der Erfindung auch Anordnungen
möglich, die bei bekannten Transmissionsleitungen zu unerlaubt
hohen Verkopplungen und damit zu schlechter Anpassung geführt
haben, die nun jedoch erfindungsgemäß ausgeglichen werden.
Dies erlaubt eine weitere Reduzierung des Flächenbedarfs der
Transmissionsleitung sowie alternativ oder zusätzlich eine
geometrische Form der Transmissionsleitung, die bisher nicht
ohne weitere Nachteile zu realisieren war. So kann eine auf
dem Substrat zur Verfügung stehende Fläche mit der Erfindung
besser ausgenutzt werden. Ein erhöhter Flächenbedarf der
Erfindung wird allein dadurch ausgeschlossen, daß sich mit der
Erfindung die geometrische und damit in der Regel auch die
elektrische Länge des Leiters, die maßgeblich für das Ausmaß
der Phasenschiebung verantwortlich ist, nicht wesentlich
ändert.
Unter Abschnitt des Leiters wird ein beliebiges Teilstück des
Leiters mit einer gegebenen Länge verstanden. In der Regel
und sowohl für die Berechnung als auch für die Konstruktion
der Transmissionsleitung einfacher ist es, Abschnitte
zwischen zwei Eckpunkten der gefalteten Leitung zu definieren.
Wie bereits die herkömmliche Transmissionsleitung kann auch
die erfindungsgemäße Transmissionsleitung mit einem in zwei
Leiterebenen gefalteten Leiter ausgeführt werden. Die beiden
Leiterebenen sind durch einen Isolator, vorzugsweise eine
keramische Schicht, voneinander getrennt. Eine weitere
isolierende Schicht, insbesondere eine weitere keramische Schicht,
trennt die Leiterebenen von der mit Masse verbundenen
abschirmenden Ebene.
Die Transmissionsleitung kann auch als Tri-Plate-Leitung
ausgeführt sein, bei der die Leiterebenen zwischen zwei
Masseebenen angeordnet sind. Mit der Erfindung ist es möglich, die
Isolationsschicht, die die beiden Leiterebenen trennt, dünner
auszuführen als bei bekannten Transformationsleitungen. Die
sich daraus ergebenden störenden Verkopplungen können mit der
Erfindung kompensiert werden. Die beiden in unterschiedlichen
Leiterebenen verlaufenden Teile des Leiters werden durch
Durchkontaktierungen miteinander verbunden.
In den beiden Leiterebenen werden die Abschnitte so geführt,
daß keine parallelen Abschnitte in den beiden Leiterebenen
übereinander zu liegen kommen. Zueinander parallele
Abschnitte sind zumindest um eine Mindestlänge in den beiden Ebenen
gegeneinander versetzt. Kreuzungen zwischen Abschnitten in
unterschiedlichen Leiterebenen erfolgen vorzugsweise entfernt
von den Abschnittsenden und vorzugsweise in der Mitte der
Leiterabschnitte. Bei der Variation der Breite der Leiter in
einzelnen Abschnitten werden vorteilhafterweise
Randbedingungen eingehalten. So sollten insbesondere die Breiten der
Leiterabschnitte ebenso wie die Abstände zueinander paralleler
Leiterabschnitte einen meist technologisch bedingten
Mindestwert aufweisen, der beispielsweise bei 100 µm gewählt wird.
Diese Mindestabstände und Mindestbreiten sind jedoch nicht
Gegenstand der Erfindung, sondern werden lediglich als
Randbedingungen beim Optimierungsverfahren berücksichtigt und
schlagen sich dementsprechend in der genauen Ausgestaltung
der Transformationsleitung nieder. Es können auch andere
Randbedingungen und Mindestwerte eingehalten werden.
Die geometrische Länge des Leiters der Transformationsleitung
wird so gewählt, daß ihre elektrische Länge einer λ/4-Leitung
entspricht. Eine λ/4-Leitung wird in vielen Fällen dort
benötigt, wo der Schaltungszustand von "SHORT" nach "OPEN"
verändert werden muß. Die Transformationsleitung eines
erfindungsgemäßen Netzwerks kann jedoch eine von λ/4 abweichende
Phasenschiebung bewirken.
Eine bevorzugte Impedanzanpassung liegt bei 50 Ω, da dieser
Wert von vielen Schaltungsumgebungen gefordert ist. Möglich
ist es jedoch auch, die Transformationsleitung und damit das
Netzwerk an andere, von 50 Ω abweichende
Schaltungsumgebungen anzupassen. Die Impedanzanpassung kann in einer Tri-
Plate-Leitung durch Variation der Abstände der abschirmenden
Ebenen zu den Leiterebenen erfolgen. Möglich ist es jedoch
auch, insbesondere wenn die zur Verfügung stehenden
Schichtdicken in einem vorgegebenen Substrat zur Einstellung einer
gewünschten Impedanz nicht ausreichend sind, eine zusätzliche
separate Impedanztransformation durchzuführen und ein
entsprechendes Element im Netzwerk vorzusehen.
Das erfindungsgemäße Netzwerk ist vorzugsweise in einer
mehrlagigen Keramik integriert, beispielsweise einer LTTC-
Keramik, die beispielsweise auf einen minimalen Shrink
optimiert ist. Eine solche Low-Shrink-Keramik in LTTC-Ausführung
(= low temperature cofired ceramic) erlaubt eine hohe
Integration von Netzwerkelementen und gegebenenfalls zusätzlich
die Integration der eigentlichen Bauelemente in die Keramik,
da mit dieser Technik eine hochwertige Keramik und
verlustarme metallische Leiter bei gleichzeitig exakt reproduzierbarer
Bauelementgeometrie bzw. Netzwerkgeometrie erhalten werden
können. Üblicherweise ist das Substrat des Netzwerks jedoch
das Trägersubstrat für das Bauelement, auf dem dieses
befestigt und mit dem das Bauelement kontaktiert ist,
beispielsweise in einem Schritt mittels eines SMD-Prozesses. Ist das
Bauelement ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement,
so kann beispielsweise eine Flip-Chip-Anordnung gewählt sein.
Das Substrat für das Netzwerk, welches ein integriertes
Netzwerk sein kann, kann gleichzeitig das Substrat für ein Modul
darstellen, in dem mehrere Bauelemente und das dazugehörige
Netzwerk integriert sind.
Eine bekannte Transmissionsleitung soll anhand der Fig. 1
und 2 näher erläutert werden. Die Figuren dienen dabei nur
der Erläuterung und sind nicht maßstabsgetreu. Die bekannte
Tri-Plate-Anordnung besteht aus einer ersten und einer
zweiten Leiterebene LE1, LE2, die durch eine keramische
Zwischenlage voneinander getrennt sind. Oberhalb und unterhalb der
ersten und zweiten Leiterebene ist ebenfalls durch eine
keramische Zwischenlage getrennt je eine mit Masse verbundene
abschirmende Ebene ME1, ME2 angeordnet, beispielsweise eine
Metallisierungsebene (siehe Fig. 2). Die Leiterebenen und die
abschirmenden Ebenen sind vorzugsweise symmetrisch zueinander
angeordnet, so daß die Abstände der abschirmenden Ebenen ME
von der benachbarten Leiterebene LE einheitlich gleich dE
ist. Der Abstand dE kann sich vom Abstand dL der beiden
Leiterebenen LE1, LE2 unterscheiden. In einer bekannten
Transmissionsleitung ist beispielsweise dE = 125 µm, während dL =
95 µm ist. Fig. 1 zeigt die Faltung des Leiters LE1 in der
ersten Leiterebene und gestrichelt dargestellt die Projektion
des gefalteten Leiters LE2 in der zweiten Leiterebene. Der
Leiter besteht aus geradlinigen Abschnitten, die rechtwinklig
zusammengefügt sind. Die Abschnitte sind in den beiden
Leiterebenen LE1 und LE2 so zueinander angeordnet, daß
zueinander parallele geradlinige Leiterabschnitte nicht übereinander
zu liegen kommen. Über die Durchkontaktierung DK sind die
beiden Teile LE1, LE2 des Gesamtleiters in den beiden Ebenen
miteinander verbunden. An den beiden Anschlußpunkten T1 und
T2 wird der Leiter bzw. die Transmissionsleitung mit einer
äußeren Schaltungsumgebung, beispielsweise dem Netzwerk oder
einem Bauelement, verbunden. Der Leiter weist eine
einheitliche Breite d0 auf.
Erfindungsgemäß wird nun die Breite einzelner
Leiterabschnitte einer oder beider Leiterebenen LE1, LE2 variiert und
insbesondere erhöht. Dadurch wird die Verkopplung der
entsprechenden Leiterabschnitte A1 bis A6 mit benachbarten
Leiterabschnitten derselben Leiterebene oder der darunterliegenden,
in Fig. 4 nicht dargestellten Leiterebene LE2 reduziert bzw.
im Charakter verändert. Durch Verbreiterung eines
Leiterabschnitts A kann beispielsweise die induktive Verkopplung
reduziert, die kapazitive dagegen erhöht werden. Nur
beispielhaft sind die Breiten der Leiterbahnenabschnitte d3, d4, d5
und d6 für die entsprechenden Leiterabschnitte A3, A4, A5 und
A6 angegeben. Mit d0 ist eine virtuelle "ursprüngliche"
Breite des Leiters angegeben. Eine optimale Anpassung des Leiters
ergibt im Normalfall, daß die Breiten dx aller variierten
Leiterabschnitte Ax voneinander unterschiedliche Werte
annehmen. Möglich ist es jedoch auch, daß einzelne
Leiterabschnitte gleich breit sind. Dies betrifft insbesondere die
gegenüber der ursprünglichen Struktur unveränderten
Leiterabschnitte. In der Fig. 4 ist nur die Leiterebene LE1
dargestellt, die darunterliegende zweite Leiterebene LE2 kann und
wird entsprechend verändert, so daß auch dort unterschiedlich
breite Leiterabschnitte vorliegen.