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Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Schaltung
mit Feldeffekt-Transistoren, die insbesondere aber nicht ausschließlich als
Dämpfungsschaltung
ausgebildet ist.
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Dämpfungsschaltungen
werden z.B. in der Hochfrequenztechnik für Meßzwecke und zur Pegelregelung
in Sendeanlagen und Mobilfunkgeräten
eingesetzt. Um beispielsweise Meßreihen mit verschiedenen veränderlichen
Parametern schnell durchfahren zu können, müssen die Dämpfungsschaltungen bzw. die
in ihnen zum Einsatz kommenden Dämpfungsglieder
sehr schnell schalten können
und einen großen
Dynamikbereich aufweisen.
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Beispielsweise ist aus der
US 5,157,323 eine solche
Dämpfungsschaltung
bekannt. Das dort offenbarte digital ansteuerbare Dämpfungsglied
ist mit Feldeffekt-Transistoren
als Schaltelementen aufgebaut.
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Nachteilig bei der aus der
US 5,157,323 hervorgehenden
Dämpfungsschaltung
ist die relativ lange Schaltzeit der Feldeffekt-Transistoren.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung
eine schnelle auf einem Halbleiterchip integrierbare elektronische
Mikrowellen-Schaltung
mit Feldeffekt-Transistoren aufzuzeigen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
elektronische Mikrowellen-Schaltung nach den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß werden die auf dem Halbleiterchip
integrierten Feldeffekt-Transistoren durch eine Lichtquelle mit
Licht bestrahlt, wobei ein mikrowellendichtes Gehäuse, welches
zur Abschirmung von elektromagnetischen Wellen dient, die Mirkowellen-Schaltung und die
Lichtquelle oder einen der Lichtquelle zugeordneten Lichtwellenleiter
mikrowellendicht abschließt.
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Feldeffekt-Transistoren lassen sich
bekanntermaßen
sehr leicht auf einem Halbleiterchip realisieren. Darüber hinaus
benötigen
sie nur sehr wenig Steuerleistung. Die erfindungsgemäße Belichtung der
Feldeffekt-Transistoren hat zu Folge, daß Störstellen, welche an den Halbleitergrenzflächen insbesondere
unterhalb der Gate-Elektrode
auftreten und negativen Einfluß auf
die Schaltzeiten der Feldeffekt-Transistoren haben, schneller umgeladen
werden. Der negative Einfluß der
Störstellen
ist bei MESFET-Bauelementen als Gate-Lag-Effekt bekannt und wird
als äußerst langsame Änderung
des Bahnwiderstandes meßbar.
Ursache ist die langsame Auf- bzw. Entladung der Oberflächenstörstellen
der Source-Gate-Strecke und der Gate-Drain-Strecke. Durch die erfindungsgemäße Beleuchtung
der Feldeffekt-Transistoren werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt,
welche die in den Störstellen
gefangenen Ladungen neutralisieren. Durch die erfindungsgemäße Beleuchtung
läßt sich
der Gate-Lag-Effekt unterdrücken
und die Schaltzeit um den Faktor 10–100 verkürzen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden
die Feldeffekt-Transistoren als MESFET (Metall-Halbleiter-FET), die als Gate-Kanal-Übergang
einen Metall-Halbleiter-Übergang
ohne Oxid verwenden, insbesondere als GaAs-MESFET, also MESFET, die auf einem Gallium-Arsenid-Substrat aufgebaut
sind, ausgeführt.
Sie sind bekannt für
ihre hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung
bestrahlt die Lichtquelle die Feldeffekt-Transistoren mit polychromatischen
Licht, also mit einem Licht bestehend aus mehreren Wellenlängen oder
einem oder mehreren Wellenlängenbereichen.
Es ist dadurch möglich,
einfache und kostengünstige
Lichtquellen einzusetzen. Die Ausführung der Lichtquelle als Leuchtdiode
(LED) ist vorteilhaft, da LEDs sehr langlebig, verlustarm und kostengünstig sind.
Durch die Ausführung
der LED als Surface Mounted Device (oberflächenmontiertes Bauelement,
SMD) kann überdies
noch die Montagefreundlichkeit verbessert werden. Vorteilhaft ist
außerdem
als Leuchtmittel der Lichtquelle Halogen-, Xenon- oder Gasentladungs-Leuchtmittel
oder Laser zu verwenden, da diese hohe Lichtstärken und hohe Lichtausbeuten
zulassen.
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Vorteilhaft ist ebenfalls die von
der Lichtquelle abgegebene Strahlung mittels eines Lichtwellenleiters
auf die Feldeffekt-Transistoren zu lenken. Dadurch kann die Lichtquelle
fernab von den Feldeffekt-Transistoren angebracht werden. In dieser
Weise kann die Platzierung der Lichtquelle flexibler gewählt werden
oder die Lichtquelle kann gänzlich
außerhalb
des Gehäuses
angebracht werden. Die von der Lichtquelle abgegebene Verlustleistung
kann damit die auf dem Halbleiterchip integrierte Schaltung nicht
mehr beeinflussen. Außerdem
erhöht
sich damit die Montagefreundlichkeit erheblich.
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Das zum Schutz vor störender Mikrowellen-Strahlung
vorgesehene Gehäuse
ist vorteilhafterweise lichtundurchlässig und/oder luftdicht gestaltet. Störende Lichteinflüsse von
außen
können
so vermieden werden, womit gleichzeitig die Bestrahlungsintensität der Feldeffekt-Transistoren besonders
einfach und genau gesteuert werden kann. Der luftdichte Abschluß des Gehäuses gewährleistet
unter anderem, daß keine
Fremdkörper
in das Gehäuse
eindringen können
und sich beispielsweise abschattend über die Feldeffekt-Transistoren
legen können.
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Eine mehrteilige Gehäuseausführung bietet hinsichtlich
Montage- und Reparaturfreundlichkeit, sowie bei der Konstruktion
Vorteile, da beispielsweise Gleichstrombereich und Hochfrequenzbereich
in räumlich
getrennten Kammern aufgebaut werden können.
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Die Anbringung der Lichtquelle auf
einer Leiterplatte, welches auf dem Substrat mittels Stützkörper über dem
Halbleiterchip angebracht ist, stellt eine besonders einfach und
damit kostengünstige
Konstruktionsvariante dar. Diese kann noch verbessert werden, indem
die Stützkörper zur
Funktion der Schaltung beitragen, indem sie beispielsweise als Vorwiderstände zum
Betreiben der Lichtquelle ausgebildet sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
einer schematischen Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Übereinstimmende
Bauteile sind dabei mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen. In der Zeichnung zeigen:
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1 den
schematisch dargestellten Aufbau einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Schaltung und
die räumliche
Zuordnung der Bauelemente in einem mehrteiligen Gehäuse entsprechend
einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 den
schematisch dargestellten Aufbau einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Schaltung und
die räumliche
Zuordnung der Bauelemente in einem Gehäuse mit einem Lichtwellenleiter
entsprechend einem zweien Ausführungsbeispiel;
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3 den
schematisch dargestellten Aufbau einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Schaltung
mit einer SMD-Leuchtdiode und die räumliche Zuordnung der Bauelemente
entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel
und
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4 das
Prinzipschaltbild einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Schaltung
in Form einer Dämpfungsschaltung.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
der elektronischen Mikrowellen-Schaltung 1. Ein kastenförmiges in
Schnittdarstellung gezeichnetes Gehäuse 6 besteht aus
einem unteren Gehäuseteil 6a und
einem oberen Gehäuseteil 6b, wobei
das untere Gehäuseteil 6a ein
plattenförmiges Substrat 5a umschließt. Der
Halbleiterchip 2, mit beispielsweise einer darauf integrierten
Dämpfungsschaltung,
ist auf dem Substrat 5a montiert, wobei er über Kontaktdrähte 4 mit
nicht dargestellten, auf dem ersten Substrat 5a verlaufenden
Leiterbahnen verbunden ist. Eingang E und Ausgang A der auf dem Halbleiterchip 2 integrierten
Schaltung sind durch das untere Gehäuseteil 6a hindurch
mikrowellendicht nach außen
geführt.
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Die beiden kastenförmigen Gehäuseteile 6a, 6b sind
nach außen
mikrowellendicht verbunden, durch ein Deckelteil 6c verschlossen
und innerhalb durch einen Boden 13 des oberen Gehäuseteils 6b voneinander
getrennt, wobei der Boden 13 eine dem unteren Gehäuseteil 6a zugewandte
Ausnehmung 17 aufweist, die sich über einen Großteil der
Fläche des
Bodens 13 erstreckt und in der ein mattenähnlicher
Dämpfungskörper 11 zur
Dämpfung
von im unteren Gehäuseteil 6a auftretenden
elektromagnetischen Wellen eingefügt ist.
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Im Boden 13 und im Dämpfungskörper 11 befindet
sich eine Öffnung 14,
durch welche die elektrischen Anschlüsse einer als Leuchtdiode 7 ausgeführten Lichtquelle 3 geführt sind.
Die Leuchtdiode 7 ist dabei auf einer sich im oberen Gehäuseteil 6b auf dem
Boden 13 angebrachten Leiterplatte 5b befestigt und
steht mit auf der Leiterplatte 5b befindlichen nicht dargestellten
Leiterbahnen in elektrischem Kontakt. Der lichtemittierende Teil
der Leuchtdiode 7 ist im unteren Gehäuseteil 6a über der
dem Substrat 5a abgewandten Seite des Halbleiterchips 2 angebracht
und bestrahlt auf dem Halbleiterchip 2 integrierte, in 4 dargestellte, Feldeffekt-Transistoren T1–T12. Die
Bestrahlung der Feldeffekt-Transistoren
T1–T12 hängt aufgrund
des lichtundurchlässigen
Gehäuses 6 im
wesentlichen nur von den Eigenschaften der Leuchtdiode 7,
ihrer räumlichen
Anordnung und ihrer elektrischen Ansteuerung ab. Dadurch kann die
Bestrahlung sehr genau und einfach gesteuert werden.
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Auf der Leiterplatte 5b befinden
sich auch andere elektronische Bauelemente 9, wie beispielsweise
Vorwiderstände
zum Betreiben der Leuchtdiode 7. Eine elektrische Leitung 10 dient
in diesem Ausführungsbeispiel
zur Leistungsversorgung der Leuchtdiode 7 und ist durch
eine mikrowellendichte Durchführung 12,
welche sich im oberen Gehäuseteil 6b befindet,
geführt.
Die Dichtheit der Durchführung 12 gegenüber Mikrowellen
wird beispielsweise erreicht durch die Beschränkung des Durchführungsdurchmessers
auf Maße,
die deutlich unterhalb der kleinsten verwendeten Wellenlänge in der
elektronischen Mikrowellen-Schaltung 1 liegen. Auch eine Verlängerung
der Durchführung
oder entsprechende Formgebung des Verlaufs der Durchführung 12 können signaldämpfend wirken
und somit die Mikrowellendichtheit verbessern. Gegebenenfalls kann
es nötig
sein, die beiden Gehäuseteile 6a, 6b mikrowellendicht
gegeneinander abzudichten, wobei dann für die Öffnung 14 die gleichen
Maßnahmen
wie für
die Durchführung 12 getroffen
werden und die elektrischen Anschlüsse der Leuchtdiode 7 durch
die Öffnung 14 elektrisch
isoliert geführt
sind.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Mikrowellen-Schaltung 1 mit einem
kastenförmigen
Gehäuse 6,
welches das erste plattenförmige
Substrat 5a mit dem darauf angeordneten Halbleiterchip 2 mikrowellendicht
umfaßt,
wobei der Halbleiterchip 2 mit nicht dargestellten Leiterbahnen
auf dem Substrat 5a über
Kontaktdrähte 4 elektrisch
leitend verbunden ist. Eingang E und Ausgang A der Mikrowellen-Schaltung 1 sind
durch das Gehäuse 6 mikrowellendicht
nach außen
geführt.
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Die in diesem Ausführungsbeispiel
als Leuchtdiode 7 ausgeführte Lichtquelle 3 ist
außerhalb
des Gehäuses
G angeordnet und ist mit einem Lichtwellenleiter 8 so verbunden,
daß ein
Großteil des
von der Lichtquelle 3 emittierten Lichtes in den Lichtwellenleiter 8 gelangt.
Der Lichtwellenleiter 8 ist durch eine Seite des Gehäuses 6 und
dem dort angebrachten mattenähnlichen
Dämpfungskörper 11 mikrowellendicht
durch eine Durchführungsöffnung 16 geführt, welche
der dem Substrat 5a abgewandten Seite des Halbleiterchips 2 gegenüberliegt,
wobei der Lichtwellenleiter 8 vorzugsweise kurz vor dem
Halbleiterchip 2 endet.
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Die Mikrowellendichtheit der Durchführungsöffnung 16 ist
wie in 1 bereits beschrieben
realisiert. Dabei ist der Durchmesser der Durchführungsöffnung 16 so klein
dimensioniert, daß die
untere Grenzfrequenz der als Hohlleiter wirkenden Durchführungsöffnung 16 oberhalb
der maximalen Nutzfrequenz der Mikrowellen-Schaltung 1 liegt.
Der Lichtwellenleiter 8 kann auch in ein am Gehäusedeckel 6c angebrachtes
Metallrohr integriert sind, welches die Endposition des Lichtwellenleiters 8 über dem
Halbleiterchip 2 festlegt. Vorzugsweise hat dann das Rohr einen
so kleinen Durchmesser, daß das
Rohr und der Lichtwellenleiter – als
Dielektrikum betrachtet – einen Hohlleiter
bilden, der eine untere Grenzfrequenz hat, die oberhalb der maximal
auftretenden Nutzfrequenz der Mikrowellen-Schaltung 1 liegt.
Der Vorteil der Anordnung der Lichtquelle 3 außerhalb
des Gehäuses 6 liegt
vor allem in der Einsatzmöglichkeit
leistungsstärkerer
Lichtquellen 3.
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3 zeigt
ein der 2 weitgehend ähnliches
Ausführungsbeispiel
ohne Lichtwellenleiter 8 und Durchführungsöffnung 16. Jedoch
ist im Gehäuse 6 über der
dem Substrat 5a abgewandten Seite des Halbleiterchips 2 eine
Leiterplatte 5c angeordnet. Die Leiterplatte 5c ist
mittels zweier Stützkörper 15 auf
dem Substrat 5a befestigt und trägt eine Leuchtdiode 7 in
SMD-Bauform, wobei die Leiterplatte 5c weiterhin eine nicht
dargestellte Schaltung zum Betrieb der Leuchtdiode 7 trägt.
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4 zeigt
das Prinzipschaltbild einer in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichneten
erfindungsgemäßen elektronischen
Mikrowellen-Schaltung in der Ausführungsform einer Dämpfungsschaltung.
Die Mikrowellen-Schaltung 1 umfaßt ein Gehäuse 6,
welches eine auf einem Halbleiterchip 2 integrierte Kettenschaltung
von zwei zwischen Eingang E und Ausgang A angeordneten Dämpfungsgliedern
D1 und D2 mikrowellendicht umschließt. Der Eingang E und der Ausgang
A der Mikrowellen-Schaltung 1 sind vom Halbleiterchip 2,
durch das Gehäuse 6 nach
außen geführt.
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Eine Lichtquelle 3 die in
diesem Beispiel als Leuchtdiode 7 ausgeführt ist,
bestrahlt die auf dem Halbleiterchip 2 integrierten Feldeffekt-Transistoren T1–T12 mit
Licht polychromatischer Wellenlänge.
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Das Dämpfungsglied Dl ist als T-Schaltung ausgebildet
und besteht aus mehreren Widerständen R1
bis R4, die jeweils mittels den Feldeffekt-Transistoren T1 bis T7
zu verschiedenen Widerstandswerten schaltbar sind. Das zweite Dämpfungsglied
D2 ist als Doppel-Pi-Glied ausgebildet und besteht aus mehreren
Widerständen
R5 bis R10, die wiederum mittels den Feldeffekt-Transistoren T8
bis T12 zu verschiedenen Widerstandswerten zusammenschaltbar sind.
Die Widerstände
mit gleicher Indexbezeichnung sind jeweils gleich groß dimensioniert.
Die Feldeffekt-Transistoren mit gleicher Indexbezeichnung werden
jeweils gleichzeitig ein- oder
ausgeschaltet.
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Die Feldeffekt-Transistoren T3 und
T9 der Dämpfungsglieder
D1 und D2 dienen dazu, den dämpfenden
Teil jeweils vom Signalpfad wegzuschalten. Vorzugsweise sind zum
gleichen Zweck noch die zusätzlichen
Feldeffekt-Transistoren T1 und T8 vorgesehen, die eine bessere Anpassung
gewährleisten,
wenn die 0 dB-Zustände
der Dämpfungsglieder
(Dl, D2) eingeschaltet werden.
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Zwischen Eingang E und Ausgang G
des ersten Dämpfungsgliedes
D1 ist ein Feldeffekt-Transistor T2 angeordnet. Das T-Glied ist
auf drei unterschiedliche Widerstandswerte umschaltbar. Der linke und
rechte Teil des Längszweiges
zwischen Eingang E und Verbindungspunkt F bzw. Verbindungspunkt
F und Ausgang G besteht jeweils aus der Parallelschaltung eines
Widerstandes R1, einer Reihenschaltung eines Widerstandes R2 und
eines Feldeffekt-Transistors T4 sowie eines den Widerstand R1 überbrückenden
Feldeffekt-Transistors T5. Der Querzweig des T-Gliedes besteht aus
der Parallelschaltung eines Widerstandes R3, einer diesen überbrückenden
Reihenschaltung eines Widerstandes R4 mit Feldeffekt-Transistor T6 sowie
eines überbrückenden
Feldeffekt-Transistors
T7. Der größte Widerstand
des Längszweiges
des Dämpfungsgliedes
D1 wird bestimmt durch die Reihenschaltung der Widerstände R1.
Ein mittlerer Widerstand wird dadurch eingestellt, daß parallel
zum Widerstand R1 mittels des Feldeffekt-Transistors T4 der Widerstand
R2 geschaltet wird. Der kleinste Widerstand wird eingestellt durch die
Parallelschaltung von R1, R2 und der Source-Drain-Strecke des Feldeffekt-Transistors
T5. Durch geeignete Wahl des Feldeffekt-Transistors T5 und der übrigen Widerstände R1 bis
R4 können
so die verschiedensten gewünschten
Widerstandswerte eingestellt werden. Der Source-Drain-Widerstand
eines Feldeffekttransistors liegt beispielsweise zwischen zwei und
zwanzig Ohm, die Widerstandswerte der Widerstände R1 bis R4 liegen in diesem
Ausführungsbeispiel
in der Größenordnung
von 10 bis 500 Ohm.
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Mit dem so konfigurierten Dämpfungsglied D1
können
mit folgender Schaltung die Dämpfungswerte
0, 5, 10 und 15 dB eingeschaltet werden:
0 dB: T2 ist eingeschaltet,
alle anderen Feldeffekt-Transistoren
sind ausgeschaltet.
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Für
Dämpfung:
T2 ausgeschaltet und T1 bzw. T3 eingeschaltet.
5 dB: Im Längszweig
wird der kleinste Widerstand eingeschaltet, im Querzweig der größte, das
bedeutet, daß T4
und T5 eingeschaltet und T6 und T7 jeweils ausgeschaltet sind.
10
dB: T4 und T6 sind eingeschaltet, T5 und T7 sind ausgeschaltet.
15
dB: T4 und T5 sind ausgeschaltet, T6 und T7 sind eingeschaltet.
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Im Dämpfungsglied D2 sind auf ähnliche Weise
verschiedene Widerstandswerte mit zwei Schaltzuständen für die Doppel-Pi-Schaltung wählbar. Der
Längszweig
des Doppel-Pi-Gliedes zwischen Eingang G und Ausgang A bzw. zwischen
den beiden Längstransistoren
T8 besteht aus der Reihenschaltung der beiden Widerstände R5.
Parallel zu diesen ist jeweils die Reihenschaltung eines Widerstandes
R7 und eines Feldeffekt-Transistors T11 angeordnet. Die drei Querzweige
des Doppel-Pi-Gliedes bestehen aus den Widerständen R6 und R9. Parallel zu
den Widerständen
R6 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes R8 und Feldeffekt-Transistors T12 angeordnet.
Parallel zum Widerstand R9 des mittleren Querzweiges ist die Reihenschaltung eines
Widerstandes R10 und eines Feldeffekt-Transistors T12 angeordnet.
Die Querzweige sind über die
Transistoren T9 jeweils an Masse geschaltet. Für die Einstellung der Durchgangsdämpfung (0
dB) ist im Dämpfungsglied
D2 an Stelle nur eines einzigen Feldeffekt-Transistors eine aus
drei Feldeffekt-Transistoren T9 und T10 bestehende T-Konfiguration vorgesehen.
Für die
Durchgangsdämpfung
ist der gegen Masse geschaltete Transistor T9 nichtleitend und das
Dämpfungsglied
D2 wird damit zwischen den Schaltungspunkten G und A durch die Reihenschaltung
der beiden Transistoren T10 überbrückt. Bei
nichtleitenden Transistoren T10 und Einstellung der verschiedenen Dämpfungswerte
durch die Widerstände
R5 bis R10 ist der Transistor T9 leitend gegen Masse, hierdurch
wird die Isolation der Überbrückung erhöht und das
Dämpfungsglied
D2 kann für höhere Dämpfungswerte
dimensioniert werden.
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Mit dieser Schaltungskonfiguration
des Dämpfungsgliedes
D2 können
wieder folgende Dämpfungswerte
0, 20 und 30 dB eingestellt werden:
0 dB: T10 eingeschaltet,
alle anderen Feldeffekt-Transistoren
ausgeschaltet.
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Für
Dämpfung:
T10 ausgeschaltet, T8 und T9 eingeschaltet.
20 dB: T11 eingeschaltet,
T12 ausgeschaltet.
30 dB: T11 ausgeschaltet, T12 eingeschaltet.
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Das Dämpfungsglied D1 ist also insgesamt zwischen
den niedrigen Dämpfungswerten
0/5/10/15 dB umschaltbar, das darauf folgende Dämpfungsglied D2 zwischen höheren Dämpfungswerten 0/20/30
dB, so daß die
Gesamtanordnung der beiden in Reihe geschalteten Dämpfungsglieder
D1 und D2 insgesamt in 5 dB-Schritten zwischen 0 und 45 dB umschaltbar
ist. Die Durchgangsdämpfung
wird nur durch die Reihenschaltung der beiden Überbrückungs-Feldeffekt-Transistoren T2 bzw.
T9/T10 bestimmt und ihr Wert liegt in der Größenordnung unterhalb von 2
dB. Die einzelnen Feldeffekt-Transistoren werden durch eine nicht
dargestellte Steuerschaltung so gesteuert, daß die verschiedenen oben erwähnten Schaltkonfigurationen
der Widerstände
entstehen. Die beiden Dämpfungsglieder
D1 und D2 werden dabei jeweils getrennt voneinander eingestellt.