DE10246171A1

DE10246171A1 - Hochfrequenz-Laufzeitoszillator

Info

Publication number: DE10246171A1
Application number: DE10246171A
Authority: DE
Inventors: Martin Eifler; Heinrich Wolfgang Steinel
Original assignee: Steinel GmbH and Co KG
Current assignee: Steinel GmbH and Co KG
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Laufzeitoszillator mit einem Transistorbauelement und einem dem Transistorbauelement zugeordneten, zum Bewirken einer Rück- oder Mitkopplung geschalteten Laufzeiteinrichtung, die keine passiven Bauelemente aufweist, wobei das Transistorbauelement als SMD-Bauelement auf einer unterliegenden Leiterplatte befestigt und die Laufzeiteinrichtung als auf der Leiterplatte realisierte Leitungsanordnung so ausgebildet ist, dass zumindest ein Abschnitt der Leitungsanordnung auf und/oder in einem Bereich der Leiterplatte verläuft, der von dem Transistorbauelement bedeckt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Laufzeitoszillator nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Oszillatoren sind heute fester Bestandteil der Elektronik, wobei deren Technologie sehr vielfältig ist. Das Spektrum reicht vom einfachen RC-Multivibrator bis zum programmierbaren Synthesizer. Ein besonders einfacher Oszillator-Typ ist dabei ein rückgekoppelter Verstärker, wobei z. B. ein LC-Schwingkreis einen als Verstärker beschalteten Transistor rückkoppelt.
Der sog. Laufzeitoszillator basiert auf diesem Prinzip, wobei eine Leitung mit definierter Länge so mit einem Transistor beschaltet ist, dass der Transistor (Verstärker) eine Signaldrehung um 180° und die Leitung eine weitere 180°- Phasendrehung bewirkt. Mit dieser sog. Phasenbedingung schwingt dann der Oszillator, wobei allein durch die Festlegung der Leitungslänge (sowie unter Berücksichtigung der Laufzeit- bzw. kapazitiven Effekte im Transistor selbst) dann die Schwingungsfrequenz erzwungen wird.
Dabei ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine derartige Leitung typischerweise als Koaxialkabel zu realisieren. Auf diese Weise sind aus dem Stand der Technik Frequenzbereiche bis zu mehreren 100 MHz realisiert worden.
Prinzipiell würde sich das beschriebene Prinzip des Laufzeitoszillators auch für den GHz-Bereich anbieten, wobei hier die Möglichkeit bestehen würde, durch geeignete Bemessung einer Hochfrequenzleitung auf einem geeigneten Leiterplattensubstrat die gewünschten LC-Eigenschaften für die Laufzeiteinrichtung (nämlich die Leitung) zu erreichen.
Allerdings begegnen derartige theoretische Überlegungen im Hinblick auf ihre praktische Realisierbarkeit im vorgesehenen Frequenzbereich, insbesondere auch im Hinblick auf eine Möglichkeit zur Massen- bzw. Serienfertigung, nicht unerheblichen Bedenken. Sollten etwa, wie es unter aktuellen Produktionstechnologien zu fordern ist, sog. SMD-Bauelemente für den Oszillatorhalbleiter eingesetzt werden, müßte die zum Erreichen des Laufzeiteffektes notwendige Leitung um das SMD-Bauelement herum gelegt werden. Eine dadurch notwendige wirksame Leitungslänge auf dem Substrat (Leiterplatte) läßt sich dann jedoch nicht mehr in einen sinnvollen Zusammenhang mit den gewünschten Frequenzeigenschaften bringen; dies ist insbesondere kritisch für Frequenzen oberhalb von ca. 3 bis 4 GHz (mit entsprechend erforderlichen kurzen Leitungslängen).
Hinzu kommt, dass, sofern überhaupt diskrete passive Bauelemente für die LC-Laufzeiteinrichtung herangezogen werden können, jeglicher zusätzlicher Bauteileaufwand sich nachteilig auf die Produzierbarkeit sowie die Produktionskosten auswirkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen für Hochfrequenzbetrieb im GHz-Bereich tauglichen Laufzeitoszillator zu schaffen, der eine preisgünstige Serienfertigung ermöglicht, und bei welchem trotz der hohen gewünschten Betriebsfrequenz eine einfache, preisgünstige und damit massentaugliche Realisierung der Laufzeiteinrichtung erfolgt.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird zunächst ein SMD-fähiges Transistorbauelement (SMD = Surface Mounted Device) verwendet, und gleichzeitig wird die als Leitungsanordnung realisierte Laufzeiteinrichtung so relativ zu diesem SMD-Bauelement auf der Leiterplatte plaziert, dass zumindest eine teilweise Überlappung bzw. Überdeckung erfolgt. Auf diese Weise läßt sich nicht nur eine äußerst platzsparend und kompakt aufgebaute Oszillatoreinheit realisieren (was sich dann entsprechend günstig auf die Kosten des teuren Leiterplattenmaterials auswirkt), auch ist es durch diese vorgesehene Überdeckung bzw. Überlappung möglich, die Laufzeiteinrichtung mit Hilfe von Streifenleitungen zu realisieren, ohne dass die durch den SMD-Transistor vorgegebenen Abmessungen und Abstandsweiten frequenzmäßig die Verwendung einer Mikrostreifenleitungstechnologie verhindern.
Damit läßt sich so ein Laufzeitoszillator realisieren, welcher preisgünstige und massentaugliche Fertigung im GHz- Bereich ermöglicht und insbesondere für den kommerziell potentiell bedeutsamen Bandbereich 5,8 GHz einsetzbar ist.
In besonders eleganter und vorteilhafter Weise wird zudem die Erfindung dadurch realisiert, dass die erfindungsgemäße Leitungsanordnung zur Umsetzung der Laufzeiteinrichtung die Leiterplatte selbst als Dielektrikum nutzt, und zwar bevorzugt dergestalt, dass zwei zueinander parallele Leiterbahnabschnitte auf gegenüberliegenden Oberflächen der Leiterplatte zwischen sich das Leiterplattenmaterial als Dielektrikum einschließen und so auf äußerst einfache und kompakte Weise eine vorbestimmte, einfach zu konfigurierende und in der Massenfertigung reproduzierbare Kapazität entsteht. Im Rahmen der Erfindung ist zu diesem Zweck eine Durchkontaktierung in der Leiterplatte vorgesehen.
Diese bevorzugte Ausführungsform besitzt den zusätzlichen Vorteil, dass ein offenes Ende dieser so gebildeten Kapazitätsanordnung durch mechanische Bearbeitung (z. B. Abtragen von Leiterbahnmaterial) besonders geeignet trimm- bzw. einstellbar ist, so dass, insbesondere bei fertig montierter Oszillatoreinheit, ein einfaches, zuverlässiges und wiederum serientaugliches Feineinstellen der erfindungsgemäßen Anordnung, falls erforderlich, möglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Realisierung der vorliegenden Erfindung weist somit der erfindungsgemäße Oszillator neben dem Transistorbauelement und der Leitungsanordnung für die Laufzeiteinrichtung lediglich noch zwei weitere passive Bauelemente, nämlich die Basis- bzw. Kollektorwiderstände, auf und ermöglicht somit eine äußerst preisgünstige Realisierung.
Die vorliegende Erfindung eignet sich in besonders bevorzugter Weise zur Realisierung eines Mikrowellen- bzw. Radaroszillators, wobei, je nach eingesetzter Leistung bzw. Antennenkonfiguration, sich eine Verwendung für einen (Doppler-) Bewegungssensor für einen Erfassungsbereich bis zu ca. 10 m als besonders bevorzugt herausgestellt hat. Durch seine relative Unempfindlichkeit gegenüber externen Temperatureinflüssen hat sich darüber hinaus die Verwendung eines solchen Sensors (bzw. des erfindungsgemäßen Oszillators) im Zusammenhang mit sensorgesteuerten Leuchteneinrichtungen, wiederum bevorzugt für den Innenraum, jedoch nicht darauf beschränkt, als besonders geeignet herausgestellt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Laufzeitoszillators;
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Bestückungsseite einer Leiterplatte mit montiertem SMD-Transistor und mit Leitern realisierter Laufzeiteinrichtung zwischen Kollektor- und Basisanschluss des Transistors;
Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht durch eine Realisierung des erfindungsgemäßen Laufzeitoszillators gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit beidseits einer Leiterplatte gebildeter Leitungsanordnung für die Laufzeiteinrichtung mittels Durchkontaktierung;
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Leiterbahnbereich (Bestückungsseite) zur Realisierung der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Unterseite der Leiterplatte, gegenüberliegend dem Bereich gemäß Fig. 4.
Die Fig. 1 verdeutlicht das Schaltungsschema für die vorliegende Erfindung. Ein SMD-montagefähiger Hochfrequenztransistor 10 ist als Verstärker in Emitterschaltung beschaltet; diesem ist ein Kollektorwiderstand R_c sowie ein Basiswiderstand R_b zugeordnet. Als Laufzeiteinrichtung ist in der Fig. 1 schematisch eine Leitung (Leitungsanordnung) 12 gezeigt, die gemäß der Erfindung als Mikrostreifenleitungsanordnung auf einem geeigneten Hochfrequenzsubstrat als Leiterplatte realisiert ist und Kollektor sowie Basis des Transistors 10 verbindet.
Die Fig. 2 zeigt mit der ersten Ausführungsform eine prinzipielle Realisierbarkeit des in Fig. 1 gezeigten Schaltungsprinzips: Der Hochfrequenztransistor 10 ist in ansonsten bekannter Weise auf einer unterliegenden Oberfläche (entsprechend der Blattoberfläche) einer Hochfrequenzleiterplatte 14 befestigt und (nicht gezeigt) mit passiven Bauelementen R_c sowie R_b beschaltet. Zwischen Kollektor und Basis des Transistors 10 ist eine in der Fig. 2 gezeigte, kammartig verschachtelte Leitungsanordnung 12, bestehend aus einem ersten und einem zweiten kammartigen Element 16, 18, gebildet, wobei die jeweiligen kammartigen Elemente 16, 18 durch parallel zueinander verlaufende, benachbarte Streifen als geeignetes Muster auf der Leiterplattenoberfläche gebildet sind und die gewünschten LC-Eigenschaften ausbilden. Wie die Fig. 2 zeigt, ist zum Erreichen der gewünschten Hochfrequenz-Eigenschaften im Betriebsbereich von 5,8 GHz die Anordnung 12, bezogen auf die Oberfläche der Leiterplatte 14, teilweise überlappend mit dem Transistor 10 ausgebildet.
Während die in Fig. 2 gezeigte Anordnung sich prinzipiell bereits zum Lösen der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe eignet, so ist jedoch auch die in Fig. 2 gezeigte Konfiguration noch nicht optimal. So ist insbesondere ein nachträglicher Abgleich der Anordnung, insbesondere der Leitungsanordnung 12, problematisch, als etwa ein Nachbearbeiten der gezeigten Fächeranordnung in der Praxis beträchtliche Probleme bereitet.
Eine weitere Verbesserung der Anordnung gemäß Fig. 2, insbesondere auch im Hinblick auf Fertigungs- sowie Abgleicheigenschaften, ergibt sich aus den Fig. 3 bis 5 mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die als bevorzugt (best mode) anzusehen ist.
Es zeigt sich insbesondere aus der Schnittansicht der Fig. 3, dass hier die Leiterplatte 14 nicht nur einseitig (nämlich auf der Bestückungsseite, wie in Fig. 2 gezeigt) mit einer Leiterbahnstruktur für das Laufzeitelement versehen ist, sondern dies zweiseitig erfolgt, wobei in besonders vorteilhafter Weise eine Optimierung des Platzbedarfs, i. w. auf den eigentlichen Platz für die Bestückung des Transistors 10 beschränkt, möglich ist. Dies wird erreicht, indem erste Leiterbahnabschnitte 20 (im Bereich des Kollektors) bzw. 22 (zur Kontaktierung der Basis) bestückungsseitig vorgesehen sind, während dann, wie in der Fig. 3 gezeigt, der Basis-Leitungsabschnitt 22 durch eine in einem geeigneten Durchbruch der Leiterplatte 14 gebildete Durchkontaktierung 24 übergeht in einen langgestreckten, ein offenes Ende ausbildenden Leiterbahnabschnitt 26, der so auf der der Bestückungsseite entgegenliegenden Rückseite (Fig. 5) geführt ist, dass ein kapazitives Zusammenwirken mit dem Kollektor-Leiterbahnabschnitt 20 möglich ist. Auf diese Weise wirkt dann der zwischenliegende Abschnitt der Leiterplatte 14 selbst als Dielektrikum, wobei sich hier ein für Hochfrequenzanwendungen aufgrund des hohen Verlustwinkels eher untypisches Leiterplattenmaterial wie FR4, ε_r 4,2 . . . 4,6, als besonders günstig (insbesondere auch preiswert) herausgestellt hat.
Wie zudem besonders gut aus der Draufsicht der Fig. 5 hervorgeht, läßt sich das offene Leiterbahnende 26 in besonders einfacher Weise (und von einer der Bestückungsseite entgegengesetzten Richtung) durch geeignete Abtragwerkzeuge od. dgl. bearbeiten, so dass auch bei fertig bestückter Anordnung ein einfaches Abgleichen und Trimmen durch Verändern der Leiterbahnfläche 26 und mithin der Kapazität der gebildeten Anordnung möglich ist.

Claims

1. Hochfrequenz-Laufzeitoszillator mit
einem Transistorbauelement (10) und
einem dem Transistorbauelement zugeordneten, zum Bewirken einer Rück- oder. Mitkopplung geschalteten Laufzeiteinrichtung (12), die keine passiven Bauelemente aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Transistorbauelement als SMD-Bauelement auf einer unterliegenden Leiterplatte (14) befestigt und die Laufzeiteinrichtung als auf der Leiterplatte realisierte Leitungsanordnung (16, 18; 20, 22, 24, 26) so ausgebildet ist, dass zumindest ein Abschnitt der Leitungsanordnung auf und/oder in einem Bereich der Leiterplatte verläuft, der von dem Transistorbauelement bedeckt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufzeitoszillator für Oszillatorfrequenzen von höher als 4 GHz, insbesondere als 5,5 GHz, durch eine entsprechende Bemessung der Leitungsanordnung ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine kapazitive Wirkung der Laufzeiteinrichtung durch eine Kapazitätsvorrichtung der Laufzeiteinrichtung realisiert ist, die das Leiterplattenmaterial der Leiterplatte als Dielektrikum nutzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Laufzeiteinrichtung realisierte Leitungsanordnung durch einen eine Durchkontaktierung (24) bildenden Durchbruch der Leiterplatte geführt ist und Leiterbahnabschnitte (20, 26) auf zwei Oberflächen oder Flachseiten der Leiterplatte so gebildet sind, dass eine Überlappung der Leiterbahnabschnitte mit zwischenliegendem Leiterplattenmaterial entsteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein kapazitiv und/oder induktiv wirksamer Bereich (26) der Leitungsanordnung so ausgebildet ist, dass durch mechanisches Bearbeiten dieses Bereichs, insbesondere Abtragen eines Teilabschnitts der Leitungsanordnung, eine Einstellung von Hochfrequenzeigenschaften der Laufzeiteinrichtung bei fertig montiertem Laufzeitoszillator erfolgen kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitiv wirksame Bereich als durch Abtragen kürzer und/oder schmaler auszubildendes Leitungsende (26) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte aus einem für Hochfrequenzanwendungen, insbesondere im GHz-Bereich, tauglichen Leiterbahnmaterial gebildet ist, das einen ε_r-Wert im Bereich zwischen 4 und 5, insbesondere zwischen 4, 2 und 4, 6, aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Transistorbauelement in Emitterschaltung beschaltet ist und bevorzugt als zusätzliche passive Bauelemente nur einen Kollektor- sowie einen Basiswiderstand (R_c, R_b) aufweist.

9. Radarsensor zur Bewegungs- und/oder Anwesenheitserfassung, insbesondere innerhalb geschlossener Räume und/oder für einen Erfassungsbereich kleiner 10, bevorzugt kleiner 5 Metern, gekennzeichnet durch den Hochfrequenz-Laufzeitoszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welcher bevorzugt im 5,8 GHz-Frequenzband betrieben wird.

10. Bewegungs- und/oder anwesenheitsgesteuerte Tisch-, Decken- oder Wandleuchte, gekennzeichnet durch den Radarsensor nach Anspruch 9.