DE1914173A1

DE1914173A1 - Richtungskoppler

Info

Publication number: DE1914173A1
Application number: DE19691914173
Authority: DE
Inventors: Irving Ho; Mullick Satish Kumar
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-04-08
Filing date: 1969-03-20
Publication date: 1969-10-16
Also published as: FR2005723A1; DE1914173C3; GB1259689A; US3500255A; DE1914173B2

Description

IBM Deutschland internationale Büro-Maidiincn Geeelhchaft mbH

Böblingen, 14. März 1969 at-hn

Anmelderin:

international Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FI 9-67-125

Ri chtungskoppler

Die Erfindung betrifft einen Richtungskoppler, insbesondere in integrierter Schaltungstechnik zur Übertragung von sich in einem Primärleiter fortpflanzender Hochfrequenzenergie in einen Sekundärleiter, bestehend aus zwei über eine vorgegebene Länge parallel zueinander und zu einer auf Massepotential liegenden Schicht verlaufenden Leitungen und wenigstens einer zwischen den Leitern und der Masseschicht angeordneten Halbleiter s chi cht.

Richtungskoppler sind Bauelemente der Mikrowellentechnik. Sie werden in der Nachrichtentechnik in Antennenweichen und in der Meß- und Funkmeßtechnik verwendet. Durch die deutsche Patentanmeldung P 15 74 593.4 wurde eine Richtungskoppler-Anordnung zur Übertragung von Daten zviechen einer Vielzahl von Datenverarbeitungsanlagen vorgeschlagen.

Ein Richtungskoppler ist ein.Übertragungssystem, das im Prinzip aus einer primären und einer sekundären Leitung besteht, die so angeordnet sind, daß eine an einem Ende der Primärleitung eingespeiste Wirkleistung zu dem anderen Ende dieser Primärleitung und zu den beiden Enden der Sekundärleitung gekoppelt wird. Bedingt durch die gewählte Koppeldämpfung wird auf die Enden der Sekundärleitung nur ein Teil der eingespeisten Wirkleistung übertragen. Dabei steht an dem Ende der Sekundärleitung das dem Ende der Primärleitung, an dem die Einspeisung erfolgt, benachbart ist, wesentlich mehr Energie zur Verfügung als an dem anderen Ende der Sekundärleitung, Dieses Verhältnis wird als Richtdämpfung bezeichnet. Der zu den Leitungsenden übertragene Leistungsbetrag ist von der Struktur des Richtungskoppler, von der Frequenz, der Form und der Laufrichtung der eingespeisten Signale abhängig.

Dem Fachmann sind eine Vielzahl von verschiedenen Richtungskopplern bekannt, die als Hohlleiter, oder in der sogenannten "Stripelinetechnik" ausgeführt sind. Die letzteren bestehen aus Übertragungsleitungen, die durch eine oder mehrere dielektrische Schichten oder Beläge von einer oder mehreren auf Massepotential liegenden leitenden Platten beabstandet . sind.

Durch die DAS 1 075 690 wurde ein in der sogenannten "Mikrostriptechnik" hergestellter Wellenformwandler bekannt, bei dem der Signalleiter von einer Masseschicht durch eine dielektrische Schicht beabstandet ist; und durch die DAS 1 191 445 wurde eine Symmetrieanordnung für hochfrequente elektromagnetische Wellen bekannt, bei der gedruckte Leitungen auf einer elektrischen Schicht angeordnet sind. Auch die deutsche Patentschrift 1 268 234 offenbart einen als selbständiges Bauteil ausgebildeten Richtungskoppler, der in relativ kleinen Abmessungen und in Flachbauweise ausgeführt ist. Es ist weiter ein Richtungskoppler bekannt geworden, bei dem die Übertragungsleiter auf einer Halbleiterschicht direkt angeordnet sind und bei dem durch Anlegen einer Vorspannung das Kopplungsver-

909842/1218

FI 9-67-125

hältnis zwischen den zwei Ubertragungsleitungen veränderlich ist.

Diese bekannten Richtungskoppler haben den Nachteil, daß sie noch zu große Abmessungen, aufweisen und deshalb nicht in Kombination mit den in integrierter Schaltungstechnik gefertigten Schaltungsanordnung en hergestellt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Schaffung eines in der sogenannten "Stripelinetechnik" hergestellten Richtungskopplers, der in integrierten Schaltungsanordnungen verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Isolierschicht zwischen der Halbleiterschicht und den Ubertragungsleitern (Primärleiter und Sekundär leiter) angeordnet wird.

Dieser erfindungsgemäße Richtungskoppler, bei dem ein Paar von parallel verlaufenden Übertragungsleitungen von einer auf Mas&epotential liegenden Platte durch eine mit einem Isolierüberzug versehene Halbleiter schicht beabstandet ist, hat gegenüber den bekannten in "Stripeline"-Technik hergestellten Richtungskopplern mit dielektrischer Ab stands schicht den Vorteil, daß sich mehrere Möglichkeiten der Energieverteilung ergeben. Wird bei dem er findung s gemäßen Richtungskoppler an einem Ende der Primärleitung eine Energie eingespeist, dann kann diese an dem weitest entfernten Ende der Sekundärleitung abgenommen werden, dies ist bei bekannten Richtungskopplern, die nur eine homogene dielektrische Schicht zwischen der Masseschicht und den Übertragungsleitern aufweisen, nicht möglich.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Richtung skopplers ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

909842/1218

FI «a-oT-125

19H173

- 4 - ■■ - ■

Fig. 1: in prinzipieller Darstellung die Grundstruktur eines erfindungsgemäßen Richtungskoppler s,

Fig. 2: ein entsprechendes Prinzipschaltbild des erfindungs gemäßen Richtungskoppler s. ■-■-'"-'"

Gemäß der Fig. 1, welche in perspektivischer Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Richtungskoppler zeigt, dient ein Plättchen 5, das aus Halbleitermaterial besteht als Träger für die Übertragungsleitungen des Richtungskopplers und der Komponenten der integrierten Schaltungskreise. Vorzugsweise wird für das Trägerplättchen 5 Silizium verwendet, jedoch sind auch andere Halbleitermaterialien dafür verwendbar. Eine Oberflächenseite dieses Trägerplättchens 5 trägt eine Isolierschicht 4, de vorzugsweise aus Siliziumdioxyd besteht und die nach einem der bekannten Verfahren aufzubringen ist. Anstelle von Siliziumdioxyd können auch andere Materialien als Isolierschicht 4 verwendet werden« Eine Masseschicht 3, die aus leitendem Material besteht, ist auf der Unterseite des Trägerplättchens 5 angeordnet. Auf der Isolierschicht 4 verlaufen, wie in Fig. 1 dargestellt ist, zwei aus leitendem Material bestehende Übertragungsleitungen, die Primärleitung 1 und die Sekundärleitung 2. Für diese Übertragungsleitungen 1 und 2 wird vorzugsweise ein metallisches Material verwendet z.B. niedergeschlagenes Aluminium,

Um die geforderte Kopplung bzw. Übertragungsfunktion des Richtungskopp lers zu erhalten, sind gemäß der Darstellung in Fig. 1 die Abmessungen für die Dicke t, Breite b und den Zwischenabstand d der Übertragungsleitungen zu variieren. Bei einem ausgeführten Richtungskoppler dieses Systems betrugen die Abmessungen der Übertragungsleiter: Breite b 25 umm, Dicke 1 η mm. Vorzugsweise sollte jedoch die Dicke einer Übertragungsleitung 2 umm und die Breite 50nmm sein.

„9-67-125 909842/1218

19U173

Der in Fig. 1 dargestellte Richtungskoppler ist speziell zur Verwendung in Schaltungskreisen, die in integrierter Schaltungstechnik hergestellt sind, vorgesehen. Eine einzige Leitung auf der Oberseite einer integrierten Schaltungsanordnung hat eine scheinbare Massefläche, die sich in der Halbleiters chi cht in der Nähe der Siliziumdioxyd-Silizium-Trennschicht befindet und die die Kapazität der Übertragungsleitung bestimmt. Die metallische Massefläche, in diesem Beispiel die Masseschicht 3 nach Fig. 1 dient bei der Betrachtung zur Bestimmung der Induktivität der Übertragungsleitung als. Pfad für die Stromrückführung. Die Kapazität dieser Anordnung ist generell größer, weil die isolierende Oxydschicht 4 sehr dünn ist und die Induktivität ist auch größer, weil die Dicke h₀ der Halbleiter-

Lt

schicht ganz groß ist im Vergleich mit der Breite b der Übertragungsleitung. Es ergibt sich somit als Resultat dieser Betrachtung, daß eine einzige Übertragungsleitung auf einem Trägerplättchen einer integrierten Schaltung eine große Übertragungsverzögerung aufweist, da diese Anordnung eine große Kapazität und große Induktivität hat. Ein weiteres Ergebnis dieser Betrachtung ist, daß zwei einander benachbarte, parallele Übertragung sleitungen auf einer integrierten Schaltungsanordnung eine vernachlässigbare kapazitive Kopplung aufweisen, wenn die Dicke h.. der Isolierschicht 4 viel kleiner als das Abstandsmaß d der parallelen Übertragungsleiter gewählt wird und eine große induktive Kopplung ergibt sich, wenn die Dicke h der Halbleiter schicht 5 viel größer als das Abstandsmaß d der parallelen Leiter gewählt wird. Oder in anderen Worten ausgedrückt, dominierend für die Kopplung von zwei parallelen, auf einem integrierten Schaltungsblock angeordneten Leitungen ist die induktive Kopplung. Die dargestellte Übertragungsleitung hat eine große Induktivität und eine große Kapazität, die eine große Laufzeitverzögerung auf der Übertragungsleitung verursachen. Durch diese zusätzliche Verzögerung ist es möglich, einen wirksameren Richtungskoppler zu konstruieren, der viel kürzere Übertragung sleitungen aufweist als die bisher bekannten Richtungskoppler mit den üblichen Übertragungsleitungen.

9 0 9^2/121 B

FI 9-67-125

Die Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild einer entsprechenden Übertragungsleitung des in seiner Grundstruktur in Fig. 1 abgebildeten Richtungskopplers, Zwecks Erläuterung seiner Wirkungsweise. Obwohl die in Fig, I dargestellte Struktur grundsätzlich als Richtungskoppler dienlich ist, besteht die Möglichkeit, die Wirksamkeit der Kopplung durch eine Änderung der Parameter der Struktur zu variieren.

Bei zwei Übertragungsleitungen bestehen' die zwei Kopplungskoeffizienten, nämlich der kapazitive Kopplungskoeffizient k_ und der induktive Kopp-

lung sko effizient k . Diese Koeffizienten sind wie folgt definiert.

J-I

^L22

^Cm

(C₁₁ +C ) (C„
11 m/ ^v 22

) rrr

Dabei bedeuten:

L die Gegeninduktivität, C die Gegenkapazität L₁₁, L die Selbstinduktivitäten und

JL J. C* C*

C₁₁, C _ die Eigenkapazitäten der Leitungen 1 und 2, wenn diese beiden

11 C*&

vorhanden sind.

Weil bei dem erfindungsgemäßen Richtungskoppler die kapazitive Kopplung vernachlässigbar klein ist und die induktive Kopplung sehr groß ist, wird der Wert von k viel größer als der Wert von k . Bei den bekannten Richtungskoppler η mit homogener dielektrischer Abstands schicht ist der Wert von k gleich dem von k , dies hat zur Folge, daß sich alle WeI-len mit nur einer Geschwindigkeit fortpflanzen. Bei dem erfindurigsgemäßen Richtungskopplerii hingegen ergibt sich" eine Welle ..langsamer ~Ge-

909842/1218

FI 9-67-125 . *

schwindigkeit und eine Welle schneller Geschwindigkeit. Die Laufzeitverzögerung in diesem Richtungskoppler erscheint dadurch verschieden zu den zwei Wellen mit den unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten.

Aufgrund der Symmetrie der beiden Übertragungsleitungen im erfindungsgemäß en Richtungskoppler wird angenommen, daß die Selbstinduktivitäten der zwei Leitungen einander gleich sind (L. . = L_?_) und daß die Eigenkapazitäten dieser beiden Leitungen ebenfalls einander gleich sind (C., = C_?_). Diese Bedingungen für C und L sind so definiert:

L= L., = L^ _ und. C = ^ii ⁼ ^ ο ο*

11 CtCt 1 1 CtL·

In dem Schaltbild der Fig. 2 bedeutet V₁ die Spannung zwischen Masse und der ersten Übertragungsleitung, Primärleitung 1; die Spannung V₁ (O) liegt am Eingangsende und die Spannung ν ( C ) steht am Ausgangs ende der Übertragungsleitung 1. ν ist die Spannung der zweiten Übertragungs-

Ct

leitung, Sekundärleitung Z₁ zu Masse, wobei ν (0) sich auf das Eingangsende und die Spannung v_ [H) sich auf das Aus gangs ende der Sekundärleitung 2 bezieht, χ bedeutet den jeweiligen Abstand der Übertragungsleitung, deren Eingangsende mit χ = 0 und deren Ausgangs ende mit χ = t bezeichnet ist. ,

Für die Kopplung der Übertragungsleitungen bestehen die folgenden Grundgleichungen:

ό	^νι	T	1	+	L m	c¹ t
	X	^Lll	*l> t*		^L22 ■	c'i₂
ό	^V2		^i₁		Ot
ι c-	X	J_l m	C t
C

909842/1218

FI 9-67-125

'11: Jt

TV,

-C

eft

+ C

22 . ei" t

Dabei bedeutet t die Zeit, außerdem: wurde angenommen, daß k viel kleiner ist als k .

Die Übertragungsfunktion einea Richtung skopplers in, |^de^ der ir ei möglichen Richtungen ist durch die drei nachstehend aufgeftüirten- und abgeleiteten, Wellengleichungen dargestellt.

- f ^l

(1-1²) [(

-1

(I

Ip dieeeii We^en-gleichungen fiir die Ifbertragung^funktioit bedeuten^ die» genden Be-zifhungen; zusammenfaasend& Fpririelausdrüeke:

Fi 9-6T^

19Ί4173

CJ ßo	= 2 W -fache s ω j LC'	Eingangsfrequenz
V

TVl	« -j ^	+ kV

„ *. -i Po f -

7\ s = Ά1 + λ 3

Af λΐ - ft 3 .-.■-■

^{z =} \ ^L Wellenwiderstand der Leitungsanordnung

Ys Scheinwert der Anordnung für die langsame Wellenausbreitung Yf Scheinleitwert der Anordnung für die schnelle Wellenausbreitung

(l-Y_sZ_L) β« /(I + Y₈ZJe^l'(1-YfS

ί¹ - ^Ys^ZL> ^e"

s L

Y Z )

S Xj

f L'

^:?y

(1

(1 -Y Z_x) -(1+YJi₁) -(I -

I L

und wo

L
ist.

1 + k.

I I 1 I I l_ 1 I I I > I

1 - Ic.

L
C

4 \(1 -

90 9 842/1218

FI 9-67-125

Beispiel:

Angenommen ist ein Richtvingskoppler mit

L ¹V, « K - m s

(_> Jj _

£ = 0.05 Meter

L = 10 nh/cm = 10 henry/m

/ -10

C = 4pf/cm = 4 χ 10 Farad/m Damit wird

Z = \| L s 50 Ohm

■IFF ⁼

- ^k _L ) = ³⁸·^{8 ohm}

= 0.58

Bei einer gewählten Frequenz von 560 MHz ergibt sich = 22.4 -TT

ι'*

^J 2 cos 2 j sin

90 98 42/12 T8 ^ ;

FI 9-67-12 5

1-9Ϊ4173 -π-

1 *V I 4 π TT _ j, sin W

e ~ e ' ^J a ' " cos: 2 +

e a e = eos 2 tt j siri 2 W =

= e. = COS^ ~ ι· sin

wird

s Q.

= j ο-, a?

Vj (θ)

v_t ( ί ) V₁(O)

eine Yeräixderung des Kopplungswertes von k kann das vorstehend berechnete Spannungsverhältnis variiert werden. In der nachstehenden Tasind als Beis;gtiele einige wenige typische Fälle des Yerhältnisaes

ziu, den Eingangswerten_: aufgeführt bei jeweils einheitlicher Eingangs -J

FI 9.·, 6?, 12.3

«l.

(M

to"

er»

rf

FI 9-67-125

PO O

IT.

(\J

CNJ

ob

12Ϊ

Will!

ORIGINAL INSPECTED

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Richtungskoppler, insbesondere in integrierter Schaltungstechnik, zur Übertragung von sich in einem Primärleiter fortpflanzender Hochfrequenzenergie in einen Sekundärleiter, bestehend aus zwei über eine vorgegebene Länge parallel zueinander und zu einer auf Massepotential liegenden Schicht verlaufenden Leitungen und wenigstens einer zwischen den Leitern, und der Masseschicht angeordneten Halbleiterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierschicht (4) zwischen der Halbleiterschicht (5) und den Übertragungsleitern (Primärleiter 1, Sekundärleiter 2) angeordnet ist.

2, Richtungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter schicht (5) ein Trägerplättchen bildet, auf deren einer Oberflächenseite die leitende Masseschicht (3) und auf deren entgegengesetzten Oberflächenseite die Isolierschicht (4) und auf dieser die parallel verlaufenden Primärleiter (1) und Sekundärleiter (2) angeordnet sind.

3, Richtungskoppler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (h ) der Isolierschicht (4) viel kleiner ist und die Dicke (h ) der Halbleiter schicht (5) viel größer ist als der Abstand (d) zwischen dem Primärleiter (1) und dem Sekundärleiter (2), so daß die magnetische Kopplung

(K ) der Übertragungsleiter zueinander viel größer ist als L

die elektrische Kopplung (k ).

4, Richtungskoppler nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (4) aus Siliziumdioxyd besteht.

9 0 9 8 A v / 1 2 1 B

FI 9-67-12 5 ,

5. Richtungskoppler nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (5) Silizium enthält. t \ '-\ ,

6. Richtungskoppler nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärleiter (1) und Sekundärleiter (2) rechteckförmigen Querschnitt aufweisen und daß die Leiter metallisch sind. V

7. Richtungskoppler nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Primärleiter (1) und Sekundärleiter (2) aus niedergeschlagenem Aluminium bestehen.

Fi 9-67-125 9 0 9 8 4 2/1218