DE19580382C1

DE19580382C1 - Übertragungsleitung und Verfahren zur Dimensionierung und Herstellung derselben

Info

Publication number: DE19580382C1
Application number: DE19580382A
Authority: DE
Inventors: Louis J Vannatta; James P Phillips; Eric L Krenz
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC
Priority date: 1994-03-11
Filing date: 1995-02-07
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2015-02-08
Also published as: ES2120353B1; FI955064A0; FR2717326B1; WO1995024743A1; US5539360A; SE9503988D0; KR100260694B1; BR9505653A; ES2120353A1; CA2160257A1; GB9522031D0; ITRM950139A0; CN1040268C; SG90010A1; SE507144C2; JPH08510624A; ZA951145B; GB2292017B; FR2717326A1; SE9503988L

Description

Die Erfindung betrifft eine Übertragungsleitung zur Übertragung von Signalen mit einer Frequenz innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen sowie ein Verfahren zur Dimensionierung und Herstellung einer solchen Übertragungsleitung.

Generell werden symmetrische Übertragungsleitungen benutzt um Funkfrequenzsignale (RF-Signale) zwischen zwei Schaltkreisen zu übertragen. Eine Übertragungsleitung im transversal elektrischen und magnetischen Mode (TEM-Mode-Leitung) enthält mindestens zwei Leiter zur Übertragung des RF-Signals. Die Geometrien der zwei Leiter und die Benutzung eines dielektrischen Materials bestimmt den Wellenwiderstand und die Qualität der Übertragungsleitung. In der Vergangenheit wurden Geometrien wie etwa eine in Fig. 1 veranschaulichte, breitseitengekoppelte Übertragungsleitung, eine in Fig. 2 veranschaulichte, koplanare Übertragungsleitung und eine in Fig. 3 veranschaulichte Mikrostreifenleitung für besondere Anwendungen als Übertragungsleitungen benutzt. Wenn jedoch versucht wird, diese besonderen Geometrien in einer Übertragungsleitung mit begrenztem Querschnitt zu benutzen, dann versagen diese traditionellen, in Fig. 1-3 gezeigten Geometrien darin, eine Übertragungsleitung mit einem Wellenwiderstand innerhalb eines gewünschten Bereichs zu erreichen. Der Querschnitt bezieht sich auf die Höhe und Breite der Übertragungsleitung. Diese drei Geometrien versagen bei dem Vorsehen eines toleranten Wellenwiderstands wegen der Herstellungsabweichungen des Leitermusterätzens, der Lagegenauigkeit des Leitermusters und der Dicke der dielektrischen Trägerplatte. Zusätzlich ist die als Streifenleitung ausgebildete Übertra gungsleitung eine unsymmetrische Übertragungsleitung.

Bei einer aus der US 5 304 959 bekannten Übertragungsleitung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art sind der erste und der zweite Leiter in Form einer koplanaren Streifenleitung ausgebildet, die über dem dritten Leiter mit schwimmendem Potential angeordnet ist. Zwischen den koplanaren ersten und zweiten Leitern und dem dritten Leiter ist ein dielektrisches Substrat angeordnet, das seinerseits wiederum sich auf einem metallischen Träger abstützt.

Aus der US 4 707 671 ist eine elektrische Übertragungsleitung bekannt, bei der auf einer Seite einer porösen dielektrischen Schicht ein Paar von schmalen, parallelen elektrischen Leitern angeordnet ist, die als erste und zweite Leiter anzusehen sind, während auf der diesen Leitern gegenüberliegenden Seite der dielektrischen Schicht ein geerdeter Masseleiter vorgesehen ist.

Aus der DE 24 44 228 B2 sowie der GB 2 229 322 A sind auf einer Masseplatte beabstandete Streifenleiter bekannt, wobei in die Masseplatte an dem Streifenleiter gegenüberliegenden Stellen Unterbrechungen zum Zwecke der Wellenwiderstands erhöhung bzw. Wellenwiderstandsanpassung eingebracht sind. Bei diesen Streifenleitern handelt es sich jedoch nicht um koplanare Leitungen und die Masseplatten befinden sich nicht auf einem schwimmenden Potential, sondern sind vielmehr geerdet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Übertragungsleitung mit begrenztem Querschnitt zu schaffen, die einen Wellenwiderstand innerhalb eines gewünschten Bereichs hat und in üblicher Weise herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Übertragungsleitung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf den Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer breitseitigen Übertragungsleitung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Fig. 2 eine Darstellung einer koplanaren Übertragungsleitung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Fig. 3 ist eine Darstellung einer als Mikrostreifenleitung ausgebildeten Übertra gungsleitung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Fig. 4 ist eine Darstellung der Symmetrieebenen, die in Übereinstimmung mit der Erfindung benutzt werden.

Fig. 5 eine Darstellung der Übertragungsleitung nach der Erfindung.

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Übertragungsleitung aus Fig. 5.

Fig. 7 eine Darstellung einer Tabelle, die gemessene Toleranzen einer Übertragungsleitung nach der Erfindung enthält.

Fig. 8 eine Darstellung von zwei Tabellen, die gemessene Toleranzen einer Übertragungsleitung nach dem Stand der Technik enthält.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bewirkt eine verbesserte Wellenwider standstoleranz für eine Übertragungsleitung mit begrenztem Querschnitt. Die Übertragungsleitung verwendet dabei eine Kombination von Breitseitenkopplung und Kopplung der in derselben Ebene liegenden Leiter, d. h., koplanarer Kopplung mit einer Reflektorplatte, um die Toleranz des Wellenwiderstands zu verbessern. Zuerst wird ein größerer in derselben Ebene liegender Zwischenraum benutzt, um den Ätzfehler zu ver ringern. Zweitens werden die inneren dielektrischen Dickenempfindlichkeiten ebenso verringert durch Abstützen auf Breitseitenkopplung und koplanarer Kopplung, um den Wellenwiderstand der Übertragungsleitung zu bestimmen. Drittens wird die Wirkung des Lagegenauigkeitsfehlers bei der Breitseitenkopplung beseitigt durch Bereitstellen der zwei signalführenden Leiter auf derselben Schicht.

Eine breitseitengekoppelte Übertragungsleitung, wie etwa die in Fig. 1 veranschaulichte, hat einen Wellenwiderstand, der empfindlich bezüglich der Dicke des dielektrischen Materials zwischen dem ersten Leiter 101 und dem zweiten Leiter 103, dem Lageversatz zwischen dem ersten Leiter 101 und dem zweiten Leiter 103, und der Breite des ersten Leiters 101 und des zweiten Leiters 103 ist. Tabelle 801 in Fig. 8 veranschaulicht die Toleranz der breitseitengekoppelten Übertragungsleitung bezüglich der Ungenauigkeiten im Ätzen oder der Leitungsbreite und der Dielektrizität für eine 50-Ohm-Übertragungs leitung mit einer gewünschten Leitungsbreite von 0,39 mm und einer dielektrischen Dicke von 0,125 mm. Wie aus der Tabelle 801 erkannt werden kann, variiert die breitseiten gekoppelte Übertragungsleitung wegen der Ungenauigkeiten von ungefähr -24,5% bis +27%. Tabelle 803 von Fig. 8 veranschaulicht eine Beziehung der Toleranz der breitsei tengekoppelten Übertragungsleitung auf Abweichungen in der Breite der Leiter und dem Lageversatz zwischen dem ersten Leiter 101 und dem zweitem Leiter 103. Wie aus der Tabelle 803 erkannt werden-kann, variiert die breitseitengekoppelte Übertragungsleitung zwischen -8% und +17% aufgrund des angegebenen Lageversatzes.

Die koplanare Übertragungsleitung, wie in Fig. 2 veranschaulicht, versagt darin, eine Übertragungsleitung mit 50 Ohm vorzusehen, wenn die Entwurfskriterien eine Gesamtbreite der Übertragungsleitung von weniger als 1,6 mm verlangen. Der Grund für das Versagen liegt darin, daß eine 50-Ohm-Übertragungsleitung mit einer Leiterbreite von 1,6 mm einen Spalt zwischen den in derselben Ebene liegenden Leitern von 0,025 mm verlangt. Ein Spalt dieser Breite ist mit der für die gegebene Anwendung gegenwärtig verfügbaren Technologie schwierig herzustellen. Ein solcher Spalt ist in Fig. 2 veranschaulicht als der Abstand zwischen dem ersten Leiter 201 und dem zweiten Leiter 203, und ist in Fig. 2 mit Y bezeichnet.

Um die Nachteile der existierenden Übertragungsleitung zu überwinden, wurde eine neue Übertragungsleitung gefunden, die die Charakteristiken sowohl der breitsei tengekoppelten Übertragungsleitung als auch der koplanaren Übertragungsleitung verwendet. Der obere Teil von Fig. 4 zeigt eine Veranschaulichung der Symmetrieebene der koplanaren Übertragungsleitung, die von der neuen Übertragungsleitung übernommen wird. Der untere Teil von Fig. 4 zeigt eine Veranschaulichung der Symmetrieebene der breitseitengekoppelten Übertragungsleitung, die von der neuen Übertragungsleitung übernommen wird.

Fig. 5 zeigt eine Veranschaulichung der Übertragungsleitung 500 nach der Erfindung. Die Übertragungsleitung 500 schließt einen ersten Leiter 501, einen zweiten Leiter 503 und einen dritten Leiter 505 ein. Der erste Leiter 501 und der zweite Leiter 503 sind, wie bei der koplanaren Mikrostreifenleitung, kantengekoppelt, wie durch die Kondensatoren 507 in Fig. 5 gezeigt wird. Zusätzlich sind der erste Leiter 501 und der zweite Leiter 503 unter Benutzung eines dritten Leiters 505 als Reflektorplatte breitseitengekoppelt, wie durch die in Fig. 5 gezeigten Kondensatoren 509 veranschaulicht. Der wirksame Breitseitenabstand ist zweimal so groß, wie der Abstand zwischen dem dritten Leiter 505 und der durch den ersten Leiter 501 und den zweiten Leiter 503 gebildeten Ebene. In der bevorzugten Ausführungsform werden der erste Leiter 501 und der zweite Leiter 503 benutzt, um Funkfrequenzsignale zwischen einem Funkempfänger und einer Antenne zu übertragen. Der dritte Leiter 505 ist ein Leiter mit schwimmendem Potential, der benutzt wird, um die elektrischen Felder zwischen dem ersten Leiter 501 und dem zweiten Leiter 503 einzuschließen, und reflektiert dadurch ein Abbild der Leiter 501, 503. Oft wird der dritte Leiter als eine Reflektorplatte bezeichnet. Typischerweise ist der Zwischenraum zwischen dem dritten Leiter 505 und der Ebene des ersten Leiters 501 und des zweiten Leiters 503 mit einem dielektrischen Material ausgefüllt. Alternativ kann der Zwischenraum leer gelassen werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist das dielektrische Material ein flexibles Leiterplattenmaterial, gewöhnlich als Flex bezeichnet, mit einer dielektrischen Konstante εr von 3,4.

Zusätzlich enthält der dritte Leiter 505 periodische Unterbrechungen entlang seiner Länge, um jede unerwünschte Übertragungsmode, wie etwa transversal elektrische (TE), transversale magnetische (TM), oder transversale elektrische und magnetische (TEM) Mode, zu unterdrücken. Die elektrische Entfernung zwischen den periodischen Unterbrechungen sollte kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der höchsten auf der Übertragungsleitung 500 zu übertragenden Frequenz sein. In der bevorzugten Ausführungsform treten die periodischen Unterbrechungen bei jedem Zehntel der Wellenlänge der höchsten auf der Übertragungsleitung zu übertragenden Frequenz auf. Die höchste übertragene Frequenz ist 1,5 GHz.

Fig. 7 zeigt eine Tabelle, die die Ergebnisse der neuen Übertragungsleitung für verschiedene Toleranzen für eine 50-Ohm-Übertragungsleitung veranschaulichen. Für die gegebenen Toleranzen variiert der Wellenwiderstand zwischen Werten von 42,4 und 58,6 Ω, d. h. von -15,2% bis +17,2% im Vergleich zu der Breitseitentoleranz, die von -0,035 mm bis +0,035 mm variiert. So ermöglicht das Verfahren eine fehlertolerantere Dimensionierung der Übertragungsleitungen bei geringen Querschnitten.

Um eine Übertragungsleitung unter Benutzung dieser Geometrie zu dimensionieren und herzustellen, sollte der folgende Prozeß befolgt werden. Zuerst wird ein gewünschter Querschnitt der Übertragungsleitung bestimmt, der sowohl die Dicke als auch die Breite der Übertragungsleitung einschließt. In der bevorzugten Ausführungsform konnte die Gesamtdicke 0,311 mm nicht übersteigen, das innere Dielektrikum war auf 0,100 mm begrenzt, und die Breite der Übertragungsleitung konnte 1,6 mm nicht übersteigen. Zweitens wird ein gewünschter Wellenwiderstand z_od bestimmt. In der bevorzugten Ausführungsform ist z_od 50 Ohm. Drittens wird die höchste auf der Übertragungsleitung zu benutzende Übertragungsfrequenz bestimmt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die höchste gewünschte Übertragungsfrequenz 1,5 GHz, die eine korrespondierende Wellenlänge auf der Übertragungsleitung von 110 mm besitzt. Viertens wird ein Spalt Y zwischen dem ersten Leiter 501 und dem zweiten Leiter 503 gewählt. Der Spalt sollte so klein wie unter den gegenwärtigen Herstellungstechnologien bequem erreichbar gewählt werden. Der Spalt sollte einen Wellenwiderstand z_oc erzeugen, der größer als der gewünschte Wellenwiderstand z_od ist. In der bevorzugten Ausführungsform wurde der Spalt Y zu 0,25 mm gewählt. Unter Benutzung des Spalts Y und der Gesamtbreite der Übertragungsleitung werden die maximalen, identischen Breiten des ersten Leiters 501 und des zweiten Leiters 503 berechnet. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Breiten des ersten Leiters 501 und des zweiten Leiters 503 0,55 mm. Fünftens wird die Breitseitendicke zwischen dem ersten Leiter 501 und dem zweiten Leiter 503 so berechnet, daß die folgende Gleichung erfüllt ist.

1/z_od = 1/z_oc + 1/z_ob.

Diese Gleichung ist eine rohe Schätzung des wirksamen Wellenwiderstands der sich ergebenden Übertragungsleitung. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Breitseitendicke 0,200 mm. Sechstens wird der Abstand zwischen dem dritten Leiter 505 und der Ebene des ersten Leiters 501 und des zweiten Leiters 503 auf die Hälfte der berechneten Breitseitendicke gesetzt. Siebtens wird die berechnete Geometrie gebaut, und dann werden die Dimensionen fein abgestimmt, um den gewünschten Wellenwider stand zu erhalten. Mit hoher Wahrscheinlichkeit ergibt die Abschätzung als Ergebnis der Lösung der obigen Gleichung einen geringeren Wellenwiderstand als den gewünschten Wellenwiderstand z_od. Vor der Herstellung der berechneten Geometrie kann eine Modellbildung unter Benutzung eines Hochfrequenzstruktursimulators durchgeführt werden. Als weiterer Schritt sind periodische Unterbrechungen entlang der Länge des dritten Leiters 505 vorzusehen. Diese periodischen Unterbrechungen oder Brüche im dritten Leiter 505 sollten einen Abstand von weniger als einem Viertel der Wellenlänge der höchsten, auf der Übertragungsleitung 500 zu übertragenden Frequenz haben. In der bevorzugten Ausführungsform haben die periodischen Unterbrechungen einen Abstand von einem Zehntel der Wellenlänge der höchsten, auf der Übertragungsleitung 500 zu übertragenden Frequenz (20 mm). Die Unterbrechungen sind aus Fig. 6 ersichtlich, welche eine perspektivische Darstellung der Übertragungsleitung 500 aus Fig. 5 zeigt.

Claims

1. Übertragungsleitung zur Übertragung von Signalen mit einer Frequenz innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs, enthaltend:

- einen ersten Leiter (501) mit einer ersten, vorbestimmten Breite und angeordnet in einer ersten Ebene;
- einen zweiten Leiter (503), der ebenfalls in der ersten Ebene parallel zum ersten Leiter (501) angeordnet und von dem ersten Leiter (501) getrennt ist, mit einer zweiten, vorbestimmten Breite; und
- einen dritten Leiter (505) mit schwimmendem Potential, der von der ersten Ebene versetzt und parallel zur ersten Ebene angeordnet ist, mit einer dritten, vorbestimmten Breite, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Leiter (505) entlang der Länge in vorbestimmten Abständen von deutlich weniger als einem Viertel der Wellenlänge der Maximalfrequenz unterbrochen ist.

2. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte, vorbestimmte Breite größer als die Summe der ersten, vorbestimmten Breite und der zweiten, vorbestimmten Breite ist.

3. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrisches Material zwischen der durch den ersten Leiter (501) und den zweiten Leiter (503) gebildeten Ebene und dem dritten Leiter (505) liegt.

4. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale auf dem ersten Leiter (501) und dem zweiten Leiter (503) übertragen werden.

5. Übertragungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Leiter (505) eine Reflektorplatte für den ersten Leiter (501) und den zweiten Leiter (503) ist.

6. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand ein Zehntel der Wellenlänge der Frequenz ist.

7. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung eine symmetrische Übertragungsleitung ist.

8. Verfahren zur Dimensionierung und Herstellung einer Übertragungsleitung nach Anspruch 1 mit den Schritten:

- Bestimmen eines gewünschten, physikalischen Querschnitts der Übertragungsleitung, einschließlich der Dicke und der Breite;
- Bestimmen eines gewünschten Wellenwiderstands (z_od) für die Übertragungsleitung;
- Bestimmen einer höchsten Übertragungsfrequenz auf der Übertragungsleitung mit einer korrespondierenden Wellenlänge;
- Bestimmen eines Spalts zwischen dem ersten Leiter (501) und dem zweiten Leiter (503), und Bestimmen einer Breite des ersten Leiters (501) und des zweiten Leiters (503) derart, daß ein erster Wellenwiderstand (z_oc) gebildet wird, der größer als der Wellenwiderstand (z_od) der Übertragungsleitung ist;
- Berechnen einer Breitseitendicke zwischen dem ersten Leiter (501) und dem zweiten Leiter (503), abhängig vom Wellenwiderstand (z_od) der Übertragungsleitung und vom ersten Wellenwiderstand (z_oc), wodurch ein zweiter Wellenwiderstand (z_ob) gebildet wird;
- Herstellen eines Abstands zwischen dem dritten Leiter (505) und einer Ebene des ersten Leiters (501) und des zweiten Leiters (503) gleich der Hälfte der Breitseitendicke; und
- Vorsehen einer Unterbrechung des dritten Leiters (505) entlang seiner Länge im Abstand kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der höchsten Frequenz.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung eines dielektrischen Materials mit einer dielektrischen Konstante, abhängig vom Schritt der Bestimmung des Spalts erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Berechnung ferner die Erfüllung der Gleichung:
Kehrwert des Wellenwiderstands der (1/z_od) ist gleich der Summe der Kehrwerte des ersten und zweiten Wellenwiderstands (1/z_oc + 1/z_ob) enthält.