DE19833512A1 - Active radio frequency control element - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein aktives HF-Steuerelement, mit DOLLAR A - einem HF-tauglichen Substrat sowie einer darauf angebrachten HF-Leitungsanordnung; DOLLAR A - einer auf dem Substrat befindlichen Steuerschicht, deren elektrische Leitfähigkeit durch Temperaturänderung steuerbar ist, wobei die Steuerschicht an mindestens einer Stelle mit der HF-Leitungsanordnung gekoppelt ist, DOLLAR A - Mittel zur Temperaturänderung der Steuerschicht.The invention relates to an active RF control element with DOLLAR A - an RF-compatible substrate and an RF line arrangement mounted thereon; DOLLAR A - a control layer located on the substrate, the electrical conductivity of which can be controlled by changing the temperature, the control layer being coupled to the HF line arrangement at at least one point, DOLLAR A - means for changing the temperature of the control layer.
Description
Die Erfindung betrifft ein aktives Hochfrequenzsteuerelement sowie seine Verwendung in Hochfrequenzschaltungsanordnungen.The invention relates to an active radio-frequency control element and its use in High frequency circuit arrangements.
In Hochfrequenzschaltungsanordnungen (Hochfrequenz wird im folgenden mit HF abgekürzt) werden insbesondere aktive HF-Bauelemente wie z. B. Dioden, Transistoren, Röhren als Steuerelemente eingesetzt. Zur Herstellung dieser Bauelemente müssen jedoch aufwendige Technologien angewendet werden.In high-frequency circuit arrangements (high frequency is referred to below as HF abbreviated) in particular active RF components such. B. diodes, transistors, Tubes used as controls. To manufacture these components however, complex technologies are used.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein aktives Hochfrequenzsteuerelement zu schaffen, das kostengünstig herstellbar ist.The invention is therefore based on the object of an active high-frequency control element to create that is inexpensive to manufacture.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche. This object is achieved with the subject matter of claim 1. Beneficial Embodiments of the invention are the subject of further claims.
Das erfindungsgemäße HF-Steuerelement basiert auf der Koppelung einer herkömmlichen HF-Leitung mit einer Steuerschicht, deren elektrische Leitfähigkeit durch Temperaturänderung steuerbar ist. Dabei sind solche Materialien zu bevorzugen, deren Leitfähigkeit eine sprunghafte Änderung, z. B. um mehrere Zehnerpotenzen erfährt. Die Steuerschicht ist wie die HF-Leitungsanordnung auf einem HF-tauglichen Substratmaterial (beispielsweise Keramikmaterialien wie Aluminiumoxid bzw. Saphir) aufgebracht.The HF control element according to the invention is based on the coupling of a conventional one RF line with a control layer whose electrical conductivity is due to Temperature change is controllable. Such materials are preferred, the Conductivity a sudden change, e.g. B. experienced by several powers of ten. The The control layer is like the RF line arrangement on an RF-compatible substrate material (For example ceramic materials such as aluminum oxide or sapphire) applied.
Als Materialien für die Steuerschicht sind insbesondere Phasenübergangsmaterialien geeignet, die einen großen Leitfähigkeitssprung beim Übergang zeigen. Eine sehr gut geeignete Substanz ist Vanadiumdioxid VO2, das bei Tc = 68°C vom halbleitenden Zustand in einen metallischen Zustand übergeht. Unterhalb der Übergangstemperatur ist VO2 hochohmig, bei Erwärmung über die Übergangstemperatur erhöht sich die Leitfähigkeit von VO2 um einen Faktor von etwa 104. Durch Dotierung mit Metallionen läßt sich die Übergangstemperatur noch innerhalb gewisser Grenzen verschieben (etwa zwischen 0 und 100°C).Phase transition materials which have a large jump in conductivity during the transition are particularly suitable as materials for the control layer. A very suitable substance is vanadium dioxide VO 2 , which changes from a semiconducting state to a metallic state at T c = 68 ° C. Below the transition temperature, VO 2 has a high resistance; when heated above the transition temperature, the conductivity of VO 2 increases by a factor of about 10 4 . By doping with metal ions, the transition temperature can still be shifted within certain limits (for example between 0 and 100 ° C).
Bei anderen Einsatztemperaturen der Bauelemente können auch Materialien wie V2O3 (Tc = -115°C), NiS (-23°C), NbO2 (800°C), FeSi2 (700°C), LaCoO3 (430°C), La2NiO3 (230°C), Ti2O3 (400°C), Ti4O7 (-150°C), Ti5O9 (-175°C) oder Fe3O4 (-180°C) und andere eingesetzt werden. Die Fig. 14 zeigt die elektrische Leitfähigkeit einiger Phasenübergangsmaterialien in Abhängigkeit von der reziproken Temperatur.At other operating temperatures of the components, materials such as V 2 O 3 (T c = -115 ° C), NiS (-23 ° C), NbO 2 (800 ° C), FeSi 2 (700 ° C), LaCoO 3 ( 430 ° C), La 2 NiO 3 (230 ° C), Ti 2 O 3 (400 ° C), Ti 4 O 7 (-150 ° C), Ti 5 O 9 (-175 ° C) or Fe 3 O 4 (-180 ° C) and others can be used. Fig. 14 shows the electrical conductivity of some phase change materials as a function of the reciprocal temperature.
Um den Phasenübergang zu induzieren, muß die Temperatur möglichst schnell erhöht werden. Dies kann mit Hilfe eines Stromes durch resistives Heizen der Steuerschicht oder durch Heizen mittels elektromagnetischer Wellen realisiert werden. In order to induce the phase transition, the temperature must be increased as quickly as possible become. This can be done using a current through resistive heating of the control layer or by heating by means of electromagnetic waves.
Vanadiumdioxid zeigt bei Zimmertemperatur ein halbleitendes Verhalten. Wird ein Strom durch eine Leiterbahn, die aus diesem Material besteht, geleitet, wird das Material durch seinen hohen ohmschen Widerstand schnell erwärmt, bis es die Phasenübergangstemperatur erreicht. Handelt es sich um eine strombegrenzte Quelle, stoppt die Erwärmung wegen der drastischen Widerstandsreduzierung gerade oberhalb der Übergangstemperatur selbstständig. Die Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit ist einstellbar über die Wärmekopplung der Steuerschicht zum Substrat und durch die zugeführte elektrische Leistung. Die Wärmekopplung der Steuerschicht zum Substrat kann durch eine Wärmeisolationsschicht zwischen Substrat und Steuerschicht eingestellt werden.Vanadium dioxide shows a semiconducting behavior at room temperature. Becomes a stream the material is passed through a conductor track consisting of this material quickly heats up its high ohmic resistance until it reaches the Phase transition temperature reached. If it’s a current-limited source, the heating stops just above because of the drastic reduction in resistance the transition temperature independently. The rate of heating up or cooling down is adjustable via the heat coupling of the control layer to the substrate and through the supplied electrical power. The thermal coupling of the control layer to the substrate can adjusted by a thermal insulation layer between the substrate and the control layer become.
Eine elektromagnetische Heizung kann zum Beispiel über eine Blitzlampe oder eine Laserdiode realisiert werden. Die zu schaltende Steuerschicht kann wie bei der elektrischen Heizung durch eine Wärmeisolationsschicht vom Substrat thermisch entkoppelt werden. Durch Bestrahlung der Steuerschicht wird diese sehr schnell erwärmt und schaltet in den leitfähigen Zustand.An electromagnetic heater can be, for example, a flash lamp or a Laser diode can be realized. The control layer to be switched can be the same as for the electrical heating through a thermal insulation layer from the substrate thermal be decoupled. Irradiation of the control layer heats it up very quickly and switches to the conductive state.
Das erfindungsgemäße aktive Hochfrequenzsteuerelement bietet eine Reihe von
Vorteilen:
The active high-frequency control element according to the invention offers a number of advantages:
- - es kann die bekannten aktiven HF-Bauelemente, wie z. B. Dioden, Transistoren, Röhren ersetzen;- It can be the known active RF components, such as. B. diodes, transistors, tubes replace;
- - es sind einfache und kostengüngstige Technologien zur Herstellung möglich; - Simple and inexpensive manufacturing technologies are possible;
- - es ist kompatibel zu planaren Schaltungen.- It is compatible with planar circuits.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on exemplary embodiments with reference to drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1, 3 jeweils Ausführungen des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements; Fig. 1, 3 each embodiment of the RF control element according to the invention;
Fig. 2 Wellenwiderstandsänderung und Phasenänderung in Abhängigkeit von der Breite einer Streifenleitung; Fig. 2 wave resistance change and phase change depending on the width of a strip line;
Fig. 4 zwei Ausführungen des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements mit resistiver Heizung der Steuerschicht; FIG. 4 shows two versions of the RF control element according to the invention with resistive heating of the control layer;
Fig. 5 Verwendung des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements in einem SPST- Schalter; FIG. 5 using the RF control element according to the invention in a SPST switch;
Fig. 6 Verwendung des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements in einem SPDT- Schalter; Fig. 6 use of the RF control element according to the invention in an SPDT switch;
Fig. 7 Streuparameter eines SPDT-Schalters nach Fig. 6; FIG. 7 scatter parameters of an SPDT switch according to FIG. 6;
Fig. 8 Transmissionsverluste eines SPDT-Schalters nach Fig. 6; FIG. 8 transmission losses of an SPDT switch according to FIG. 6;
Fig. 9 Verwendung des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements in einem SPDT- Schalter; Fig. 9 using the RF control element according to the invention in an SPDT switch;
Fig. 10 Verwendung des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements in einem Phasenumschalter; Fig. 10 using the RF control element according to the invention in a phase change-over switch;
Fig. 11 Verwendung des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements in einem schaltbaren Interdigitalkondensator; Fig. 11 using the RF control element according to the invention in a switchable interdigital capacitor;
Fig. 12 Verwendung des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements in einer schaltbaren Induktivität; Fig. 12 using the RF control element according to the invention in a switchable inductance;
Fig. 13 Verwendung des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements in einem schaltbaren Resonator; Fig. 13 using the RF control element according to the invention in a switchable resonator;
Fig. 14 Elektrische Leitfähigkeit einiger für das erfindungsgemäße HF-Steuerelement geeigneter Materialien in Abhängigkeit von der reziproken Temperatur. Fig. 14 Electrical conductivity of some suitable for the inventive RF control materials as a function of the reciprocal temperature.
Die Fig. 1 zeigt zwei mögliche Ausführungen des erfindungsgemäßen Hochfrequenzsteuerelements. In der in Fig. 1a gezeigten Ausführung bildet die Steuerschicht S aus einem Material mit steuerbarer Leitfähigkeit einen Abschnitt einer durchgehenden HF-Leitung. Steuerschicht S und HF-Leitung sind also seriell geschaltet. Bei Erwärmung über oder Abkühlung unter die Übergangstemperatur des Materials der Steuerschicht S kann die Transmissionseigenschaft der Leitung zwischen durchgängig (Transmission) und leerlaufend (Isolation) modifiziert werden. FIG. 1 shows two possible versions of the high-frequency control element of the invention. In the embodiment shown in FIG. 1a, the control layer S forms a section of a continuous RF line from a material with controllable conductivity. Control layer S and HF line are therefore connected in series. When heating above or cooling below the transition temperature of the material of the control layer S, the transmission property of the line can be modified between continuous (transmission) and idling (insulation).
In Fig. 1b ist die erfindungsgemäße Steuerschicht S parallel zu einer durchgehenden HF- Leitung angeordnet. Durch Temperaturänderung kann der Wellenwiderstand und die Phase der Leitung gesteuert werden. In Fig. 1b, the control layer S according to the invention is arranged parallel to a continuous RF line. The wave resistance and the phase of the line can be controlled by changing the temperature.
Fig. 2 veranschaulicht die Wellenwiderstandsänderung und die Phasenänderung einer 10 mm langen Streifenleitung auf 125 µm dickem Aluminiumoxid-Substrat als Funktion der Leiterbreite. FIG. 2 illustrates the change in wave resistance and the phase change of a 10 mm long strip line on 125 μm thick aluminum oxide substrate as a function of the conductor width.
Das erfindungsgemäße Steuerelement kann auch Verwendung finden zum Schalten von Signalen auf planaren Leitungsstrukturen. Fig. 3a und Fig. 3b zeigen beispielhaft anhand einer Streifenleitung die prinzipielle Funktionsweise. Wahlweise kann das Ende einer leerlaufenden Leitung über die Steuerschicht S kurzgeschlossen (Fig. 3a) oder mit weiteren Leitungsstrukturen verbunden werden oder eine Durchgangsleitung wird an definierter Stelle mit der Masse (Fig. 3b) oder mit anderen Leitungen kontaktiert. Ferner kann die Steuerschicht S den Endabschnitt einer HF-Stichleitung bilden, wie in Fig. 3c dargestellt. Somit kann die für die Hochfrequenz wirksame Länge der Stichleitung eingestellt werden.The control element according to the invention can also be used for switching signals on planar line structures. Fig. 3a and Fig. 3b show an example of using a strip line, the basic mode of operation. Optionally, the end of an idling line can be short-circuited via the control layer S ( FIG. 3a) or connected to other line structures, or a through line is contacted at a defined point with the ground ( FIG. 3b) or with other lines. Furthermore, the control layer S can form the end section of an RF stub, as shown in FIG. 3c. The length of the stub line effective for the high frequency can thus be set.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Steuerelements ist in den Fig. 1 und 3 exemplarisch für eine planare Streifenleitung demonstriert. Es kann aber auch bei anderen Leitungstypen realisiert werden (Koplanarleitung, Schlitzleitung, Finleitung, etc.).The function of the control element according to the invention is exemplarily shown in FIGS. 1 and 3 for a planar strip line. However, it can also be implemented with other types of line (coplanar line, slot line, fin line, etc.).
Das Erwärmen der Steuerschicht über die kritische Temperatur kann beispielsweise durch eine resistive Heizung erfolgen. Zwei Ausführungen des erfindungsgemäßen HF- Steuerelements mit resistiver Heizung sind in den Fig. 4a und 4b dargestellt. Die dort gezeigten HF-Steuerelemente basieren auf den in der Fig. 1a und Fig. 3b gezeigten Ausführungen. Unter Einsatz einer (hier nicht dargestellten) Stromquelle wird durch die Steuerschicht S hindurch ein elektrischer Strom geleitet, der zu einer resistiven Erwärmung der Schicht führt. Die schmalen Schlitze GT in der Hochfrequenzleitung sorgen für die galvanische Trennung. Die Hochfrequenzsignale werden kapazitiv über die Schlitze GT gekoppelt.The control layer can be heated above the critical temperature, for example, by resistive heating. Two versions of the RF control element according to the invention with resistive heating are shown in FIGS. 4a and 4b. The shown there RF controls are based on the in Fig. 1a and Fig. 3b embodiments shown. Using a current source (not shown here), an electrical current is passed through the control layer S, which leads to resistive heating of the layer. The narrow slots GT in the high-frequency line ensure electrical isolation. The high-frequency signals are capacitively coupled via the slots GT.
Im folgenden wird der Einsatz des erfindungsgemäßen HF-Steuerelements in HF- Schaltungsanordnungen beschrieben.The use of the HF control element according to the invention in HF Circuit arrangements described.
Ein SPST-Schalter entsteht zum Beispiel, wenn die erfindungsgemäße Steuerschicht S zum Umschalten einer Stichleitung (Stub) SL zwischen Leerlauf und Kurzschluß gegen eine Massemetallisierung MM in einer T-Verzweigung eingesetzt wird. Ausführungen eines solchen Schalters sind in Fig. 5 dargestellt. Die erfindungsgemäße Steuerschicht ersetzt dabei die üblicherweise in HF-Schaltern eingesetzten Halbleiterbauelemente (Dioden oder Transistoren).An SPST switch arises, for example, when the control layer S according to the invention is used to switch a stub SL between idle and short circuit against a ground metallization MM in a T-branch. Designs of such a switch are shown in FIG. 5. The control layer according to the invention replaces the semiconductor components (diodes or transistors) usually used in RF switches.
In Fig. 5a ist ein derartiger Ein-/Ausschalter in Streifenleitungstechnik skizziert. Fig. 5b
zeigt einen Schalter in Koplanarleitungstechnik mit Innenleiter IL und
Massenmetallisierung MM. Der Entwurf eines derartigen Schalters ist im folgenden für
eine Betriebsfrequenz von 24,125 GHz (Mittenfrequenz des ISM-Bandes) beschrieben. Die
Freiraumwellenlänge λ0 bei 24,125 GHz beträgt 12,44 mm. Für Leitungstransformatoren
ist jedoch die Leitungswellenlänge λ entscheidend, die wie folgt definiert ist:
Such an on / off switch using stripline technology is sketched in FIG. 5a. Fig. 5b shows a switch in coplanar line with an inner conductor and IL Massenmetallisierung MM. The design of such a switch is described hereinafter for an operating frequency of 24.125 GHz (center frequency of the ISM band). The free space wavelength λ 0 at 24.125 GHz is 12.44 mm. For line transformers, however, the line wavelength λ is decisive, which is defined as follows:
Für die in diesem Beispiel gewählte 50 Ω Koplanarleitung beträgt die effektive Dielektrizitätszahl εr eff = 5,39. Die Leitungswellenlänge ergibt sich damit zu 5,36 mm. For the 50 Ω coplanar line chosen in this example, the effective dielectric constant ε r eff = 5.39. The cable wavelength is 5.36 mm.
Zu Beginn des Entwurfes ist festzulegen, ob der Schalter unterhalb der Sprungtemperatur der Steuerschicht auf Transmission oder Isolation geschaltet sein soll. Wählt man eine offene Stichleitung, deren Länge gleich der Hälfte der Leitungswellenlänge (oder ein ganzzahliges Vielfaches davon) ist, so hat die Leitung keine Transformationseigenschaften. Dies bedeutet, daß im Ersatzschaltbild in Fig. 5c der Widerstand R als unendlich angenommen werden kann. Da die Stichleitung SL für die eingespeiste HF-Leistung nun keine Wirkung hat, verhält sich die T-Struktur wie eine einfache Durchgangsleitung.At the beginning of the design, it must be determined whether the switch should be switched to transmission or insulation below the transition temperature of the control layer. If you choose an open stub line whose length is half the line wavelength (or an integer multiple thereof), the line has no transformation properties. This means that the resistance R can be assumed to be infinite in the equivalent circuit in FIG. 5c. Since the stub SL now has no effect on the fed RF power, the T-structure behaves like a simple through line.
Wählt man jedoch die Länge der Stichleitung SL zu λ/4 (oder als ein ungerades Vielfaches von λ/4), so transformiert die Leitungslänge den Leerlauf in einen Kurzschluß (bezogen auf die Referenzebene). Dies bedeutet im Ersatzschaltbild R = 0 Ω und die T-Struktur verhält sich wie eine aufgetrennte Leitung.However, if you choose the length of the stub SL to λ / 4 (or as an odd multiple of λ / 4), the cable length transforms the open circuit into a short circuit (related to the reference level). In the equivalent circuit diagram this means R = 0 Ω and the T structure behaves like a disconnected line.
Nachdem der Leitungsentwurf festgelegt ist, geschieht das Schalten mittels der
erfindungsgemäßen Steuerschicht wie folgt:
Wählt man die Länge der Stichleitung SL gleich der Hälfte der Leitungswellenlänge (oder
einem Vielfachen davon), und befindet sich die Steuerschicht S im isolierenden Zustand,
so ist der SPST-Schalter geschlossen (Transmission). Durch Temperaturänderung kann die
Leitfähigkeit der mit der Masse verbundenen Steuerschicht S drastisch erhöht werden, so
daß ein Kurzschluß mit der Masse hergestellt wird. Der Schalter befindet sich nun im
offenen Zustand (Isolation).After the line design has been determined, switching takes place using the control layer according to the invention as follows:
If one selects the length of the stub line SL equal to half the line wavelength (or a multiple thereof) and the control layer S is in the insulating state, the SPST switch is closed (transmission). The conductivity of the control layer S connected to the ground can be drastically increased by changing the temperature, so that a short circuit is produced with the ground. The switch is now in the open state (insulation).
Wählt man dagegen die Länge der Stichleitung SL zu λ/4 (oder einem ungeraden Vielfachen von λ/4) und befindet sich die Steuerschicht im isolierenden Zustand, so ist der SPST-Schalter offen (Isolation). Durch Temperaturänderung und entsprechende Erhöhung der Leitfähigkeit der Steuerschicht S kann in den geschlossenen Zustand (Transmission) geschaltet werden. If you choose the length of the stub SL to λ / 4 (or an odd one Multiples of λ / 4) and if the control layer is in the insulating state, then the SPST switch is open (isolation). By temperature change and corresponding Increasing the conductivity of the control layer S can in the closed state (Transmission) can be switched.
Ein weiterer SPST-Schalter kann durch Änderung der wirksamen Länge einer Stichleitung bei einer T-Verzweigung realisiert werden, wie in der Fig. 3c dargestellt. Der Endabschnitt der Stichleitung ist dabei erfindungsgemäß aus der Steuerschicht S gefertigt. Die Länge dieses Abschnitts beträgt λ/4 (oder ein ungerades Vielfaches von λ/4). Je nachdem, ob die Steuerschicht S sich im isolierenden oder leitfähigen Zustand befindet, wird die für die Hochfrequenz wirksame Länge der Stichleitung unterschiedlich sein, so daß der Schalter zwischen offenem (Isolation) und geschlossenem Zustand (Transmission) geschaltet werden kann.Another SPST switch can be implemented by changing the effective length of a stub line with a T-branch, as shown in FIG. 3c. The end section of the stub line is made according to the invention from the control layer S. The length of this section is λ / 4 (or an odd multiple of λ / 4). Depending on whether the control layer S is in the insulating or conductive state, the length of the stub line effective for the high frequency will be different, so that the switch can be switched between open (insulation) and closed (transmission) state.
Über die Länge der Stichleitung (ohne dem aus der Steuerschicht gefertigten Abschnitt) kann der Grundzustand des Schalters für Temperaturen unterhalb der kritischen Temperatur der Steuerschicht S eingestellt werden.Over the length of the branch line (without the section made from the control layer) the basic state of the switch for temperatures below the critical Temperature of the control layer S can be set.
Unter Ausnutzung der beschriebenen Eigenschaften läßt sich ein Wechselschalter (SPDT)
entwerfen. In Fig. 6a ist ein derartiger Schalter in Mikrostreifenleitungstechnik skizziert.
Fig. 6b zeigt einen SPDT in Koplanarleitungstechnik, der unten detailliert beschrieben
wird. Der SPDT-Schalter ist in beiden Ausführungen als T-Verzweigung ausgebildet, wobei
der Eingang sowie die beiden Ausgänge an den drei Endpunkten des T liegen. Die
Anordnung weist außerdem zwei unterschiedlich lange Stichleitungen SL auf, die von dem
die beiden Ausgänge verbindenden Leitungsabschnitt ausgehen. Der Endabschnitt der
beiden Stichleitungen SL wird jeweils von der erfindungsgemäßen Steuerschicht S aus
einem Material mit steuerbarer Leitfähigkeit, z. B. VO2, gebildet, über die die Stichleitungen
mit der Masse verbunden werden können.A changeover switch (SPDT) can be designed using the properties described. Such a switch is sketched in microstrip line technology in FIG. 6a.
Fig. 6b shows an SPDT in coplanar line, which is described in detail below. In both versions, the SPDT switch is designed as a T-branch, with the input and the two outputs being at the three end points of the T. The arrangement also has two stub lines SL of different lengths, which start from the line section connecting the two outputs. The end section of the two stub lines SL is each of the control layer S according to the invention made of a material with controllable conductivity, for. B. VO 2 is formed, via which the stub lines can be connected to ground.
Für beide Ausführungen sind beispielhafte Abmessungen der einzelnen Leitungsabschnitte eingezeichnet. Die Länge der linken Stichleitung (ohne die Steuerschicht S) beträgt dabei λ/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches davon. Die Länge der rechten Stichleitung (ohne die Steuerschicht S) beträgt λ/4 oder ein ungerades Vielfaches davon. Die Länge des Leitungsabschnitts zwischen Eingangszweig und der jeweiligen Stichleitung beträgt λ/4 oder ein ungerades Vielfaches davon. Die Länge der Steuerschicht S aus einem Material mit steuerbarer Leitfähigkeit ist für den im folgenden beschriebenen Schalteffekt nicht von Bedeutung. Wichtig ist nur, daß im leitfähigen Zustand der Steuerschicht ein Kurzschluß mit der Masse erreicht wird.Exemplary dimensions of the individual line sections are for both versions drawn. The length of the left stub (without the control layer S) is λ / 2 or an integer multiple thereof. The length of the right stub (without the Control layer S) is λ / 4 or an odd multiple thereof. The length of the Line section between the input branch and the respective branch line is λ / 4 or an odd multiple of it. The length of the control layer S made of one material with controllable conductivity is not of the switching effect described below Importance. It is only important that a short circuit occurs in the conductive state of the control layer is achieved with the mass.
Das Schalten des in Fig. 6b dargestellten Elements läuft nun wie folgt ab:
Bei Raumtemperatur wird die in den unteren Zweig eingespeiste Leistung am linken Zweig
des Schalters ausgekoppelt, denn die beiden Steuerschichten S aus VO2 befinden sich im
isolierenden Zustand. Wird nun das Substrat erwärmt und damit auch die beiden
Steuerschichten, werden die beiden leerlaufenden Stichleitungen SL kurzgeschlossen und
der Schalter schaltet von Port 2 auf Port 3 um.The switching of the element shown in Fig. 6b now proceeds as follows:
At room temperature, the power fed into the lower branch is coupled out on the left branch of the switch, because the two control layers S from VO 2 are in the insulating state. If the substrate is now heated and with it the two control layers, the two idling stub lines SL are short-circuited and the switch switches from port 2 to port 3 .
Die aus einer Simulation ermittelten Streuparameter des Wechselschalters nach Fig. 6b sind in der Fig. 7 dargestellt.The scatter parameters of the changeover switch according to FIG. 6b determined from a simulation are shown in FIG. 7.
Dabei bedeuten:
S11 die Eingangsanpassung des Schalters;
S21 den Übertragungsparameter zwischen Eingang und Port 2;
S31 den Übertragungsparameter zwischen Eingang und Port 3.Mean:
S 11 the input adaptation of the switch;
S 21 the transmission parameter between input and port 2 ;
S 31 the transmission parameter between input and port 3 .
Fig. 7a zeigt den frequenzabhängigen Verlauf dieser Übertragungsparameter Sxx bei Raumtemperatur, d. h. unterhalb der Sprungtemperatur des schaltbaren Materials der Steuerschicht. Fig. 7b zeigt die gleichen Parameter oberhalb der Sprungtemperatur des schaltbaren Materials. Fig. 7a shows the frequency-dependent course of the transmission parameters S xx at room temperature, ie, below the critical temperature of the switchable material of the control layer. Fig. 7b shows the same parameters above the transition temperature of the switchable material.
In den Simulationen wurde die Steuerschicht als Widerstand zwischen Stub-Ende und Massemetallisierung eingesetzt. Im Betrieb unterhalb der Sprungtemperatur wird für den Widerstand ein Wert von 1 kΩ angenommen. Höhere Widerstandswerte verbessern die Isolation des Schalters zum Port 3, sind jedoch technologisch schwer realisierbar. Für Temperaturen oberhalb der Sprungtemperatur des steuerbaren Materials wird der Widerstandswert auf 0,1 Ω gesetzt, dies entspricht einer Leitfähigkeitsänderung um den Faktor 104.In the simulations, the control layer was used as a resistance between the stub end and mass metallization. In operation below the transition temperature, a value of 1 kΩ is assumed for the resistance. Higher resistance values improve the isolation of the switch to port 3 , but are technologically difficult to implement. For temperatures above the transition temperature of the controllable material, the resistance value is set to 0.1 Ω, which corresponds to a change in conductivity by a factor of 10 4 .
Die unterschiedliche Isolation zwischen Port 1 und Port 3 (S31, in Fig. 7a) bzw. zwischen
Port 1 und Port 2 (S21 in Fig. 7b) hat folgenden Grund:
Theoretisch sollte unterhalb der Sprungtemperatur ein unendlich hoher Widerstand
zwischen dem Stichleitungsende und der Massemetallisierung sein. In der Praxis läßt sich
jedoch nur ein endlicher Widerstandswert realisieren, der im Rahmen dieser Untersuchung
zu 1 kΩ angenommen wurde. Gemäß der Beziehung
The different isolation between port 1 and port 3 (S 31 in FIG. 7a) or between port 1 and port 2 (S 21 in FIG. 7b) has the following reason:
In theory, there should be an infinitely high resistance between the end of the stub and the ground metallization below the transition temperature. In practice, however, only a finite resistance value can be realized, which was assumed to be 1 kΩ in the course of this investigation. According to the relationship
wird die 1 kΩ-Last ZL von der λ/4 langen 50 Ω Leitung in einen Wellenwiderstand von 2,5 Ω transformiert (Port 3). Wird jedoch der Schalter oberhalb der Sprungtemperatur betrieben, wird für den Kurzschluß ein Widerstand von 0,1 Ω angesetzt, was gemäß Ersatzschaltbild in Fig. 5c eine höhere Isolation zur Folge hat (Port 2).the 1 kΩ load ZL is transformed from the λ / 4 long 50 Ω cable into a characteristic impedance of 2.5 Ω (port 3 ). If, however, the switch is operated above the step temperature, a resistance of 0.1 Ω is applied for the short circuit, which, according to the equivalent circuit diagram in FIG. 5c, results in higher insulation (port 2 ).
Die Dämpfung der einzelnen Zweige ist ebenfalls unterschiedlich. So wird unterhalb der Sprungtemperatur die leerlaufende Stichleitung in der Simulation durch einen 1 kΩ Widerstand gegen Masse realisiert (Port 2). Am Port 3 erreicht man jedoch oberhalb der Sprungtemperatur am Ende der Stichleitung einen Widerstand von 25 kΩ gegen Masse. Dies erklärt die unterschiedlichen Transmissionsverluste in Fig. 8 zwischen Eingang und Port 3 bzw. zwischen Eingang und Port 2.The attenuation of the individual branches is also different. Below the jump temperature, the idle stub line is implemented in the simulation by a 1 kΩ resistance to ground (port 2 ). At port 3 , however, a resistance of 25 kΩ to ground is reached above the jump temperature at the end of the stub. This explains the different transmission losses in FIG. 8 between input and port 3 or between input and port 2 .
Eine weitere mögliche Ausführungsform eines Wechselschalters ist in Fig. 9 skizziert. Sie enthält die in der Fig. 1a und in Fig. 3b dargestellten Leitungsstrukturen. Es handelt sich um eine T-förmige Verzweigung, wobei im rechten Zweig die Steuerschicht S einen Abschnitt der durchgehenden HF-Leitung bildet, und im linken Zweig die Steuerschicht S an einer definierten Stelle der HF-Leitung mit dieser gekoppelt ist und einen schaltbaren Kurzschluß zur Masse bildet. Die Stichleitung SL des linken Zweigs weist eine Gesamtlänge von λ/4 oder ein ungerades Vielfaches davon auf. Die Stichleitung SL des rechten Zweigs weist eine Gesamtlänge von λ/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches davon auf.Another possible embodiment of a changeover switch is outlined in FIG. 9. It contains the line structures shown in FIG. 1a and in FIG. 3b. It is a T-shaped branch, the control layer S forming a section of the continuous RF line in the right branch, and the control layer S being coupled to the RF line at a defined point in the left branch and a switchable short circuit for Mass forms. The branch line SL of the left branch has a total length of λ / 4 or an odd multiple thereof. The stub SL of the right branch has a total length of λ / 2 or an integral multiple thereof.
Unterhalb der Sprungtemperatur der beiden Steuerschichten S wird die am Eingang eingespeiste Leistung am linken Zweig des Schalters ausgekoppelt, oberhalb der Sprungtemperatur wird die Leistung am rechten Zweig ausgekoppelt. Below the transition temperature of the two control layers S is that at the input injected power on the left branch of the switch, above the Jump temperature, the power is coupled out on the right branch.
Unter Verwendung von zwei SPDT-Schaltern gemäß Fig. 6a, Fig. 6b oder Fig. 9 kann ein einfacher Phasenumschalter aufgebaut werden. Eine Ausführung ist in der Fig. 10 dargestellt. Mittels der beiden Schalter SPDT kann zwischen zwei HF-Leitungen L1, L2 unterschiedlicher Länge umgeschaltet werden.A simple phase switch can be constructed using two SPDT switches according to FIG. 6a, FIG. 6b or FIG. 9. An embodiment is shown in FIG. 10. The two switches SPDT can be used to switch between two RF lines L1, L2 of different lengths.
Aufgrund der sprunghaften Änderung der Leitfähigkeit infolge Temperaturerhöhung kann die Steuerschicht S in einfacher Weise (analog Fig. 1a oder Fig. 3a) als Temperaturschalter innerhalb einer HF-Schaltungsanordnung eingesetzt werden.Due to the sudden change in conductivity due to an increase in temperature, the control layer S can be used in a simple manner (analogously to FIG. 1a or FIG. 3a) as a temperature switch within an HF circuit arrangement.
Die Anordnung gemäß Fig. 3a kann bei geeigneter Wahl der Geometrie hinsichtlich Schichtdicke und Leiterbreite als Leistungsbegrenzer bzw. Sicherung oder Überlastschutz verwendet werden.The arrangement according to FIG. 3a can be used with a suitable choice of the geometry with regard to layer thickness and conductor width as a power limiter or fuse or overload protection.
Durch Integration einer erfindungsgemäßen Steuerschicht kann die Kapazität einer beliebigen Leiteranordnung verändert werden. In Fig. 11 ist beispielhaft ein Interdigital- Kondensator skizziert, wobei Endabschnitte an einem der beiden beteiligten Leiter durch schaltbare Steuerschichten S gebildet werden. Durch Temperaturänderung kann der Kapazitätswert des Interdigitalkondensators zwischen zwei Werten umgeschaltet werden. The capacity of any conductor arrangement can be changed by integrating a control layer according to the invention. In Fig. 11 is outlined capacitor example of a interdigital, said end portions are formed at one of the two conductors involved by switchable control layers S. The capacitance value of the interdigital capacitor can be switched between two values by changing the temperature.
Ähnlich der Kapazität kann auch die Induktivität einer beliebigen Leitungsstruktur durch Modifikation der Leiterbreite mittels der erfindungsgemäßen Steuerschicht geschaltet werden. Beispielhaft ist hierzu in Fig. 12 eine Spiralspule dargestellt, wobei die Steuerschicht S parallel zu der HF-Leitung angeordnet ist.Similar to the capacitance, the inductance of any line structure can also be switched by modifying the conductor width using the control layer according to the invention. For this purpose, a spiral coil is shown as an example in FIG. 12, the control layer S being arranged parallel to the RF line.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der schaltbaren Steuerschichten S ist ihr Einsatz in HF-Resonatoren, z. B. Patchresonatoren (Fig. 13a), Ringresonatoren (Fig. 13b) oder Leitungsresonatoren (Fig. 3c). Die Patchresonatoren können auch als Grundelement von Patchantennen verwendet werden, deren Fläche durch die Steuerschicht änderbar ist und deren Resonanzfrequenz dadurch umgeschaltet werden kann.Another application of the switchable control layers S is their use in RF resonators, e.g. B. patch resonators ( Fig. 13a), ring resonators ( Fig. 13b) or line resonators ( Fig. 3c). The patch resonators can also be used as the basic element of patch antennas, the area of which can be changed by the control layer and whose resonance frequency can thereby be switched over.
Eine Anordnung bestehend aus einem oder mehreren der in Fig. 1b, Fig. 3c oder Fig. 13a gezeigten Strukturen kann zur Realisierung von HF-Filtern dienen.An arrangement consisting of one or more of the structures shown in FIG. 1b, FIG. 3c or FIG. 13a can be used to implement HF filters.
Claims (9)
- 1. einem HF-tauglichen Substrat, sowie einer darauf angebrachten HF- Leitungsanordnung;
- 2. einem auf dem Substrat befindlichen Steuerschicht, deren elektrische Leitfähigkeit durch Temperaturänderung steuerbar ist, wobei die Steuerschicht an mindestens einer Stelle mit der HF-Leitungsanordnung gekoppelt ist,
- 3. Mittel zur Temperaturänderung der Steuerschicht.
- 1. an RF-compatible substrate and an RF line arrangement mounted thereon;
- 2. a control layer located on the substrate, the electrical conductivity of which can be controlled by changing the temperature, the control layer being coupled to the HF line arrangement at at least one point,
- 3. Means for changing the temperature of the control layer.
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