DE19915246A1 - Dünnschicht-Breitbandkoppler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dünnschichtkoppler mit einem Trägersubstrat (1) und zwei darüberliegenden Streifenleitungen, von denen eine die Hauptkopplerschleife (2) und eine die Nebenkopplerschleife (3) darstellt. Die Verwendung preiswerter Trägersubstratmaterialien und eine kompakte Bauform werden durch Integration einer Streifenleitung, einer Spule oder einer LC-Kombination in die Nebenkopplerschleife (3) ermöglicht. Die Integration dieser Komponenten (4) bewirkt eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals und es wird ein Breitbandkoppler erhalten, der bei mindestens zwei Frequenzen dieselbe Kopplung aufweist.

Description

Der Erfindung betrifft einen Dünnschichtkoppler mit einem Trägersubstrat und zwei da­ rüberliegenden Streifenleitungen, von denen eine die Hauptkopplerschleife und eine die Nebenkopplerschleife ist.

Koppler stellen unter anderem Hochfrequenzbauteile für Mobiltelefone oder Basisstatio­ nen dar, die das Auskoppeln von HF-Signalen zwischen dem Ausgang eines Leistungsver­ stärkers und einer Antenne ermöglichen. Das ausgekoppelte Signal wird verwendet, um die Ausgangsleistung des Verstärkers zu regeln. Ein solcher Koppler weist beispielsweise zwei Kopplerschleifen auf, von denen eine Schleife die Hauptschleife darstellt und das Sende­ signal möglichst verlustfrei übertragen soll. Die zweite Schleife, die sogenannte Neben­ schleife, koppelt im Vergleich mit dem Sendesignal ein kleines Signal aus.

Bekannt sind solche Koppler in verschiedenen Ausführungsformen. Zum einen gibt es Koppler in keramischer Vielschichtbauweise. Bei diesen keramischen Kopplern werden die Elektrodenstrukturen auf keramische Folien gedruckt, die Folien werden gestapelt und dann zu Bauelementen gesintert. Der Nachteil bei diesem Druckverfahren ist die grobkör­ nige Morphologie der Elektroden, was einen höheren elektrischen Widerstand zur Folge hat.

Daneben gibt es Ausführungen in Mikrostreifenausführung. In 1991 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Volume II, 857-860 wird ein Dünnschicht­ koppler beschrieben, der zwei Streifenleitungen als Kopplerschleifen aufweist. Aufgebracht sind die beiden Kopplerschleifen auf einem dielektrischen Substrat mit hoher dielektrischer Konstante K. Auf der Rückseite des keramischen Substrats befindet sich als Erdungsebene noch eine metallische Schicht. Außerdem sind am Bauelement sechs Endkontakte befestigt, von denen jeweils zwei in Kontakt mit einer Kopplerschleife stehen und zwei mit der Er­ dungsebene verbunden sind. Die Verwendung eines dielektrischen Substrates mit hoher dielektrischer Konstante hat den Vorteil, daß das Bauelement in einer kompakten Bau­ größe realisiert werden kann. Ein großer Nachteil ist aber, daß diese Substrate deutlich teurer sind als beispielsweise Glas oder Al₂O₃. Realisiert man aber einen kompakten Koppler (Kopplerlänge << λ/4) auf solchen kostengünstigen Substraten, so weisen die Koppler einen Frequenzverlauf des Kopplersignals von ca. 6 dB/Frequenzoktave auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen preisgünstigen, kompakten Koppler bereitzustellen, der bei mehreren Frequenzen die gleiche Kopplung aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Dünnschichtkoppler mit einem Trägersubstrat und zwei darüberliegenden Streifenleitungen, von denen eine die Hauptkopplerschleife und eine die Nebenkopplerschleife ist, bei dem in der Nebenkopplerschleife eine Komponente integriert ist, die eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals be­ wirkt.

Üblicherweise zeigen Koppler eine starke Frequenzabhängigkeit der Kopplung. Durch den Einbau einer Komponente in die Nebenkopplerschleife, die eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals bewirkt, wird die Bandbreite der Kopplung größer.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Dünnschichtkopplers ist in der Nebenkoppler­ schleife als Komponente, die eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals bewirkt, eine Streifenleitung integriert.

Der Einbau einer Streifenleitung in die Nebenkopplerschleife stellt die einfachste Reali­ sierung des Dünnschichtkopplers dar, da die Streifenleitung direkt in die Nebenkoppler­ schleife integriert werden kann und kein weiterer Prozeßschritt bei der Herstellung be­ nötigt wird.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Dünnschichtkopplers ist in der Nebenkopplerschleife als Komponente, die eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals bewirkt, eine Spule integriert.

Eine Spule kann auf einfache Weise in die Nebenkopplerschleife integriert werden, indem sie auch in Streifenleitungsbauart und somit im selben Prozeßschritt wie der Rest der Nebenkopplerschleife ausgeführt wird. Eine Spule kann aber auch mit Hilfe anderer Dünnschichttechniken dargestellt und anschließend mit der Nebenkopplerschleife elektrisch kontaktiert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Dünnschichtkopplers ist in der Nebenkopplerschleife als Komponente, die eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals bewirkt, eine Spule und ein seriell oder parallel geschalteter Kondensator integriert.

Der Einbau einer LC-Kombination bewirkt eine besonders starke Verbreiterung der Bandbreite des Kopplers.

Es ist bevorzugt, daß als Material für das Trägersubstrat ein keramisches Material, ein kera­ misches Material mit einer Planarisierungsschicht aus Glas, ein glaskeramisches Material oder ein Glasmaterial verwendet wird. Ein Trägersubstrat aus diesen Materialien ist kosten­ günstig herzustellen und die Prozeßkosten für diese Komponente können niedrig gehalten werden.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß jedes Ende einer Kopplerschleife mit einer Stromzuführung in elektrischem Kontakt steht.

An den Stromzuführungen kann jedes Bauelement mit weiteren Bauelementen eines Schaltkreises elektrisch verbunden werden. Je nach Art der Applikation oder Art der Bauteilmontage kann als Stromzuführung ein galvanischer SMD-Endkontakt oder ein Bump-end-Kontakt oder eine Kontaktfläche eingesetzt werden. Durch die Verwendung von SMD-Endkontakten oder Bump-end-Kontakten können diskrete Bauelemente hergestellt werden.

Es ist außerdem bevorzugt, daß über dem Dünnschichtkoppler wenigstens eine Schutz­ schicht aus einem anorganischen Material und/oder einem organischen Material aufge­ bracht ist.

Durch die Schutzschicht wird das Bauelement vor mechanischer Beanspruchung und Korrosion durch Feuchtigkeit geschützt.

Es ist vorteilhaft, daß auf der Unterseite des Trägersubstrats eine metallische Schicht aufgebracht ist.

Diese metallische Schicht dient als Erdungsebene.

In dieser vorteilhaften Ausführungsform des Dünnschichtkopplers ist es bevorzugt, daß die metallische Schicht mit wenigstens einer weiteren Stromzuführung verbunden ist.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von sechs Figuren und dreier Ausführungsbei­ spiele erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Dünnschichtkoppler, bei dem eine phasenverschiebende Komponente in der Nebenkopplerschleife integriert ist,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Dünnschichtkoppler, bei dem eine Streifenleitung in der Nebenkopplerschleife integriert ist,

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Dünnschichtkoppler, bei dem eine Spule in der Nebenkopplerschleife integriert ist,

Fig. 4 die Streuparameter als Funktion der Frequenz für einen Dünnschicht­ koppler, bei dem eine Streifenleitung in der Nebenkopplerschleife integriert ist,

Fig. 5 die Streuparameter als Funktion der Frequenz für einen Dünnschicht­ koppler, bei dem eine Spule in der Nebenkopplerschleife integriert ist und

Fig. 6 die Streuparameter als Funktion der Frequenz für einen Dünnschicht­ koppler, bei dem eine Spule und ein parallel geschalteter Kondensator in der Nebenkopplerschleife integriert sind.

Gemäß Fig. 1 weist ein Dünnschichtkoppler ein Trägersubstrat 1 auf, welches beispiels­ weise ein keramisches Material, ein keramisches Material mit einer Planarisierungsschicht aus Glas, ein glaskeramisches Material oder ein Glasmaterial enthält. Auf dem Trägersub­ strat 1 sind eine Hauptkopplerschleife 2 und eine Nebenkopplerschleife 3 aufgebracht. Beide Schleifen können beispielsweise in Streifenleitungsbauart ausgeführt sein und Cu, Al, Ag, Au oder eine Kombination dieser Metalle enthalten. In der Nebenkopplerschleife 3 ist eine, die Frequenz des ausgekoppelten Signals verschiebende, Komponente 4 integriert. Außerdem sind am Dünnschichtkoppler vier Stromzuführungen 5 befestigt, von denen je­ weils zwei Stromzuführungen über eine der beiden Kopplerschleife miteinander verbunden sind. Als Stromzuführung 5 kann zum Beispiel ein galvanischer SMD-Endkontakt aus Cr/Cu, Ni/Sn oder Cr/Cu, Cu/Ni/Sn oder Cr/Ni, Pb/Sn oder ein Bump-end-Kontakt oder eine Kontaktfläche eingesetzt werden.

Im einfachsten Fall kann die phasenverschiebende Komponente 4 auch wie die Koppler­ schleifen in Streifenleitungsbauart ausgeführt werden und direkt in die Nebenkoppler­ schleife 3 integriert werden. Die phasenverschiebende Komponente 4 kann beispielsweise auch mittels Dünnschichttechniken hergestellt werden und anschließend mit der Neben­ kopplerschleife 3 elektrisch kontaktiert werden.

In Fig. 2 ist die Nebenkopplerschleife 3 derart ausgeführt, daß sie durch ihre Länge eine Phasenverschiebung bewirkt.

In Fig. 3 ist die Nebenkopplerschleife 3 mit Windungen ausgeführt, so daß sie durch ihre Form auch als Spule fungiert und eine Phasenverschiebung bewirkt.

Über dem gesamten Dünnschichtkoppler kann eine Schutzschicht aus einem organischen und/oder anorganischen Material aufgebracht werden. Als organisches Material kann beispielsweise Polybenzocyclobuten oder Polyimid und als anorganisches Material kann zum Beispiel Si₃N₄, SiO₂ oder Si_xO_yN_z (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) verwendet werden.

Alternativ kann auf der Rückseite des Trägersubstrats 1 eine metallische Schicht, welche beispielsweise Cu enthält, aufgebracht werden. Zusätzlich kann diese metallische Schicht mit wenigstens einer weiteren Stromzuführung verbunden werden.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung erläutert, die beispielhafte Reali­ sierungsmöglichkeiten darstellen.

Ausführungsbeispiel 1

Auf einem Trägersubstrat 1 aus Al₂O₃ mit einer Dicke von 0.43 mm wurden eine Haupt­ kopplerschleife 2 und eine Nebenkopplerschleife 3 aus Cu mit einer Breite von 115 µm aufgebracht. Der Abstand der Hauptkopplerschleife 2 zur Nebenkopplerschleife 3 beträgt 35 µm. Die Länge der Kopplerstrecke zwischen den beiden Kopplerschleifen ist aufgeteilt in zwei 1.8 mm lange Abschnitte, die durch eine 20.5 mm lange und 115 µm breite Strei­ fenleitung verbunden wurden. Die Streifenleitung stellt die phasenverschiebende Kompo­ nente 4 dar. An jedem Ende der beiden Kopplerschleifen ist ein Cr/Cu, Cu/Ni/Sn SMD- Endkontakt als Stromzuführung 5 angebracht. Auf der Unterseite des Trägersubstrats 1 befindet sich eine metallische Schicht aus Cu.

Die Streuparameter als Funktion der Frequenz für diesen Dünnschichtkoppler sind in Fig. 4 dargestellt.

Ausführungsbeispiel 2

Auf einem Trägersubstrat 1 aus Al₂O₃ mit einer Dicke von 0.43 mm wurden eine Haupt­ kopplerschleife 2 und eine Nebenkopplerschleife 3 aus Cu mit einer Breite von 115 µm aufgebracht. Der Abstand der Hauptkopplerschleife 2 zur Nebenkopplerschleife 3 beträgt 35 µm. Die Länge der Kopplerstrecke zwischen den beiden Kopplerschleifen ist aufgeteilt in zwei 1.45 mm lange Abschnitte, die durch eine Dünnschichtspule mit 5.3 Windungen, bei einem inneren Windungsradius von 50 µm, einem Abstand der Windungen von 20 µm und einer Spulenwindungsbreite von 30 µm, verbunden werden. An jedem Ende der beiden Kopplerschleifen ist ein Cr/Cu, Cu/Ni/Sn SMD-Endkontakt als Stromzuführung 5 angebracht. Auf der Unterseite des Trägersubstrats 1 befindet sich eine metallische Schicht aus Cu.

Die Streuparameter als Funktion der Frequenz für diesen Dünnschichtkoppler sind in Fig. 5 dargestellt.

Ausführungsbeispiel 3

Auf einem Trägersubstrat 1 aus Al₂O₃ mit einer Dicke von 0.43 mm wurden eine Haupt­ kopplerschleife 2 und eine Nebenkopplerschleife 3 aus Cu mit einer Breite von 115 µm aufgebracht. Der Abstand der Hauptkopplerschleife 2 zur Nebenkopplerschleife 3 beträgt 35 µm. Die Länge der Kopplerstrecke zwischen den beiden Kopplerschleifen ist aufgeteilt in zwei 1.45 mm lange Abschnitte, die durch eine Dünnschichtspule aus Cu mit einer In­ duktivität von 5.4 nH und einen parallel geschalteten Dünnschichtkondensator mit einer Kapazität von 1 pF verbunden wurden. Der Dünnschichtkondensator enthält eine untere und eine obere Elektrode aus Al und ein Dielektrikum aus Si_xN_yO_z (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). An jedem Ende der beiden Kopplerschleifen ist ein Cr/Cu, Cu/Ni/Sn SMD- Endkontakt als Stromzuführung 5 angebracht. Auf der Unterseite des Trägersubstrats 1 befindet sich eine metallische Schicht aus Cu.

Die Streuparameter als Funktion der Frequenz für diesen Dünnschichtkoppler sind in Fig. 6 dargestellt.

Claims (9)

1. Dünnschichtkoppler mit einem Trägersubstrat (1) und zwei darüberliegenden Streifenleitungen, von denen eine die Hauptkopplerschleife (2) und eine die Nebenkopplerschleife (3) ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nebenkopplerschleife (3) eine Komponente (4) integriert ist, die eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals bewirkt.

2. Dünnschichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nebenkopplerschleife (3) als Komponente (4), die eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals bewirkt, eine Streifenleitung integriert ist.

3. Dünnschichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nebenkopplerschleife (3) als Komponente (4), die eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals bewirkt, eine Spule integriert ist.

4. Dünnschichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nebenkopplerschleife (3) als Komponente (4), die eine Phasenverschiebung der Frequenz des ausgekoppelten Signals bewirkt, eine Spule und ein seriell oder parallel geschalteter Kondensator integriert sind.

5. Dünnschichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Trägersubstrat (1) ein keramisches Material, ein keramisches Material mit einer Planarisierungsschicht aus Glas, ein glaskeramisches Material oder ein Glasmaterial verwendet wird.

6. Dünnschichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende einer Kopplerschleife mit einer Stromzuführung (5) in elektrischem Kontakt steht.

7. Dünnschichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Dünnschichtkoppler wenigstens eine Schutzschicht aus einem anorganischen und/oder einem organischen Material aufgebracht ist.

8. Dünnschichtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Unterseite des Trägersubstrats (1) eine metallische Schicht aufgebracht ist.

9. Dünnschichtkoppler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht mit wenigstens einer weiteren Stromzuführung verbunden ist.