DE2224942A1

DE2224942A1 - Übertragungsleitung für elektrische Signale

Info

Publication number: DE2224942A1
Application number: DE19722224942
Authority: DE
Inventors: Jean Louis Pontault Combault Steenmetser (Frankreich)
Original assignee: EUROP COMPOSANTS ELECTRON
Current assignee: EUROP COMPOSANTS ELECTRON
Priority date: 1971-05-25
Filing date: 1972-05-23
Publication date: 1972-11-30
Also published as: FR2138403B1; GB1384794A; FR2138403A1; US3778735A

Description

. Unser Zeichen: L 893

L.O.C.- C.I.G.E. Compagnie Europeenne de Composants

Electroniques

128, rue de Paris

93 Montreuil-sous-Bois, Frankreich

Übertragungsleitung für elektrische Signale

Die Erfindung bezieht sich auf Übertra;gungsleitungen für elektrische Signale mit sehr kleinem Wellenwiderstand, die insbesondere zur Speisung von integrierten Schaltungen .bestimmt sind.

Da die Aufgabe von Übertragungsleitungen dieser Art die Einspeisung und die Verteilung von Signalen zu entlang ihrem Weg verteilten Empfängern ist, ist es zur Vermeidung jeder Störreflexion und somit zur Erzielung einer guten Anpassung der Leitungen an die Empfänger notwendig, daß der Wellenwiderstand der Leitungen ebenso wie ihre Eingangs- und Ausgangsirapedanzen möglichst nah bei den Eingangs impedanzen der Empfänger liegt.

Falls die Empfänger in Form von integrierten Schaltungen ausgeführt sind, ist ihre Eingangsimpedanz bekanntlich im allgemeinen sehr klein, und deshalb muß der Wellenwiderstand einer an derartige Empfänger angepaßten Verteilungsleitung ebenfalls 3ehr klein sein.

Lei/Ba

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Unter diesen Bedingungen sind die üblicherweise angewendeten Vorrichtungen Übertragungsleitungen mit "verteilten Konstanten", d.h. daß die Induktivität L und die Kapazität O jeder Leitung ihrer Länge proportional aind; diese Leitungen sind durch eine dünne Schicht aus einem dielektrischen Material gebildet, die auf jeder Seite ein Band aus elektrisch leitendem Material trägt. Der Wellenwiderstand einer solchen Leitung, ausgedrückt in Ohm, ist durch die folgende Gleichung gegeben:

worin L in H/m und C in Έ/m ausgedrückt sind. Diese Werte hängen von der absoluten magnetischen Permeabilität(p) und der absoluten Dielektrizitätskonstante (d) des Mediums mit der Dicke e, das zwischen zwei leitenden Bändern der Breite a liegt, nach den folgenden Gleichungen ab:

L = ρ · f und C = d ^# §
^r a β

woraus sich für den Wellenwiderstand der folgende Wert ergibt:

■!•Iff

Aus dieser Gleichung folgt, daß der Wellenwiderstand einer Übertragungsleitung, dieser Art zur Anpassung an bestimmte Empfänger, insbesondere die zuvor erwähnten integrierten Schaltungen, einerseits durch Verringerung der Dicke e der dielektrischen Schicht, allerdings nur innerhalb gewisser durch die Technologie vorgeschriebenen Grenzen, und andrerseits durch die Wahl eines Materials mit sehr großer Dielektrizitätskonstante d für die Bildung der inneren Schicht herabgesetzt werden kann. Ein beträchtlicher Nachteil der letzten Maßnahme besteht jedoch in der sich daraus ergebenden Verringerung der Ausbreitungs-

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geschwindigkeit V der Signale, die wegen der Verzögerung bei der Verteilung der Signale groß bleiben soll; der Wert dieser Geschwindigkeit ist nämlich durch die folgende Beziehung gegeben:

V=^{1 1}

C'L yd· ρ

und ist also umso kleiner , je größer die Dielektrizitätskonstante d ist.

Ein letztes Mittet zur Erzielung der erforderlichen Impedanzanpassungen besteht in der Verwendung von rein ohmschen Anpassungswiderständen; sie weisen jedoch den schwerwiegendenNachteil auf, daß sie die Gefahr einer Dämpfung der Nutzsignale ergeben.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Übertragungsleitung mit sehr kleinem Wellenwiderstand, die ohne die zuvor angegebenen Nachteile nach dem Gedanken einer "Doppelstruktur" erhalten werden, d.h. aus zwei zusammengefügten Elementarstrukturen, von denen jede eine klassische Struktur der zuvor angegebenen Art ist, wobei die "Doppelstruktur" für ein Isoliermaterial, dessen Dielektrizitätskonstante eine ausreichende Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale ergibt, eine beträchtliche Verringerung des WeI Ie nw id er stands der Gesamtstruktur gegenüber dem Wellenwiderstand der bekannten Strukturen ermöglicht.

Die Übertragungsleitung nach der Erfindung ist genauer durch zwei Elementarleitungen gebildet, von denen jede aus einem von zwei leitenden Bändern umgebenen Dielektrikum besteht, wobei eines der leitenden Bänder den beiden

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Leitungen gsmeinsam ist und durch eine Keramikplatte gebildet ist, deren spezifischer Widerstand durch chemische Reduktion stark verringert ist, während das innere Dielektrikum jeder Elementarleitung eine sehr kleine Dicke hat, weil es durch Reoxydation der zuvor reduzierten Keramikplatte erhalten ist; die beiden äußeren leitenden Bänder sind durch Metallisierungen gebildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

3?ig.1 einen Längsschnitt durch eine Übertragungsleitung nach der Erfindung,

Pig.2 eine Ausführungsform der Anschlüsse, welche die Verteilung der übertragenen Signale ermöglichen, und

Fig.3 eine andere Ausführungsform einer Übertragungsleitung nach der Erfindung.

Fig.1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Übertragungsleitung nach der Erfindung.

Sie besteht der Reihe nach aus einer ersten Lage 4 eines elektrisch leitenden Materials, einer dünnen Schicht 2 aus einem Material mit großer Dielektrizitätskonstante, einer Schicht 1 aus einem Material mit kleinem spezifischen . Widerstand, einer dünnen Schicht 3 aus einem Material, das dem Material der Schicht 2 entspricht, und einer Lage 5 aus einem Material, das dem Material der Lage 4 entspricht.

Die Schicht 1 und die sie umgebenden dünnen Schichten 2 und 3 sind vorzugsweise durch aufeinanderfolgende chemische Behandlungen des gleichen Materials, beispielsweise einer

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Keramikplatte gebildet. In einem als Beispiel angegebenen · typischen Pail kann dann eine dünne Keramikplatte auf der Basis von erdalkalischen Titanaten , beispielsweise Bariumtitanat, mit großer Dielektrizitätskonstante verwendet werden, die in einer ersten Behandlungsstufe durch chemische Reduktion in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1000⁰C behandelt wird, damit der spezifische Widerstand des Materials stark verringert und dadurch die Zone' 1 erhalten wird; in einer zweiten Behändlungs stufe wird die Platte in einen Ofen bei 900⁰C in einer oxydierenden Atmosphäre eingebracht, welche die ReOxydation der Oberfläche der Platte bewirkt, die somit wieder ihren ursprünglichen Zustand in dieser Oberflächenzone annimmt, insbesondere hinsichtlich des hohen Werts der Dielektrizitätskonstante; diese Reoxydation erfolgt über eine sehr geringe Dicke, die von der Temperatur des Ofens und dem Druck der oxydierenden Atmosphäre abhängt. Diese zweite Stufe ermöglicht die Bildung der Schichten 2 und 3, die Sperrschichten genannt werdea.

Auf die so behandelte Platte werden zwei Metallisierungen und 5 aufgebracht, die beispielsweise Versilberungen sind, die durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht werden.

Im Betrieb kann diese Übertragungsleitung in zwei Elementarleitungen klassischen Aufbaus unterteilt werden, von denen ,jede aus einer dielektrischen Schicht (gebildet durch die Süerrschicht 2 bzw. 3) der Dicke e^ besteht, die von zwei Bändern kleinen spezifischen Widerstands umgeben ist, von denen das eine Band 1 den beiden Elementarleitungen gemeinsam ist. Der Wellenwiderstand jeder Elementarleitung beträgt:

^e1

worin a die gemeinsame Breite der leitend en B and er ist, während ρ die magnetische Permeabilität und d die Dielektrizitätskonstante der Sperrschichten sind, also der Keramikplatte vor der chemischen Behandlung.

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Es läßt sich zeigen, daß der scheinbare Wellenwiderstand Z

zwischen den beiden äußeren Metallisierungen 5 und 6 derjenige einer Leitung der Dicke 2e₁ ist, der durch die folgende Gleichung gegeben ist:

mit Z₀ = 2·Ζ_1ο.

Ein wichtiger Vorteil dieser Struktur besteht darin, daß der Wert der Au3breitung3geschwindigkeit der übertragenen Signale :

V=

d-p

der nur von den Eigenschaften (d und p) des verwendeten Keramikmaterials abhängt, im Vergleich zu dem Wert, der mit eine? Übertragungsleitung klassischer"Struktur erhalten würde, die das gleiche Keramimmaterial enthält, nicht verändert ist. Die beschriebene Struktur der Übertragungsleitung ermöglicht also die Wahl eines Materials, dessen Dielektrizitätskonstante d einen begrenzten Wert hat, so daß die für die Ausbreitungsgeschwindigkeit V gestellten Bedingungen erfüllt werden, wobei dennoch die Möglichkeit besteht, für den Wellenwiderstand

einen sehr kleinen Wert zu erhalten, da die durch Reoxydation erhaltenen Dicken e> der Schichten mit der Dielektrizitätskonstante d sehr viel kleiner als die Dicken e sind, die bei einer klassischen Struktur mit einer Keramikplatte der gleichen Dielektrizitätskonstante d aus technologischen Gründen erhalten werden können.

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Der kleine Wert der Dicke e^ äer Sperrsdichten 2 und 3 im Vergleich zu der Dicke e eines Dielektrikums bei einer klassischen Struktur macht es ferner möglich, die Breite a der Leitung merklich zu verringern und dennoch einen ausreichend kleinen Wert für den Wellenwiderstand zu erhalten.

Andrerseits ergibt diese Doppelstruktur verschiedene Vorteile gegenüberder klassischen Struktur:

- experimentell wird eine beträchtliche Erweiterung der Bandbreite festgestellt, vas besonders für den Pail vorteilhaft ist, daß die Form eines elektrischen Signals übertragen werden soll;

- es wird eine sehr große Kapazität pro Längeneinheit erhalten, so daß die Hinzufügung von Filterkondensatoren vermieden werden kann, die gewöhnlich bei gewissen Empfängern, beispielsweise den schnellen Schaltkreisen, notwendig sind.

Die über eine solche leitung, übertragenen Signale sind auch durch die durch dieStruktur der Leitung selbst gebildete Abschirmung gegen Störeinflüsse geschützt.

Fig.2 zeigt eine Ausführungsform der Anschlüsse, weiche die Verteilung der über aie beschriebene Leitung übertragenen Signale ermöglichen. Die zuvor an Hand von Pig.1 beschriebene Leitung ist in Fig.2 durch eine Platte 20 dargestellt, wobei die gleichen Bezugszeichen die gleichen Teile wie in Fig.1 bezeichnen. Die Verteilungsanschlüsse 21 und 22 sind zu beiden Seiten der Platte 20 auf die in Fig.1 dargestellten Metallisierungen 4 bzw. 5 aufgeklebt oder aufgelötet; die von der Platte 20 und den mit der Platte verbundenen Abschnitten der Anschlüsse 21 und 22 gebildete Anordnung wird duroh eine Umhüllung, beispielsweise aus Kunstharz oder durch ein Isoliergehäuse geschützt und elektrisch isoliert.

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Fig.3 zeigt eine andere Ausführungsform einer Übertragungsleitung nach der Erfindung.

Die an Hand von Fig.1 beschriebene Leitung ist in Fig.3 durch eine Reihe von Plättchen 30 dargestellt, die aus einer gleichen Keramikplatte der zuvor angegebenen Art gebildet sind, die also nacheinander chemisch reduziert, an der Oberfläche reoxydiert und mit Metallisierungen bedeckt wird, worauf diese Keramikplatte in Plättchen 30 zerschnitten wird, damit der großen Zerbrechlichkeit des Materials begegnet wird.

Die Festigkeit der Leitung wird dadurch erhalten, daß eine Reihe von Plättchen 30 zwischen zwei Metallbändern 34 und angeordnet wird, welche die gleiche Länge wie die Leitung haben und elektrisch mit den Plättchen 30 fest verbunden werden, beispielsweise durch Anlöten oder Ankleben mit einem leitenden Klebstoff.

Die Metallbänder 34 und 35 sind mit Verteilungsanschlüssen bzw. 32 für die übertragenen Signale versehen, wobei die von den Plättchen 30 und den Bändern 34 und 35 gebildete Anordnung wie zuvor durch Umhüllung oder durch ein Gehäuse geschützt und elektrisch isoliert wird.

Es ist auch möglich, eine Übertragungsleitung mit mehr als zwei Leitern herzustellen, beispielsweise für die Speisung von Empfängern mit mehreren verschiedenen Spannungen. Zu diesem Zweck brauchen nur Metallbänder, die dem Band 34 entsprechen, und Reihen von Plättchen 30 abwechselnd angeordnet zu werden.

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Eine praktische Ausführung der beschriebenen Übertragungsleitung wurde aus einer Bariumtitanatplatte mit einer Länge von mehreren Zentimetern, einer Breite von 4 mm und einer Dicke von 0,4 mm hergestellt, wobei die Dicke e^ der Sperrschichten in der Größenordnung von 4 Mm lag. Ihr Wellenwiderstand Z_n lag in der Größenordnung von 0,1 Ω , während der Wellenwiderstand einer Leitung mit gleicher geometrischer Form , aber klassischer Struktur, die aus den· gleichen Materialien gebildet ist, in der Größenordnung von mehr als 0,5 Ω liegt. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale in einer solchen Leitung etwa 3,86·10 m/s beträgt, hat die in der angegebenen Weise ausgeführte Leitung die Verteilung dieser Signale mit einer Verzögerung von höchstens 4,7 ns bewirkt, wobei die Bandbreite größer als 3 MHz war.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

^Übertragungsleitung für elektrische Signale, bestehend aus Längs schichten, die einerseits aus einem dielektrischen Material und andrerseits aus einem Material mit geringem spezifischen Widerstand gebildet sind, wobei Anschlüsse für die Verteilung der Signale vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material in zwei dünnen dielektrischen Schichten angeordnet ist, die voneinander durch eine Schicht aus einem ersten Material mit kleinem spezifischen Widerstand getrennt sind, daß diese Schicht und die beiden dielektrischen Schichten durch chemische Behandlung einer gleichen Material platte erhalten sind, und daß die dielektrischen Schichten jeweils mit einer Schicht aus einem zweiten Material mit geringem spezifischen "Widerstand bedeckt sind, mit der die Verteilungsanschlüsse elektrisch verbunden sind.
2. Übertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine Keramikplatte ist. daß die Schicht des ersten Materials mit geringem spezifischem Widerstand durch den mittleren Abschnitt der Karamikplatte gebildet ist, deren geringer spezifischer Widerstand durch chemische Reduktion des Keraraikmaterials erhalten worden ist, und daß die dielektrischen Schichten dünne Oberflächenschichten sind, die durch Reoxydation der Keramikplatte erhalten sind.
3. Übertragungsleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des zweiten Materials geringen spezifischen Widerstands durch Metallisierungen auf den

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dielektrischen Schichten gebildet sind, und daß die Verteilungsanschlüsse an den Metallisierungen angelötet sind.
4. Übertragungsleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des zweiten Materials geringen
spezifischen Widerstands dadurch gebildet sind, daß an den
dielektrischen Schichten Metallbänder befestigt sind, aus
denen die Verteilungsanschlüsse ausgeschnitten sind.
5. Übertragungsleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte in nebeneinanderliegende Plättchen unterteilt ist, und daß die Plattchenreihe an zwei Metallbändern befestigt ist, welche die Schichten aus dem zweiten Material geringen spezifischen Widerstands darstellen und
aus denen die Verteilungsanschlüsse ausgeschnitten sind.
6. Übertragungsleitung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung durch eine Metallisierung auf den dielektrischen Schichten erfolgt.

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