DE2338014C2

DE2338014C2 - Isolator in Mikrostrip-Technik

Info

Publication number: DE2338014C2
Application number: DE2338014A
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Kurebayashi; Shojiro Kamakura Kanagawa Nakahara; Nobutake Orime
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1972-07-26
Filing date: 1973-07-26
Publication date: 1983-03-24
Also published as: DE2366544C2; US3835420A; DE2338014A1; GB1446778A; FR2197245A1; FR2197245B1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Isolator mit einem Substrat aus einer ferromagnetischen Platte oder aus einer dielektrischen Platte und mindestens einem in einer Ausnehmung derselben eingesetzten Körper aus ferromagnetischem Material, wobei das Substrat auf einer Oberfläche eine gemeinsame leitfähige Schicht aufweist und auf der anderen Oberfläche eine über das ferromagnetische Material verlaufende Hauptleitung « sowie mindestens ein Paar Stichleitungen, welche an einer gemeinsamen Stelle im Bereich des ferromagnetischen Materials von der Hauptleitung und im rechten Winkel zu dieser in entgegengesetzter Richtung abzweigen, wobei der Verzweigungspunkt unter dem so Einfluß eines magnetischen Gleichfeldes steht.

Ein solcher Isolator ist bekannt aus der GB-PS 7 99 172 und der DE-AS 19 17 209. Gemäß der DE-AS 19 17 209 können beide Stichleitungen mit der durchgehenden leitfähigen Schicht kurzgeschlossen sein. Bei diesen herkömmlichen Isolatoren hat eine der Stichleitungen die Länge 3 λ/8, während die andere die Länge 1 λ/8 aufweist. Dies bedeutet, daß insbesondere bei niedrigen Frequenzen die Stichleitungen erhebliche Abmessungen haben müssen. Dies bedingt wiederum aufwendige Herstellungsverfahren und eine geringe Güte des herkömmlichen Isolators. Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Isolator der eingangs genannten Art derart abzuwandeln, daß er bei geringen Abmessungen eine hohe Güte aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Isolator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine der Stichleitungen an ihrem Ende mit der durchgehenden leitfähigen Schicht kurzgeschlossen ist und eine Länge kleiner als λ/4 aufweist und daß die andere Stichleitung an ihrem Ende offen ist und eine Länge kleiner als die Länge der kurzgeschlossenen Stichleitung aufweist

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolators;

Fig.2a und 2b Detaildarstellungen des Isolators gemäß F i g. 1;

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolators;

F i g. 4 eine Draufsicht des Isolators gemäß F i g. 3;

Fig.5a, b und c weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Isolators in Draufsicht;

F i g. 6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolators;

F i g. 7 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolators und

F i g. 8 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolators in schematischer Darstellung.

F i g. 1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolators, bei dem eine Hauptleitung la, \b auf einer dielektrischen Platte 2 ausgebildet ist, welche auf der anderen Seite eine durchgehende leitfähige Schicht 3 trägt Unterhalb der Hauptleitung la, 16 ist in die dielektrische Platte 2 ein Körper 6 aus ferromagLetischem Material wie Ferrit oder Yttrium-Eisen-Granat eingelegt. Im Bereich dieses Körpers aus ferromagnetischem Material erstrecken sich Stichleitungen 4, 5 von einer gemeinsamen Stelle der Hauptleitung la, 16 nach außen. Eine der Stichleitungen 4 ist an ihrem Ende mit der durchgehenden leitfähigen Schicht 3 kurzgeschlossen, während die andere Stichleitung 5 ein freies Ende aufweist Magnetpole 7a, Tb erzeugen im Bereich des ferromagnetischen Materials ein magnetisches Gleichfeld.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Aufbau des Isolators ist es nicht erforderlich, daß die längere Stichleitung eine Länge von 3 λ/8 aufweist. Dies soll im folgenden näher erläutert werden. Die Impedanz Zl der Stichleitung 4 von der Verbindungsstelle zur Hauptleitung la, Xb bis zum kurzgeschlossenen Ende ergibt sich für den Fall einer verlustfreien Übertragungsleitung aus folgender Formel:

Z_L=jZ\tanß_il_x

Dabei bedeutet l\ die Länge der Stichleitung 4, ß\ ihre Phasenkonstante und Z\ ihren Wellenwiderstand. Man erkennt, daß Zl nur dann induktiv ist, wenn die Bedingung 0<ß\l_l<jt/2 erfüllt ist. Daraus ergibt sich die Beziehung 0 < /1 < λ/4.

Andererseits soll der Wellenwiderstand der Hauptleitung la, 16 mit Zo bezeichnet werden. Wenn nun die Hauptleitung la, Xb mit einer angepaßten Last verbunden wird und wenn die Spannung an der Verbindungsstelle der Stichleitung 4 mit V bezeichnet wird, so ergeben sich die folgenden Beziehungen für die Stromstärke I_m bzw. Ij durch die Hauptleitung Xa, Xb bzw. die Stichleitung4:

4 =

I -^J -

jZ_x tan/,/,
Für die Bildung einer zirkulär polarisierten Welle

gilt die folgende Beziehung (3):

wobei die Phasendifferenz zwischen I_m und Ij 90° beträgt Somit erhält man aus den Gleichungen (1), (2) und (3) die folgende Beziehung:

Z₀ = Z₁ tan JS₁Z₁

Dies ist die Bedingung für die Bildung eines zirkulär polarisierten magnetischen Hochfrequenzfeldes an der Verbindungsstelle der Stichleitung 4. Die Breite des Isolators kann dadurch verringert werden, daß man h verringert Um nun jedoch die Gleichung (4) zu erfüllen, \s sollte Z\ erhöht werden. Dies läuft im Falle eines Substrats mit vorgegebener Dicke auf eine Verringerung der Breite der Stichleitung 4 hinaus. Eine solche Maßnahme ist vom Standpunkt der Herstellbarkeit nur begrenzt möglich. Darüber hinaus niüssen Verluste hingenommen werden, wenn die Breite zu gering ist. Daher unterliegt die Wahl des Wertes Z\ in der Praxis gewissen Beschränkungen.

Im folgenden soll die Stichleitung 5 mit einem freien Ende betrachtet werden. Ihre Länge wird mit k bezeichnet, ihre Phasenkonstante mit ß₂ und ihr Wellenwiderstand mit Z₂. Sodann ergibt sich für die Impedanz Zc der Stichleitung 5 von der Verbindungsstelle mit der Hauptleitung la, \b bis zum freien Ende der folgende Ausdruck:

Z_c = -JZ₂ cotß₂l₂

Um nun der durch die Stichleitung 4 hervorgerufenen Reflektion entgegenzuwirken, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:

Z₁ Z_c JZ_x tan;?, Z₁ JZ₂cotß₂l₂

Z₂ cotß₂1₂ = Z₁ tanß_t I₁

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 muß somit die längere Stichleitung 4 mit kurzgeschlossenem Ende nicht eine Länge von 3 λ/8 aufweisen. Man kann vielmehr eine unilaterale Dämpfung des Isolators mit einer Länge der Stichleitung von weniger als λ/4 erhalten, wenn man das Ende dieser Stichleitung kurzschließt und die Breite der Stichleitungen 4 und 5 entsprechend der Länge wählt. Somit kann erfindungsgemäß eine Miniaturisierung des Isolators im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungen erreicht werden.

Wenn die Gleichungen 4 und 7 für den Isolator erfüllt sird, so wird ein zirkulär polarisiertes magnetisches Hochfrequenzfeid an der Verbindungsstelle zwischen der Hauptleitung la, \b und der an ihrem Ende kurzgeschlossenen Stichleitung 4 gebildet. Von der Hauptleitung la, 16 aus gesehen stehen die am Ende eo kurzgeschlossenenen Stichleitungen 4 und die am Ende offene Stichleitung 5 in Parallelresonanz. Um die Frequenzcharakteristik des Parallelresonanzkreises zu verbessern wird die Länge 1\ der am Ende kurzgeschlossenen Stichleitung 4 herabgesetzt, während andererseits die Länge Z₂ der am Ende offenenen Stichleitung 5 erhöht wird, und zwar im Rahmen der Gleichungen (4) und (7). Somit kann die Induktivität L des Resonanzkreises gesenkt werden und die Kapazität C des Resonanzkreises erhöht werden. Wenn die Frequenz-

(3) kennlinie des Resonanzkreises verbessert wird, so werden die Impedanzen Zi und Zi gemäß Gleichungen (4) und (7) erhöht Daher sollte die Breite der Stichleitungen 4 und 5 gemäß F i g. 2a möglichst gering gewählt werden. Bei einer solchen Ausführung des Isolators wird die vollständig zirkulär polarisierte Welle

(4) jedoch nur in einem Teilbereich des ferromagnetischen Material gebildet so daß die Verteilung der zirkulär polarisierten Welle im ferromagnetischen Material verschlechtert ist Hierdurch ist auch die Güte herabgesetzt und der Verlust in Vorwärtsrichtung erhöht Diese Tatsache wurde durch Experimente belegt Zur Verbesserung der Verteilung der zirkulär polarisierten Welle im ferromagnetischen Material und zur Verbesserung des Verlustes in Vorwärtsrichtung ist eine Ausführungsform bevorzugt bei der das ferromagnetische Material im wesentlichen durch die Übergangsstelle abgedeckt ist (Fig.2b). Bei einem solchen Aufbau sind jedoch die Wellenwiderstandswerte Z\ und Zi der Stichleitungen 4 und 5 herabgesetzt. Um in einem solchen Falle die Gleichungen (4) und (7) zu erfüllen, muß Z₁ groß und I₂ klein gewählt werden. Hierdurch verschlechtert sich jedoch die Frequenzcharakteristik des Parallelresonanzkreises.

F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform des Isolators mit einer verbesserten Güte. Die Stichleitung 4 mit kurzgeschlossenem Ende liegt im Bereich 14 und weist einen verbreiterten Abschnitt 11 auf. Die Stichleitung 5 mit

(5) offenenem Ende befindet sich im Bereich 15 und weist einen verbreiterten Anschlußabschnitt 12 auf. Die Abmessungen der Abschnitte 11 und 12 sind derart gewählt, daß sie im wesentlichen keine geringere Ausdehnung haben als das ferromagnetische Materia! 6.

Fig.4 zeigt eine Draufsicht des Isolators gemäß Fig.3. Die Hauptleitung la, \b hat den Wellenwiderstand Zo. Die Stichleitung 4 hat den Wellenwiderstand Z₁, die Phasenkonstante /J₁ und die Länge ls\. Der breite Abschnitt 11 hat den Wellenwiderstand Zb, die Phasenkonstante ß₂ und die Länge Is₂. Die am Ende offene Stichleitung 5 hat den Wellenwiderstand Z'_A, die Phasenkonstante ß\', die Länge k\- Der verbreiterte Abschnitt 12 hat den Wellenwiderstand Z'_Ä die Phasenkonstante /J₂' und die Länge Z₀₂- Es gelten nun die folgenden Beziehungen.

25

30

= 0

(6)

(7) + tan ß₂ l_S2\ tan A Z₅
Zi (1 + -fr-tan ^₂" Z₀₂)

(§7

§7 ~

COIjS[Z₀₁

sowie die folgenden Bedingungen:

0 < /_S1 < λ,/4 0 < I₅₂ < A₂/4
0 < Z₀₁ < /1,74 0 < /₀₂ < λ{/4

-f²- > tanj8,/_s,

Z'_Acotß[l_0l> Ζ·_Β
ßi - 2π/λ_ι: ßi = 2π/λ₂;
ß[ = 2π/λ{; ßi = 2π/λ'₂

Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, so erhält man ein gleichförmiges zirkulär polarisiertes Hochfrequenzmagnetfeld an der Verbindungsstelle, und die am Ende kurzgeschlossene Stichleitung im Bereich 14 und die am Ende offene Stichleitung im Bereich 15 stehen von der Hauptleitung la, IZ) aus gesehen in Parallelresonanz und sind angepaßt.

Bei dieser Ausführungsform ist der Verlust in Vorwärtsrichtung, welcher von der Verteilung der zirkulär polarisierten Wellen im ferromagnetischen Material 6 abhängt, aufgrund der Verwendung der breiten Leiterabschnitte 11, 12, herabgesetzt Die Frequenzkurve des Parallelresonanzkreises ist dennoch aufgrund der richtig gewählten Längen und Wellenwiderstände der Stichleitungen 4 und 5 verbessert. Ein solcher Isolator hat daher nicht nur den Vorteil eines kompakten Aufbaus, sondern auch eine ausgezeichnete Güte.

Die Fig.5a, 5b zeigen Draufsichten weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Isolators mit abgewandelten Übergangsabschnitten 11, 12 zwischen den Stichleitungen und der Hauptleitung.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand einer Ausfühningsform erläutert, bei der das ferromagnetische Material 6 in eine Ausnehmung in einer dielektrischen Platte 2 eingebracht ist. Es ist jedoch auch möglich, anstelle einer solchen Anordnung eine durchgehende ferromagnetische Platte zu verwenden. Darüber hinaus eignet sich diese Ausführungsform auch für einen Hochleistungsisolator. Es ist dabei erforderlich, die Wärmeentwicklung pro Volumeneinheit des ferromagnetischen Materials herabzusetzen. Aus diesem Grunde sollte das Volumen des ferromagnetischen Materials erhöht werden, ohne daß hierdurch die Einfügungsdämpfung erhöht wird. Gemäß F i g. 6 kann nun die pro Volumeneinheit des ferromagnetischen Materials entwickelte Wärme verringert werden, indem man den Übergangsbereich in Richtung der Breitenausdehnung vergrößert Hierdurch werden die Bedingungen der zirkulär polarisierten Wellen nicht wesentlich geändert Man erhält auf diese Weise einen Hochleistungsisolator. In F i g. 6 ist dieses Merkmal sowohl bei der kurzgeschlossenenen Stichleitung als auch bei der offenenen Stichleitung vorgesehen. Es ist jedoch möglich, dieses Merkmal nur bei einer der beiden Stichleitungen vorzusehen.

Zur Herstellung einer Bandleitung vom offenen Typ aus dem dielektrischen Substrat 2, welches mit einer Masseschicht 3 verbunden ist aus der Hauptleitung la, \b und den Stichleitungen 4 und 5 ist es wichtig, daß das dielektrische Substrat 2 und die Hauptleitung la, 16 bzw. die Masseschicht 3 fest und eng aneinander haften, so daß Impedanzfluktuationen der Leitung und unerwünschte Schwingungstypen verhindert werden.

Für die Zwecke der Miniaturisierung wird ein Material mit einer höheren Dielektrizitätskonstante bevorzugt. In diesem Fall ist jedoch ebenfalls eine enge Bindung an der Verbindungsstelle erforderlich. Es war bisher relativ schwierig, das ferromagnetische Material 6 in die dielektrische Platte einzubringen. Es wurde zunächst in der dielektrischen Platte 2 und in der leitenden Schicht 3 eine Ausnehmung ausgebildet, in welche das ferromagnetische Material 6 eingesetzt wurde. Danach wurde die Ausnehmung in der leitenden Schicht 3 mit einem Lötmaterial verschlossen. Unter diesen Herstellungsbedingungen wird jedoch die Haftfestigkeit herabgesetzt so daß das erhaltene Erzeugnis für die praktische Anwendung ungeeignet ist.

Diese Probleme können jedoch dadurch überwunden werden, daß man bei der Herstellung Methoden der Metallisierung, der Metallbeschichtung und des Ätzens verwendet, welche in jüngster Zeit für die Herstellung von integrierten Schaltungen entwickelt wurden. Es wird daher in der dielektrischen Platte 2 zunächst eine Ausnehmung ausgebildet, und in diese wird ein ferromagnetisches Material 6 eingeführt und befestigt. Danach wird die Oberfläche bearbeitet, und man erhält somit eine zusammengesetzte Platte 16. Durch Metallisierung, Metallplattierung und Ätzen oder Drucken wird auf dieser zusammengesetzten Platte 16 das gewünschte Leitungsmuster ausgebildet. Das eingesetzte ferromagnetische Material 6 kann eine von der Scheibenform gemäß F i g. 1 abweichende Gestalt haben. Es kann z. B. eine quadratische Gestalt haben. Die elektrische Verbindung des Endes der Stichleitung 4 mit der durchgehenden leitfähigen Schicht 3 kann durch Metallplattieren und Ätzen oder dergleichen erfolgen oder mittels Durchkontaktierung. Zwischen der Oberfläche des dielektrischen Substrats 2, weiche die Hauptleitung la, Ii und die Stichleitungen 4,5 trägt und dem zugeordneten Magnetpol 7a kann mit Abstand und parallel zur dielektrischen Platte 2 eine Metallplatte angeordnet werden, so daß eine Abschirmung erreicht wird.

F i g. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolators mit zwei in Reihe hintereinander geschalteten Stichleitungspaaren. Man kann auf diese Weise erreichen, daß der Verlust in Vorwärtsrichtung insgesamt recht klein ist. Der Isolator hat nicht nur eine miniaturisierte Kompaktform, sondern auch eine günstige Hochfrequenzcharakteristik des Verlustes in Vorwärtsrichtung und eine Breitbandzone des inversen Verlustes.

F i g, 8 zeigt eine weitere Ausfühningsform des erfindungsgemäßen Isolators ähnlich derjenigen der F i g. 7. Dabei ist jedoch die Länge der beiden kurzgeschlossenen Stichleitungen 8a, Sb verschieden. Auch die Länge der offenenen Stichleitungen 9a, 9b ist verschieden. Bei einer solchen Ausfühningsform ist das Frequenzband des inversen Verlustes breiter als bei F i g. 7, und der Verlust in Vorwärtsrichtung ist kleiner als bei der Ausführungsform der F i g. 7. Außerdem ist die Frequenzcharakteristik des Stehwellenverhältnisses günstiger als bei der Ausfühningsform der F i g. 7.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Isolator mit einem Substrat aus einer ferromagnetischen Platte oder aus einer dielektrischen Platte und mindestens einem in einer Ausnehmung derselben eingesetzten Körper aus ferromagnetischem Material, wobei das Substrat auf einer Oberfläche eine gemeinsame leitfähige Schicht aufweist und auf der anderen Oberfläche eine über das ferromagnetische Material verlaufende Hauptleitung sowie mindestens ein Paar Stichleitungen, welche an einer gemeinsamen Stelle im Bereich des ferromagnetischen Materials von der Hauptleitung und im rechten Winkei zu dieser in entgegengesetzter Richtung abzweigen, wobei der Verzweigungspunkt unter dem Einfluß eines magnetischen Gleichfeldes steht, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Stichleitungen (4; 8a, Sb) an ihrem Ende mit der durchgehenden leitfähigen Schicht (3) kurzgeschlossen ist und eine Länge (/1) kleiner als A/4 aufweist und daß die andere Stichleitung (5; 9a, 9b) an ihrem Ende offen ist und eine Länge (/2) kleiner als die Länge der kurzgeschlossenen Stichleitung aufweist

2. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichleitungen (4, 5; 8, 9) im Bereich ihres Verzweigungspunktes breiter als in ihrem übrigen Teil sind.

3. Isolator, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Isolatoren nach Anspruch 1 oder 2 hintereinander geschaltet sind, wobei die Längen der Stichleitungspaare (8a, 9a; 86, 9b) untereinander verschieden sind.