-
Abstimmelement für gedruckte Schaltungen
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Abstimmelement für gedruckte Schaltungen,
insbesondere für MIC-Schaltkreise, bestehend aus einem einseitig mit einer Metallisierung
versehenen scheibenförmigen Träger, der auf der mit Leiterbahnen versehenen Seite
der Schaltungsplatte angeord net und mittels eines in der Schaltungsplatte geführten
Verbindungsstiftes drehbar ist.
-
Abstimmelemente werden in vielfältiger Weise angewendet und sind dabei
entsprechend ihrer speziellen Veniendung zum Teil sehr unterschied' ich ausgebildet.
Bei der Realisierung eines variablen Kondensators gemäß dem deutschen Gebrauchsmuster
7 006 737 wird der Statorbelag von der Kaschierung der Leiterplatte gebildet, auf
der als Rotor eine einseitig teilweise metallisierte Keramikscheibe mit der metallfreien
Seite aufliegt und mittels einer Rotorachse drehbar ist.
-
Bei der Anpassung und beim Abgleich von Leitungen und Halbleitern
ist es ansonsten üblich, entsprechende Teile der Metallisierung wegzuschleifen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe, ein Abstimmelement der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit dem in einfacher Weise eine reversible stufenförmige bis stetige
Abstimmung in integrierten Schaltkreisen bis in den Bereich sehr hoher Frequenzen,
insbesondere den GHz-Bereich, möglich ist.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß bei
einem Abstimmelement der vorstehend genannten Art
auf dem scheibenförmigen
Träger auf der der Schaltungsplatte zugekehrten Seite Leitungs- oder Belagskonfigurationen
aufgebracht sind, die mit gegenüberliegenden Leitungs- und Belagskonfigurationen
der Schaltungsplatte reversibel stufenförmig bis stetig einstellbare, variable Ankopplungen
von Leitungen, variable Reaktanzen und Stubs, Anpassungen von Schaltkreisen und
Halbleitern und dergleichen bilden, und daß der scheibenförmige Träger unter Zwischenlage
eines Dielektrikums mit beliebig wählbarer Dielektrizitätskonstante und Dicke über
den Verbindungsstift leicht lösbar auf der Schaltungsplatte angeordnet ist.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist dabei
vorgesehen, daß der Verbindungsstift aus Metall besteht und zur Massekaschierung
auf der Unterseite der Schaltungsplatte durchkontaktiert ist und daß die Kontaktierung
zwischen dem metallischen Verbindungsstift und der Massekaschierung mittels einer
Kontaktfeder erfolgt, die auf dem Verbindungsstift im Bereich zwischen der die Massekaschierung
tragenden Unterseite der Schaltungsplatte und einer Befestigungsschraube angeordnet
ist. Dabei kann die Kontaktfeder in vorteilhafter Weise als gewendelte Ringfeder
ausgebildet werden oder aus einem außen gefiederten ringförmigen Federblech, dessen
einzelne Lamellen bogenförmig eingerollt sind und am Verbindungsstift anliegen oder
einem kurzen Federbalg bestehen.
-
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
ist vorgesehen, daß der scheibenförmige Träger in einer mit einer entsprechend bemessenen
Ausnehmung versehenen Plastikscheibe niedriger Dielektrizitätskonstante eingesetzt
ist und daß der mit der Plastikscheibe formschlüssig verbundene Verbindungsstift
an der Unterseite und/oder Oberseite der Schaltungsplatte angeordnete Befestigungs-
und Betätigungselemente aufweist, daß die Befestigungs- und Betätigungselemente
aus einer auf den Verbindungsstift aufsetzbaren
federnden Scheibe
und einer unter Zwischenlage einer Gleitscheibe darüberliegend angeordneten geschlitzten
Druckscheibe bestehen, und daß die Druckscheibe über eine in einer Querbohrung der
Druckscheibe angeordnete, seitlich am Verbindungsstift angreifende Befestigungsschraube
fest mit diesem verbunden ist.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen von Leitungskonfigurationen für verschiedene
Anwendungen des Abstimmelementes sind in den Patentansprüchen 10 bis 17 angegeben,
wobei besondere Vor.-teile der Jeweiligen Ausführungsform in der Figurenbeschreibung
angeführt sind.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend anhand von in
den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Es zeigen Fig. 1 und 5 den Aufbau Jeweils eines in eine Schaltungs
platte eingesetzten Abstimmelementes in einer geschnittenen Seitenansicht, Fig.
2 bis 4 verschiedene Ausführungsformen von Kontaktfedern und Fig. 6 bis 17 verschiedene
Ausführungsformen von Leitungskonfigurationen und die zugeh;origen elektrischen
Brsatzschaltbilder.
-
Das Abstimmelement nach Fig. 1 besteht aus einem scheibenförmigen
Träger 1, der auf einer Seite mit Leitungs- und Belagskonfigurationen 2 versehen
ist und mit dieser metallisierten Seite, unter Zwischenlage eines Dielektrikums
3, auf der Leitungs- und Belagskonfigurationen 5 tragenden Seite der Schaltungsplatte
(Substrat) 4 angeordnet ist. Die gegenüberliegende Seite der Schaltungsplatte 4
ist mit einer ganzflächigen Metallisierung 6 versehen. Die Halterung des scheibenförmigen
Trägers
1 auf der Schaltungsplatte 4 und die Drehung erfolgen mittels eines metallischen
Verbindungsstiftes 7, der in eine Bohrung von scheibenförmigem Träger 1, Dielektrikum
3 und Schaltungsplatte 4 eingesetzt und mit seinem Kopf auf dem fest mit ihm verbundenen
scheibenförmiger Träger aufliegt. Der Verbindungsstift 7 ist über die metallisierte
Bohrung des scheibenförmigen Trägers 1 mit der Metallisierung auf dessen Unterseite
verbunden und mit der ganzflächigen Metallisierung auf der Unterseite der Schaltungsplatte
4 kontaktiert. Die Kontaktierung des Verbindungsstiftes 7 mit der ganzflächigen
Metallisierung auf der Unterseite der Schaltungsplatte 4 erfolgt dabei mittels einer
gewendelten Ringfeder 8, die auf dem Verbindungsstift.7 im Bereich zwischen der
die Massekaschierung tragenden Unterseite der Schaltungsplätte 4 und einer Befestigungsschraube
10, unter Zwischenlage einer Unterlegscheibe 9, angeordnet ist.
-
Durch diese Ausführung der Kontaktfeder, die viele dicht nebeneinanderliegende
Berührungspunkte mit der Massekaschierung einerseits und dem metallischen Verbindungsstift
andererseits, auf kürzestem Weg also sehr viele Kontaktstellen aufweist, wird eine
besonders induktivitätsarme Ausbildung des Abstimmelementes erreicht. Bei Verwendung
einer sehr dünnen Folie hoher Dielektrikzitätskonstante als Dielektrikum ergibt
sich eine hohe Kapazität zur Leiterbahn, Jedoch eine kleine Kapazität der Leiterbahn
zum Substrat, so daß nur noch die variable Leitung wirkt. Die Betätigung des Abstimmelementes
erfolgt durch den Verbindungsstift 7, an dessen Stirnseite an der Unterseite der
Schaltungsplatte ein Schlitz zum Eingriff eines Schraubenziehers angebracht .ist.
-
Die Fig. 2 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Kontaktfedern
für einen besonders induktivitätsarmen Aufbau von Abstimmelementen Jeweils in einer
Seitenansicht und einer Projektion. Die Kontaktfeder 8 nach Fig. 2 entspricht dabei
der in Fig. 1 eingezeichneten Ausführungsform und sie besteht aus einer gewendelten
Ringfeder. Die als Stanzteil ausgebildete
Kontaktfeder 8 nach Fig.
3 besteht aus einem am äußeren Umfang gefiederten ringförmigen Federblech, bei dem
die einzelnen Lamellen bogenförmig aufgerollt sind und mit ihrem Endbereich am Verbindungsstift
anliegen. Die Kontaktfeder 8 nach Fig. 4 besteht aus einem kurzen Federbalg, der
einerseits an der Metallisierung 6 der Unterseite der Schaltungsplatte und andererseits
an der Unterlegscheibe 9 anliegt und mittels der auf den Verbindungsstift 7 aufgeschraubten
Befestigungsschraube 10 zusammengedrückt wird.
-
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Abstimmelement ist auf einem scheibenförmigen
Träger 11 die Leitungskonfiguration 12 aufgebracht. Der scheibenförmige Träger 11
ist mit der die Leitungskonfiguration 12 tragenden Seite, unter Zwischenlage eines
Dielektrikums 13, auf dem die MIC-Schaltkreise15 tragenden Substrat 14 angeordnet,
wobei die Leitungskonfiguration 12 des scheibenförmigen Trägers 11 und die NIC-Schaltkreise
15 des Substrats 14 einander gegenüberliegen. Das Substrat 14 ist auf der den MIC-Schaltkreisen
15 gegenüberliegenden Seite mit einer ganzflächigen Metallisierung 16 versehen.
Die Dicke und die relative Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 13 lassen
sich so wählen, daß zwischen den Metallisierungen des Abstimmelementes und des NIC-Substrates
verschieden große Kapazitäten gewählt werden können. Zur Befestigung des Abstimmelementes
im Substrat 14 ist ein isolierter Verbindungsstift 18 vorgesehen, der in eine entsprechende
Bohrung der aus einer Plastikscheibe niedriger Dielektrizitätskonstante bestehenden
Halterung 17, des scheibenförmigen Träger 11, des Dielektrikums 13 und des Substrats
14 eingreift und auf dessen freies Ende von der Unterseite des Substrats 14 aus
eine federnde Scheibe 19, eine Gleitscheibe 20 und eine Druckscheibe 21 aufgesetzt
sind. In einer Querbohrung der Druckscheibe 21 ist eine Befestigungsschraube 23
eingesetzt, die seitlich am Verbindungsstift 18 angreift und mittels derer der Verbindungsstift
18 fest in der Druckscheibe 21 gehalten
ist. In der Druckscheibe
21 ist ferner an der Stirnseite ein Schlitz 22 für ein Abstimmhilfsmittel, beispielsweise
einen Schraubenzieher, vorgesehen. Die Betätigung des Abstimmelementes erfolgt hierbei
also über die Druckscheibe 21 von der Unterseite des Substrats 14 her; sie kann
bei entsprechender Ausbildung aber auch von der Oberseite aus vorgenommen werden.
-
Der Kopf des Verbindungsstiftes 18 ist in eine Ausnehmung der Halterung
17 eingesetzt, die in Größe und Form den Abmessungen des Kopfes entspricht, wodurch
bei Betätigung der Druckscheibe 21 über den Verbindungsstift 18 eine Übertragung
der Bewegung auf die Halterung 17 und den mit dieser fest verbundenen, die Leitungskonfiguration
12 tragenden scheibenförmigen Träger 11 erfolgt.
-
Der elektrische Abgleich und die elektrische Kopplung lassen sich
mit derartigen beweglichen Abstimmelementen reversibel auf integrierten Nikrowellenschaltkreisen
bis in den Millimeter-Frequenzbereich fein und präzise, kontaktlos und praktisch
rückwirkungsfrei seitens des Abstimmhilfsmittels durchführen. Die Montage des Abstimmelementes
ist ebenfalls besönders einfach und kostengUnstig, ohne Lötung oder Schweißung,
durchführbar. Auf einem integrierten Mikrowellenschaltkreis lassen sich somit fast
beliebig große und beliebig kleine, positive und negative Reaktanzen realisieren.
Außerdem kann die elektrische Wirkung auf 360°-Drehung mechanisch gespreizt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Abstimmelement können Halbleitertoleranzen ausgeglichen
werden, Halbleiter angepaßt werden, Schaltkreise auf MIC beeinflußt und angepaßt
werden sowie variable Kondensatoren, variable Stubs, variable Massekondensatoren
zwischen durchkontaktiertæ Masse oder zwischen randkontaktierter Masse und der Nicrostripleitung
und variable Kopplungen realisiert werden. Außerdem lassen sich besondere, in weitem
Rahmen frei wählbare ReaktanXverläufe ankoppeln. Mit Sonderlormen des Abstimmelementes
ist die Verschiebung des abstimmenden Elementes längs einer Leitung möglich.
-
In den Fig. 6 bis 17 sind verschiedene Leitungs- und Belagskon figurationen
und die zugehörigen elektrischen Ersatzschaltbilder dargestellt, wobei die großen
Buchstaben Jeweils die Leitungskonfigurationen des Abstimmelementes und die kleinen
Buchstaben die zugehörige Metallisierung auf der Schaltungsplatte bzw. den MIC-Substraten
bezeichnen.
-
In Fig. 6a besteht die Leitungskonfiguration A auf dem scheibenförmigen
Träger 1 bzw. 11 aus längs eines Kreises angeordneten Leitungsabschnitten unterschiedlicher
Bogenlänge. Die Leiterbahn a auf der Schaltungsplatte bzw. dem Substrat, die tangential
zu dem kreisförmigen Träger verläuft und in der Figur strichliert eingezeichnet
ist, weist eine seitliche Abzweigung auf, die der#Leitungskonfiguration A gegenüberliegend
angeordnet ist. Mit Abstimmelementen dieser Leitungskonfiguration können beliebig
gestufte Leitungslängen über dem Abstimmbereich a zur Wirkung gebracht werden. Das
zugehörige elektrische Ersatzschaltbild 6b zeigt eine Querkapazität CK zwischen
zwei Leitungen, die sich durch Wahl des Dielektrikums einstellen läßt. Das Verhältnis
der Leitungsabschnitte m ist n kontinuierlich einstellbar, während die Gesamtleitungslänge
1 = msn in Stufen einstellbar ist.
-
Die Ausführungsform nach Fig. 7 unterscheidet sich insoweit von der
nach Fig. 6, als die Leitungskonfiguration B auf dem scheibenförmigen Träger hierbei
aus längs konzentrischer Kreise angeordneten Leitungsabschnitten unterschiedlicher
Bogenlänge und Leiterbreite besteht. Mit Abstimmelementen dieser Leitungskonfiguration,
die aus seiten- und endgekoppelten Leitungsstücken bestehen und deren Länge und
Kopplung längs des Umfangs des kreisförmigen Abstimmelementes in kleinen Stufen
sich stetig vergrößert, lassen sich große und kleine elektrische Änderungen besonders
bei Frequenzen im Millimeter-Frequenzbereich auf eine 360°-Drehung spreizen. Bei
tiefen Frequenzen läßt sich damit ein variabler Kondensator realisieren.
-
Das elektrische Ersatzschaltbild 7b entspricht dem nach Fig. 6b.
-
CK ist dabei ebenso durch Wahl des Dielektrikums einstellbar, das
Verhältnis der Leitungsabschnitte m ist in begrenztem Maß n einstellbar, die Gesamtleitungslänge
1 = m+n ist quasi-kontinuierlich einstellbar. Das elektrische Ersatzschaltbild 7c
weist eine Längskapazität CK im Leitungszug auf. Diese Kapazität CK ist in Verbindung
mit der Substratmetallisierung nach Fig. 10a quasi-kontinuierlich einstellbar.
-
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 8a und 11a ist die Leitungskonfiguration
auf dem scheibenförmigen Träger als nahezu geschlossener Kreisbogen C bzw. als etwa
spiralförmig verlaufende Leiterbahn E ausgebildet. Abstimmelemente mit Leitungs
konfigurationen gemäß C und E können besonders bei niedrigen Frequenzen als variable
Leitungslängen eingesetzt werden. Die elektrischen Ersatzschaltbilder 8b, lib weisen
eine Querkapazität CK zwischen zwei Leitungen7die durch Wahl des Dielektrikums einstellbar
ist. Das Verhältnis der Leitungsabschnitte m ist kontinuierlich einstellbar, die
Gesamtleitungslänge 1 = m+n ist hierbei konstant.
-
Eine variable Kopplung oder Entkopplung läßt sich mit einem Abstimmelement
mit der Leitungskonfiguration D gemäß Fig. 9a erreichen. Hierbei besteht die Leitungskonfiguration
auf dem scheibenförmigen Träger aus längs eines Kreises angeordneten Leitungsabschnitten
unterschiedlicher Bogenlänge, die einen größeren gegenseitigen Abstand haben, so
daß nur Jeweils ein Leitungsabschnitt den Leiterbanen b des Substrats gegenüberliegt,
die in einem kleinen, dem scheibenförmigen Träger gegenüberliegenden Bereich bogenförmig
verlaufen und unter einem gegenseitigen Abstand zueinander enden. Das elektrische
Ersatzschaltbild 9b weist zwei Querkapazitäten CKl und CK2 von Jeweils einer Leitung
zu einer gemeinsamen dritten Leitung auf.
-
Die Gesamtkapazität CK = CKl+CK2 ist in Stufen einstellbar und zwar
durch Wahl des Dielektrikums und durch Wahl der metallisierten Flächen auf der Scheibe.
-
Fig. 10a zeigt eine Leiterstruktur c auf einem Substrat, bestehend
aus zwei, etwa halbkreisförmigen Bögen, die in ihrem Endbereich unter einem gegenseitigen
Abstand enden. Abstimmelemente mit der Leitungskonfiguration B gemäß Fig. 7a ermöglichen
auf entkoppelten Leitungen der Form c fein einstellbare Kopplungen.
-
Die Fig. 12a und 13a zeigen Leiterstrukturen des Substrats mit durchkontaktierter
Masse d bzw. mit randkontaktierter Nasse e.
-
Von der tangential zum scheibenförmigen Träger verlaufenden Leiterbahn
sind Jeweils seitlich Abzweigungen weggeführt, zu denen Jeweils unter einem Abstand
ein weiterer, auf dem gleichen Kreisbogen liegender Leitungsabschnitt d bzw. e angeordnet
ist, der über eine Bohrung nach der metallisierten Unterseite des Substrats durchkontaktiert
ist bzw. über einen seitlichen Leitungsabschnitt zum Rand des Substrats kontaktiert
ist. Die durchkontaktierte Masse und die randkontaktierte Masse lassen sich mit
den verschiedenen Kopplungselementen an eine Leitung ankoppeln. Das elektrische
Ersatzschaltbild 12b, 13b weist jeweils eine Querkapazität CK gegen Nasse auf, die
durch Wahl des Dielektrikums und durch Wahl der metallisierten Fläche auf der kreisförmigen
Platte in Stufen einstellbar ist.
-
Die Fig. 14a und 15a zeigen Leitungskonfigurationen F und G, die auf
einer quadratischen Trägerscheibe aufgebracht sind und von den Jeweiligen Ecken
ausgehend zur Mitte des Trägers verlaufen bzw. längs der Seiten. Die Leitungsabschnitte
sind in ihrer Länge unterschiedlich bemessen und liegen, entsprechend der Jewelligen
Drehlage, Jeweils einer geraden bzw. gekrümmten Leiterbahn f gegenüber, die in der
dargestellten Drehlage des Abstimmelementes etwa parallel zur Diagonalen der quadratischen
Trägerscheibe unter einem Abstand verläuft, der etwas kleiner als die halbe Diagonale
ist. Mit Abstimmelementen dieser Leitungskonfigurationen lassen sich verschiedene
Leitungslängen an eine Leitung auf NIC ankopplen und lateral verschieben. Das
elektrische
Ersatzschaltbild 14b, 15b weist in Reihe mit einer Leitung eine Querkapazität CK
auf, die längs einer zweiten Leitung in ihrer Lage einstellbar ist. Die Querkapazität
CK ist durch Wahl des Dielektrikums in Stufen einstellbar und hängt außerdem vom
Ankoppelpunkt, d.h. von der Position auf der Längsleitung x ab.
-
Die Leitungslänge 1 der Serienleitung ist einstellbar durch Wahl der
metallisierten Flächen auf der Scheibe.
-
In weitem Rahmen frei wählbare Reaktanzverläufe, wie z.B. durch die
Form H in Fig. 16a bestimmt, lassen sich variabel ankoppeln oder zwischen eine Leitung
koppeln. Die Leitungskonfiguration H besteht aus zwei einander gegenüberliegenden,
etwa Viertelkreis-Leitungsabschmitten, deren eines Ende über einen schmalen Leitungsabschnitt
verbunden ist, und aus einem kurzen Leitungsab schnitt im Bereich des freien Viertelkreisbogens,
wobei dieser Leitungsabschnitt über eine schmale Leiterbahn an den einen viertelkreisförmigen
Leitungsabschnitt etwa in dessen Mittelbereich angeschlossen ist. Die Leiterstruktur
auf dem Substrat entspricht hierbei in ihrer Form der Leiterbahn a gemäß den Fig.
6a und 7a. Das elektrische Ersatzschaltbild 16b weist eine Querkapazität CK zwischen
zwei Leitungen auf, die durch Wahl des Dielektrikums einstellbar ist. Das Verhältnis
der beiden Leitungsabschnitte m der einen Leitung ist kontinuierlich n einstellbar.
Vom Endpunkt des einen Leitungsabschnitts n besteht über eine Impedanz Z(f) eine
Verbindung an Masse.
-
Fig. 17a zeigt eine Leitungskonfiguration K, die aus drei strahlenförmig
verlaufenden Leiterbahnen unterschiedlicher Länge besteht, die unter einem Winkel
von Jeweils 1200 zueinander angeordnet sind und Jeweils unter einem Abstand vom
Strahlenmittelpunkt beginnen. Die zugehörige Leitungskonfiguration k der Schaltungsplatte
bzw. des Substrats besteht aus einem Teilkreisbogen mit etwa einem Drittel der gesamten
Bogenlänge und einem solchen Radius, daß er den strahlenförmig verlaufenden Leiterbahnen
gegenüberliegt. Die Anschlüsse der Teilkreisbogen
-Leitungskonfiguration
führen vom Endbereich Jeweils radial nach außen. Mit einer solchen Leitungskonfiguration
lassen sich. kapazitiv angekoppelte Leitungsstücke verschiedener Länge längs einer
Leitung verschieben. Das elektrische Ersatzschaltbild 17b weist, entsprechend dem
gemäß Fig. 14b, 15b, in Reihe mit einer Leitung eine Querkapazität CK auf, die längs
einer zweiten Leitung in ihrer Position x kontinuierlich einstellbar ist. CK ist
ferner durch die Wahl des Dielektrikums einstellbar; die Serienleitung ist in ihrer
Leitungslänge 1 durch die Wahl der Metallisierung auf der Scheibe einstellbar.
-
Anstelle der in den Fig. 6 bis 17 dargestellten scheibenförmigen Träger
runder und quadratischer Form können auch solche mit beliebig anderer Außenkontur
verwendet werden und die Bohrung für den Verbindungsstift auch exzentrisch angeordnet
werden.
-
17 Patentansprüche 17 Figuren
L e e r s e i t e