DE2536486A1

DE2536486A1 - Millimeterwellen-schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE2536486A1
Application number: DE19752536486
Authority: DE
Inventors: Yu-Wen Chang; Hiromu J Kuno; Mario Siracusa
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1974-09-03
Filing date: 1975-08-16
Publication date: 1976-04-08
Also published as: FR2284195A1; GB1504025A; FR2284195B1; JPS5150643A

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 13«. August 1975

Hughes Aircraft Company P 3052 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Millimeterwellen-Schaltungsanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Millimeterwellen-Schaltungsanordnung mit einem dielektrischen Wellenleiter und einem mit dem Wellenleiter gekoppelten Festkörper-Bauelement.

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Seit einigen Jahren besteht ein erhebliches Interesse an Halbleiteranordnungen und integrierten Schaltungen, die im Millimeterwellenbereich arbeiten. Dieses Interesse ist durch kürzliche, bedeutende Fortschritte auf dem Gebiet der Festkörper-Mikrowellendioden und insbesondere der -Millimeterwellendioden verstärkt worden, die auf vielfältige Weise zur Leistungserzeugung, Steuerung und Signalverarbeitung verwendet werden. Beispielsweise ist das Frequenz-Leistungs-Produkt von Lawinenlauf zeitdioden (IMPATT-Dioden) gerade in den letzten Jahren bedeutend verbessert worden, so daß diese Dioden Jetzt mit Erfolg bei Frequenzen von mehr als 14-0 GHz mit einer Ausgangsleistung von mehr als 120 mV/ pro Diode betrieben werden konnten. Diese Frequenz liegt etwa in der Mitte des Millimeterwellenbereiches, nämlich des Bereiches zwischen 30 und 300 GHz, was den Wellenlängen von 10 mm bis 1 mm entspricht.

Außer den zunehmend interessierenden IMPATT-Dioden wurde auch die bekannte Gunn-Diode in den letzten Jahren in vieler Hinsicht verbessert und in großem Umfang benutzt, insbesondere bei Anwendungen, wo es auf geringes Rauschen ankommt, im Gegensatz zu Anwendungen, wo es auf die Erzielung größerer Leistung ankommt, für die IMPATT-Dioden bevorzugt wurden.

Solche Millimeterwellen-Schaltungsanordnungen finden beispielsweise Anwendung bei Wobbelgeneratoren im Millimeterwellenbereich, Pumpgeneratoren für parametrische Verstärker unter Verwendung stabilisierter IMPATT-Dioden-Oszillatoren, bei Doppler-Radargeräten von Eindringungs-Schutzanlagen, Flugzeug-Landesystemen und Kollisionsschutzeinrichtungen, um nur einige wenige Anwendungsgebiete zu nennen.

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Bei vielen der vorstehend genannten und auch anderen Millimeterwellen-Schaltungsanordnungen ist es unter dem Gesichtspunkt von Kosten, Größe und Gewicht wünschenswert, das aktive Millimeterwellen-Bauelement zusammen mit dem zugeordneten Wellenleiter-Kopplungsglied in der kleinstmöglichen Form herzustellen, ohne dabei Einbußen hinsichtlich Zuverlässigkeit oder Betriebseigenschaften in Kauf nehmen zu müssen· Es sind wenigstens drei Anordnungen bekannt, die den Zweck haben, eine aktive Millimeterwellendiode mit der zugeordneten Millimeterwellen-Kopplungseinrichtung zu einer kleinen Baueinheit zu kombinieren.

Eine erste Lösung für dieses Problem besteht darin, eine dünne Siliciumschicht mit hohem spezifischen Widerstand als Koppelmedium für den Wellenleiter zu verwenden und die den aktiven pn-übergang bildenden Bereiche unmittelbar in einem ausgewählten Abschnitt der Siliciumschicht zu erzeugen, beispielsweise durch Dotierung mittels Ionenimplantation oder Pestkörperdiffusion· Diese Möglichkeit ist in einem Aufsatz von H. Jacobs und M. M. Chrepta "Semiconductor Dielectric Waveguides for Millimeter Wave Functional Circuits" in 1973 IEEE G-MTT International Microwave Symposium, Seiten 28 und 29, University of Colorado, 4. bis 6. Juni 1973, beschrieben.

Eine zweite bekannte Anordnung zur Kopplung von Millimeterwellen macht von einem sogenannten dielektrischen Wellenleiter Gebrauch, der aus einem Streifen dielektrischen Materials mit rechteckigem Querschnitt besteht,

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der an. eine benachbarte Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Diode angekoppelt ist. Diese Diode kann beispielsweise in einem abstimmbaren Koaxialkreis angeordnet sein, dessen Innenleiter zugleich zum Zuführen einer Vorspannung zur Diode dient. Zum Auskoppeln von Energie aus diesem Koaxialkreis auf den dielektrischen Wellenleiter können übliche Techniken induktiver Kopplung benutzt werden.

Eine dritte, der Anmelderin bekannte Lösung zur Übertragung von Energie von einer Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Diode auf einen benachbarten Wellenleiter macht von einem sich verjüngenden Wellenleiterabschnitt Gebrauch, der einen üblichen dielektrischen Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt mit einem metallischen Hohlleiter verbindet, der ebenfalls einen üblichen Rechteckquerschnitt aufweist. Hierbei ist die Diode in dem Hohlleiter angeordnet und es wird die Energie von der Diode über den sich verjüngenden Wellenleiterabschnitt auf den dielektrischen Wellenleiter übertragen.

Obwohl die vorstehend genannten drei Lösungen sich für gewisse, spezielle Mikrowellen- und Millimeterwellen-Schaltungsanordnungen als befriedigend erwiesen haben, ist es bei keiner dieser drei bekannten Anordnungen möglich, bekannte Millimeterwellen-Dioden in einer sehr kleinen, mehrschichtigen integrierten Millimeterwellen-Schaltungsanordnung zu verwenden, in der die

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Kopplung zwischen dem Bauelement und dem Wellenleiter mit einem Maximum an Wirksamkeit und Zuverlässigkeit bei einfachster Herstellung und einem Minimum an Größe, Kosten und Gewicht erfolgte

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Millimeterwellen-Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art eine Ankopplung des Festkörper-Bauelementes an den Wellenleiter anzugeben, welche die Verwendung bekannter Millimeterwellen-Dioden ermöglicht, einfach und mit geringen Kosten herstellbar ist und zu einem verbesserten Koppelwirkungsgrad zwischen dem Festkörper-Bauelement und dem Wellenleiter führte

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Millimeterwellen-Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art der dielektrische Wellenleiter von einer auf einer leitenden Platte aufgebrachten dielektrischen Schicht vorbestimmter Breite und Dicke gebildet wird und das Festkörper-Bauelement in einer einen Abschnitt der leitenden Platte freilegenden Öffnung der dielektrischen Schicht angeordnet ist und sowohl mit der leitenden Platte als auch mit einem metallischen Leiter in leitender Verbindung steht, der auf die dielektrische Schicht aufgebracht ist und durch eine entsprechende Gestalt das Festkörper-Bauelement sowohl an den Wellenleiter ankoppelt als auch die Impedanz des Bauelementes an die Impedanz des Wellenleiters anpaßt, und daß zwischen die leitende Platte und den metallischen Leiter eine Gleichspannung gelegt ist, die eine Vorspannung für das Festkörper-Bauelement bildete

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Die den Wellenleiter bildende dielektrische Schicht kann beispielsweise von Silicium oder Galliumarsenid oder auch aus ausgewählten keramischen Werkstoffen bestehen. Das aktive Bauelement ist mit der freiliegenden Fläche der leitenden Platte fest verbunden«, Ϋ/eiterhin kann das Festkörper-Bauelement mit dem metallischen Leiter durch ein band- oder drahtförmiges Metallteil leitend verbunden sein» Die not-r wendige Vorspannung, bei der es sich um eine Gleichspannung handelt, wird von einer äußeren Vorspannungsquelle zugeführt und über das aktive Bauelement und die leitende Platte geleitet, die den Rückweg zur Vorspannungsquelle bildet. Demgemäß erfüllen die leitende Platte und die Metallisierung auf der den Wellenleiter bildenden dielektrischen Schicht die Funktion der Zuführung einer Vorspannung zu dem aktiven Bauelement der Schaltungsanordnung zusätzlich zu ihren normalen, oben beschriebenen Wellenleiterfunktionen. Weiterhin bildet die aus Metall bestehende leitende Platte einen ausgezeichneten mechanischen Träger für das aktive Festkörper-Bauelement und die den Wellenleiter bildende dielektrische Schicht, und zwar sowohl während der Herstellung als auch während des normalen Gebrauches der integrierten Schaltung. Darüber hinaus bildet die metallische leitende Platte eine ausgezeichnete Wärmesenke für das aktive Bauelement während des normalen Betriebs der Schaltungsanordnung.

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Demgemäß kann bei Anwendung der Erfindung eine Millimeterwellen-Diode, wie beispielsweise eine IMPATT-Diode, unmittelbar mit der leitenden Platte verbunden und unmittelbar mit der den Wellenleiter bildenden dielektrischen Schicht gekoppelt werden, ohne daß die Notwendigkeit besteht, sich verjüngende Übergänge zwischen Hohlleiter und dielektrischem Wellenleiter oder Einrichtungen zur Kopplung von Koaxialleitern und Wellenleitern zu verwenden oder Dotierungsverfahren anzuwenden, die dazu dienen, pn-Übergänge unmittelbar in einer Halbleiter-Wellenleiterschicht zu erzeugen. Es ist offensichtlich, daß diese Möglichkeit sehr vorteilhaft ist, weil sie die Verwendung handelsüblicher, diskreter Mikrowellen- und Millimeterwellen-Dioden gestattet. Diese Dioden können unmittelbar mit der leitenden Platte der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verbunden werden, wodurch gute Betriebseigenschaften bei hoher Zuverlässigkeit erreicht werden. Demgemäß wird durch die Erfindung eine neuartige und verbesserte Millimeterwellen-Schaltungsanordnung geschaffen, die wirtschaftlich herstellbar ist, zuverlässig arbeitet und eine hohe Lebensdauer hat. Dabei ist es auch möglich, mehrere solcher Schaltungsanordnungen zu einer komplizierteren Schaltungsanordnung zu kombinieren.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.

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Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer noch nicht fertiggestellten Millimeterwellen-Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2a einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. mit einem in deren öffnung angeordneten Festkörper-Bauelement ,

Fig. 2b eine vergrößerte Darstellung der Anordnung einer IMPATT-Diode in der Schaltungsanordnung nach Fig. 2a und

Fig. 3, 4·, 5 und 6 vier verschiedene, bekannte integrierte Mikrowellenkreise darstellende Formen des metallischen Leiters, der sich auf der dielektrischen Schicht der Schaltungsanordnung nach Fig. 2a befindet.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfaßt einen nichtmetallischen Wellenleiter 10, der bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung von einer Schicht eines Silicium-Einkristalles mit hohem spezifischem Widerstand gebildet wird. Die Schicht 10 kann Jedoch auch beispielsweise aus Galliumarsenid oder einem anderen geeigneten Halbleitermaterial, ja sogar einem anderen

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dielektrischen Material bestehen, wie beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff. Die dielektrische Schicht 10 ist mit einer metallischen Platte 12 mit hoher Leitfähigkeit verbunden, die aus Kupfer oder Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall mit hoher Leitfähigkeit bestehen kann· Die Verbindung kann mit Hilfe üblicher Lote oder Kleber, beispielsweise auf Epoxydharzbasis, hergestellt sein·

Die den Wellenleiter bildende dielektrische Schicht hat eine typische Dicke von 0,25 bis 0,5 mm, je nach der Dielektrizitätskonstanten des Materials und der Frequenz der zu leitenden Welle. In der Schicht 10 befindet sich eine Öffnung 14, die einen vorbestimmten Flächenabschnitt 15 der leitenden Platte 12 freilegt. Ein dünnes Metallmuster 16, beispielsweise aus Chrom-Gold, ist in der dargestellten Weise auf die obere Fläche der Siliciumschicht 10 aufgebracht. Zum Aufbringen dieser Schicht, die der öffnung 14 in dem Wellenleiter 10 benachbart ist, kann eine übliche Chrom-Gold-Aufdampftechnik benutzt werden. Wie später gezeigt wird, kann die Metallschicht 16 eine beliebige von mehreren bekannten zweidimensionalen Formen auf der Oberfläche der wellenleitenden Schicht 10 annehmene Diese Formen beeinflussen die Wellenausbreitung innerhalb des Wellenleiters 10 in vorbestimmter Weise und gewährleisten eine wirksame Kopplung und Impedanzanpassung zwischen der wellenleitenden Schicht 10 und dem aktiven Bauelement, das auf dem bestimmten Abschnitt 15 der leitenden Platte 12 befestigt ist.

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Wie aus Fig. 2a ersichtlich, ist ein aktives Bauelement 18 auf dem freiliegenden Abschnitt 15 der metallischen Platte 12 fest angebracht. Das Millimeterwellen-Bauelement kann eines von vielen bekannten, handelsüblichen Millimeterwellen-Bauelementen sein, wie beispielsweise eine ILIPATT-Diode, eine G-unn-Diode, eine PIN-Diode oder auch eine andere Millimeterwellen-Diode. Alle diese Dioden sind bekannt und dienen der Erzeugung, Verstärkung, Gleichrichtung oder Modulation von Millimeterwellen, die sich in dem Wellenleiter 10 ausbreiten. Bei dem in Fig. 2a dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Halbleiter-Bauelement eine vollständige, gekapselte IMPATT-Diode, die mittels eines Goldbandes 20 und die einen Leiter bildende metallische Schicht 16 mit der Klemme 22 einer Vorspannungsquelle verbunden ist. Die zum Vorspannen der IMPATT-Diode benötigte Gleichspannung wird über die Klemme 22, den metallischen Leiter 16 und das Goldband 20 der Diode 30 zugeleitet. Die metallische Platte 12 dient als Rückleitung zu der Vorspannungsquelle, zu der die Klemme gehört.

Fig. 2b zeigt in vergrößerter Darstellung die Anordnung des eine IMPATT-Diode enthaltenden aktiven Bauelementes 18, das typischerweise eine kupferne Grundplatte 24 umfaßt, auf der eine kleine IMPATT-Diode 26 befestigt ist„ Weiterhin ist mit der Grundplatte ein metallisierter Quarzring 28 verbunden, der sich längs des Umfanges

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der Grundplatte 24 erstreckt. Zwischen den Quarzring und einen Molybdendeckel 30 ist ein Lotring 29 eingespannt. Ein Goldband 32 ist in der dargestellten Weise zwischen der Oberfläche der Diode 26 und der Unterfläche des Molybdendeckels 30 eingespannt. Dabei sind die äußeren Ränder des Goldbandes 32 fest zwischen den Deckel 30 und die obere Fläche des metallisierten Quarzringes 28 eingeklemmt. Demnach führt das oben genannte größere Goldband 20 die Vorspannung der IMPATT-Diode 26 über den Molybdendeckel 30 und das kleinere, innere Goldband 32 zu, wie es Fig. 2b zeigte

Die unmittelbare Verbindung der kupfernen Grundplatte des Bauelementes 18 unmittelbar mit der metallischen Platte 12 bildet eine gute und feste mechanische Abstützung für das Bauelement sowie eine ausgezeichnete Wärmesenke für die von der Diode 26 erzeugte Wärme. Die Wärme wird über die kupferne Grundplatte 24 in die sehr viel großflächigere metallische Platte 12 der Schaltungsanordnung abgeleitet.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen verschiedene Formen des metallischen Leiters, der auf die Viellenleiterschicht 10 aufgebracht ist, um der Wellenleiterstruktur die oben beschriebenen, bestimmten Funktionen zu erteilen. Diese Formen der Metallisierung können in verschiedenen, ausgewählten Kombinationen auf der oberen Fläche des Wellenleiters 10 benutzt werden. In jedem Fall verbindet jedoch ein Goldband 20 unmittelbar das

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Bauteil 18 mit dem benachbarten Rand 34 des metallischen Leiters 16, wie es Fig. 2a zeigt. In Fig. 3 sind beispielsweise zwei Metallbänder 36 und 38 dargestellt, die rechtwinklig miteinander verbunden sind und sich von dem Bauelement zu vier getrennten Stellen des metallischen Leiters 40 erstrecken, wo sie mit dem metallischen Leiter einen sicheren elektrischen Kontakt bilden. Der H-förmige metallische Leiter 40 der Anordnung nach Fig. 3 bildet einen Resonator mit einer Tiefpaß-Charakteristik für die Millimeterwellen, die von dem Bauelement 18 zu dem Anschluß 42 in Fig. 3 übertragen werden. Die verschiedenen Formen der in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Leiter 44, 46 und 48 stellen einige der möglichen Mikrostrip- oder Streifenleitungs-Konfigurationen dar, die dazu benutzt werden können, die Impedanz der aktiven Bauelemente, beispielsweise einer IMPATT-Diode, an die Impedanz des Wellenleiters anzupassen. Weiterhin dienen diese Muster dazu, die EinsehaltVerluste der aktiven Bauelemente zu vermindern, wenn Wellen durch solche Anordnungen wie PIN-Dioden-Modulatoren oder -Schalter oder Frequenzvervielfacher, die von Bauelementen wie Varactor-Dioden Gebrauch machen, hindurchgeleitet werden.

Bei der Verwirklichung von Schaltungsanordnungen nach der Erfindung können auch andere Werkstoffe als bei den behandelten Ausführungsbeispielen verwendet werden.

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Beispielsweise kann für die den Wellenleiter bildende Schicht 10 eine Vielzahl geeigneter Halbleiter-Werkstoffe verwendet werden, "und es ist offensichtlich die Dicke der Schicht 10 abhängig von der speziellen Frequenz oder dem Frequenzbereich der Signale, die in dieser Schicht übertragen werden sollen.

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Claims

_ 14 Patentansprüche

1y Millimeterwellen-Schaltungsanordnung mit einem dielektrischen Wellenleiter und einem mit dein Wellenleiter gekoppelten Festkörper-Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Wellenleiter (10) von einer auf einer leitenden Platte (12) aufgebrachten dielektrischen Schicht vorbestimmter Breite und Dicke gebildet wird und das Festkörper-Bauelement (18) in einer einen Abschnitt (15) der leitenden Platte (12) freilegenden Öffnung (14) der dielektrischen Schicht (1O) angeordnet ist und sowohl mit der leitenden Platte (12) als auch mit einem metallischen Leiter (12) in leitender Verbindung steht, der auf die dielektrische Schicht (1O) aufgebracht ist und durch eine entsprechende Gestalt das Festkörper-Bauelement (18) sowohl an den Wellenleiter (10) ankoppelt als auch.die Impedanz des Bauelementes (18) an die Impedanz des Wellenleiters (1O) anpaßt, und daß zwischen die leitende Platte (12J und den metallischen Leiter (16) eine Gleichspannung gelegt ist, die eine Vorspannung für das Festkörper-Bauelement (18) bildet.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (10) aus Silicium mit einem spezifischen Widerstand von mehr als 1000 0hm_ocm besteht·

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3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Bauelement (18) eine Millimeterwellen-Diode, insbesondere eine IMPATT-Diode, ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Bauelement (18) und der metallische Leiter (16) mittels eines band- oder drahtförmigen Metallteiles (20) leitend verbunden sind.

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