DE2601787A1

DE2601787A1 - Millimeterwellenschaltung

Info

Publication number: DE2601787A1
Application number: DE19762601787
Authority: DE
Inventors: Gerard Cachier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1976-01-20
Publication date: 1976-07-29
Also published as: FR2346897A1; JPS5199455A; GB1506322A; DE2601787C2; FR2346897B1; JPS6013323B2; US4054875A

Description

Unser Zeichen; T 1929

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussraann

75008 Paris, Frankreich

Millimeterwellenschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Millimeterwellenschaltung zum Aussenden oder Empfangen elektromagnetischer Energie im Millimeterwellenbereich.

Eine derartige·Schaltung enthält derzeit wenigstens eine Diode, nämlich eine Oszillatordiode für die Senderschaltungen oder eine Mischdiode für die Empfängerschaltungen, ein Gehäuse zum Schutz dieser Diode und zu ihrer Halterung, einen Resonanzhohlraum, der eine Schwingungsfrequenz auswählt oder an die Diode eine richtige Impedanz anlegt, wobei diese zwei Ausdrücke in unterschiedlicher Weise den gleichen physikalischen Sachverhalt darstellen, eine Leitung zum Transportieren der elektromagnetischen Energie und einen Hornstrahler zum Abstrahlen der Energie in den freien Raum.

Schw/Ba

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Die in der angelsächsischen Terminologie unter der Bezeichnung Mikrostrip-Technik "bekannte Technik ermöglicht es, die Leiter und die Hohlräume zu ersetzen, doch ist die Dämpfung im Millimeterbereich übermässig groß.

Es ist bekannt, daß ein Volumen eines Dielektrikums mit schwachen Verlusten und hoher Dielektrizitätskonstante (beispielsweise Silizium oder Galliumarsenid mit hohem spezifischen Widerstand oder .Aluminium) das elektromagnetische Feld konzentrieren kann und daß die Strahlung eines solchen Volumens ausreichend schwach ist, damit es in Resonanz kommen kann. Dieses Volumen kommt somit gemäß Wellentypen in Resonanz, die von seiner Geometrie abhängen und die die Resonanzfrequenzen bestimmen; es wird daher als dielektrischer Resonator bezeichnet. Bei einem rechtwinkligen Quader mit geringer Höhe, dessen Grundfläche ein Rechteck mit relativ geringer Längenausdehnung ist, hängt die niedrigste Resonanzfrequenz im wesentlichen nur vom Volumen ab; bei einem Volumen von 1 mm liegt sie beispielsweise bei 50 GHz.

Es ist bisher nicht gelungen, einen derartigen Resonator mit einer Höchstfrequenzdiode unter Verwendung'einfacher Mittel anzuregen, und das auf diese Weise erzeugte elektromagnetische Feld konnte nur ausgenutzt werden, indem es mit einem Wellenleiter herausgeführt wurde.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine Höchstfrequenzschaltung mit einer Diode und einem -dielektrischen Resonator derart verwirklicht werden, daß sich eine kompakte Anordnung ergibt, die die elektrische Energie direkt abstrahlt und für ihren Betrieb nur eine einfache Gleichstromquelle benötigt.

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Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1a eine Hybridschaltung in einer Schnittansicht längs der Schnittlinie A,

Fig.1b die Hybridschaltung von Fig.1a in einer Schnittansicht längs der Schnittlinie B,

Fig.2 eine weitere Ausführungsform der in den vorhergehenden Figuren dargestellten Hybridschaltung,

Fig.3a eine monolithische Schaltung in einer Schnittansicht längs der Schnittlinie A,

Fig.3b die monolithische Schaltung von Fig.3a in einer •Schnittansicht längs der Schnittlinie B und

Fig.4 eine monolithische Schaltung in einer bezüglich der Schaltung nach den Figuren 3a und 3b abgewandelten Ausführungsform.

Auf Grund der Reversibilität der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen sind die passiven Bauelemente der Empfangsschaltungen die gleichen wie die der Sendeschaltungen. Die aktiven Bauelemente sind Oszillatordioden für das Senden und Mischdioden für das Empfangen. Die nachfolgende Beschreibung ist daher auf Sendeschaltungen beschränkt, doch entspricht natürlich jeder Sendeschaltung eine entsprechende Empfangsschaltung.

In einer in den Figuren 1a und 1b dargestellten ersten Ausführungsform werden zwei Metallplättchen 11 und 12 verwendet. Diese Plättchen sind in einer Ebene entsprechend einer Verbindung zusammengefügt, die so bearbeitet ist, daß nach einem bekannten Verfahren eine λ/4-Wellen- falle ,entsteht. Diese Verbindungsstelle ist mit einem

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Isoliermaterial 13 gefüllt, das diezwei Plättchen elektrisch voneinander trennt.Auf dem Plättchen 11 ist eine Höchstfrequenzdiode festgeschweißt, die mit Hilfe eines auf der Diode und auf dem Plättchen 12 festgeschweißten Metalldrahts 15 mit dem Plättchen 12 verbunden ist. Auf die Plättchen ist ein dielektrischer Resonator geklebt. Dieser Resonator besteht aus einem Block aus Galliumarsenid mit großem spezifischen Widerstand, der in Form eines rechteckigen Quaders bearbeitet ist.In dem Block ist zur Unterbringung der Diode 14 und des Drahts15 einHohlraum 17 gebildet. Die Diode ist auf den einfachen aktiven Chip ohne Gehäuse reduziert; sie ist geschützt, weil sie in dem¹ Hohlraum 17 eingeschlossen ist,der selbst von dem Plättchen 11 und sowie vom Isoliermaterial 13 verschlossen ist. Der Draht 15 ist parallel zu dem Plättchen 11 und 12 gespannt, und seine Länge ist so bemessen, daß er einen Halbwellendipol bildet, der auf die Resonanzfrequenz des Resonators 16 abgestimmt ist.

In der in Fig.2 dargestellten zweiten Ausführungsform werden die gleichen zwei Metallplättchen 21 und 22 verwendet, die gemäß einer λ/4-Wellenfalle zusammengefügt und mit Hilfe eines Isoliermaterials 23 voneinander getrennt sind. Auf dem Plättchen 21 ist eine Höchstfrequenzdiode 24 festgeschweißt, die mit dem Plättchen 22 über einen Metalldraht 25 verbunden ist, der an der Diode und an dem Plättchen 22 festgeschweißt ist. Es wird dann zur Bildung des dielektrischen Resonators 26, der die Diode 24 und den Draht 25 einschließt, ein Tropfen aus Glas mit niedrigem Schmelzpunkt aufgebracht. Die Verschweissungen der Diode 24 und des Drahts 25 werden mit Hilfe eines an sich bekannten Verfahrens durchgeführt, das eine Verschweissung ergibt, die die Schmelztemperatur des

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aufgebrachten Glases aushält. Zur Bildung eines dielektrischen Resonators kann jedes andere geeignete Dielektrikum verwendet werden,das einen ausreichend niedrigen Schmelzpunkt aufweist, oder in einem flüchtigen Lösungsmittel löslich ist, oder auch von einem pastenartigen Zustand in einen festen Zustand polymerisierbar ist. Das Schweißverfahren wird also abhängig von den Temperaturen ausgewählt, denen die Schweißstellen ausgesetzt sein werden.

Wie in der ersten Ausführungsform ist die Diode ein ungekapselter Chip, und der Draht 25 ist so gemessen, daß er einen Halbwellendipol bildet.

In einer dritten Ausführungsform, die in den Figuren 3a und 3b dargestellt ist, wird ein Block aus Silizium mit großem spezifischen Widerstand verwendet, der so bearbeitet worden ist, daß er zur Bildung eines dielektrischen Resonators 31 die Form eines rechtwinkligen Quaders hat. Mit Hilfe bekannter Verfahren, die bei der Herstellung integrierter Schaltungen angewendet werden, werden folgende Schaltungselemente verwirklicht':

- die Höchstfrequenzdiode, die die zwei Diffusionszonen 32 und 33 enthält;

- die Wanne 34 zur Freilegung der Mesastruktur der Diode;

- die Wannen 35 und 36 zur Aufnahme der zwei Zweige 37 und 38 des Dipols, der den Resonator 31 anregt;

- die Siliziumoxidschicht 39, die die Siliziumoberfläche schützt und als Isoliermaterial zwischen dem Silizium und dem Dipol mit den Zweigen 37 und 38 dient?

- die zwei Zweige 37 und 38 aus aufgedampftem Metall, von denen der eine (37) mit der Zone 33 der Diode und

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der andere (38) mit der Schicht 32 der Diode in Kontakt steht.

Die auf diese Weise erhaltene Schaltung wird auf zwei konzentrischen Metallscheit)en 310 und 311 befestigt. Die Verbindung zwischen diesen beiden Scheiben ist so bearbeitet, daß gemäß einem bekannten Vorgang eine

X/4-¥ellenfalle entsteht. Ein Isoliermaterial 312 füllt diese Verbindung aus·; damit die zwei Scheiben elektrisch voneinander getrennt werden. Die Scheibe steht mit dem Zweig 38 des Dipols in Kontakt, und die Scheibe 311 steht mit dem Zweig 37 dieses Dipols in Kontakt. Die Länge des Dipols ist so bemessen, daß er auf die Resonanzfrequenz des Resonators 31 abgestimmt ist.'

Eine Variante der dritten Ausführungsform ist in Fig.4 dargestellt. Diese Variante besteht darin, eine Schaltung herzustellen, die der zuvor beschriebenen Schaltung zwar völlig gleicht,bei der jedoch nur ein Zweig 41 des Dipols angebracht wird, der mit der tiefsten Schicht der Diode in Kontakt steht. Die äußere Schicht der Diode enthält nur ein Metallplättchen 42, damit die Verbindung mit der Scheibe 43 gewährleistet wird.

Zur Anwendung der Schaltungen müssen lediglich die Plättchen der Ausführungsformen 1 und 2 oder die Scheiben der Ausführungsformen 3 und 4 an eine Gleichspannungsquelle mit einer geeigneten Polarität abhängig von der verwendeten Diode angeschlossen werden. Diese Schaltungen senden dann direkt eine Höchstfrequenzwelle in den freien Raum ab.

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Claims

Patentansprüche

Millimeterwellenschaltung, gekennzeichnet durch einen leitenden Träger zur Bildung einer Reflektorebene für die Millimeterwellen, einen auf dem Träger angebrachten dielektrischen Resonator und eine mit Hilfe von Kopplungsvorrichtungen an den Resonator angeschlossene Höchstfrequenzdiode, die zusammen mit den Kopplungsvorrichtungen in dem Resonator enthalten ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsvorrichtungen aus einem einen Halbwellendipol bildenden' Leiter bestehen, der auf die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators abgestimmt ist.
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsvorrichtungen der Diode aus einem Leiter bestehen, der einen auf die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators abgestimmten Dipol bildet.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Träger zwei Teile enthält, die mittels einer Höchstfrequenz-Wellenfalle voneinander getrennt sind und der Speisung der Schaltung dienen.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode und die Kopplungsvorrichtungen in dem den dielektrischen Resonator bildenden Material eingebettet sind.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode in dem den dielektrischen Resonator bildenden Material integriert ist.

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7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Oszillatordiode ist und daß die Schaltung ein Millimeterwellensender ist.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Mischdiode ist und daß die Schaltung ein Millimeterwellenempfänger ist.

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