DE2601787C2

DE2601787C2 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen oder zum Empfangen von Millimeterwellen

Info

Publication number: DE2601787C2
Application number: DE2601787A
Authority: DE
Inventors: Gerard Gif Cachier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1976-01-20
Publication date: 1985-08-01
Also published as: FR2346897A1; JPS6013323B2; GB1506322A; DE2601787A1; JPS5199455A; US4054875A; FR2346897B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 20 15 579 bekannt. Sie enthält eine auf einem elektrisch leitenden Träger befestigte Höchstfrequenzdiode, einen mit dieser gekoppelten Resonator und eine über den leitenden Träger mit der Höchstfrequenzdiode verbundene Gleichstromquelle. Der Träger besteht aus einem Wärmeabieiterblock, auf dessen Oberseite zwei metallische Leiterschichten in geringem Abstand und durch eine Isolierschicht voneinander getrennt angeordnet sind. Die Höchstfrequenzdiode ist in einer zylindrischen Aussparung des so gebildeten Blocks angeordnet und ragt aus diesem heraus. Der Resonator ist durch eine Leiterbrücke gebildet, welche die Höchstfrequenz diode übergreift und an ihren Enden auf der äußeren metallischen Platte befestigt ist Das im Oszillatorbetrieb erzeugte Hochfrequenzsignal wird über einen Mittelpunktleiter abgeführt der vom Mittelpunkt der Leiterbrücke wegführt und mit der durch die metallischen Leiterflächen gebildeten Grundebene den Anschluß zur Ankopplung an eine Koaxialleitung oder einen Wellenleiter bildet.

Aus der Zeitschrift IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT 16, No. 10, Octo ber 1968, Seiten 818 bis 828, sind die Eigenschaften von quaderförmigen Mikroweiienresonatoren aus einem dielektrischen Material bekannt Derartige Resonatoren bestehen aus einem massiven, quaderförmigen Blöckchen aus dielektrischem Material und einem elektrisch leitenden ebenen Träger, auf den das Blöckchen aufgesetzt ist.

Aus der GB-PS 14 85 505 sind dielektrische Resonatoren zur Verwendung in Filtern für Streifenleitungen bekannt. Eine Streifenleitung ist an einen quaderförmi gen dielektrischen Resonator herangeführt der über ei nen Abstandshalter aus dielektrischem Material von der Grundplatte eines metallischen Gehäuses getragen wird, welches den Resonator umgibt Die bekannten Schaltungsanordnungen zur Erzeu gung oder zum Empfangen von Millimeterwellen ent halten somit neben der Höchstfrequenzdiode, ihrem leitenden Träger und dem Resonator eine Leitung zum Heranführen der empfangenen bzw. Abführen der erzeugten Mikrowellensignale. DurcW Verwendung von Streifenleitungen für diesen Zweck können Wellenleiter oder Hornstrahler ersetzt werden, jedoch ist die Dämpfung im Millimeterbereich relativ groß.

Es ist ferner bekannt, daß ein Volumen eines Dielektrikums, das geringe Verluste und eine hohe Dielckiri/i- tätskonstante aufweist, beispielsweise Silicium oder Galliumarsenid oder Aluminiumoxid, elektrische Felder konzentrieren kann und daß die Strahlung eines solchen Volumens ausreichend schwach ist, damit es in Resonanz gelangen kann. Die Schwingungsform und Schwin- gungsfrequenz hängen von der C cometrie des dielektrischen Körpers ab, wie beispielsweise aus der bereits ei wähnten Zeitschrift IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques bekannt ist. Wenn der dielektrische Körper ein rechtwinkliger Quader von geringer Höhe ist, dessen Grundfläche ein Rechteck mit relativ kleiner Längenausdehnung ist, hängt die niedrigste Resonanzfrequenz im wesentlichen nur vom Volumen ab. Bei einem Volumen von 1 mm³ liegt sie beispielsweise bei 50 GHz.

Es ist bisher nicht gelungen, einen derartigen Resonator mit einer Höchstfrequenzdiode unter Verwendung von einfachen Mitteln anzuregen und das auf diese Weise erzeugte elektromagnetische Feld auszunutzen bzw. das empfangene elektromagnetische Signal aus/uwcr ten, ohne den Resonator über Wellenleiter oder Strei fenleitungen anzukoppeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung oder zum Emp-

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fangen von Millimeterwellen zu schaffen, die eine kompakte Anordnung aus Höchstfrequenzdiode und dielektrischem Resonator bildet, welche das elektromagnetische Feld direkt abstrahlen bzw. empfangen kann.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Schaltungsanordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun an Hand der F i g. 1 bis 4 erläutert. Es zeigt

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

F i g. 1 b die Hybridschdtung von F i g. 1 a in einer Schnittansicht längs der Schnittlinie B,

F i g. 2 eine weitere Ausführungsform der in den vorhergehenden Figuren dargestellten Hybridschaltung,

F i g. 3a eine monolithische Schaltung in einer Schnittansicht längs der Schnittlinie A,

F i g. 3b die monolithische Schaltung von F i g. 3a in einer Schnittansicht längs der Schnittlinie B und

F i g. 4 «ine monolithische Schaltung in eine; bezüglich der Schaltung nach den F i g. 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 Fig. la und Ib dargestellten ersten Ausführungsform werden zwei Metallplättchen Ii und 12 verwendet. Diese Plättchen sind in einer Ebene entsprechend einer Verbindung zusammengefügt, die so bearbeitet ist. daß nach einem bekannten Verfahren eine /Z/4-WelIensperre entsteht. Diese Verbindungsstelle ist mit einen*. Isoliermaterial 13 gefüllt, das die zwei Plättchen elektrisch voneinander trennt. Auf dem in Fig. 1 rechten Trägerplättchen Plättchen 11 ist eine Höchstfrequenzdiode festgeschweißt, die mit Hilfe eines auf der Diode und auf dem anderen Trägerplättchen 12 festgeschweißten Metalldrahts 15 mit dem Plättchen 12 verbanden ist. Auf die Plättchen ist ein dielektrischer Resonator 16 geklebt. Dieser Resonator besteht aus einem Block aus Gallimarsenid mit großem spezifischen Widerstand, der in Form eines rechteckigen Quaders bearbeitet ist. In dem Slock ist zur Unterbringung der Diode 14 und des Drahts 15 ein Hohlraum 17 gebildet. Die Diode ist auf den einfachen aktiven Chip ohne Gehäuse reduziert; sie ist geschützt, weil sie in dem Hohlraum 17 eingeschlossen ist, der selbst von dem Plättchen U und 12 sowie vom Isoliermaterial 13 verschlossen ist. Der Draht 15 ist parallel zu dem Plättchen Il 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 F i g. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform werden die gleichen zwei Metallplättchen 21 und 22 verwendet, die gemäß einer/Z/4-Wellensperre 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 zr dem Plättchen 22 festgeschwciöt 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 aufgebrachten Glases aushält Zur Bildung eines dielektrischen Resonators kann jedes andere geeignete Dielektrikum verwendet werden, das einen ausreichend niedrigen

ίο 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 bemessen, daß er einen Halbwellendipol bildet

In einer dritten Ausführungsform, die in den F i g. 3a und 3b dargestellt ist wird ein Block ^us Silizium mit großem spezifischen Widerstand venvt-ndet, 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 Verbindungsteile 37 und 38 des Dipols, der den Resonator 31 anregt:

— die Siliziumdioxidschicht 39, die die Siliziumoberfiäche schützt und als Isoliermaterial zwischen dem Silizium und dem Dipol mit den Verbindungsteilen 37 und 38 dient;

— die zwei Verbindungsteile 37 und 38 aus aufger'nmpftem Metall, von denen der eine (37) mit der Zone 33 der Diode und der andere (38) mit der Schicht 32 der Diode in Kontakt steht.

Die auf diese Weise erhaltene Schaltung wird auf zwei konzentrischen Metallscheiben 310 und 311 befestigt. Die Verbindung zwischen diesen beiden Scheiben ist so bearbeitet, daß gemäß einem bekannten Vorgang eine /ί/4-Wellensperre entsteht. Ein Isoliermaterial 312 füllt diese Verbindung aus, damit die zwei Scheiben elektrisch voneinander getrennt werden. Die Scheibe 310 steht mit dem Zweig 38 des Dipols in Kontakt, und die Scheibe 311 steht mit dem Verbindungsteil 37 dieses Dipols in Kontakt. Die Länge des Dipols ist so bemessen, daß er auf die Resonanzfrequenz des Resonators Si abgestimmt ist.

Eine Variante der dritten Ausführungsform ist in Fig.4 dargestellt. Diese Variante besteht darin, eine Schaltung herzustel'jn, 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

26 Ol 787 Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen oder zum Empfangen von Millimeterwellen, mit einem leitenden Träger, einer auf diesem befestigten Höchstfrequenzdiode, einem mit dieser gekoppelten Resonator und einer über den leitenden Träger mit der Höchstfrequenzdiode verbundenen Gleichstromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (16; 26; 31) ein dielektrischer Resonator ist, der auf dem leitenden Träger (11,12; 21,22; 310, 311; 43) so befestigt ist, daß er die als selbstschwingender Oszillator oder als Mischdiode betriebene Höchstfrequenzdiode (14; 24; 32/33) überdeckt, daß der leitende Träger (11,12; 21,22; 310,311; 43) als Reflektorebene wirksam ist, an der die erzeugten oder aus dem freien Raum empfangenen Millimeterwellen reflektiert werden und daß der dielektrische Resonator (16; 26; 31) über Verbindungsteile (15,25; 37, 35) zwischen der Köchsiirequenzdiode (14; 24; 32/33) und der Gleichstromquelle durch die Höchstfrequenzdiode (14; 24; 32/33) angeregt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile aus einem einen Halbwellendipol bildenden Leiter (15; 25) bestehen, der auf die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators(16; 26) abgestimmt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsteile aus einem Leite. (37, 38) bestehen, der einen auf die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators (31) abgestimmten Dipol bildet.

4. Schaltungsanordnung nad- einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Träger zwei Teile (11, 12 bzw. 22, 21 bzw. 310, 311) enthält, die durch eine Höchstfrequenz-Wellensperre voneinander getrennt sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höchstfrequenzdiode (14; 24) und die Verbindungsteile (15; 25) in dem den dielektrischen Resonator (16; 25) bildenden Material eingebettet sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höchstfrequenzdiode (32,33) in dem den dielektrischen Resonator (31) bildenden Material integriert ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höchstfrequenzdiode eine Oszillatordiode ist und daß die Schaltungsanordnung ein Millimeterwellensender ist

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Höchstfrequenzdiode eine Mischdiode ist und daß die Schaltungsanordnung ein Millimeterwellenempfänger ist.