DE2601787C2 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen oder zum Empfangen von Millimeterwellen - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Erzeugen oder zum Empfangen von MillimeterwellenInfo
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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-
26 Ol 787
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 (8)
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.
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