DE2745566A1

DE2745566A1 - Anordnung einer mikrostrip-schaltung mit einem halbleiter-bauelement

Info

Publication number: DE2745566A1
Application number: DE19772745566
Authority: DE
Inventors: Hans Adolph; Horst Griebel; Hans-Joachim Peters
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1977-10-11
Filing date: 1977-10-11
Publication date: 1979-04-19
Also published as: DE2745566C2

Description

Beschreibung
Anordnung einer Mikrostrip-Schaltung mit einem Halbleiter-Bauelement Die Ankoppelung von Mikrowellenhalbleitern, die auf dem Markt in zahlreichen Gehäuseformen angeboten werden und für Detektor- oder Mischerschaltungen verwendbar sind, erfordert entsprechende Ubergänge vom Wellenleiter auf den jeweiligen Halbleiter. Ist der Wellenleiter ein Hohlleiter - bei dem im allgemeinen der Halbleiter in einer Koaxialhalterung montiert und über Kopplungsstifte oder -stege angekoppelt ist - so ergibt sich für diesen Ubergang ein besonders erheblicher Aufwand.
Zudem sind die üblichen, in einer Koaxialhalterung montierten Halbleiter selbst wegen ihres Keramikgehäuses relativ teuer. Modernere Halbleiter, wie z. B. Beam-Lead-Dioden, die demgegenüber billig sind, können im allgemeinen nur in Mikrostrip-Schaltungen, d. h. Streifenleiterschaltungen, verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der die Mikrostrip-Schaltung auf einfache Art und Weise montiert und im Hohlleiter integrierbar ist.
Die erfindungsgemäßen Merkmale sind dem Patentanspruch 1 entnehmbar. Die Unteransprüche geben Weiterbildungen der Erfindung an.
Die Zuverlässigkeit bei Umweltbelastung wird durch die Erfindung erheblich verbessert.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt im Schnittbild einen Hohlleiter 1, dessen dargestelltes Ende mit einer Keramik-Mikrostrip-Schaltung galvanisch leitend abgeschlossen ist. Die Masseseite 2 des Keramik-Substrates 4 der Mikrostrip-Schaltung zeigt gegen den Hohlleiterinnenraum, in der Mitte ist ein V2-Koppelschlitz 3 (k I Hohlleiterwellenlänge) parallel zur Breitseite des Hohlleiters eingebracht. Auf der (der Masseseite 2 gegenüberliegenden) Schaltungsseite des Mikrostrip-Substrates, das auch in Fig. 2a und 2b dargestellt ist, ist senkrecht und mittig zu diesem Koppelschlitz ein #/2-Leitungsresona tor 5 aufgebracht, dessen leerlaufende Enden außerhalb des Schlitzes liegen und der aus räumlichen Gründen abgewinkelt ist. Dieser k/2-Leitungsresonator besitzt in der Mitte einen Querschlitz (Querspalt), der mittels einer Beam-Lead-Diode 6 überbrückt ist.
Der Koppelschlitz 3 einerseits und der #/2-Leitungsresonator 5 mit der Diode 6 andererseits sind auf die Arbeitsfrequenz der Anordnung abgestimmt. Der Innenraum 7 des verlängerten Hohlleiters hinter der Diode 6 wird über den Koppelschlitz 3 ebenfalls angeregt.
Um Abstrahlungsverluste zu vermeiden und um die Schaltung hochfrequenzmäßig dicht zu gestalten, ist dieser Raum 7 als k/4-Hohlraumresonator ausgebildet und Bestandteil der Mikrostrip-Schaltung.
In Richtung des Pfeiles Pf wird das HF-Signal eingespeist.
Die Auskopplung des durch die Diode 6 gleichgerichteten HF-Signals geschieht mittels #/4-Tiefpässen 8a und 8b, die in Mikrostrip-Technik auf dem Substrat 4 angeordnet sind, und mittels hochohmiger, ggf. verlustbehafteter Koaxialdurchführungen oder Tiefpässen 9a und 9b im Resonatorboden, die mit den Tiefpässen 8a und 8b galvanisch verbunden sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 ist die vorstehend beschriebene Mikrostrip-Schaltung mittels eines Leitklebers in die ausgesparte Stirnseite (Vorderwand) eines kontaktlosen Hohlleiterkurzschlußschiebers 11 eingeklebt. Hierbei dient der Hohlraumresonator mit dem Innenraum des an sich im Prinzip bekannten Kurzschlußschiebers 11 als #/4-Resonator zur Entkopplung der Mikrostrip-Schaltung vom übrigen Hohlleiter 1 und in Verbindung mit der niederohmigen #/4-Leitung 12 des Kurzschlußschiebers in bekannter Weise zur Erzeugung des niederohmigen Übergangswiderstandes in der Ebene der Vorderseite des Kurzschlußschiebers mit der Masseseite des Mikrostrip-Substrates. Die Resonanzfrequenz des Kurzschlußschiebers ist gleichzeitig mit derjenigen der Mikrostrip-Schaltung auf die Arbeitsfrequenz abgestimmt.
Mit dieser Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 ist es möglich, ein Modul gemäß Fig. 4 aufzubauen, bei dem sowohl die Detektor- bzw. Mischdiode mit der Ankoppelschaltung an einen Hohlleiter als auch die nachfolgende NF- oder ZF-Schaltung 13 in kompakter Weise integriert sind. Dieses Modul kann ohne galvanische Verbindung in einen Hohlleiter eingebracht werden, wobei die Mikrowellenverbindung über die beschriebene Transformation mittels des Kurzschlußschiebers hergestellt wird (5. Fig. 3). Dadurch ist es möglich, in einem Fertigungsablauf diesen Schaltungsteil komplett zu überprüfen, was bei herkömmlichem Aufbau im allgemeinen nicht möglich ist.
Die Anpassung der Mikrowellendiode an den Hohlleiter wird über die beiden Transformationen X/2-Resonator/Koppelschlitz einerseits und Koppelschlitz/Hohlleiter andererseits durch entsprechende Dimensionierung der Impedanzen der Transformationselemente vorgenommen. Die erreichbaren Bandbreiten liegen im Bereich von einigen Prozent.
Durch Herstelltoleranzen sowohl in der Mikrowellendiode als auch in der Mikrostrip-Schaltung schwankt die Mittenfrequenz der gesamten Anordnung. Dieser Fehler kann, falls erforderlich, durch einen an sich bekannten 3-Stift-Tuner 10 - im Beispielsfall der Fig. 4 vor der Koppelschlitz/Kurzschlußschieberebene im Hohlleiter -ausgeglichen werden (Fig. 1 und 4).
Zur Unterdrückung der Abstrahlung von Mikrowellenenergie über den Modul im NF- oder ZF-Ausgang ist es zweckmäßig, zwei Kragen 15a bzw. 15b aus HF-absorbierendem Material um das Modul zu legen.
Bei Verwendung nichtleitenden Materials oder durch Zwischenlegen einer sehr dünnen Isolationsfolie kann auch eine galvanische Trennung des Moduls vom Hohlleitersystem bzw. von der Gerätemasse erreicht werden, wodurch die Einkopplung von Störsignalen erheblich reduziert werden kann. Dies ist besonders bei hochempfindlichen Schaltungen vorteilhaft oder bei der Forderung nach galvanischer Trennung zwischen Signal- und Gehäusemasse.
Bei einer nicht gezeigten Abwandlung der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 wird anstelle eines Hohlleiters mit einer Hohlleiterwelle eine Freiraumwelle an den Koppelschlitz 3 bei entsprechender Dimensionierung angekoppelt, wodurch der Koppelschlitz zur Schlitzantenne wird, in die die Diode als Detektor oder Mischer integriert ist. Durch Aneinanderreihen der Einzelschaltungen oder Module in einer oder zwei Ebenen kann damit unter Einhaltung entsprechender Schlitzabstände ein Antennenarray aufgebaut werden. Im Falle des Mischerbetriebes eignet sich der #/4-Resonator 7 hinter der Mikrostrip-Schaltung zur Einkoppelung der LO-Leistung (LO . local oscillator - Uberlagerungsoszillator).
Beim Mischer nach Fig. 5a und Sb wird im Gegensatz zu Fig. 1 der Hohlraumresonator (Innenraum 7 mit rechteckförmigem Querschnitt) in Form eines quadratischen Hohlleiters 16 ausgebildet. Dadurch ist es möglich, die LO-Leistung z. B. über eine Koaxialleitung 17 und ein an den quadratischen Hohlleiter 16 angeschlossenen Recht-0 eckhohlleiter 18 - der gegen den Koppelschlitz 3 um 90 gedreht ist, wodurch für das Empfangssignal die Kurzschlußebene im Abstand A/4 hinter dem Koppelschlitz wegen der Grenzfrequenzbedingung erhalten bleibt - mit einer um 900 gegen das Empfangssignal gedrehten Polarisationsrichtung einzuspeisen, die damit in der Richtung des Koppel schlitzes 3 liegt und diesen nicht anregt. Dagegen liegen die abgewinkelten Leitungsstücke des Ä/2-Mikrostrip-Resonators 5 in Richtung des E-Feldes der LO-Leistung, so daß hierüber die Mischdiode mit LO-Leistung versorgt wird. Die Abstrahlung der LO-Leistung kann z. B. durch die Wahl einer möglichst hohen Zwischenfrequenz sowie durch entsprechende Dimensionierung der Gesamtanordnung z. B. unter Verwendung eines Eingangsfilters (Spiegelselektionsfilters) niedrig gehalten werden. Die Pfeile "LO" und Signal in Fig. 5a geben die E-Feldvektoren der Oszillatorloistung bzw. des Empfangssignals an. Durch die Verwendung einer Gegentaktmischerschaltung in bekannter Bauweise kann bei Benutzung der erfindungsgemäßen Ankopplung die Entkopplung der LO-Leistung vom Signaleingang weiter verbessert werden.
Bei entsprechender Ansteuerung kann diese Anordnung auch als Modulator, Transponder, Frequenzumsetzer u. ä. verwendet werden. Bei Verwendung von Detektor- oder PIN-Dioden ist die Anordnung als Empfangs- und/oder Sende-Antenne mit in Betrag und Phase modulierbarem Reflexionsfaktor einsetzbar.

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung einerseits zum Einspeisen hoch- oder zwischenfrequener elektromagnetischer Wellen in ein konstruktiv in eine Mikrostrip-Schaltung (Streifenleiter) integriertes Halbleiterbauelement, insbesondere eine Mikrowellendiode nach Art einer sog. Beam-Lead-Diode, und andererseits zum Abführen des Ausgangssignals des Halbleiter-Bauelements, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrip-Schaltung in der Technik einer unsymmetrischen Streifenleitung mit einer Masseelektrode (2) auf der einen Seite eines z. B. aus Keramik bestehenden plattenförmigen Substrats (4) und mit mindestens einer auf der der Masseelektrode gegenüber liegenden Substratseite befindlichen Leitungselektrode in der Weise realisiert ist, daß die mindestens eine Leitungselektrode durch einen Streifenleiter (5) derartiger an sich bekannter Dimensionierung mit einem zentral gelegenen, den Streifenleiter galvanisch auftrennenden Querschlitz (6) gebildet ist, daß ein Streifenleitungsresonator - beispielsweise ein X/2-Resonator (#- Betriebswellenlänge) - entsteht, daß der Querschlitz infolge Anschlusses zweier Halbleiter-Elektroden an die Streifenleiterhälften durch das Halbleiter-Bauelement (6) überbrückt ist, daß in der Masseelektrode gegenüber dem Halbleiter-Bauelement und in senkrechter Ausrichtung zu dem den Leitungsresonator bildenden Streifenleiter ein Koppelschlitz (3) vorgesehen ist, durch den die elektromagnetische Welle zwecks Einspeisung in das Halbleiter- Bauelement einkoppelbar ist, und daß auf der Streifenleiterseite des Substrats an sich bekannte Signal-Auskoppelmittel (8a, 8b, 9a, 9b) angeordnet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signal-Auskoppelmittel durch mindestens einen einen Tiefpaß darstellenden weiteren Streifenleiter (8a) realisiert sind, an den beispielsweise eine Koaxialleitung (9a) oder ein Tiefpaß galvanisch angeschlossen und mit dem den Leitungsresonator (5) bildenden Streifenleiter verbunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Signal-Auskoppelung zwei je einen Tiefpaß bildende weitere Streifenleiter (8a und 8b) spiegelsymmetrisch zum den Leitungsresonator bildenden Streifenleiter (5) vorgesehen sind.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Streifenleiter (5, 8a, 8b) zum Vermindern seiner Baulänge abgewinkelt ausgeführt ist (Fig. 2b).
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der eine elektromagnetische Welle in Form einer Freiraumwelle zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelschlitz (3) im Sinne eines Schlitzes eines Schlitzstrahlers (einer Schlitzantenne) ausgeführt ist und daß mehrere dieser Anordnungen als Einzelstrahler zu einem Antennen-Array (Gruppenantenne) konstruktiv in einer oder zwei Ebenen aneinandergereiht sind.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der eine elektromagnetische Welle in Form einer Hohlleiterwelle in einem beispielsweise rechteckförmigen Hohlleiter zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrip-Schaltung den Hohlleiter (i) mittels ihrer Masseelektrode (2) abschließt (Fig. 1).
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiterabschluß galvanisch leitend ist.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrip-Schaltung mit einem auf ihre Betriebsfrequenz abgestimmten Hohlraumresonator konstruktiv und funktionell vereinigt ist, indem sie eine der Resonatorwände des Hohlraumresonators darstellt und dabei mit ihrer Streifenleiterseite zum Innenraum (7) des Hohlraumresonators gerichtet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiterabschluß in Form eines - vorzugsweise kontaktlosen -Kurzschlußschiebers ausgeführt ist, in der Weise, daß die Mikrowellen-Schaltung die Stirnseite eines Hohlleiter-Kurzschlußschiebers bildet und daß hierbei die Masseelektrode (2) dem Hohlleiterinnenraum zugewandt ist (Fig. 3).
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrip-Schaltung in die ausgesparte Stirnseite mittels indes Leitklebers eingeklebt ist.
11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Kurzschlußschiebers der Mikrostrip-Schaltung ein Hohlraumresonator im Sinne des Anspruchs 8 zugeordnet ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Kurzschlußschiebergehäuses oder seiner rückwärtigen Verlängerung eine an die Signal-Auskoppelmittel angeschlossene Signalverarbeitungsschaltung angeschlossen ist, so daß sich ein Modul ergibt, der die Mittel zur Einspeisung der elektromagnetischen Wellen mit denjenigen bis zur Signalverarbeitung in kompakter Weise integriert bzw. zusammenfaßt (Fig. 4).
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß um das Modulgehäuse innerhalb des Hohlleiters zwei oder mehr Kragen (15a, 15b) aus HF-absorbierendem Material gelegt sind, die der HF-Abdichtung dienen.
14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Modul vom Hohlleiter galvanisch getrennt ist oder daß zumindest seine den Hohlleiter berührenden Wandungen galvanisch nicht leitend sind.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 und 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei ihrer Ausgestaltung als Mischer die Oszillatorleistung (LO) in den Hohlraumresonator einkoppelbar ist.
16. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei ihrer Ausgestaltung als Mischer die Mikrostrip-Schaltung mit einem quadratischen Hohlleiter (16) einer Länge 1 I A/4 verbunden ist, indem sie den quadratischen Hohlleiter einseitig abschließt und dabei mit ihrer Streifenleiterseite zum Innenraum des quadratischen Hohlleiters gerichtet ist, daß an die der Mikrostrip-Schaltung gegenüberliegende Seite des quadratischen Hohlleiters unter einer 900 betragenden Verdrehung gegenüber dem Koppelschlitz (3) ein Rechteck-Hohlleiter (18) angeschlossen ist und daß in den Rechteck-Hohlleiter die Oszillatorleistung einkoppelbar ist.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlleiter ein Mehrstift-Tuner, beispielsweise ein 3-Stift-Tuner (10)> angeordnet ist (Fig. 1 und 4).
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch ihre Anwendung in einem Modulator.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch ihre Anwendung in einem Transponder.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch ihre Anwendung in einem Frequenzumsetzer.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch ihre Anwendung als Empfangs- und/oder Sendeantenne mit in Betrag und Phase durch eine beispielsweise PIN-Dioden aufweisende Steuerschaltung modulierbarem Reflexionsfaktor.