DE2826449A1 - Parametrische wanderwellenkopplungsvorrichtung - Google Patents

Description

.. - 6 - Patentanwälte

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. t O fc ν H H 3

E. Prinz *- Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

Jnser Zeichen: T 3119 15.Juni 1978

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008 Paris, Frankreich

Parametrische Wanderwellenkopplungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine parametrische Wanderwellenkopplungsvorrichtung, insbesondere bei HBchstfrequenzwellen und auf die Verwendung einer solchen Vorrichtung in einem Mikrowellenempfänger.

Parametrische Vorrichtungen zum Koppeln von Wanderwellen mit Hilfe von Kreisen mit verteilten Konstanten sind in der Veröffentlichung von W.M. Louiseil mit dem Titel "Coupled Mode and parametric electronics", John Wiley (1960) und in der Veröffentlichung von A.L·. Cullen in der Zeitschrift ΡΙΞΕ'107, Nr.32B 101, 1960, beschrieben. Solche Kreise ermöglichen eine Kopplung zwischen einer ersten Welle, nämlich einer Signalwelle, und einer unter der Bezeichnung Idler-Welle bekannten zweiten Welle. Die Kopplung wird durch Ändern der Leiteigenschaften einer Übertragungsleitung mit Hilfe von nichtlinearen Wechselwirkungselementen erhalten, die mit Hilfe einer dritten Welle, nämlich der Pumpwelle, moduliert werden. Die Signal-

809881/0922

welle, die Idler-Welle und die Pumpwelle breiten sich auf der Leitung aus. Die Verteilungseigenschaften der Leitung müssen die parametrischen Bedingungen erfüllen. Für eine Wechselwirkung mit drei Wellen lassen sich diese Bedingungen folgendermaßen ausdrücken:

für den Fall, daß die parametrische Kopplungsvorrichtung als parametrischer Verstärker arbeitet, und

ω_ρ =

₁ +"S= Τ
ι ρ

für den Fall, daß die parametrische Kopplungsvorrichtung als parametrischer Frequenzmischer oder Frequenzumsetzer arbeitet. In den Beziehungen I und II sind to die Kreisfrequenz der Signalwelle, ω. die Kreisfrequenz der Idler-Welle, ω die Kreisfrequenz der Pumpwelle und ß_s, B^ und ß die Wellenvektoren für diese Wellen. Das Arbeiten der Vorrichtung in der jeweiligen Betriebsart hängt von den Filterbedingungen der sich aus der parametrischen Kopplung ergebenden Signale ab.

Kopplungsvorrichtungen mit örtlich festliegenden Konstanten sind insbesondere in dem Aufsatz von P.K.Tien und H.Suhl in der Zeitschrift PROC IRE 46, 700, 1958 beschrieben worden;· bei diesen Vorrichtungen ist die Wechselwirkung zwischen den drei zuvor genannten Wellen stabiler als bei Vorrichtungen, bei denen örtlich festliegende Elemente benutzt werden.

Im Höchstfrequenzbereich wurden diskrete Wechselwirkungselemente meistens im Mittelleiter der Übertragungsleitungen

809881/0922

angewendet. Die Übertragungsleitungen sind in diesem Fall kompliziert und. kostspielig, was der von C.S.Aitchinson und A.S.Wong in der Zeitschrift "Electronics Letters*.', 11, Nr. 15,338, 1975 erschienene Aufsatz bestätigt.

Zur Erfüllung der oben angegebenen parametrischen Bedingungen und zum Eliminieren störender Wechselwirkungen, die sich aus Intermodulationsprodukten andrer Ordnungen ergeben und zu Störsignalen mit den Kreisfrequenzen ( ω + ω_π)

P " und (2 ω - ω ) führen, ist es im allgemeinen notwendig,

P ^s

die Leitungen zu unterscheiden, die die Energie der Signalwelle und die Energie der Pumpwelle übertragen; diese Unterscheidung gibt Anlaß zu komplizierten Konstruktionen der Übertragungsleitungen.

Die bekannten Systeme sind außerdem hinsichtlich der Durchlaßbandbreite auf Grund der Tatsache eingeschränkt, daß zur Bildung der Leitungen Resonanzstrukturen benutzt werden.

Mit Hilfe der Erfindung soll eine parametrische Kopplungsvorrichtung geschaffen werden, in der die Ausbreitungsverluste stark herabgesetzt sind. Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende parametrische Kopplungsvorrichtung soll einen kompakten und äußerst zuverlässigen Aufbau aufweisen. Außerdem soll dje mit Hilfe der Erfindung zu schaffende parametrische Kopplungsvorrichtung eine sehr hohe Grenzfrequenz in der Größenordnung von 60 GHz haben, bei der die parametrischen Bedingungen für ein breites Frequenzband erfüllt sind und bei der bei einem Arbeiten als parametrischer Verstärker das Produkt aus Verstärkungsfaktor und Durchlaßbandbreite groß ist.

Ilach der Erfindung ist eine parametrische Wanderwellenkopplungsvorrichtung zum Koppeln von Wanderwellen, die

809881/0922

eine erste Welle, die Signalwelle, eine zweite Welle, die Idler-Welle, und eine dritte Welle, die Pumpwelle enthalten, durch Ändern der Leiteigenschaften einer Übertragungsleitung mittels nichtlinearer, von der Pumpwelle modulierter Wechselwirkungselemente, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung der Wanderwellen auf einem Substrat aus dielektrischem Material gebildet ist und ein quasikontinuierliches Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen aufweist, die die Erzeugung der Intermodulationen der verschiedenen Wanderwellen ermöglichen.

Eine solche Kopplungsvorrichtung kann in allen Mikrowellenempfängern benutzt werden; auf Grund ihrer kleinen Abmessungen und ihrer großen Zuverlässigkeit eignet sie sich besonders für die Anwendung in Fernmeldestationen im Weltraum oder auch auf der Erde.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert, in der die verschiedenen Elemente zur Erzielung einer besseren Erkennbarkeit nicht maßstäblich gezeichnet sind. Es zeigen:

Fig.1a eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kopplungsvorrichtung,

Fig.1b und 1c Schnittansichten der Vorrichtung von Fig. 1a,

Fig.2 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kopplungsvorrichtung,

Fig.3a und 3b eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung und

809881 /0922

Fig.4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kopplungsvorrichtung.

Die in Fig.1a dargestellte parametrische Wanderwellenkopplungsvorrichtung ermöglicht es, eine erste Welle, nämlich eine Signalwelle,und eine zweite Welle, nämlich eine Idler-Welle durch Ändern der Leiteigenschaften einer Übertragungsleitung mit Hilfe von nichtlinearen Wechselwirkungselementen, die von einer dritten Welle, nämlich einer Pumpwelle, moduliert sind, zu koppeln. Die in Fig.1a dargestellte Kopplungsvorrichtung enthält eine Wanderwellen-Übertragungsleitung A, die auf einem Substrat 2 aus dielektrischem Material gebildet ist. Die Übertragungsleitung enthält ein quasikontinuierliches Gitter B aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen, das die Erzeugung von Intermodulationsprodukten der verschiedenen Wanderwellen ermöglicht. Das quasikontinuierliche Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen ist ein im wesentliches ebenes Gitter. Jedes nichtlineare Element liegt in einem Abstand a, der Teilung des Gitters, von seinem benachbarten nichtlinearen Element, der kleiner als die kleinste Wellenlänge der Signalwelle, der Idler-Welle und der Pumpwelle ist, die sich auf der Übertragungsleitung ausbreiten. Das Gitter aus nichtlinearen Elementen ist der oberen Fläche des Substrats benachbart angebracht, auf der die Übertragungsleitung gebildet ist. Die nichtlinearen Wechselwirkungselements bestehen beispielsweise aus integrierten Dioden 4.

Im Betriebszustand wird die Übertragungsleitung A mit der Signalwelle mit der Frequenz fs und mit der-Pumpwelle mit der Frequenz fp gespeist. Die Idler-Welle mit der Frequenz fi entsteht in der Übertragungsleitung; die drei Wellen, nämlich die

809881/0922

Signalwelle, die Pumpwelle und die Idler-Welle breiten sich auf der Übertragungsleitung aus. Das Gitter aus den nichtlinearen Wechselwirkungselementen, die beispielsweise von der oberen Fläche der Übertragungsleitung benachbart angebrachten Dioden gebildet sind, wird dem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld ausgesetzt, das sich aus der Ausbreitung der verschiedenen Wellen auf der Leitung ergibt. Die von dem Hochfrequenzfeld, vorgespannten Dioden verhalten sich wie veränderliche Kapazitäten, deren Wert vom Momentanwert des elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes moduliert wird, das auf die Ausbreitung der Signale auf der Leitung zurückzuführen ist, was die parametrische Kopplung der verschiedenen Wellen ermöglicht, für die die oben angegebenen parametrischen Bedingungen erfüllt sind.

Bei dem in Fig.1a dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Übertragungsleitung A aus einer Bandleitung. Die Bandleitung enthält eine Metallplatte 1, die mit der unteren Fläche des Substrats 2 aus dielektrischem Material in Kontakt steht. Ein in Kontakt mit der oberen Fläche des Substrats stehendes Metallband 3 ist dem ebenen Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen benachbart angebracht. Das Metallband 3 enthält Eingangs- und Ausgangs-Signalanschlußpunkte, die nicht dargestellt sind.

Nach Fig.1b besteht das ebene Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen aus einem Feld aus Dioden 4, die auf einem Halbleitersubstrat 6 integriert sind. Das Halbleitersubstrat ist beispielsweise ein Substrat aus N⁺- Silizium. Jede Diode 4 enthält eine epitaktische N-Zone 7, die die aktive Zone jeder der Dioden bildet, und eine

809881/0922

Elektrode 8, die mit der epitaktischen Zone 7 in Kontakt steht Lind mit dieser einen Schottky-Übergang "bildet. Für den Fall,daß das Halbleitersubstrat 6 aus Silizium besteht, besteht die Elektrode 8 aus Platin, damit der Schottky-Übergang entsteht. Das Halbleitersubstrat 6 trägt eine Metallisierung 5, die auf der die Elektroden 8 der Dioden enthaltenden Fläche angebracht ist und die Dioden und die Elektroden 8 nicht daran hindert, einen Kontakt mit der oberen Fläche des Substrats zu bilden; die dem Metallband £ gegenüberliegenden Elektroden 8 der Dioden bilden mit diesem Metallband einen ohmschen Kontakt. Der ohmsche Kontakt zwischen den Elektroden 8 und dem Metallband 3 wird beispielsweise durch Schweißen hergestellt. Bei einem speziellen AusfUhrungsbeispiel der in Fig.1a und Fig.1b dargestellten Kopplungsvorrichtung haben die Dioden einen zylindrischen Querschnitt mit einem mittleren Durchmesser 0 von etwa 10 um, und der Abstand zwischen den Dioden, also die Teilung des Gitters, liegt in der Größenordnung von 100 um. Bei einer Dicke des Substrats aus dielektrischem Material von ho und einer relati-ven Dielektrizitätskonstanten er ergibt sich unter diesen Bedingungen der Abstand h zwischen der freien Fläche der Metallisierung 5 und der oberen Fläche des Substrats aus dielektrischem Material in der Weise, daß gilt: h4 ho/10 r r. Die Breite w des Metallbandes 3 ist unter Berücksichtigung des Wellenwiderstandes der Leitung, der Dotierung der epitaktischen Zonen und der Teilung des Gitters festgelegt. Bei der Verwirklichung des Diodenfeldes wird von einem Halbleitersubstrat, beispielsweise aus N⁺-Silizium, ausgegangen, auf dem durch epitaktisches Aufwachsen eine N-Schicht gebildet wird, die dann durch eine Maske auf chemische Weise in Vorzugsrichtung angegriffen

809881/0922

wird, woran sich eine Metallisierung der entsprechenden Zonen anschließt.

Bei der in Fig.1c dargestellten AusfUhrungsform enthält das Diodenfeld Mesadioden. Das Diodenfeld enthält beispielsweise ein Halbleitersubstrat 6 aus N⁺-HaIbIeitermaterlal. Jede Diode weist eine epitaktische N-Schicht und eine Kontaktschicht 71 mit P⁺-Dotierung auf. Jede Kontaktschicht 71 ist ihrerseits mit einer Elektrode 8 überzogen, die mit der Kontaktschicht 71 in ohmschem Kontakt steht. Das Diodenfeld weist ebenso wie das zuvor beschriebene Diodenfeld eine Metallisierung 5 auf. Bei diesem Beispiel haben die Dioden einen Durchmesser von 10 um; sie liegen im Abstand der Teilung von 200 um des Gitters voneinander. Die Integration des Diodenfeldes erfolgt mit Hilfe der zuvor genannten Verfahrensschritte des epitaktischen Aufwachsens einer N-Schicht, dann einer P⁺-Schicht, einer chemischen Einwirkung mit Vorzugsrichtung und schließlich einer Metallisierung der entsprechenden Zonen.

Die in Fig.1a dargestellte Kopplungsvorrichtung arbeitet folgendermaßen:Die Metallisierung des Substrats des Diodenfeldes liegt sehr nahe bei dem Metallband 3. Der Luftraum zwischen dem Metallband 3 und der Metallisierung 5 des Diodenfeldes bildet eine Kapazität, zu der die Kapazität der Dioden parallel liegen. Die in dieserZone befindlichen elektrischen Höchstfrequenzfelder liegen senkrecht zu den übergängen der Dioden und modulieren diese Kapazitäten. Diese Modulation ergibt die parametrische Kopplung der sich auf der Leitung ausbreitenden Hochfrequenzwellen auf Grund einer Änderung der Leiteigenschaften dieser Leitung.

809881 /0922

Fig.2 zeigt in einer perspektivischen auseinandergezogenen Ansicht ein weiteres Ausführungstieispiel einer Kopplungevorrichtung. Nach Fig.2 ist das Substrat aus dielektrischem Material mit dem ebenen Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen integriert. Das ebene Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen enthält ein stark dotiertes Halbleitersubstrat 6 mit einer Reihe von parallelen Nuten 61, die von Trennwänden 62 und einer Grundfläche 63 begrenzt sind. Die parallelen Nuten und die Trennwände verlaufen vorzugsweise rechtwinklig zu der Richtung, mit der sich die Wellen auf der Leitung ausbreiten. Die Grundflächen 63 liegen im wesentlichen in einer Ebene, und cie oberen Enden der Trennwände 62 weisen eine epitaktische Zone 620 auf. Die epitaktischen Zonen 620 liegen im wesentlichen in dergleichen Ebene, die die obere Fläche des HalbleiterSubstrats 6 bildet. Die Grundflächen 63 tragen eine Metallisierung 63I. Die Metallisierung 631 der Grundflächen 63 bildet die Metallplatte der Bandleitung. Eine Folge von Zonen aus dielektrischem Material füllt die Nuten 61 auf, und hält die Trennwände 62 auseinander; die obere Fläche der Zonen 64 bildet mit den oberen Enden der Trennwände 62 eine im wesentlichen ebene obere Fläche für das Substrat. Auf der oberen Fläche des Substrats ist ein Metallband 65 angebracht, dessen Längsseiten vorzugsweise rechtwinklig zu den parallelen Nüien 61 verlaufen. Das Metallband 65 steht mit den oberen Enden der Trennwände 62 in Verbindung und bildet mit jeder der epitaktischen Zonen 620 einen Schottky-Ubergang. Zu diesem Zweck besteht das Metallband 65 beispielsweise aus Platin, und das Halbleitersubstrat besteht aus Silizium. Das Metallband 65, die Zonen 64 aus dielektrischem Material und die Metallisierungen 63I der

8G9881/0922

Grundflächen 63 bilden die Bandleitung. Bei der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform haben die Trennwände 62 eine Dicke in der Größenordnung von 50 jum und eine von der Grundfläche 63 bi's zum oberen Ende gemessene Höhe in der Größenordnung von 200 um. Die Teilung a des Gitters, also der Abstand zwischen den Längssymmetrieebenen von zwei aufeinanderfolgenden Trennwänden, beträgt mindestens 100 um, so daß gilt a^iOOium. Die Breite w des Metallbandes 65 ist unter Berücksichtigung des Wellenwiderstandes der Leitung, der Dotierung des Substrats und der epitaktischen Zonen, der Abmessungen der Trennwände und der Teilung a des Gitters festgelegt.

Die in Fig.2 dargestellte Kopplungsvorrichtung arbeitet folgendermaßen:

Bei der Ausbreitung von Hochfrequenzwellen auf der Leitung wird die momentane Hochfrequenzspannung U zwischen dem Metallband 65 und den Metallisierungen 631, die zusammen mit den Zonen 64 aus dielektrischem Material die Übertragungsleitung bilden, auf Grund der Leitfähigkeit des Halbleitersubstrats 6 und insbesondere der Trennwände 62 insgesamt auf die Höhe der epitaktischen Zone 620 und des entsprechenden Schottky-Übergangs übertragen. Die Modulation der der entsprechenden Diode äquivalenten Kapazität wird von dem sich auf d#r Leitung ausbreitenden momentanen dielektrischen Hochfrequenzfeld bewirkt. Dieses senkrecht zu dem die Diode bildenden Schottky-Übergang verlaufende Feld ermöglicht eine entsprechende Änderung der Leiteigenschaften der Übertragung und die parametrische Kopplung der Signalwelle, der Pumpwelle und der Idler-Welle.

Die in Fig,2 dargestellte Vorrichtung wird ausgehend von einem stark dotierten Siliziumsubstrat mit N⁺-Dotierung

809881/0922

hergestellt, auf dem beispielsweise durch epitaktisches Aufwachsen eine N-Schicht erzeugt wird. Die Trennwände und die Nuten 61 werden durch selektive chemische Einwirkung riiittels eines MaskierungsVorgangs erzeugt. Anschliessend werden die am Boden der Nuten 61 befindlichen Grundflächen 63 metallisiert, wobei diese Metallisierung als Metallplatte für die Bandleitung dient. Die Nuten 61 werden dann mit dielektrischem Material aufgefüllt, das die Zonen 64 aus dielektrischem Material bildet, die die Trennwände auseinanderhalten. Anschliessend wird das Metallband 65 aufgebracht. Wenn das Halbleitersubstrat aus Silizium besteht, wird ein beispielsweise aus Platin bestehendes Metallband benutzt, damit bei ^eder epitaktischen Zone 620 ein Schottky-Übergang entsteht.

Die in den Figuren 1a und 1c dargestellte Vorrichtung ermöglicht auf Grund ihres speziellen Aufbaus und insbesondere auf Grund der Metallisierungen 5 im Fall der Figuren 1a bis 1c und der Metallisierungen 63I im Fall von Fig.2 eine Verringerung der Ausbreitungsverluste und eine Vergrößerung des Produkts aus dem Verstärkungsfaktor und dem Durchlaßband im Falle des Arbeitens dieser Vorrichtungen als parametrischer Verstärker; die Breite des erhaltenen Durchlaßbandes liegt in der Größenordnung von 16/100 der Mittenfrequenz des Durchlaßbandes, was bei einer Mittenfrequenz von 30 GHz eine Bandbreite in der Größenordnung von 5 GHz ergibt.

In einer Abwandlung der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform ist das Substrat aus dielektrischem Material mit dem ebenen Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungs-

809881/0922

elementen gemäß einer speziellen Form des Gitters integriert. Fig.3a zeigt in einer perspektivischen Ansicht diese Abwandlung der Ausführungsform.

Nach Fig.3a enthält das ebene Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen ein Halbleitersubstrat 6. Das Halbleitersubstrat weist mehrere Kontaktpunkte 162 auf, die auf einer Grundfläche 163 angebracht sind. Das Halbleitersubstrat 6 besteht beispielsweise aus Silizium mit starker N⁺-Dotierung. Die Kontaktpunkte 162 haben beispielsweise einen rautenförmigen Querschnitt; an ihrem Ende sind sie mit einer epitaktischen Zone 1620 versehen. Die epitaktischen Zonen 1620 liegen im wesentlichen in einer Ebene, die die obere Fläche des Substrats bildet. Die Grundflächen 163 tragen eine Metallisierung 131» die alle Grundflächen mit Ausnahme der Kontaktpunkte bedeckt. Die Metallisierung 1631 bildet die Metallplatte der Bandleitung· Eine Schicht 164 aus dielektrischem Material trennt die Kontaktpunkte 162 voneinander; die obere Fläche der Schicht 164 aus dielektrischem Material bildet zusammen mit den oberen Enden der Kontaktpunkte 162 eine im wesentlichen ebene obere Fläche des Substrats. Die Vorrichtung enthält ein Metallband 165» das auf der oberen Fläche des Substrats in Kontakt mit den oberen Enden der Kontaktpunkte 162 angebracht ist. Das Metallband bliebt mit jeder epitaktischen Zone 1610 einen Schottky-Übergang; es bildet zusammen mit der Schicht 164 aus dielektrischem Material und der Metallisierung 1631 der Grundfläche I63 die Bandleitung. Beispielsweise beträgt die Abmessung b der Kontaktpunkte 10 um» und die 3büung a des Gitters liegt in der Größenordnung von 100 yum. Die Ausführungsform von Fig. 3a ist

809881/0922

natürlich nicht auf den rautenförmigen Querschnitt der Kontaktpunkte beschränkt. Auch irgendeine andere Querschnittsform der Kontaktpunkte kann angewendet werden.

Die Arbeitsweise der in Fig.3a dargestellten Ausführungsform gleicht der Arbeitsweise der Ausführungsform von Fig.2; die momentan zwischen dem Metallband 165 und der Metallisierung 1631 vorhandene Hochfrequenzspannung wird insgesamt auf die Höhe des Schottky-Übergangs am oberen Ende jedes Kontaktpunkts auf Grund der Ausbreitung der verschiedenen Wellen in der übertragungsleitung übertragen.

Die oben beschriebene Kopplungsvorrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die übertragungsleitung eine mäanderförmige Leitung bildet, wie sie in Fig.3b dargestellt ist. In diesem Fall bedeckt ein Metallband 166 ,dessen Breitew in der Größenordnung der größten Abmessung des Querschnitts der Kontaktpunkte 162,also der Rautendiagonalen in der Ausführungsform von Fig.3b, liegt, nacheinander jeden Kontaktpunkt gemäß einem vorbestimmten Verlauf in Richtung der Ausbreitung der Signale. Die Wahl eines Abschnitts des Metallbandes 166 entsprechend einem Abschnitt der übertragungsleitung mit der Länge L = ( λ ρ + s)/2, wobei λ ρ + · die Wellenlänge des auf Grund der Wechselwirkung der Pumpwelle fp und der Signalwelle fs auftretenden Störsignals in der Leitung ist, ermöglicht die Eliminierung des Störsignals mit der Wellenlänge λ ρ + s.

809881/0922

In einer vorteilhaften AusfUhrungsform der erfindungsgemäßen Kopplungsvorrichtung, die in Fig.4 dargestellt ist, ist die Übertragungsleitung von einer koplanaren Leitung gebildet. Die koplanare Leitung enthält ein Substrat 22 aus dielektrischem Material mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche. Ein in der Mitte verlaufendes Metallband 23 und zwei Metallplatten 24 sind auf der oberen Fläche des Substrats angebracht und stehen mit dieser in Kontakt;das Metallband 23 liegt dabei zwischen den zwei Metallplatten. Das in der Mitte verlaufende Metallband 23 und die zwei Metallplatten sind dem Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungse&ementen benachbart angebracht. Die Metallplatten 24 weisen Jeweils eine Reihe von Metallfingern 241 auf. Die Metallfinger jeder Platte 24 liegen einander gegenüber, und sie verlaufen vorzugsweise rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung der Hochfrequenzwellen in der übertragungsleitung.

In der bevorzugten Ausführungsform von Fig.4 ist das Substrat aus dielektrischem Material mit dem Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen integriert. Das Gitter enthält mehrere epitaktische Zonen 262 aus Halbleitermaterial.Alle epitaktischen Zonen 262 liegen im wesentlichen in der gleichen Ebene, die die obere Fläche des Substrats bildet. Die epitaktischen Zonen aus Halbleitermaterial sind zwischen den zwei Metallplatten 24 angebracht, und sie bedecken jeweils teilweise zwei einander gegenüberliegende Metallfinger 241. Jede epitaktische Zone aus Halbleitermaterial bildet mit jedem der MetäEfinger einen Schottky-Übergang. Zu diesem Zweck bestehen die Metallplatten oder zumindest

809881/0922

die Metallfinger 241 beispielsweise aus Platin, wenn das Halbleitermaterial, das die epitaktischen Zonen 262 bildet, Silizium ist. Das in der Mitte befindliche Metallband 23 ist auf"der oberen Fläche des Substrats in ohmschem Kontakt mit den epitaktischen Zonen aus Halbleitrmaterial angebracht. Das Substrat 22, die Metallplatten 24 und das in der Mitte befindliche Metallband 23 bilden die koplanare Leitung.

Die Metallfinger 241 haben beispielsweise in der Ausbreitungsrichtung der Hochfrequenzwellen in der Leitung die Breite ν in der Größenordnung von 20 ^im. Der Abstand der Metallfinger 241 entspricht der Teilung des Gitters, er liegt in der Größenordnung von einigen Millimetern unter Berücksichtigung des Wellenwiderstandes der Leitung, der Dotierung des Halbleitermaterials und des Eindringens der Metallfinger unter das in der Mitte befindliche Metallband. Der Abstand der Finger 241 ist allgemein kleiner als die Wellenlänge der Pumpwelle in der übertragungsleitung.Das verwendete Halbleitermaterial ist beispielsweise Silizium mit N - oder P -Dotierung, das eine epitaktische N-Schicht trägt.

Die Herstellung der in Fig.4 dargestellten Vorrichtung erfolgt mit Hilfe der anschliessend angegebenen Verfahrensschritte :

Auf einem Substrat aus Silizium mit P -Dotierung wird durch epitaktisches Aufwachsen »ine Schicht aus Halbleitermaterial mit N-Dotierung gebildet. Es kann auch ein Siliziumsubstrat mitN⁺-Dotierung verwendet werden. Anschliessend werden auf der freien Fläche der epitaktischen Schicht ein in der Mitte befindliches Band und Finger aufweisende Masseplatten augebracht.

809881/0922

Das Aufbringen erfolgt beispielsweise durch Maskieren und Aufdampfen im Vakuum.Dafür wird ein solches Metall gewählt, daß bei jedem Finger ein Schottky-Übergang mit der epitaktischen "Zone entsteht. Das dielektrische Material wird dann durch Druck unter Hitze auf die zuvor aufgebrachte Metallisierung aufgebracht. Als Dielektrikum wird ein Dielektrikum mit kleinen Verlusten und mit einem Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt, der dem Ausdehnungskoeffizienten der Materialien benachbart ist, auf dem es aufgebracht wird. Das ausgewählte dielektrische Material ist beispielsweise Glas; das Substrat aus Halbleitermaterial und das dielektrische Material werden dabei auf eine Temperatur von etwa 600⁰C erhitzt. Eine elektrochemische selektive Einwirkung inter Anwendung eines Maskierungsprozesses in einer Säureumgebung ermöglicht dann die Entfernung des Substrats aus Halbleitermaterial mit P⁺- oder N⁺-Dotierung und die Beibehaltung der epitaktischen Zonen mit N-Dotierung, die zwei einander gegenüberliegende Finger bedecken. Das in der Mitte befindliche Metallband wird dann beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht. Das Metall des in der Mitte befindlichen Bandes ist so gewählt, daß es mit den epitaktischen Halbleiterzonen einen ohmschen Kontakt bildet.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet in der gleichen Weise wie die in den Figuren 2 und 3a, 3b dargestellten Vorrichtungen. Die bei jeder epitaktischen Zone zwischen einem Finger 241 der Metallplatten und dem in der Mitte befindlichen Metallband 23 gebildete Schottky-Diode verhält sich wie eine veränderliche Kapazität, die von dem Hochfrequenzfeld der sich in der Leitung ausbreitenden Wellen moduliert wird.

809881/0922

2826U9

Die hier beschriebene parametrische Kopplungsvorrichtung ermöglicht insbesondere in der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform das Arbeiten als parametrischer Verstärker mit niedrigem Rauschen in einem Frequenzbereich zwischen 10 GHz und 60 GHz mit einer Durchlaßbandbreite in der Größenordnung von 30/100 der Signalfrequenz fs. Der Ausbreitungsmodus der Wellenleitung, nämlich die Ausbreitung einer nichtstreuenden TEM-Welle, die eine Herabsetzung der Ausbreitungsverluste und der Leitungsverluste in der Leitung ermöglicht, was insbesondere mit der speziellen Ausführungsform der Dioden im Falle einer koplanaren Leitung verbunden ist, bei der eine geringe Höhe der epitaktischen Zonen in der Größenordnung von 5 /M. erhalten wird,gestattet auf Grund einer Herabsetzung des Serien Widerstandes jeder dieser Dioden und ihrer ohmschen Verluste eine Erhöhung der Grenzfrequenz der gesamten Kopplungsvorrichtung.

ELne Herabsetzung des Rauschpegels wird in der Kopplungsvorrichtung dadurch erhalten, daß zwischen das Metallband, das mit der oberen Fläche der epitaktischen Zonen in Kontakt steht und die Bezugsmetallplatten eine Gleichspannung als Vorspannung angelegt wird.

809881/0922

Claims (13)

1. Patentanwälie

   Dipi.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. 2826449

   E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

   Ernsbergerstrasse 19

   8 München 60

   Unser Zeichen; T 3119 - 15.Juni 1978

   THOMSON-CSF

   173 Bd.Haussmann

   75008 Paris, Frankreich

   Patentansprüche

   J Parametrische Wanderwellerikopplungsvorrichtung zum Koppeln von Wanderwellen, die eine erste Welle, die Signalwelle, eine zweite Welle, die Idler-Welle, und eine dritte Welle, die Pumpwelle enthalten, durch Ändern der Leiteigenschaften einer Übertragungsleitung mittels nichtlinearer, von der Pumpwelle modulierter Wechselwirkungselemente, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung (A) der Wanderwellen auf einem Substrat (2) aus dielektrischem Material gebildet ist und ein quasikontinuierliches Gitter (B) aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen aufweist, die die Erzeugung der Intermodulationen der verschiedenen Wanderwellen ermöglichen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das quasikontinuierliche Gitter (B) aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen ein im wesentliches ebenes Gitter ist, bei dem jedes Wechselwirkungselement in einem Abstand a, also im Abstand der ' Teilung des Gitters, vom benachbarten Wechselwirkungselement liegt, der kleiner als die kleinste Wellenlänge der Signalwelle, der Idler-Welle und der Pumpwelle ist, wobei das ebene Gitter der oberen

   809881/0922
   OWGlNAL INSPECTED

   Fläche der Übertragungsleitung (A) benachbart angebracht ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß das Gitter (B) von einem Gitter aus integrierten Dioden (4) gebildet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung (A) von einer Bandleitung gebildet ist, die eine mit der unteren Fläche des aus dielektrischem Material bestehenden Substrats (2) in Kontakt stehende Metallplatte (1) und ein mit der oberen Fläche des Substrats (2) in Kontakt stehendes Metallband (3) enthält, wobei das Metallband (3) dem ebenen Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen benachbart angebracht ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ebene Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen aus einem Feld aus integrierten Dioden (4) auf einem Halbleitersubstrat (6) besteht, daß ,jede Diode,die im Abstand a von einer benachbarten Diode liegt, eine aktive epitaktische Zone (7) und eine mit dieser epitaktischen Zone (7) in Kontakt stehende Elektrode (8) enthält, daß jede Elektrode (8) der Dioden, der oberen Fläche des Substrats (2) gegenüberliegend angebracht ist und daß die Elektroden (8) der dem Metallband (3) gegenüberliegenden Dioden mit diesem Metallband in ohmschem Kontakt stehen.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (4) Schottky-Dioden sind und daß die Elektrode (8) mit der epitaktischen Zone (7) einen Schottky-Übergang bildet.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (4) Mesa-Dioden sind.

   809881/0922
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus dielektrischem Material mit dem ebenen Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen integriert ist, wobei das ebene Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungeelementen folgende Bestandteile enthält:

   - ein Halbleitersubstrat (6) mit einer Reihe von parallelen Nuten (61), die von Trennwänden (62) und einer Grundfläche (63) begrenzt sind, wobei die Grundflächen im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen und die oberen Enden der Trennwände (62) eine ep!taktische Zone (620) tragen, während die Gesamtheit der ep!taktischen Zonen (620) im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen, die die obere Fläche des Halbleitersubtrats (6) bildet,

   - eine Metallisierung (631) auf den Grundflächen (63), die die Metallplatte der Bandleitung bildet,

   - eine Reihe von Zonen (64) aus dielektrischem Material, die die Trennwände (62) auseinanderhalten und die Nuten (61) auffüllen, wobei die oberen Flächen dieser Zonen (64) mit den oberen Enden der Trennwände (62) eine im wesentlichen ebene obere Fläche des Substrats bilden,

   - ein auf der oberen Fläche des Halbleitersubstrats angebrachtes und mit den oberen Enden der Trennwände (62) in Kontakt stehendes Metallband (65), das mit jeder der epitaktischen Zonen (620) einen Schottky-Ubergang bildet, wobei das Metallband (65) die Zonen (64) aus dielektrischem Material und die Metallisierungen (631) der Grundflächen (63) die Bandleitung bilden.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus dielektrischem Material mit dem ebenen Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen integriert

   809881/0922

   ist, wobei das Gitter, das ein Halbleitersubstrat aufweist, folgende Bestandteile enthält:

   - eine Reihe von Kontaktpunkten (162) auf einer Grundfläche (163), die an ihren oberen Enden jeweils eine epitaktische Zone (26) tragen, deren Gesamtheit in einer die obere Fläche des Substrats bildenden Ebene liegt,

   - eine Metallisierung (1631) auf der Grundfläche, die die Metallplatte der Bandleitung bildet,

   - eine die Kontaktpunkte trennende Schicht (164) aus dielektrischem Material, deren obere Fläche mit den oberen Enden der Kontaktpunkte (162) eine im wesentlichen ebene Oberfläche für das Substrat bildet,

   - ein auf der oberen Fläche des Substrats angebrachtes Metallband (165), das mit den oberen Enden der Kontaktpunkte (162) in Kontakt steht und mit jeder epitaktischen Zone (1620) einen Schottky-Übergang bildet, wobei das Metallband (165), die Schicht(i64) aus dielektrischem Material und die Metallisierung (1631) der Grundfläche (163) die Bandleitung bilden.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das mit jeder der epitaktischen Zonen (162O) einen Schottky-Übergang bildende Metallband zusammen mit der Schicht (164) aus dielektrischem Material und der Metallisierung (1631) der Grundfläche (163) eine mäanderförmige Leitung (166) bildet.
11. 11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung von einer koplanaren Leitung gebildet ist, die folgende Bestandteile

    809881/0922

    enthält:

    - ein Substrat (22) aus dielektrischem Material mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche,

    - ein Metallband (23), das in der Mitte zwischen zwei Metallplatten (24) angeordnet ist, die mit der oberen Fläche des Substrats in Kontakt stehen und dem ebenen Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen benachbart sind, wobei diese Metallplatten (24) jeweils eine Reihe einander gegenüberliegender metallischer Finger (24i) aufweist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus dielektrischem Material mit dem ebenen Gitter aus nichtlinearen Wechselwirkungselementen integriert ist, das folgende Bestandteile aufweist:

    - eine Reihe von epitaktischen Zonen (262) aus Halbleitermaterial, die in ihrer Gesamtheit im wesentlichen in einer die obere Fläche des Substrats bildenden Ebene liegen und zwischen den zwei Metallplatten (24) so angebracht sind, daß sie jeweils teilweise zwei einander gegenüberliegende metallische Finger (241) teilweise überdecken und mit jedem dieser Finger einen Schottky-Übergang bilden,

    - ein Metallband (23), das in einer Mittellage auf der oberen Fläche des Substrats angebracht ist und mit den epitaktischen Zonen (262) aus Halbleitermaterial in ohmschem Kontakt stehen, wobei das Substrat (22) aus dielektrischem Material, die Metallplatten(24) und das Metallband (23) die koplanare Leitung bilden.
13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Mikrowellenempfänger angeordnet ist.

    809881/0922