DE3140407C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Breitbandmikrowellendetektoranordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Der Betriebsfrequenzbereich einer Detektoranordnung in einem Wellenleiter ist (wenn von einem Betrieb im vorherrschenden Modus ausgegangen wird) unvermeidlich auf ein Band zwischen den Grenzfrequenzen des vorherrschenden Modus und des Modus nächsthöherer Ordnung beschränkt.

Eine Detektoranordnung in einer Übertragungsleitung kann in einem breiteren Frequenzbereich, insbesondere in einem sich bis zu niedrigen Mikrowellenfrequenzen erstreckenden Bereich, betrieben werden. (Unter dem Ausdruck "Übertragungsleitung" sind Mittel zur Fortpflanzung einer TEM- oder Quasi-TEM-Welle zu verstehen.)

Im allgemeinen ist es erwünscht, daß eine Detektoranordnung nicht eine große Menge auffallender Energie reflektiert; selbstverständlich ist es auch erwünscht, daß die Detektordiode selber eine ziemlich große Menge auffallender Energie absorbiert und in Videofrequenzen umwandelt.

Die Impedanz einer Detektordiode kann stark von der Eigenimpedanz einer Übertragungsleitung, mit der sie verbunden ist, verschieden sein und diese Kriterien können zueinander im Widerspruch stehen. Eine Anordnung, die für ziemlich niedrige Mikrowellenfrequenzen geeignet ist, ist in der GB-PS 13 85 111 beschrieben. In dieser Anordnung ist eine Diode mit einer Impedanz von 100-300 Ω mit einer 50-Ω-Übertragungsleitung über eine eine niedrige Impedanz aufweisende Kapazität verbunden und ist zu einem Widerstand von 75 Ω parallel geschaltet. Diese Anordnung ist aber nicht für Frequenzen in der Nähe der Reihenresonanzfrequenz der Detektordiode geeignet; im Bereich dieser Frequenz überbrückt die Diode den Widerstand von 75 Ω mit einer niedrigen Impedanz, wodurch eine starke Fehlanpassung erhalten wird.

Die US-PS 32 41 079 zeigt eine Detektoranordnung, in der der Ausgangsstrom proportional zum Quadrat der Eingangsspannung ist. Um diese Anordnung für kleine Eingangssignale und für große Eingangssignale geeignet zu machen, gibt es mehrere Dioden mit Komplementärcharakteristiken. Das Eingangsnetzwerk und das Ausgangsnetzwerk sind nur für eine Impedanzanpassung vorgesehen. Eine Funktion als Breitband-Detektoranordnung ist nicht vorhanden.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Breitbandmikrowellendetektoranordnung zu schaffen, die für Betrieb bei Frequenzen im Bereich der Reihenresonanzfrequenz der Detektordiode und auch bei Frequenzen weit unter und/oder weit über der Reihenresonanzfrequenz geeignet ist, wobei die Anordnung in ihre Betriebsbandbreite ein annehmbares Stehwellenverhältnis (VSWR ist kurz für Voltage/Standing-Wave Ratio) aufweist, während die Detektordiode selber eine angemessene Menge auffallender Energie absorbieren kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Breitbandmikrowellendetektoranordnung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Der in den Lösungsmerkmalen genannte Kondensator kann mit der Detektordiode in Reihe und zu dem zweiten Widerstand parallel geschaltet sein; die Anordnung kann einen weiteren Kondensator in Reihe mit dem ersten Widerstand und mit der genannten Parallelanordnung enthalten, um eine gleichstrommäßige Isolierung in bezug auf den ersten Übertragungsleitungsteil zu erhalten.

Die Anordnung kann einen oder mehrere weitere Übertragungsleitungen enthalten, die die Impedanzen des Netzwerkes miteinander verbinden. Dadurch kann die Fehlanpassung innerhalb der Detektoranordnung verringert werden.

Vorteilhafterweise ist die Übertragungsleitung eine koplanare Leitung. (Eine derartige Leitung wird manchmal als koplanarer Wellenleiter (kurz CPW) bezeichnet.) Eine koplanare Leitung kann in jeder für den Betriebsfrequenzbereich der Detektoranordnung geeigneten Größe ausgeführt werden und es ist bei dieser Leitung möglich, daß der erste und der zweite Widerstand Dünnfilmwiderstände sind und daß Verbindungen innerhalb der Anordnung eine minimale Länge aufweisen, wodurch die wirksamen punktförmig verteilten Impedanzen der Verbindungen herabgesetzt werden. Gewünschte Werte für den ersten und/oder den zweiten Widerstand können dann einfach dadurch erhalten werden, daß ein geeigneter Flächenwiderstand, unabhängig von den Abmessungen der Leitung, gewählt wird. Insbesondere kann die Leitung sehr klein gemacht werden, damit sie für hohe Mikrowellenfrequenzen geeignet ist, wobei nur durch die für Mikrominiaturherstellung erforderliche Technologie und durch die physische Größe verfügbarer Detektordioden Grenzen gesetzt werden.

Vorteilhafterweise liegen die Teile auf einem gemeinsamen Substrat und besitzen eine gemeinsame Erdfläche.

Der erste Widerstand kann einstückig mit dem mittleren Leiter eines genannten Koplanarleitungsteiles, z. B. als eine Widerstandsmetallschicht, die auch eine "Keimschicht" für die Vakuumablagerung einer weiteren gut leitenden Metallschicht für den mittleren Leiter gebildet hat, hergestellt sein.

Ein genannter weiterer Übertragungsleitungsteil in Form einer koplanaren Leitung kann den ersten und den zweiten Widerstand miteiannder verbinden und ein Erdleiter kann sich entlang beider Seiten des von dem ersten Widerstand abgekehrten Endes des mittleren Leiters dieses weiteren Koplanarleitungsteiles und rings um dieses Ende erstrecken. Dadurch kann eine besonders gedrängte Konfiguration erhalten werden. Der zweite Widerstand kann sich zwischen dem genannten Ende des mittleren Leiters und dem Erdleiter erstrecken und ist vorzugsweise damit einstückig hergestellt.

Der erste Widerstand ist vorzugsweise nahezu 2Z₀/3 und der zweite Widerstand ist vorzugsweise nahezu 3Z₀/2.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Mikrowellendetektoranordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Abwandlung eines Teiles der Ausführungsform nach Fig. 1, und

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der Anordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Detektoranordnung ist größtenteils als eine koplanare Leitung auf einem dielektrischen Substrat 1 gebildet. Der ganze in der Figur sichtbare Teil der Hauptfläche des Substrats 1 ist mit einer leitenden Erdfläche 2 überzogen, ausgenommen ein U-förmiger Schlitz, der sich waagerecht über der Figur von der linken Seite her erstreckt; streifenförmige Leiter erstrecken sich auf dem Substrat innerhalb und entlang des Schlitzes und liegen in einiger Entfernung von den Rändern des Schlitzes, derart, daß Teile einer koplanaren Leitung gebildet werden. Eine streifenförmige Leitung 3 eines ersten Koplanarleitungsteiles liefert beim Betrieb von der Anordnung zu detektierende Signale. Die Leitung wird von einem Netzwerk abgeschlossen, das drei miteinander in Reihe geschaltete Impedanzen enthält, wobei die Impedanzen durch einen Kondensator 4, einen ersten Widerstand 5 bzw. einen zweiten Widerstand 6 gebildet werden. Die Widerstände werden durch gleichmäßige Widerstandsschichten gebildet. Der Kondensator 4 und der Widerstand 5 sind miteinander durch einen zweiten Koplanarleitungsteil verbunden, der einen streifenförmigen Leiter 7 enthält, während die Widerstände 5 und 6 miteinander durch einen dritten Koplanarleitungsteil verbunden sind, der einen streifenförmigen Leiter 8 enthält. Die Erdfläche 2 ist den drei Koplanarleitungsteilen gemeinsam.

Eine Beam-lead-Detektordiode 9 ist über dem Substrat auf dem zweiten Widerstand 6 angebracht. Ein Leiter 9A der Detektor-Diode ist mit dem streifenförmigen Leiter 8 verbunden; der andere Leiter 9B ist mit einer Platte eines Kondensators 10 verbunden, der seinerseits über eine induktive Übertragungsleitung 11 mit einer Platte eines weiteren Kondensators 12 verbunden ist, derart, daß ein Tiefpaßfilter gebildet wird.

Die streifenförmigen Leiter 3 und 7 des ersten bzw. des zweiten Koplanarleitungsteils weise nahe beieinander liegende, aber voneinander getrennte transversale Ränder 3A bzw. 7A auf. Der Kondensator 4 erhält eine Schicht 13 aus einem dielektrischen Material, die unmittelbar auf den streifenförmigen Leitern 3 und 7 liegt und in der Nähe der Seitenränder derselben auch auf dem Substrat liegt. Auf der dielektrischen Schicht liegt ein weiterer streifenförmiger Leiter 14, der mit dem streifenförmigen Leiter 3 und dem streifenförmigen Leiter 7 fluchtet, derart, daß mit diesen respektiven Leitern Kondensatoren gebildet werden: So enthält der Kondensator 4 zwei miteinander in Reihe geschaltete Kondensatoren. Der mit der Detektor-Diode 9 verbundene Tiefpaß enthält auf analoge Weise eine Schicht 15 aus einem dielektrischen Material auf der Erdfläche 2, wobei ein Leiter 16 auf der dielektrischen Schicht derart ausgeführt ist, daß die eine Platte jedes der Kondensatoren 10 und 12 und ein diese miteinander verbindender schmaler streifenförmiger Leiter der Übertragungsleitung 11 gebildet werden.

In der Anordnung nach Fig. 1 erstreckt sich die den Widerstand 6 bildende Widerstandsschicht nur zwischen dem Ende des streifenförmigen Leiters 8 und der Erdfläche 2, wobei die Schicht einen gleichmäßigen spezifischen Widerstand aufweist.

In der Abwandlung nach Fig. 2 erstreckt sich die Widerstandsschicht auch zwischen jeder Seite des Leiters 8 und der Erdfläche 2, während der Widerstand derart abgestuft ist, daß der spezifische Widerstand der Schicht mit zunehmendem Abstand von dem von dem ersten Widerstand 5 abgekehrten Ende des Leiters z. B. auf einen Höchstwert von 1000 Ω pro Flächeneinheit zunimmt.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild, in dem die Schaltungselemente mit den betreffenden Bezugsziffern der Fig. 1 bezeichnet sind. Es läßt sich erkennen, daß die Detektor-Diode 9 zu dem zweiten Widerstand 6 parallelgeschaltet ist (so daß Strom, der von dem ersten durch den Streifenleiter 3 und die Erdfläche 2 gebildeten Übertragungsleitungsteil durch das Abschlußnetzwerk her fließt, sich über den Widerstand 6 und die Detektor-Diode verteilt); daß diese Parallelschaltung in Reihe mit dem ersten Widerstand 5 und den Kondensator 4 angeordnet ist; und daß die Detektor-Diode mit dem ersten Leitungsteil über den Kondensator 4 und über den Kondensator 10 verbunden ist, so daß Strom, der von der Leitung her durch die Detektor-Diode fließt, jeden Kondensator durchsetzt.

Fig. 3 zeigt nicht das Ersatzschaltbild der Detektordiode selber, sondern es wird angenommen, daß diese einen Reihenwiderstand (der für Mikrowellendioden typisch im Bereich von 5 bis 10 Ω liegt) und die Reihenschaltung einer Induktivität und einer Kapazität enthält. Für Mikrowellendioden liegt dieser Reihenwiderstand typisch im Bereich von 5 bis 10 Ω, während die Reihenresonanzfrequenz f₀ (bei der die Impedanzen dieser Induktivität und dieser Kapazität eine gleiche Größe, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen) typisch im Bereich von 30 bis 40 GHz liegt, wenn diese in die Schaltung aufgenommen sind. Bei Frequenzen weit unter und weit über f₀, z. B. unter 20 GHz und über 40 GHz für eine f₀ von 30 GHz, weist die Detektor-Diode eine hohe Impedanz auf, was im wesentlichen auf ihre Kapazität bzw. auf ihre Induktivität zurückzuführen ist; bei Frequenzen im Bereich von f₀ weist die Detektor-Diode eine niedrige Impedanz auf, was im wesentlichen auf ihren Reihenwiderstand zurückzuführen ist. Infolgedessen wird bei Frequenzen weit unter f₀ und weit über f₀ die durch das Netzwerk dargestellte Abschlußimpedanz des ersten Übertragungsleitungsteiles im wesentlichen durch die Summe des ersten und des zweiten Widerstandes bestimmt, wobei die Detektor-Diode als Spannungsdetektor wirkt, während bei Frequenzen im Bereich von f₀ die Abschlußimpedanz des Netzwerks im wesentlichen durch den ersten Widerstand bestimmt wird, wobei die Detektor-Diode als Stromdetektor wirkt. Die ausgewählten Werte des ersten und des zweiten Widerstandes stellen einen Kompromiß zwischen der Maximierung der von der Detektor-Diode absorbierten Energie und der Erhaltung eines akzeptablen Stehwellenverhältnisses (VSWR) dar; für einen Arbeitsbereich von weit unter f₀ bis weit über f₀ haben sich 33 Ω bzw. 75 Ω als besonders geeignete Werte erwiesen.

Der Ausgang der Detektordiode (bei Videofrequenzen) kann über einem Kondenstor angeordnet werden, der zwischen der Diode und dem ersten Übertragungsleitungsteil eingeschaltet ist. In der Anordnung nach Fig. 1 sind zwei solcher Kondensatoren vorhanden, und zwar der Kondensator 4 und der Kondensator 10; im vorliegenden Beispiel wird der Diodenausgang über dem Kondensator 10 angeordnet, während mittels des Kondensators 4 eine Gleichstrom- und Niederfrequenzisolierung erhalten wird.

Eine Detektoranordnung der in Fig. 1 dargestellten Art wurde auf folgende Weise hergestellt. Das Substrat 1 bestand aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 1/4 mm. Zwei Metallschichten wurden in einem Vakuum auf der ganzen für die Anordnung verwendeten Substratoberfläche abgelagert. Erstens wurde eine aus einer Nickel-Chrom-Legierung bestehende "Keimschicht" mit einem spezifischen Flächenwiderstand von 100 Ω durch Sublimation erzeugt und zweitens wurde durch Aufdampfen eine Goldschicht mit einer Dicke von 300 nm erzeugt. Dann wurde das Gold mit einem galvanischen Überzug bis zu einer Gesamtdicke von 2 µm versehen. Die Leiter 2, 3, 7 und 8 und die Widerstände 5 und 6 werden dann aus den Metallschichten durch Photolithographie gebildet. Anschließend wurde durch Zerstäubung Siliciumoxid über eine Maske angebracht, um die dielektrischen Schichten 13 und 15 mit einer Dicke von 2 µm zu bilden. Schließlich wurden die Leiter 14 und 16 durch Vakuumablagerung über eine Maske aus einer Nickel-Chrom-Legierung und aus Gold, wie oben, gebildet, wobei das Gold dann mit einem galvanischen Überzug versehen wurde. Die Detektordiode wird durch ein Thermokompressionsverfahren befestigt.

Der abgestufte Widerstand nach Fig. 2 kann durch Ionenstrahlätzung einer Widerstandsschicht mit einer geregelten Geschwindigkeit, die über den Widerstand geändert wird, hergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Anordnung nach Fig. 1 wurde bei Frequenzen bis zu 40 GHz geprüft; eine befriedigende Wirkung wurde bis zu dieser Frequenz erhalten, wobei die Rückflußdämpfung mehr als 10 dB betrug (was ein VSWR von mehr als 2 : 1 bedeutet), während angenommen wird, daß diese befriedigende Wirkung bis zu viel höheren Frequenzen erhalten bleibt. Es wurden Versuche mit einer Anzahl verschiedener Dioden gemacht; der Wirkungsgrad der Schaltung war in allen Fällen nahezu gleich.

Claims (14)

1. Breitbandmikrowellendetektoranordnung, die einen ersten Übertragungsleitungsteil mit einer Eigenimpedanz Z₀, ein Netzwerk als Abschlußimpedanz des ersten Übertragungsleitungsteils und eine Detektordiode (9) mit einer Reihenresonanzfrequenz f₀ enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk eine Anzahl von Impedanzen enthält, darunter einen ersten Widerstand (5), der einen Wert unter Z₀ aufweist und der in Reihe geschaltet ist mit der Parallelschaltung der Detektor-Diode (9) und eines zweiten Widerstandes (6), der größer als der erste Widerstand (5) ist, und weiter mindestens einen Kondensator (10), über den die Detektordiode mit dem ersten Übertragungsleitungsteil verbunden ist, so daß der Widerstandsteil der Abschlußimpedanz im wesentlichen bestimmt wird durch die Summe des ersten und des zweiten Widerstandes (5, 6) bei Frequenzen, die wesentlich von der Reihenresonanzfrequenz f₀ verschieden sind und durch den ersten Widerstand (5) bei Frequenzen im Bereich der Reihenresoanzfrequenz f₀.

2. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (10) in Reihe mit der Detektor-Diode (9) und parallel zu dem zweiten Widerstand (6) angeordnet ist.

3. Detektoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen weiteren Kondensator (4) in Reihe mit dem ersten Widerstand (5) und mit der genannten Parallelschaltung enthält.

4. Detektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen oder mehrere weitere Übertragungsleitungsteile enthält, die die Impedanzen des Netzwerkes miteinander verbinden.

5. Detektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung eine koplanare Leitung ist.

6. Detektoranordnung nach Anspruch 5, sofern abhängig vom Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile auf einem gemeinsamen Substrat (1) liegen und eine gemeinsame Erdfläche (2) besitzen.

7. Detektoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (5) einstückig mit dem mittleren Leiter eines genannten Koplanarleitungsteiles hergestellt ist.

8. Detektoranordnung nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 5, 6 oder 7 sofern abhängig von Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein genannter weiterer Übertragungsleitungsteil in Form einer koplanaren Leitung den ersten und den zweiten Widerstand miteinander verbindet, und daß ein Erdleiter sich entlang beider Seiten des von dem ersten Widerstand abgekehrten Endes des mittleren Leiters des genannten weiteren Koplanarleitungsteiles und rings um dieses Ende erstreckt.

9. Detektoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Widerstand zwischen dem genannten Ende des mittleren Leiters und dem Erdleiter erstreckt.

10. Detektoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand einstückig mit dem mittleren Leiter und dem Erdleiter hergestellt ist.

11. Detektoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand sich auch zwischen jeder Seite des mittleren Leiters und des Erdleiters erstreckt, wobei der Flächenwiderstand mit zunehmendem Abstand von dem genannten Ende zunimmt.

12. Detektoranordnung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Diode über dem zweiten Widerstand angebracht ist.

13. Detektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand nahezu 2Z₀/3 ist.

14. Detektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand nahezu 3Z₀/2 ist.