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QUASIPLANARE STRUKTUR ZUR INTEGRATION VON TRANSISTOREN IN
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HOHLLEITERSCHALTUNGEN Die Erfindung umfaßt eine quasiplanare Leitungsstruktur.
die die Integration von Mikrowellentransistoren in Hohlleiterschaltungen ermöglicht.
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Während in der Literatur sehr viele Beiträge existieren. die sich
mit der Integration von Mikrowellendioden in Hohlleiterschaltungen befassen, sind
nur sehr wenige Entwürfe für den Einbau von Transistoren bekannt.
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Im Jahresbericht 1979 des Institutes für Halbleitertechnik der RWTH
Aachen,1979, Seite 16-20, ist eine quasiplanare Struktur vorgestellt worden, die
aus einer Mikrostreifenleitungs-, Koplanar- und Finleitungskonfiguration besteht.
Mit Hilfe von zusätzlichen Anpassungstransformatoren (Schräubchentuner) wurden Einfügungsdämpfungen
von 5-8 dB im K-Band erreicht. Ein Entwurf eines FET-Oszillators für 30 GHz wurde
in einem Konferenzbericht zur 11. Europäischen Mikrowellenkonferenz in Amsterdam,
1981, Seite 297-300, vorgestellt.
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Für den direkten Einbau von Transistoren und sonstiger aktiver 3-Pol
Elemente in Hohlleiterschaltungen sind folgende Probleme zu lösen: 1) Es ist ein
geeigneter Abschluß für Frequenzen unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz vorzusehen,
da moderne Mikrowellentransistoren bei tiefen Frequenzen nur eine bedingte Stabilität
zeigen, 2) Einfügungsdämpfung und Reflexion müssen klein gehalten werden, da die
Transistoren in den Hohlleiterbändern nur kleine Leistungsverstärkungen aufweisen,
3) eine ausreichende HF-Entkopplung der Transistorstromversorgung ist zu gewährleisten,
und 4) eine gute Reproduzierbarkeit der hochfrequenten,
charakteristischen
Kenngrößen (S-Parameter) einzelner, gleicher Strukturen ist für den Einsatz in Transistormeß-
oder Verstärkerschaltungen notwendig.
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Diese genannten Anforderungen werden erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Struktur nach der Erfindung besteht aus einem dünnen, teilweise
metallisierten, dielektrischen Substrat mit kleiner Dielektrizitätszahl, das in
die Mittelebene (E-Ebene) eines Rechteckhohlleiters eingesetzt wird. Sie bildet
eine inhomogene, antipodale Finleitung mit einem dissipativen Schlitzbereich und
eine Streifenleitung, in die die Transistoren mit konventionellen Methoden (Bond
-und Klebetechniken) implementiert werden.
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Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig.1 Schematische Darstellung der planaren Struktur Fig.2
Typische longitudinale Finstromverteilung Fig.3 Ersatzschaltbild für die TEM-Wellenausbre.itung
Fig.4 Einbau der Struktur nach der Erfindung in die Mittelebene eines Hohlleiters
Figur Transistorchipträger Fig.6 Einbau des Chipträgers in den Streifenleitungsabschnitt
der Struktur Fig.7 Reflexionsdämpfung einer X - Band Struktur nach Fig.4 unterhalb
der Hohlleitergrenzfrequenz Fig.8 HF-Entkopplung der Stromversorgung einer X - Band
Struktur nach Fig.4 Fig.9 Einfügur,gs- und Reflexionsdämpfung einer X - Band Struktur
nach Fig.4 im Hohlleiterband Fig.10 Vergrößerte Teildarstellung der in Fig.4 gezeigten
Struktur
Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung der modifizierten,
quasiplanaren Struktur, auf der fünf verschiedene Leitungsabschnitte integriert
sind: la: Mikrostreifenleitung 1b: Mikrostreifenleitung mit reduzierter Grundmetallisierung
1c: Antipodale Finleitung mit dissipativem Schlitzbereich 1d: Antipodale Finleitung
le: Rechteckhohlleiter mit dielektrischer Beschwerung Die Leitungsbereiche 1a, 1b,
1d und 1e stellen einen bekannten Mikrostreifenleitung - Hohlleiterübergang dar.
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Entlang der inhomogenen Leitungsabschnitte Bild Ib, 1c und ld wird
das transversale elektrische Feld des dominanten Finleitungsmodes räumlich um 900
gedreht. Der quasi-TEM Leitungstyp auf der Streifenleitung wird so in den H10 -
Grundwellentyp im Rechteckhohlleiter übergeführt.
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Für Frequenzen unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz existieren keine
ausbreitungsfähigen Finleitungs- und Hohlleitermoden. Auf der Streifenleitung angeregte
TEM - Wellen würden daher total reflektiert werden, was eine breitbandige Reflexionsdämpfung
von 0 dB bedingen würde. Diese Fehlanpassung ist für einen schwingungsfreien Betrieb
moderner Mikrowellentransistoren nicht zulässig.
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Die erfindungsgemäß modifizierte Struktur weist zusätzlich einen dissipativen
Schlitzbereich Fig. 1c auf, der so in den antipodalen Finleitungsabschnitt eingefügt
ist, daß die im Bereich unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz angeregten TEM-Wellen
bedämpft werden und gleichzeitig der Einfluß der dissipativen Schicht auf Reflexion
und Transmission im Hohlleiterband gering bleibt.
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In Fig. 2 ist eine typische longitudinale Finstromverteilung gezeigt
(nach einem Aufsatz in Wiss. Berichte AEG-Telefunken 51, 1978, Seite 161-166). Daraus
ist zu ersehen, -daß der dominante Finleitungswellentyp vorwiegend an der Leitungskante
geführt wird. Das Einbringen eines in longitudinaler Richtung begrenzen, dissipativen
Schlitzes in der Nähe der metallischen Berandung des Hohlleiters hat deshalb nur
einen geringen Einfluß
auf den Wellentransport im Hohlleiterband.
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Fig. 3 zeigt das für die TEM - Wellenausbreitung unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz
gültige Ersatzschaltbild. Der Widerstand R und die Kapazitäten C1 und C2 modellieren
darin den Einfluß der dissipativen Schicht und zweier vom Hohlleitergehäuse isolierter
Metallisierungen (Siehe Figur 10).
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Durch eine Optimierung der Metallisierungs- (C1 und C2) und Schlitzgeometrien
(R) kann ein Breitbandabschluß unterhalb Hohlleiter Cut-Off erzielt werden. Zur
Vermeidung hoher Einfügungsdämpfungen im Hohlleiterband darf der Schlitz die inhomogene
Finleitung in longitudinaler Richtung nicht vollständig durchteilen.
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In Figur 10 ist die Topologie einer Halbstruktur dargestellt. Die
quasiplanare Wellenleiterstruktur ist auf einem 0.254 mm .dünnen Substrat 1 (RT/Duroid
5880, kr=2,2) gedruckt. Durch Implementierung photolithographischer Verfahren und
computer gesteuerter Maskenfabrikation wird eine hohe Genauigkeit bei der Fertigung
und damit eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit sichergestellt.
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Die dissipative Schicht 2 besteht erfindungsgemäß aus einem dünnen
Belag aus Graphit oder anderen mikrowellenabsorbierenden Materialien (auch konzentrierte
Chipwiderstände können verwendet werden), der z.B. durch Dünnfilmbeschichtung auf
das Substrat aufgebracht wird.
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Die Transistoren werden in den Mikrostreifenleitungsabschnitt 3 (Wellenwiderstand
Zu=50 Ohm) mit gängigen Methoden integriert. Die Gleichstromversorgung erfolgt über
die Metallisierung 4, die über den Innenleiter eines im Hohlleitergehäuse eingebauten
koaxialen (OSM, SMA) Konnektors kontaktiert wird. Eine dünne Leitung 5 mit hohem
Wellenwiderstand verbindet die Metallisierung 4 mit der Finmetallisierung 6 in einem
Bereich der Fin, der für die Führung des dominanten Wellentyps nicht relevant ist.
Mit dieser Topologie wird eine ausgezeichnete HF-Entkopplung der Gleichspannungsversorgung
erreicht.
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Die vom Hohlleitergehäuse isolierten Metallisierungen 7 und 8 bilden
die Kapazitäten C2 und C1, die für einen geeigneten
Breitbandabschluß
unter Hohlleiter-Cut-off dimensioniert werden.
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Cos2 und kubische Konturverläufe für den inhomogenen Finleitungsbereich
garantieren eine genügende Anpassung im Hohlleiterband.
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Die Längen sowie die Konturverläufe der inhomogenen Leitungsbereiche
9 bis 12 sind experimentell für kleine Einfügungs- und hohe Reflexionsdämpfungen
zu optimieren.
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Die mit dem Hohlleitergehäuse galvanisch verbundene Zusatzmetallisierung
13 dient der Unterdrückung des Einflusses eines durch die geschlossene metallische
Berandung in diesem Raumbereich gebildeten Resonators geringer Güte auf das Transmissionsverhalten
der Struktur im HohlleiterbandZ wie schon in einem Aufsatz in IEEE Trans. Microwave
Theory Tuch. 26.
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1978. Seite 1007-1011 erwähnt ist.
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In Fig. 4 ist der Einbau der Struktur in der Mittelebene des Hohlleiters
skizziert, der aus den gefrästen Metallteilen 4a und 4b gebildet wird. In die Verbindungsebene
der beiden Blöcke sind Nuten zur genauen Positionierung der Struktur gefräst. Die
Metallisierungen an der Oberseite der Struktur 4c werden mit Ausnahme der Zusatzmetallisierung
-13 durch eine dünne Folie (z.B. Mylar, W =2.8, Dicke d = 0.006 mm, DuPont)' vom
Hohlleitergehäuse isoliert. In 4b sind zwei koaxiale Konnektoren für die Gleichspannungsversorgung
der Transistoren integriert. Im Streifenleitungsbereich der Struktur 4c ist eine
Bohrung 4d vorgesehen (Siehe Fig. 6).
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Einen Transistorchipträger zeigt Fig. 5. Er besteht aus einem genuteten
Stempel 5a, in den der Transistorchip 5b mit einem Leitkleber 5c eingeklebt wird,
sowie einer Grundplatte 5d, deren Ränder stufenförmig gefräst sind. Das Material
ist Kupfer mit einer galvanisch aufgebrachten Oberflächengoldschicht von 0.005 mm.
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Fig. 6 zeigt im Detail den Einbau des Transistorchipträgers in die
Streifenleitung. Der Stempel 5a wird durch eine Bohrung 4d im Substrat geführt und
der gefräste Randbereich der Grundplatte 5d wird mit der Grundmetallisierung der
Streifenleitung mit Leitkleber verklebt. Die Verbindungen zwischen den Elektroden
am Transistorchip 6a und den Streifenleitungsmetallisierungen
6b
und 6c (Verbindung typisch mit Gate, Drain oder Basis, Kollektor), sowie dem Stempel
6d (Verbindung mit Source- oder Emitterelektrode) werden durch 0.00175 mm dünne
Golddrähte hergestellt, die mittels Thermokompessionsbondverfahren mit den Metallisierungen
verschweißt' werden.
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Meßwerte für eine realisierte X-Band Struktur sind in Bild 7-9 angegeben.
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Fig. 7 zeigt die Reflexionsdämpfung unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz.
Mehr als 3 dB werden erreicht im Bereich von 700 MHz bis 6.5 GHz. Diese Dämpfung
ist ausreichend für den stabilen Betrieb von modernen Mikrowellentransistoren.
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Die HF-Entkopplung der Stromversorgung ist in Fig. 8 gezeigt. Die
Werte liegen im X-Band fast durchwegs über 40 dB.
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Schließlich zeigt Bild 9 die Einfügungs- und Reflexionsd-ämpfung im
X-Band. Erstere zeichnet sich durch niedrige Welligkeit und Werte unter 3 dB und
letztere durch Werte über 10 dB aus.
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Das erfindungsgemäße Entwurfskonzept ist auch für das P, K- und R-Band
gültig, da die relative Finstromverteilung fast frequenzunabhängig ist. Deshalb
können durch einfache Umskalierung analoge Strukturen für diese Hohlleiterbänder
entworfen werden.
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