DE3330099A1 - Quasiplanare struktur zur integration von transistoren in hohlleiterschaltungen - Google Patents

Quasiplanare struktur zur integration von transistoren in hohlleiterschaltungen

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Hermann Dipl.-Ing. 5100 Aachen Ebner
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EBNER, HERMANN, DIPL.-ING., 7778 MARKDORF, DE
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices

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  • Microwave Amplifiers (AREA)

Description

  • QUASIPLANARE STRUKTUR ZUR INTEGRATION VON TRANSISTOREN IN
  • HOHLLEITERSCHALTUNGEN Die Erfindung umfaßt eine quasiplanare Leitungsstruktur. die die Integration von Mikrowellentransistoren in Hohlleiterschaltungen ermöglicht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese genannten Anforderungen werden erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • 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.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Cos2 und kubische Konturverläufe für den inhomogenen Finleitungsbereich garantieren eine genügende Anpassung im Hohlleiterband.
  • Die Längen sowie die Konturverläufe der inhomogenen Leitungsbereiche 9 bis 12 sind experimentell für kleine Einfügungs- und hohe Reflexionsdämpfungen zu optimieren.
  • 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.
  • 1978. Seite 1007-1011 erwähnt ist.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • Meßwerte für eine realisierte X-Band Struktur sind in Bild 7-9 angegeben.
  • 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.
  • Die HF-Entkopplung der Stromversorgung ist in Fig. 8 gezeigt. Die Werte liegen im X-Band fast durchwegs über 40 dB.
  • 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.
  • 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.
  • - Leerseite -

Claims (5)

  1. PATENTANSPRüCHE 1. Quasiplanare Struktur zur Integration von Transistoren in Hohlleiterschaltungen mit a) einem dünnen, teilweise metallisierten, dielektrischen Substrat kleiner Dielektrizitätszahl, das in die Mittelebene (E-Ebene) eines Rechteckhohlleiters eingebaut wird, b) einem planaren Hohlleiter - Streifenleitungsübergang, gebildet aus einer inhomogenen, antipodalen Finleitung und einer Streifenleitung, c) einer unsymmetrischen Streifenleitung, in die die Transistoren oder sonstige Halbleiterdreipole integriert werden, gekennzeichnet dadurch, daß d) in einem Teilbereich der Finleitungsmetallisierung (6) ein mit dissipativem Material belegter Schlitz (2) implementiert ist.
    e) vom Hohlleitergehäuse durch dünne dielektrische Folien isolierte Metallisierungen (7) und (8) vorhanden sind, f) ein integriertes Stromversorgungsnetzwerk bestehend aus Metallisierung (4) und Leitung (5) vorgesehen ist.
  2. 2. Eine Struktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das verteilte, dissipative Material im Schlitzbereich (2) durch einen oder mehrere konzentrierte Dünnfilmchipwiderstände ersetzt wird.
  3. 3. Eine Struktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine mit dem Hohlleitergehäuse galvanisch verbundene Zusatzmetallisierung (13) implementiert ist.
  4. 4. Eine Struktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Verbesserung der Anpassung ein gradueller, inhomogener Übergang (9) des dielektrischen Substrates (1) vorgesehen ist.
  5. 5. Eine Struktur nach Anspruch 1-, gekennzeichnet dadurch, daß die inhomogenen Leitungsbereiche (9) - ( 12) unterschiedliche (lineare, cos2- und kubische) Konturen und Längen aufweisen (können).
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