DE3330099C2

DE3330099C2 - Hohlleiter/Mikrostrip Übergang

Info

Publication number: DE3330099C2
Application number: DE19833330099
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. 7778 Markdorf Ebner
Original assignee: Individual
Current assignee: EBNER, HERMANN, DIPL.-ING., 7778 MARKDORF, DE
Priority date: 1983-08-20
Filing date: 1983-08-20
Publication date: 1985-11-21
Also published as: DE3330099A1

Abstract

Die Erfindung beinhaltet eine planare Leitungsstruktur, die auf einem dünnen, dielektrischen Substrat 1 aufgebracht und in der Mittelebene eines Rechteckhohlleiters eingebaut ist. Sie umfaßt einen modifizierten Hohlleiter-Streifenleitungsübergang, in den die Metallisierungen 4 und 5 zur Stromversorgung und 13 zur Resonanzunterdrückung im Hohlleiterfrequenzband integriert sind. Die Transistoren werden im Streifenleitungsbereich 3 eingesetzt. Den Übergang bildet eine inhomogene, antipodale Finleitung, die einen Schlitzbereich 2 mit dissipativer Beschichtung aufweist. Damit wird eine für einen schwingungsfreien Betrieb von Mikrowellentransistoren notwendige Reflexionsdämpfung bei tiefen Frequenzen erreicht, ohne die Transmissions- und Reflexionseigenschaften im Hohlleiterband wesentlich zu beeinflussen. Die Zusatzmetallisierungen 7 und 8 bestimmen zusammen mit dem dissipativen Schlitzbereich die Reflexionsdämpfung unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz. Die Konturen und die Längen der inhomogenen Leitungsbereiche 9 bis 12 legen die Reflexions- und Transmissionseigenschaften im Hohlleiterband fest. Ein photolithographisches Herstellungsverfahren sichert eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit der hochfrequenten, elektrischen Strukturkenngrößen. Anwendungsbereiche liegen in der Präzisionsmikrowellenmeßtechnik und im Bau von (Breitband)-Verstärkern für den Höchstfrequenzbereich.

Description

a) in derjenigen Finmetallisierung (b), die in den Streifenleiter (3) der Mkrostripieitung übergeht, im Randbereich zur Hohlleiterwand ein Schlitz (2) in Wellenfortpflanzungsrichtung angebracht ist, der den im Hohlleiterblock positionierten Teil der Finmetallisierung (8) am hohlleiterseitigen Ende des Übergangs längs der den dominanten Finmode führenden ersten Finleitungskante (10) durchtrennt und sich in dem im Holleiteraperturbereich positionierten Teil der Finmetallisierung (6) längs der Hohlleiterwand bis zur zweiten Finleitungskante (11) fortsetzt,

b) in den Schlitz (2) der antipodalen Finleitung verlustbehaftetes Material eingebracht ist,

c) der durch den Schlitz (2) von derjenigen Finmetallisierung (6), die in den Streifenleiter (3) der Mikrostripleitung übergeht, abgetrennte und im Hohlleiterblock positionierte Teil der Finmetallisierung (8) durch Zwischenlage einer dünnen dielektrischen Folie gegen die Hohlleiterblockwand isoliert ist und so einen Belag einer ersten Kapazität (C£ bildet,

d) der im Hohlleiterblock positionierte Teil derjenigen Finmetallisierung (6), die in den Streifenleser (3) übergeht, sich in Form eines schmalen Leiterstreifens (7) bis zum belagfreien Ende des Substrates (1) fortsetzt und durch Zwischenlage einer dünnen dielektrischen Folie gegen die angrenzende Hohlleiterblockwand den Belag einer zweiten Kapazität CCi) bildet.

2. Hohlleiter/Mikrostrip-Übergang nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das verlustbehaftete Material im Schlitzbereich (2) aus einem oder mehreren konzentrierten Widerständen in der Form von Dünn- oder Dickfilmwiderständen besteht.

3. Hohlleiter/Mikrostrip-Übergang nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß in an sich bekannter Weise im Übergangsbereich zwischen der antipodalen Finleitung und der Mikrostripleitung auf der Streifenleiterseite eine mit der angrenzenden Hohlleiterwand kontaktierende Zusatzmetallisierung (13) angeordnet ist.

4. Hohlleiter/Mikrostrip-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß ein gradueller, inhomogener Übergang (9) des dielektrischen Substrates (1) vorgesehen ist.

5. Hohlleiter/Mikrostrip-Übergang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß diejenige Finmetallisierung (6), die in den Streifenleiter (3) übergeht, am hohlleiterseitigen En-

de des Schlitzes (2) mit einer Metallisierung (5) galvanisch verbunden ist, die in Form eines schmalen Leiterstreifens längs des Randes der im Hohlleiterblock positionierten und durch den Schlitz (2) von der Finmetallisierung (6) abgetrennten Teilmetallisierung (8) bis zu derem streifenleiterseitigen Ende verläuft und dort abrupt in eine erweiterte, rechteckförmige Metallisierung (4) übergeht, welche zusammen mit der Metallisierung (5) des schmalen Leiterstreifens durch Zwischenlage einer dünnen, dielektrischen Folie vom Hohlleiterblock isoliert ist

Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter/Mikrostrip-Übergang für die Ankopplung eines in einem Rechteck-Hohlleiterbereich angeordneten aktiven Zweitors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

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 Halbleitertechn'ik der RWTH Aachen, Seite 16—20, ist eine quasiplanare Struktur vorgestellt worden, die aus einer Mikrostreifenleitungs-, Koplanar- und Finleiiungskonfiguration besieht. Mit Hilfe von zusätzlichen Anpassungstransformatoren (Schräubchentuner) wurden Einfü- gungsdämpfungen 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 oder von sonstigen aktiven 3-Pol Elementen in Hohlleiterschaltungen sind folgende Probleme zu lösen:

1. Es ist ein geeigneter Abschluß für Frequenzen unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz vorgesehen, da moderne Mikrowellentransistoren bei tiefen Frequenzen nur eine bedingte Stabilität zeigen.

2. Einfügungsdämpfung und Reflexion in den Hohlleiterbändern müssen klein gehalten werden, da die Transistoren in den Höchstfrequenzbereichen nur geringe Leistungsverstärkungen aufweisen.

3. Eine ausreichende HF-Entkopplung der Transistorstromversorgung muß sichergestellt sein.

4. Eine gute Reproduzierbarkeit der hochfrequenten, charakteristischen Kenngrößen (Streuparameter) ist für den Einsatz der Strukturen 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.

Der Hohlleiter/Mikrostrip-Übergang nach der Erfindung besteht aus einem dünnen, teilweise metallisierten, dielektrischen Substrat mit kleiner Dielektrizitätszahl, das in die Mittelebene fE-Ebene) eines Rechteckhohlleiters eingesetzt wird. Er bildet eine inhomogene, antipodale Finleitung mit einem dissipativen Schlitzbereich und eine Mikrostreifenleitung, in die die Transistoren mit konventionellen Methoden (Band- und Klebetechniken) implementiert werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Schematische Darstellung der Leiterkonfiguration des Obergangs,

F i g. 2 typische longitudinal Finstromverteilung,

Fig.3 Ersatzschaltbild für die TEM-WeUenausbreitung,

F i g. 4 Einbau der Leiterkonfiguration nach der Erfindung in die Mittelebene eines Rechtecknohlleiters,

F i g. 5 Transistorchipträger,

Fig.6 Einbau des Chipträgers in den Streifenleitungsabschnitt der Struktur,

F i g. 7 Refiexionsdämpfung eines X-Band-Obergangs nach F i g. 4 unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz,

Fig.8 HF-Entkopplung der Stromversorgung eines X-Band-Obergangs nach F i g. 4,

F i g. 9 Einfügungs- und Reflexionsdämpfung eines X-Band-Übergangs nach F i g. 4 im Hohlleiterband,

F i g. 10 Vergrößerte Teildarstellung der in F i g. 4 gezeigten Leiterkonfiguration.

F i g. 1 zeigt die schematische Darstellung der modifizierten, quasiplanaren Leiterkonfiguration, bei der fünf verschiedene Leitungsabschnitte integriert sind, die darunter im Querschnitt gezeigt werden, wobei dargestellt sind:

a) Mikrostreifenleitung,

b) Mikrostreifenleitung mit reduzierter Grundmetallisierung,

c) Antipodale Finleitung mit dissipativem Schlitzbereich,

d) Antipodale Finleitung,

e) Rechteckhohlleiter mit dielektrischer Beschwerung.

Die metallisierten Flächen auf den gegenüberliegenden Seiten des Substrats sind durch unterschiedliche Schraffung gekennzeichnet

Die Leitungsbereiche a, b, d und e sind bei Hohlleiter/ Mikrostrip-Übergängen bekannt. Entlang der inhomogenen Leitungsabschnitte b, c und d wird das transversale elektrische Feld des dominanten Finleitungsmodes räumlich um 90° gedreht. Der quasi-TEM Leitungstyp auf der Streifenleitung wird so in den Hio-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 breitbaiidijge Reflexionsdämpfung von 0 dB bedingen würde. Diese Fehlanpassung ist für einen schwingungsfreien Betrieb moderner Mikrowellentransistoren nicht zulässig.

Die erfindungsgemäß modifizierte Leiterkonfiguration weist zusätzlich einen dissipativen Schlitzbereich 2 auf, der so in den antipodalen Einleitungsabschnitt 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. Zur Vermeidung hoher Einfügungsdämpfungen im Hohlleiterband darf der Schlitz die inhomogene Finleitung in longitudinaler Richtung nicht vollständig durchteilen; er ist daher einseitig in Richtung auf den Randbereich des Substrates weggeführt.

In F i g. 2 ist eine typische longitudinal Finstromverteilung gezeigt (nach einem Aufsatz in Wiss. Berichte AEG-Telefunken 51, 1978, Seite 161—166). Daraus ist zu ersehen, daß der dominante Finleiiungswellentyp vorwiegend an der Leitungskante geführt wird. Das Einbringen eines in longitudinaler Richtung begrenzten, dissipativen Schlitzes in der Nähe der metallischen Berandung des Hohlleiters hat deshalb nur einen geringen Einfluß auf den Wellentransport im Hohlleiterband.
F i g. 3 zeigt das für die TEM-Weilenausbreitung unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz gültige Ersatzschaltbild. Der Widerstand R und die Kapazitäten Ci und C₂ bilden darin den Einfluß der dissipativen Schicht und zweier vom Hohlleitergehäuse isolierten Metallisierungen (siehe F i g. 10) nach.

Durch die Optimierung der MetaJlisierungs- und Schlitzgeometrien kann ein Breitbandabschluß unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz erzielt werden.
In Fig. 10 ist die Leiterkonfiguration in Einzelheiten dargestellt. Sie ist auf einem 0,254 mm dünnen Substrat 1 (RT/Duroid 5880, ε_Γ = 2,2) gedruckt. Durch Implementierung photolithografischer Verfahren und computergesteuerter Maskenfabrikation wird eine hohe Genauigkeit bei der Fertigung und damit eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit sichergestellt.

Die dissipative Schicht im Schlitz 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 Z_L = 50 Ω) mit gängigen Methoden integriert. Die GIe ichstromversorgung erfolgt über die Metailisierung 4, die über den Innenleiter eines im Hohlleitergehäuse eingebauten, nicht dargestellten koaxialen SM A-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. Auf diese Weise wird eine ausgezeichnete H F-Entkopplung der Gleichspannungsversorgung erreicht.

Die vom Hohlleitergehäuse isolierten Metallisierungen 7 und 8 bilden die Kapazitäten C2 und Q, die für einen geeigneten Breitbandabschluß unterhalb der Hohlleitergrenzfrequenz 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 Transismiiüsionsverhalten der Struktur im Hohlleiterband, wie schon in einem Aufsatz in IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 26,1978, Seite 1007 — 1011, erwähnt ist.

In F i g. 4 ist der Einbau des Substrats mit Leiterkonfiguration in der Mittelebene des Hohlleiters skizziert, der aus den gefrästen Metallteilen 14 und 15 gebildet wird. In die Verbindungsebene der beiden Blöcke sind Nuten zur genauen Positionierung der quasiplanaren Struktur im Hohlleiter gefräst. Die Metallisierungen an der Oberseite des Substrates 1 werden mit Ausnahme der Zusatzmetallisierung 13 durch eine dünne Folie (z. B. Mylar, s_r — 2,8, Dicke d = 6 μιη, Du Pont) vom Hohlleitergehäuse isoliert. In 14 sind zwei nicht dargestellte koaxiale Konnektoren für die Gleichspannungs-

Versorgung der Transistoren integriert. Im Streifenleitungsbereich 3 ist eine Bohrung 16 für die Integration des aktiven Zweitors vorgesehen (siehe auch Fig.6). Einen Transistorchipträger zeigt F i g. 5. Er besteht aus einem genuteten Stempel 17, in den der Transistorchip 18 mit einem Leitkleber 19 eingeklebt wird, sowie einer Grundplatte 20, deren Ränder stufenförmig gefräst sind. Das Material ist Kupfer mit einer galvanisch aufgebrachten Oberflächengoldschicht von 5 μιη.

F i g. 6 zeigt im Detail den Einbau des Transistorchipträgers in die Streifenleitung. Der Stempel 17 wird durch eine Bohrung 16 im Substrat geführt, und der gefräste Randbereich der Grundplatte 20 wird mit der Grundmetallisierung der Streifenleitung mittels Leitkleber verklebt Die Verbindungen zwischen den Elektroden am Transistorchip 18 und den Streifenieitungsrnetallisierungen 3 und 3' (Verbindung typisch mit Gate, Drain oder Basis, Kollektor), sowie dem Stempel 17 (Verbindung typisch mit Source- oder Emitterelektrode) werden durch 17,5 μπι dünne Golddrähte hergestellt, die mittels Thermokompressionsbondverfahren mit den Metallisierungen verschweißt werden.

Meßwerte für einen hergestellten X-Band-Übergang sind in F i g. 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 dargestellt. Die Werte liegen im X-Band fast durchwegs über 40 dB.

Schließlich zeigt F i g. 9 die Einfügungs- und Reflexionsdämpfung im X-Band. Erstere zeichnet sich durch niedere Welligkeit und Werte unter 3 dB und letztere durch Werte über 10 dB aus.

Das erfindungsgemäße Entwurfkonzept 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.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Hohlleiter/Mikrostrip-Übergang für die Ankopplung eines in einem Rechteck-Hohlleiterbereich angeordneten aktiven Zweitors, insbesondere eines Transistors, bestehend aus einem Leitungsabschnitt einer inhomogenen antipodalen Finleitung und einem Mikrostrip-Leitungsabschnitt auf einem Substrat kleiner Dielektrizitätszahl, das sich in einer zu den elektrischen Feldlinien des Grundwellentyps (Wio) parallelen Mittelebene des Rechteckhohlleiters erstreckt wobei das aktive Zweitor in den Leitungszug der Mikrostripleitung integriert ist, gekennzeichnetdadurch, daß