DE3934224A1 - Anordnung zur mikrowellen-integration - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Mikrowellen-
Integration gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Unter einer "Streifenleitung" (strip line) zur Leitung
von hochfrequenten Signalen versteht man eine Anordnung,
bei der eine (metallische) Leiterbahn auf die Oberseite
eines (quasi-)isolierenden Substrats aufgebracht wird,
während die Gegenseite dieses Substrates, d. h. die
Unterseite, voll metallisiert ist. Die sich ausbreitende
Feld-Konfiguration der elektromagnetischen Felder
erlaubt damit eine geführte Wellenleitung, wobei die
Dimensionen der Anordnung (Breite der Leiterbahn auf der
Oberfläche, Dicke des Substrates) und die Dielektrizi
tätskonstanten für den Wellenwiderstand (charak
teristische Impedanz) verantwortlich sind.
"Koplanarleitungen" bestehen aus einem Mittelleiter im
Sinne der oben beschriebenen Streifenleitung, der beid
seitig von Außenleitern, (geerdeten) Grund-Elektroden,
umgeben ist. Vorteilhaft gegenüber der Streifenleitung
ist, daß die Dispersion, d. h. die frequenzabhängige
Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit, verringert
wird, weswegen höherfrequente Impulse formgetreuer
übertragen werden können. Bei der Wellenführung spielt
die Dicke des Substrates keine wesentliche Rolle mehr;
weiterhin sind hier nicht absolute Dimensionen der An
ordnung, sondern nur relative Größenverhältnisse von
Bedeutung. Daher kann beispielsweise die Breite der
Leitung stark aufgeweitet werden, so daß man einen nor
malen Stecker zur Verbindung mit der "äußeren Welt",
beispielsweise in Form einer Koaxialleitung, ohne stö
rende Reflexionen anbringen kann.
Oft werden aktive Bauelemente in Streifenleitungen bzw.
koplanaren Leitungen integriert; diese Bauelemente müs
sen mit zusätzlichen Potentialen (Gleichstromversor
gung), beispielsweise für die Einstellung ihrer Ar
beitspunkte, versorgt werden. Des weiteren müssen Fil
terglieder bzw. Trennglieder, beispielsweise Trennspu
len, vorgesehen werden, die zur Entkopplung des hoch
frequenten Schaltungsteils vom niederfrequenten bzw.
zur Gleichstromversorgung erforderlichen Schaltungsteil
dienen.
Die für diese Zwecke benötigten Bauelemente werden üb
licherweise auf der die aktiven Bauelemente tragenden
Seite des Substrats angeordnet.
Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform nach dem Stand
der Technik, bei der eine Streifenleitung 4 auf dem
isolierenden Substrat 1 mit der zugehörigen ganzflächi
gen Rückseiten-Metallisierung 5 das HF-mäßige Leitungs
system darstellt. Die Gleichstromzuführung 7 für die
Einspeisung eines Zusatzpotentials zur Festlegung des
Arbeitspunkts eines, in der Fig. 1 nicht dargestell
ten, aktiven Bauelements, beispielsweise eines FET-
Chips, erfolgt über einen Kapazitätsbelag 8 sowie eine
dünne λ/4-Zuleitung 9. Außerdem ist in der Streifenlei
tung 4 ein Trennkondensator-Chip 6 angeordnet, der zur
Trennung des HF-Leitungsystems von der niederfrequenten
Gleichstromversorgung dient.
Derartige integrierte Hochfrequenz-Schaltungen sind nur
relativ großflächig herstellbar; werden die zur Poten
tialversorgung und zur Entkopplung benötigten Bauele
mente zusätzlich zu den aktiven Bauelementen auf der
gleichen Oberflächenseite des Substrats angeordnet, ist
jedoch ein noch wesentlich höherer Flächenbedarf erfor
derlich, woraus hohe Kosten und technologische Schwie
rigkeiten resultieren.
Überdies müssen unterschiedliche Technologien einge
setzt werden, um einerseits die Streifenleitung bzw.
koplanare Leitung (Leiterbahnbreite beispielsweise
100 µm) und andererseits die sehr schmalen Leiterbahnen
der Trennglieder bzw. Zuleitungen zu strukturieren
(Leitungsbreite einer Trennspule beispielsweise 5 µm).
Durch die planare Nachbarschaft von Hochfrequenzteil
und Niederfrequenzteil treten elektrische Kopplungen
auf, so daß die elektrischen Eigenschaften derartiger
Schaltungen den Anforderungen im Höchstfrequenz-Bereich
nicht genügen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anord
nung zur Leitung von hochfrequenten Signalen anzugeben,
bei der diese Nachteile vermieden werden.
Dies wird im Sinne einer dreidimensionalen Integration
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß auf der gegen
überliegenden Oberflächenseite des Substrats ein Schal
tungsteil angeordnet ist, der integrierte Bauelemente
zur Gleichstromversorgung der aktiven Bauelemente sowie
Bauelemente zur Entkopplung vom Hochfrequenzschaltungs
teil enthält.
Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß beim Aufbau ei
ner komplexen integrierten Hochfrequenzschaltung die
Rückseite des Substrats miteinbezogen wird. Hierzu wird
auf der Oberseite des Substrats die eigentlich aktive
Beschaltung (Leitungen, Bauelemente, Koppelglieder, in
den Leitungszweigen anzuordnende Ohmsche Widerstände
usw.) vorgenommen, während auf der Rückseite des Sub
strates der niederfrequente Schaltungsteil (beispiels
weise Stromversorgung, Trennspulen) vorgesehen ist.
Das Einbeziehen der Substrat-Rückseite erlaubt eine
wesentliche Reduzierung der Gesamt-Geometrie der Schal
tung, und somit auch der erforderlichen Substratfläche;
auch das Design entsprechender Schaltungen wird er
leichtert.
Die Verbindungen von der Oberseite zur Unterseite kön
nen mittels Durchkontaktierungen ("via-holes") einfach
vorgenommen werden.
Bei koplanaren Leitungen ist die Beschaltung mit akti
ven Bauelementen sehr erleichtert, weil die Massepunkte
direkt neben den aktiven Polen kontaktierbar sind. Des
weiteren kann der Mittelleiter verbreitert werden, was
eine Anpassung beispielsweise an einen Koaxialstecker
am Rande der Schaltung stark erleichtert.
Die Beschaltung der Substrat-Unterseite ist so auszule
gen, daß sie für die auf der Oberseite vorliegende HF-
Schaltung wechselstrommäßig entweder weitgehend entkop
pelt ist oder eine Kurzschlußfläche (Erdung) darstellt.
Das letztere ist insbesondere dann wichtig, wenn die
Unterseite, wie etwa bei der Streifenleitung, mit in
die Hochfrequenzleitung einbezogen ist. Dann ist es
erforderlich, daß die Zuleitungs-Leiterbahnen ein
schließlich etwaiger Spulen und sonstiger Komponenten,
ähnlich wie eine koplanare Leitung ausgestaltet wird;
das heißt, freie Flächen der Unterseite des Substrates
müssen metallisiert bzw. geerdet sein, um den Leitungs
charakter der Streifenleitung nicht zu stören.
Bei einer koplanaren Leitung sollte die Dicke des Sub
strates vorzugsweise mindestens um den Faktor 5 größer
sein als der Abstand zwischen Mittelleiter und Außen
leiter. Dadurch werden hochfrequente Moden innerhalb
des Substrates vermieden, welche eine Störung des ver
lustarmen Leitungsverhaltens der HF-Leitung auf der
Oberseite zur Folge hätte.
Die Erfindung und ihre vorzugsweise Ausgestaltung soll
nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen be
schrieben werden.
In der Fig. 2 ist in perspektivischer Ansicht eine
Hochfrequenzschaltung mit einer Streifenleitung auf
einem isolierenden Substrat dargestellt.
Die Fig. 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine
Hochfrequenzschaltung mit einer koplanaren Leitung auf
einem isolierenden Substrat.
Gemäß der Fig. 2 ist auf der Oberseite 2 eines bei
spielsweise keramischen Al2O3-Substrats 1 eine Strei
fenleitung 4 angeordnet, in der ein Trennkondensator-
Chip 6 angeordnet ist.
Auf der Rückseite 3 des beispielsweise 1,2 mm dicken
Substrats 1 ist eine Gleichstromzuführung 7 angeordnet,
die über einen Abblockkondensator-Chip 12 mit einem
Anschluß einer Trennspule 11 verbunden ist. Der andere
Anschluß der Trennspule 10 ist über eine Durchkontak
tierung 10 mit der Streifenleitung 4 verbunden.
Um den Leitungscharakter der Streifenleitung sicherzu
stellen, ist die gesamte Rückseite 3 des Substrats 1
mit Ausnahme der ausgesparten Bereiche für die Nieder
frequenzschaltung mit einer Metallisierung 5 bedeckt.
Eine derartige Anordnung kann beispielsweise bei hybri
den Mikrowellenschaltungen mit Streifenleitungen reali
siert werden.
Gemäß der Fig. 3 ist auf der Oberseite 2 eines Sub
strats 1, das beispielsweise aus semi-isolierendem Gal
lium-Arsenid besteht und eine Dicke von 0,5 mm auf
weist, eine koplanare Leitung aus Mittelleiter 15 und
zwei Außenleitern 16 angeordnet. Die Leitungen bestehen
beispielsweise aus Gold, wobei der Mittelleiter 15 eine
Breite von beispielsweise 100 µm aufweist und die Au
ßenleiter 16 vorzugsweise die gesamte restliche Ober
fläche 2 bedecken. In den Mittelleiter 15 sind zwei
Interdigital-Kondensatoren 14 integriert sowie ein ak
tives Element 13, beispielsweise ein Transistor-Chip
mit erhöhten Kontaktstellen für Upside-down-Montage.
Zwei Anschlüsse des Transistor-Chips, der beispielswei
se ein GaAs-Heterojunction-Bipolartransistor sein kann,
sind mit den beiden Außenleitern 16 verbunden; dies ist
beispielsweise der Basisanschluß. Emitter- und Kollek
toranschluß sind mit dem Mittelleiter 15 verbunden,
wobei dieser zwischen den beiden Anschlüssen unterbro
chen ist. Auf der Unterseite 3 des Substrats 1 sind
zwei Spiralspulen 11 zur Gleichstromzuführung des Tran
sistor-Chips 13 vorgesehen, wobei eine Spule am Eingang
und eine Spule am Ausgang des Chips 13 über Durchkon
taktierungen 10 mit dem Mittelleiter 15 der koplanaren
Leitung verbunden ist. Die Spulen 11 bestehen bei
spielsweise aus Gold, wobei beispielsweise fünf Win
dungen mit einer Streifenbreite von jeweils 100 µm vor
gesehen sein können.
Zum Anschluß an einen externen Stecker, beispielsweise
eine Koaxialleitung, besitzt der Mittelleiter 15 am
Rande des Substrates eine Aufweitung 17.
Die genannte Anordnung eignet sich beispielsweise als
breitbandiger Koplanarleitungs-Verstärker mit einer
Übertragung im Frequenzbereich von 100 MHz bis 18 GHz.
Claims (6)
1. Anordnung zur Mikrowellen-Integration, bei der auf
einer Oberflächenseite (2) eines isolierenden bzw.
semi-isolierenden Substrates (1) ein Hochfrequenzschal
tungsteil mit einer aktiven Leitung (4 bzw. 15, 16)
sowie integrierten aktiven Bauelementen (6, 13, 14),
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der
gegenüberliegenden Oberflächenseite (3) des Substrats
ein Schaltungsteil angeordnet ist, der integrierte Bau
elemente (12) zur Gleichstromversorgung der aktiven
Bauelemente sowie Bauelemente (11) zur Entkopplung vom
Hochfrequenzschaltungsteil enthält.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen
seiten (2, 3) des Substrats (1) über Durchkontaktie
rungen (10) miteinander verbunden sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die aktive Leitung (4) auf der Oberflä
chenseite (2) des Substrats (1) eine Streifenleitung
(4) ist, und daß die gesamte gegenüberliegende Sub
stratoberfläche (3) mit Ausnahme der Bauelemente (10,
11) des dort angeordneten Schaltungsteils und der
Gleichstromzuführung (7) mit einer Metallisierung (5)
bedeckt ist.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß in die Streifenleitung (4) ein Trennkondensator-
Chip (6) integriert ist, daß der unterseitige Schal
tungsteil aus einer Gleichstromzuführung (7), einem
Kondensator-Chip (12) und einer Trennspule (11) be
steht, und daß ein Anschluß der Spule (12) mit der
Gleichstromzuführung (7) und der andere Anschluß über
die Durchkontaktierung (10) mit der Streifenleitung (4)
verbunden ist (Fig. 2).
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die aktive Leitung eine koplanare Leitung
ist, die aus Mittelleiter (15) und zwei Außenleitern
(16) besteht, und daß die Substratdicke mindestens das
Fünffache des Abstands zwischen Mittelleiter (15) und
Außenleiter (16) beträgt.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß im Mittelleiter (15) zwei Kondensatoren (14) sowie
ein aktives Bauelement (13) integriert sind, daß der
Mittelleiter (15) am Rand des Substrats (1) eine Auf
weitung (17) aufweist, daß auf der Unterseite (3) des
Substrats (1) zwei Trennspulen (11) mit Gleichstromzu
führungen (7) angeordnet sind, wobei diese am Rand des
Substrats aufgeweitet sind, und daß die Trennspulen
(11) über einen Anschluß mit den Gleichstromzuführungen
(7) und über den anderen Anschluß über Durchkontaktie
rungen (10) mit dem Mittelleiter (15) der koplanaren
Leitung verbunden sind (Fig. 3).
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