DE4119784A1 - Planare wellenleiterstruktur fuer integrierte sender- und empfaengerschaltungen - Google Patents
Planare wellenleiterstruktur fuer integrierte sender- und empfaengerschaltungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine planare Leitungsstruktur nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung findet Verwendung bei der Herstellung von
monolithisch integrierten mm-Wellen-Sendern und -Empfän
gern mit strahlformenden Elementen, z. B. für Radarsender
und -empfänger im Kraftfahrzeug.
Eine planare Wellenleiterstruktur besteht aus einer struk
turierten Metallisierung eines evtl. auch geschichteten
Substrates in einer oder mehreren Ebenen. Durch spezielle
geometrische Gestaltung der Metallisierung
können z. B. Koppler, Resonatoren und Antennen gebildet
werden.
Mit planaren Leitungsstrukturen können Mikrowellen geführt
werden. Planare Leitungsstrukturen können mit aktiven
Halbleiterbauelementen zu monolithisch integrierten Schal
tungen verbunden werden, wobei das Halbleitersubstrat
hochohmig oder semiisolierend sein muß. Als hochohmiges
Substrat eignet sich Silizium, für ein semiisolierendes
Substrat GaAs.
Eine planare Leitungsstruktur strahlt nach oben, z. B. in
die Luft, und nach unten ins Substrat ab. Die Abstrahlung
ins Substrat ist dabei im allgemeinen größer.
Millimeter-Wellen-Sender und -Empfänger mit planaren Lei
tungsstrukturen sind beispielsweise im Mikrowellen + HF
Magazin, Vol. 14, No. 8, Seiten 750-760 beschrieben. Die
darin angegebenen mm-Wellen-Sender und -Empfänger sind mit
der Si-MMWIC (Silicon monolithic microwave integrated cir
cuit) Technik hergestellt.
Um die Strahlung von derartigen Sendern und Empfängern in
bestimmter Weise zu formen, werden z. B. Antennen oder Lin
sen verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine planare
Leitungsstruktur für Sender und Empfänger anzugeben, bei
der die Strahlformung der ein- und ausfallenden Strahlung
ohne zusätzliche strahlformende Bauelemente erfolgt, so
daß monolithisch integrierte Sender und Empfänger mit ge
ringem Platzbedarf in technisch einfacher Weise herstell
bar sind.
Die Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil
,des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteran
sprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen be
schrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.
Gemäß der Erfindung wird bei einer bekannten planaren Lei
tungsstruktur, z. B. einer planaren Antenne oder einem Re
sonator die Rückseite des Substrates ganz oder teilweise
als ein- oder abstrahlende Fläche benutzt. Die Sub
stratrückseite wird z. B. durch mikromechanische oder ätz
technische Verfahren derart strukturiert, daß die ein- oder
abgestrahlte elektromagnetische Welle in bestimmter
Weise verändert wird. Spezialformen der Strahlformung sind
z. B. die Änderung der Polarisation, die Beugung oder Bre
chung der Strahlung, sowie die Änderung der Phase der
elektromagnetischen Welle. Derartige Strahlformungen er
hält man beispielsweise durch eine Strukturierung der
strahlenden Fläche der Substratrückseite gemäß Fig. 1. Die
Substratrückseite 12 weist in diesem Ausführungsbeispiel
sowohl planare Flächen als auch Linsenteilflächen auf.
Desweiteren werden Strahlformungen dadurch erreicht, daß
Gräben mit definiertem Profil geätzt werden (Beugungsgit
ter) oder reflektierende Metallstrukturen (z. B. konzentri
sche Kreise) oder dielektrische oder ferromagnetische Kup
peln geformt werden.
In vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße planare
Wellenleiterstruktur durch Anwendung bekannter Techniken,
z. B. der MIC (Microwave integrated circiut) der MMIC
(monolithic microwave integrated circuit), der Si-MMWIC
(Silicon monolithic microwave integrated circuit) zu pla
naren Sendern, bzw. bei Einstrahlung über die Sub
stratrückseite zu planaren Empfängern erweitert werden.
In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel ein mit der Si-MM-
WIC-Technik hergestellter Sender für 77GHz im Querschnitt
dargestellt. In ein Si-Substrat 1 mit einem spezifischen
Widerstand von 10 000 Ωcm ist eine vergrabene Halbleiter
schicht 2, z. B. As dotiertes Si, mit einem Schichtwider
stand von 10Ω/Fläche eingebracht.
Auf der Vorderseite 11 des Substrates 1 ist auf der Halb
leiterschicht 2 eine IMPATT-Diode 3, eine pn-Diode mit
Submikronstruktur nach dem Stand der Technik, angeordnet.
Die IMPATT-Diode besitzt z. B. eine Meßform mit einem
Durchmesser von 20µm. Eine Leitungsstruktur 4 aus einer
0,1µm dicken Chromschicht und einer 1µm dicken Goldschicht
ist auf einer Seite zu einem Schlitzresonator 5 ausgestal
tet. Über die vergrabene Halbleiterschicht 2 und eine
elektrische Zuleitung 6, aus z. B. Gold, ist die IMPATT-Di
ode 3 mit der Leiterstruktur 4 verbunden. Die Rückseite 12
des Substrates 1 ist bei diesem Sender derart struktu
riert, daß parallel zur Substratoberfläche planare Flächen
und senkrecht dazu Linsenteilflächen gebildet werden. Da
durch ergibt sich eine Beeinflussung der Phase der Mikro
wellenstrahlung 22.
Ein kleiner Teil der Strahlung 21 wird über die Vorder
seite der planaren Leitungsstruktur abgestrahlt. Dieser
Anteil kann vorteilhaft für strahlungsgekoppelte Frequenz- und
Leistungsmeß- bzw. -regelungseinheiten genutzt werden
oder auch als Lokaloszillatorleistung an einen Empfangsmi
scher gegeben werden.
Um die planare Leitungsstruktur als planaren Empfänger zu
erweitern, ist anstelle der IMPATT-Diode 3 im Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 1 z. B. eine Schottky-Diode 7 in
die planare Leitungsstruktur integriert. Die strukturierte
Rückseite 12 des Substrates 1 wird bei einem derartigen
Empfänger als Einstrahlfläche benutzt (Fig. 2).
Die Erfindung ist jedoch nicht auf einzelne sender- bzw.
Empfängerelemente beschränkt, sondern ist ebenso auf eine
aus einer Vielzahl von Sendern und/oder Empfängern beste
henden Schaltungsanordnung anwendbar. Beispielsweise wer
den planare Leitungsstrukturen gebildet, die eine Vielzahl
von nebeneinander angeordneten strahlenden Schlitzre
sonatoren besitzen. Die Abstrahlung bei einem derartigen
Senderarray erfolgt über die strukturierte Substratrück
seite.
Claims (9)
1. Planare Wellenleiterstruktur für Sender und Empfänger,
bei denen auf der Vorderseite eines Halbleitersubstrates
aktive Halbleiterbauelemente angeordnet sind, die mit pla
naren Leitungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
- - daß die Rückseite des Halbleitersubstrates ganz oder teilweise als ein- und/oder abstrahlende Flä che ausgebildet ist, und
- - daß diese Fläche des Halbleitersubstrates oder zu sätzlich aufgebrachte Schichten geometrisch derart geformt sind, daß die elektromagnetischen Ei genschaften der ein- und/oder ausfallenden Strah lung gezielt veränderbar sind.
2. Planare Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die geometrisch geformte Rückseite des
Halbleitersubstrates aus planaren Flächen und
Linsenteilflächen besteht.
3. Planare Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rückseite des Halbleitersubstrates
als Beugungsgitter ausgestaltet ist.
4. Planare Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der Rückseite des Halbleitersub
strates reflektierende Metallstrukturen angeordnet sind.
5. Planare Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rückseite des Halbleitersubstrates
in Form von dielektrischen oder ferromagnetische Kuppeln
ausgestaltet ist.
6. Planare Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die auf der Vorderseite des Halblei
tersubstrates aufgebrachten aktiven Halbleiterbauelemente
und die planaren Leiterstrukturen Mikrowellenleistung er
zeugen und abstrahlen und/oder Mikrowellenleistung empfan
gen und/oder detektieren.
7. Planare Wellenleiterstruktur nach den vorhergehenden
Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vorder
seite des Halbleitersubstrates eine Senderschaltung inte
griert ist, die eine planar angeordnete IMPATT-Diode und
einen Schlitzresonator enthält.
8. Planare Wellenleiterstruktur nach den Ansprüchen 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vorderseite des
Halbleitersubstrates eine Empfängerschaltung integriert
ist, die eine planar angeordnete Schottky-Diode und einen
Schlitzresonator enthält.
9. Planare Wellenleiterstruktur nach einem der vorherge
henden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere
Sende- und/oder Empfangselemente auf einem Halbleitersub
strat angeordnet sind.
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