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Die
Erfindung betrifft ein Entkopplungsmodul zum Auskoppeln hochfrequenter
Signale aus einer Spannungsversorgungsleitung, mit einer Schicht
aus dielektrischem Material, welche zwischen einer ersten und einer
zweiten metallischen Schicht angeordnet ist, wobei die erste metallische
Schicht als Erdungselektrode des Entkopplungsmoduls geschaltet ist.
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Der
Entwurf von Hochfrequenzschaltungen, wie sie heute in der Mobilkommunikation
Einsatz finden, ist ein sehr komplexer und zeitraubender Prozess.
Neben dem Hochfrequenzverhalten muss auch die Gleichspannungsversorgung
der aktiven Komponenten optimiert werden. Oftmals treten zwischen
den elektrischen Komponenten und Leitungen unerwünschte Kopplungen auf, die
während
des Entwurfsprozesses nicht berücksichtigt
werden können
und erst gegen Ende der Entwicklung eines Hochfrequenzmoduls erkannt
werden.
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Um
die Hochfrequenzsignale verstärken
zu können,
müssen
die aktiven Komponenten auch an die zentrale Batteriespannung angeschlossen
werden, aus der sie die notwendige Energie schöpfen. Ein bekanntes Problem
am Ende des Entwurfsprozesses ist das Übersprechen von Hochfrequenzsignalen
auf die Leitungen der Batteriespannungsversorgung. Dieser Kopplungseffekt
führt zu
Rückkopplungsschleifen
zwischen den aktiven Komponenten. Deren Verhalten wird dadurch erheblich
gestört,
und die gesamte Hochfrequenzschaltung kann in unerwünschte Resonanzen
kommen.
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Das
Einkoppeln der Hochfrequenzsignale in die Spannungsversorgungsleitungen
ist oft nicht zu vermeiden. Um dennoch ein Übersprechen von den Signalen
von einer aktiven Komponente zur anderen zu vermeiden, werden die
Hochfrequenzsignale von diesen Leitungen über ein Entkopplungsmodul zur
Erde abgeleitet. Dieses Entkopplungsmodul soll alle Hochfrequenzsignale
zur Erde durchlassen, die Gleichspannung aber nicht beeinflussen.
Prinzipiell wird dieses mit Kondensatoren realisiert, denn durch
diese kann kein Gleichstrom fließen, so dass die Gleichspannung
der Batterie unbeeinflusst bleibt. Für das Hochfrequenzsignal bietet
der Kondensator eine Impedanz Z, die mit der Frequenz abnimmt:
wobei
ω = 2πf, mit f
als Frequenz des Hochfrequenzsignals,
C die Kapazität des Kondensators
und
j = √–1 ist.
Je höher
die Frequenz des Signals ist, desto einfacher kann es über den
Kondensator nach Erde geleitet werden.
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In
vielen Hochfrequenzschaltungen wird zum Auskoppeln der unerwünschten
Hochfrequenzsignale aus den Gleichspannungsleitungen eine große Anzahl
diskreter Keramikmultilayer-Kondensatoren verwendet, die auf das
Hochfrequenzmodul gelötet
werden. Der eine Kontakt der Kondensatoren ist mit der Spannungsversorgungsleitung
verbunden, der andere mit der Erdungsleitung. Ein Nachteil dieser
Kondensatoren ist die durch ihren inneren Aufbau induzierte Eigeninduktivität L. Die
Kombination aus der Kapazität
C und der Induktivität
L führt
dazu, dass die effektive Entkopplungskapazität mit der Frequenz abnimmt
und bei der Frequenz
null ist. Bei Frequenzen
oberhalb von f
C=0 wirken diese Kondensatoren
wie eine Spule, und Entkopplung ist dann nicht mehr gewährleistet.
Bei Verwendung dieser Kondensatoren wird oftmals im ersten Entwurf
keine zufriedenstellende Entkopplung erreicht, und weitere zeitraubende
Entwürfe
sind notwendig, bis das Modul funktioniert.
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Um
die Eigeninduktivität
zu verringern, wurden Einschicht-Kondensatoren entwickelt. Zum Erzielen
einer ausreichend hohen Kapazität
wird entweder die Schichtdicke sehr klein gehalten (bis hinab zu
etwa 20 nm), oder es wird ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante
gewählt.
Wegen der sehr viel kleineren Eigeninduktivität liegt die Frequenz fC=0 bedeutend höher, und die Auskopplung des
Hochfrequenzsignals aus der Spannungsversorgungsleitung funktioniert
bis zu hohen Frequenzen. Nachteilig ist, dass die Einschicht-Kondensatoren
in vielen Anwendungen als diskrete Komponenten montiert werden müssen. Weiterhin
erfolgt die Herstellung und Kontaktierung von dünnen Schichten nur in sehr
speziellen und teuren Prozessen. Die verwendeten Materialien haben
eine relativ hohe Durchschlagfeldstärke von etwa 200 V/μm für typische
Dünnfilmkeramik
bis 1000 V/μm
für Siliziumnitrid.
Bei sehr dünnen
Schichten von etwa 20 nm für
das Siliziumnitrid bedeutet dies, dass die Durchschlagfeldstärke bei
etwa 20 V erreicht wird. Bei typischen Schicht dicken von Dünnfilm-Keramikkondensatoren
im Bereich von 0,5 μm
liegt die Durchschlagspannung bei etwa 100 V. Diese Kondensatoren
können
also nicht in hohen Spannungsbereichen eingesetzt werden.
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Kondensatoren
werden in den meisten Hochfrequenzschaltungen vorwiegend verwendet,
um zu garantieren, dass keine Resonanzen entstehen.
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US 6.038.122 schlägt einen
Entkopplungskondensator vor, der von einem Anschlusspunkt zum anderen
eine progressive Kapazität
hat. Hierdurch soll erreicht werden, dass ein einzelner Entkopplungskondensator
benutzt werden kann, um einen großen Bereich von Hochfrequenzkomponenten
auszukoppeln. Bei der dort beschriebenen dreieckigen Fläche der
Kondensatorelektroden treten allerdings weiterhin Resonanzen auf,
wie anhand einer Simulation überprüft wurde.
Ferner ist es erforderlich, dass die beschriebenen Kondensatoren
mit sehr dünnen
Schichten realisiert werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Entkopplungsmodul zur
Verfügung
zu stellen, mit dem die Auskopplung hochfrequenter Signale ohne
nennenswerte Resonanzen erfolgt und das nicht notwendigerweise mit
einem Dünnfilm-Prozess
hergestellt werden muss.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Entkopplungsmodul der eingangs genannten
An dadurch gelöst,
dass die zweite metallische Schicht mindestens zwei Flächen unterschiedlicher
Größe umfasst,
welche zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss
aufeinanderfolgend elektrisch verbunden sind, wobei jeweils zwei
aufeinanderfolgende Flächen
nur durch einen leitenden Abschnitt miteinander verbunden sind. Mit
der Erfindung wird damit die Gesamtkondensatorfläche auf mehrere parallel geschaltete
kleine Kondensatoren aufgeteilt, was zu einer signifikanten Verbesserung
der Entkopplungsfunktion führt,
wobei die störenden Resonanzen
gegenüber
einem einzigen Kondensator mit gleicher Gesamtkapazität wie die
Summe der Einzelkapazitäten
aufgehoben werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung sind die Flächen rechtwinklige Flächen, es
werden also Kondensatoren mit rechteckigen oder quadratischen Elektroden
gebildet. Es hat sich gezeigt, dass nach einer Ausgestaltung der
Erfindung die Abmessung einer Fläche
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des hochfrequenten Signals bis
zu dem Zweifachen der Abmessung der Fläche in Ausbreitungsrichtung
des hochfrequenten Signals sein kann, ohne dass die Übertragungseigenschaften
signifikant verändert
werden.
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Wenn
die Flächen
quadratisch oder rechteckig sind, ist es vorteilhaft, wenn für jede zwei
Flächen
die Kantenlänge
der ersten Fläche
ein irrationales Vielfaches der Kantenlänge der zweiten Fläche ist:
wobei
a die Kantenlänge der
ersten Fläche
ist,
b die Kantenlänge
der zweiten Fläche
ist und
m und n natürliche
Zahlen sind. Damit wird gewährleistet,
dass kein Paar zweier Kondensatoren bei der gleichen Frequenz resonant
ist. Zusätzlich
sollten die Kantenlängen
der Elektrodenflächen
so gewählt
werden, dass die geometriebestimmten Resonanzen so weit wie möglich auseinander
liegen.
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Üblicherweise
wird eine Vielzahl von Flächen
auf einer zur Verfügung
stehenden Belegungsfläche
der dielektrischen Schicht angeordnet sein, wobei die Anordnung
der Flächen
vorteilhaft so getroffen ist, dass die Größe der zweiten metallischen
Schicht maximiert ist, so dass die maximal mögliche Kondensatorfläche und damit
maximal mögliche
Kapazität
zur Verfügung
steht. Dies bedeutet insbesondere, dass nicht nur der kürzeste Weg
zwischen Eingangsanschluss und Ausgangsanschluss mit Kondensatorelektroden
bildenden Flächen
belegt werden, sondern dass die Anordnung der Flächen beispielsweise auch mäanderförmig sein
kann. Wegen dieser möglichst
hohen Ausschöpfung
der zur Verfügung
stehenden Belegungsfläche
werden auch rechtwinklige Flächen
für die
Kondensatorelektroden bevorzugt, obwohl grundsätzlich die Erfindung auch mit kreisförmigen,
ellipsoiden, polygonalen usw. Formen arbeiten würde.
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Weiterhin
ist es möglich,
die niederfrequenten Resonanzen, die durch die Verbindungsleitungen
zwischen den Kondensatoren und die Kondensatoren selbst entstehen
(LC-Resonanzen), durch geeignete Wahl der Länge und Breite der Verbindungsleitungen
in Frequenzbereiche zu schieben, die für die Anwendung nicht entkoppelt
werden müssen.
Je höher
die Induktivität
des leitenden Abschnitts ist, desto niedriger liegen die Resonanzfrequenzen.
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Für viele
Anwendungen kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass die Schicht
aus dielektrischem Material in einem Dickfilm-Prozess hergestellt
werden kann. In einem Dickfilm-Prozess betragen die Schichtdicken
minimal etwa 5 μm.
Um dennoch einen Kondensator mit großer Kapazität zu realisieren, muss das
dielektrische Material eine hohe Dielektrizitätskonstante haben und muss
ferner die Kondensatorfläche
so groß wie
möglich
gewählt
werden. Die hohe Dielektrizitätskonstante
induziert eine kleine Wellenlänge
im Material, wodurch die erforderliche größere Abmessung des Kondensators
schon bei relativ niedrigen Frequenzen zu Resonanzen führt. Mit
der Erfindung ist die Herstellung eines Entkopplungskondensators
auch in einem Dickfilm-Prozess möglich,
so dass die Vorteile der leichten Herstellbarkeit und Integrierbarkeit
in einem Multilayer-Stack ausgenutzt werden können. Bei Dielektrizitätskonstanten
von 1000 und mehr liegen die Schichtdicken vorteilhafterweise im
Bereich von etwa 5 μm
bis etwa 20 μm.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind auf der
zweiten metallischen Schicht eine weitere Schicht aus dielektrischem
Material und eine dritte metallische Schicht, die als weitere Erdungselektrode
des Entkopplungsmoduls geschaltet ist, angeordnet. Hierdurch steht
bei gleichem Flächenbedarf
die doppelte Kapazität
zur Verfügung.
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Die
Erfindung findet Anwendung in einem Multilayer-Stack, bestehend
aus einer Vielzahl keramischer Schichten, die auch nach der LTCC-Technologie
("Low Temperature
Cofire Ceramics")
hergestellt werden können,
von denen zumindest eine eine Schicht aus dielektrischem Material
ist, auf deren einer Seite eine erste metallische Schicht als Erdungselektrode
angeordnet ist, die die dielektrische Schicht ganz oder teilweise
bedeckt, und auf deren gegenüberliegender
Seite eine zweite metallische Schicht aus mindestens zwei Flächen unterschiedlicher
Größe vorgesehen
ist, welche Flächen
zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss elektrisch
aufeinander angeordnet sind, wobei jeweils zwei aufeinanderfolgende
Flächen
nur durch einen leitenden Abschnitt miteinander verbunden sind.
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Im
folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 im Teilbild (a) ein Entkopplungsmodul,
das als einzelner Kondensator ausgeführt ist, im Teilbild (b) eine
Auftragung der Leistungsübertragung
mit geometriebedingten Resonanzen, im Teilbild (c) die Stromverteilung
bei der Resonanzfrequenz 1,8 GHz und im Teilbild (d) die Stromverteilung
bei der Resonanzfrequenz 3,6 GHz;
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2 eine
erste Ausführungsform
der die Kondensatorelektroden bildenden Flächen gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
zweite Ausführungsform
der die Kondensatorelektroden bildenden Flächen gemäß der Erfindung;
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4 das
Ersatzschaltbild für
die Ausführungsformen
von 2 und 3;
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5 im Teilbild (a) die Stromverteilung
bei der Resonanzfrequenz von 2,4 GHz für die Ausführungsform eines Entkopplungsmoduls
nach 3 und im Teilbild (b) die Stromverteilung bei
der Resonanzfrequenz 4,8 GHz;
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6 eine
Auftragung der Leistungsübertragung
bei einem Entkopplungsmodul gemäß der Ausführungsform
nach 3;
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7 eine
schematische Darstellung der Anordnung eines weiteren Entkopplungsmoduls
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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8 eine
schematische Darstellung der Anordnung eines Entkopplungsmoduls
gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem Multilayer-Stack.
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1 zeigt im Teilbild (a) in Draufsicht
ein Entkopplungsmodul, das mit einem einzelnen Kondensator realisiert
ist, der in einem Dickfilm-Prozess hergestellt wurde. Die Kondensatorfläche beträgt 4 mm
2, die Schichtdicke des dielektrischen Materials
17 μm, die
Dielektrizitätskonstante ε 1000. Wie
im Teilbild (b) zu sehen ist, das die Leistungsübertragung veranschaulicht,
treten Resonanzen auf, wobei die erste Resonanz der Stromverteilung
im Teilbild (c) und die zweite der Stromverteilung im Teilbild (d)
entspricht. Für
Resonanzfrequenzen, die schon im unteren Gigahertzbereich liegen,
wird die Kantenlänge
a einer quadratischen Kondensatorelektrode von Vielfachen der halben
Wellenlänge
des Hochfrequenzsignals überspannt.
Dies bedeutet:
wobei
- λ:
- Wellenlänge im Multilayer-Stack
- λ0:
- Wellenlänge in Luft
- εeff:
- gemittelte/effektive
Dielektrizitätskonstante
im Multilayer-Stack
- c0:
- Lichtgeschwindigkeit
in Luft
- f:
- Hochfrequenz-Signal-Frequenz
- m:
- Resonanzordnung (1,
2, 3 ...).
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Diese
Resonanzen sind bei Dickfilm-Entkopplungsmodulen von großer Bedeutung,
da bei gleicher Kapazität
die Kondensatorfläche
größer zu wählen ist
als bei Dünnfilm-Entkopplungsmodulen,
um die prozessbedingte größere Schichtdicke
zu kompensieren. Weiterhin muss eine hohe Dielektrizitätskonstante
gewählt werden,
um trotz der großen
Schichtdicken eine ausreichende Kapazität zu erzielen. Diese Dielektrizitätskonstante
induziert, wie schon angesprochen, eine kleine Wellenlänge im Material,
was zu den unerwünschten Resonanzen
führt.
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Die 2 und 3 zeigen
Beispiele für
die Aufteilung der Kondensatorfläche
nach der vorliegenden Erfindung, die zu einer signifikanten Verbesserung
der Entkopplungsfunktion führt.
Gemäß 2 werden rechteckige
Kondensatoren, z. B. 220, 222, aufeinanderfolgend
elektrisch verbunden, wobei die Länge der Kondensatoren senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung des hochfrequenten Signals bis zu doppelt
so lang gewählt
werden kann wie die Länge
in Ausbreitungsrichtung, ohne dass die Übertragungseigenschaften signifikant
verändert
werden. Dadurch können
bis zu doppelt so große
Kapazitätswerte
erreicht werden. Die Verbindungsleitungen, z. B. 224, sind
so kurz wie möglich
gehalten. 3 zeigt eine Elektrodenstruktur
mit quadratischen Flächen
der Kondensatorelektroden, z. B. 320, 322, wobei
die Verbindungsleitungen, z. B. 324, eine an die für sie gewünschte Resonanzfrequenz
angepasste Induktivität
aufweisen. Es ist nicht zwingend, dass die Kondensatorflächen von
Eingangsanschluss zu Ausgangsanschluss abnehmen, vielmehr können Anordnung
und Größe der Flächen so
optimiert werden, dass die zur Verfügung stehende Belegungsfläche maximal genutzt
wird.
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Die
Strukturen nach 2 und 3 definieren
eine Hintereinanderschaltung von mehreren Kondensatoren in Parallelschaltung.
Das äquivalente
Ersatzschaltbild ist in 4 gezeigt.
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5 zeigt in Teilbildern (a) und (b) die
Stromverteilung bei der Resonanzfrequenz von 2,4 GHz bzw. 4,8 GHz
für ein
Entkopplungsmodul nach 3. Man sieht deutlich, dass
bei der Resonanz des ersten Kondensators die darauffolgenden Kondensatoren
noch nicht resonant sind und weiterhin als Entkopplungskondensatoren
wirken können.
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6 zeigt
in der graphischen Darstellung der Leistungsübertragung, dass im Frequenzbereich
von 1 GHz bis 10 GHz keine störenden
Resonanzen mehr auftreten. 7 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines Entkopplungsmoduls gemäß der vorliegenden
Erfindung. In einem Schichtaufbau ist auf einem Substrat 10 eine
erste metallische Schicht 20 als Erdungselektrode aufgebracht,
darauf eine erste Schicht 30 aus dielektrischem Material
und eine zweite Schicht 32 aus dielektrischem Material.
Zwi schen den Schichten 30 und 32 befindet sich
eine zweite metallische Schicht 22 mit der Flächenanordnung
der Kondensatorelektroden, so dass Kondensatoren nicht nur mit der
ersten Schicht 30 aus dielektrischem Material und der ersten
metallischen Schicht 20, sondern auch mit der zweiten Schicht 32 aus
dielektrischem Material und der darüber liegenden dritten metallischen
Schicht 24, die als Erdungselektrode geschaltet ist, gebildet
werden. In der dargestellten Ausführungsform schließt der Schichtaufbau
mit einem weiteren Substrat 12 ab.
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8 zeigt
schematisch einen Multilayer-Stack, bestehend aus mehreren keramischen
Schichten 14, 16, 18, wobei zwischen
der Schicht 14 und der Schicht 16 eine Schicht 30 aus
dielektrischem Material mit hoher Dielektrizitätskontante angeordnet ist.
Eine erste metallische Schicht 20 als Erdungselektrode überdeckt die
gesamte untere Fläche
der Schicht 30 aus dielektrischem Material. Eine zweite
metallische Schicht 22 überdeckt
die Schicht 30 nur teilweise, so dass durch diese zweite
metallische Schicht 22 das Entkopplungsmodul definiert
wird. Der verbleibende Teil der dielektrischen Schicht 30 kann
für weitere
Funktionsstrukturen genutzt werden.
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Da
das erfindungsgemäße Entkopplungsmodul
in einen Multilayer-Stack integriert werden kann, ist es nicht mehr
notwendig, diskrete Komponenten auf die Schaltung zu montieren.
Das reduziert sowohl die Montagekosten als auch das Fehlerrisiko.
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Die
Erfindung stellt eine Möglichkeit
dar, Entkopplungsmodule in einem Dickfilm-Prozess herzustellen. Die
höhere
Schichtdicke ermöglicht
dabei den Einsatz dieser Art von Entkopplungsmodulen bei höheren Spannungen.
Die Durchschlagfeldstärke
wird erst bei mehreren 100 Volt erreicht. Beispielsweise führt eine
Durchschlagfeldstärke
von etwa 30 V/μm
bei Schichtdicken von etwa 15 μm
zu einer Durchschlagspannung von 450 V.
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Im
Grunde kann mit der Erfindung auf die komplizierteren Dünnfilm-Prozesse für die Entkopplungsfunktion
verzichtet werden. Jedoch ist die Aufteilung der gesamten Entkopplungskapazität in mehrere
einzelne Kapazitäten
auch, eine Option für
Dünnfilm-Entkopplungskondensatoren
bei hohen Frequenzen oder hohen Kapazitätswerten. Damit kann auch dort
bei größeren Abmessungen
die geometriebedingte Resonanz kompensiert werden.
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Inschrift
der Zeichnung
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1a–d; 5a–d
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6
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- cartesian plot – kartesisch
aufgetragen
- left axis – linke
Achse
- right axis rechte Achse
- [empty] – [leer]
- magnitude – Größe
- frequency – Frequenz
