DE60306464T2

DE60306464T2 - Breitband-Symmetriereinrichtung mit gekoppelten spiralförmigen Leitungen

Info

Publication number: DE60306464T2
Application number: DE60306464T
Authority: DE
Inventors: Jose G. South Gate Padilla
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2023-08-02
Also published as: US6683510B1; EP1388907B1; EP1388907A1; JP2004072115A; DE60306464D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Wandlerschaltung zum Koppeln von einpolig geerdeten Hochfrequenzübertragungsleitungen (z. B. unsymmetrischen Leitungen) mit einem Paar symmetrischer Übertragungsleitungen, was üblicherweise als eine Symmetrieschaltung bezeichnet wird, und im Besonderen mit einer planaren Form einer Symmetrieschaltung zur Anwendung in einer monolithischen integrierten Mikrowellenschaltung ("Monolithic Microwave Integrated Circuit"; MMIC).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In Hochfrequenz-Funkfrequenzschaltungen ist es üblich, ein Hochfrequenz-Funkfrequenz ("Radio Frequency"; RF)-Signal, welches über eine Zweidraht-Übertragungsleitung zugeführt wird, in getrennte symmetrische Signale umzuwandeln oder aufzuspalten, welche in der Leistung gleich und um 180° außer Phase sind, und es den getrennten Signalen zu erlauben, sich entlang getrennter Übertragungswege auszubreiten. Aus zwei Drähten gebildet, von denen einer mit einer elektrischen Masse verbunden ist, wird die Zweidraht-Übertragungsleitung (und daher das RF-Signal) als unsymmetrisch in Bezug auf die Masse angesehen, während die späteren zwei Übertragungswege (und die zwei abgeleiteten Signale) in Bezug auf diese Masse symmetrisch sind. Eine solche Umwandlung von unsymmetrischen in symmetrische Signale wird häufig mittels eines Symmetrieschaltungswandlers erreicht. Umgekehrt erlauben einige Ausführungsformen von Symmetrieschaltungswandlern auch die umgekehrte Handlung, nämlich ein Umwandeln eines symmetrischen Signals in ein unsymmetrisches Paar. Im Allgemeinen ist ein Symmetrieschaltungswandler (allgemein einfach als eine Symmetrieschaltung bezeichnet) entweder von aktiver oder passiver Art. Die passive Art benötigt zum Betrieb keine externe Quelle für eine elektrische Leistung bzw. elektrischen Strom; nur die interessierenden Hochgeschwindigkeits-RF-Signale werden für die Wandlung benötigt. Passive Symmetrieschaltungen weisen häufig bidirektionale Eigenschaften auf. Das bedeutet, dass die interessierenden Signale entweder Eingaben oder Ausgaben für jeden der Anschlüsse der Symmetrieschaltung sein können. Die vorliegende Erfindung betrifft Symmetrieschaltungen der passiven Art und insbesondere Symmetrieschaltungen, welche in der Richtung von unsymmetrisch nach symmetrisch verwendet werden, die eine typische Anwendung in Mischerfrequenz-Abwärtswandlern sowohl für den Lokaloszillator (LO) als auch für RF-Signale finden.
Im Stand der Technik sind viele Formen von Symmetrieschaltungen bekannt. Beispiele für Symmetrieschaltungsstrukturen werden in US 5,428,838 an Chang et al., US 5,819,169 an Faden, US 5,061,910 an Bouny und US 5,428,840 an Sadir offenbart. Häufig ist die Symmetrieschaltung in die Struktur einer anderen aktiven Hochfrequenzvorrichtung integriert, wie beispielsweise einem Ringmischer oder einem sternförmigen Mischer. Die Mischervorrichtung wiederum bildet eine Komponente einer MMIC ("Microwave Monolithic Integrated Circuit"; monolithische integrierte Mikrowellenschaltung)-Vorrichtung. MMIC-Vorrichtungen enthaften per Definition a1l die aktiven und passiven Schaltungselemente und zugeordneten Verbindungen dazwischen, welche an oder in einem halbisolierenden Halbleitersubstrat oder einem isolierenden Substrat mittels eines oder mehrerer gut bekannter Abscheidungsprozesse ausgebildet werden.
Herkömmliche Kopplungsleitungs-Symmetrieschaltungswandler, welche monolithisch umgesetzt sind, sind typischerweise in einem Mehrsubstrat-Schichtmikrostreifen oder -streifenleitungs-Prozess umgesetzt worden oder sind auf eine Art aufgebaut worden, welche für eine bestimmte Anwendung einmalig ist. Beispiele für das Letztere sind der in dem zitierten '838-Patent an Chang et al beschriebene sternförmige Mischer und der in dem zitierten'169-Patent an Faden beschriebene Intermodulationsunterdrückungs-Ringmischer hoher Verlustleistung. Mehrsubstratschichtprozesse sind teuer und mögen nicht an jeder Halbleiterbeschichtungsanlage verfügbar oder üblich sein. Als ein Vorteil benötigt die vorliegende Erfindung keine Mehrsubstrat-Schichtprozesse.
Das '838-Patent an Chang et al stellt einen sternförmigen Diodenmischer dar, welcher ein identisches Paar von Kopplungsleitungs-Symmetrieschaltungen beinhaltet, die unter rechten Winkeln zueinander orientiert sind, und welche in der Lage sind, eine Konfiguration in einer MMIC-Schaltung vorzunehmen. Jede Symmetrieschaltung wird aus gekoppelten Übertragungsleitungs-Mikrostreifen gebildet (3). Ein gerader Mittelmikrostreifen, der auf einem Substrat aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Galliumarsenid (Dielektrizitätskonstante 12,9), ausgebildet ist, oder auf einem Substrat aus isolierendem Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Dielektrizitätskonstante 9,9), ist auf beiden Seiten der zugehörigen Länge durch zwei Paare identischer Mikrostreifen gebunden, und zwar mit einem Ende dieses Mittelmikrostreifens als ein Eingang dienend, und mit dem anderen Ende "offen" seiend, d.h., unverbunden. Ein Paar der Mikrostreifen bindet im Wesentlichen eine Hälfte der Länge des Mittelmikrostreifens, und das andere Paar bindet im Wesentlichen die übrige Hälfte der Länge des Mittelmikrostreifens. Die äußeren Enden der zwei Mikrostreifen jedes Paars sind mit Masse verbunden, während die inneren Enden der zwei Mikrostreifen jedes Paars elektrisch miteinander verbunden sind, um einen ersten und einen zweiten Ausgang zu bilden. Ein Ende des Mittelmikrostreifens dient als eine Eingang für die unsymmetrische Leitung, während das übrige Ende dieses Mikrostreifens offen bleibt, d.h., nicht direkt elektrisch mit irgendetwas anderem verbunden ist.
In der praktischen Ausführungsform des gezeigten sternförmigen Mischers, und im Chang-Patent genauer beschrieben, ist die Symmetrieschaltung als ein integrales Element einer zweifachen Symmetrieschaltungsstruktur gezeigt, in welcher die Symmetrieschaltungen senkrecht zueinander orientiert sind und die mittleren Verbindungsstücke der zwei Symmetrieschaltungen dort miteinander verbunden sind, wo sie sich kreuzen. Die Symmetrieschaltung des '838-Patents an Chang et al scheint eine Symmetrieschaltungsstruktur anzubieten, welche bei solchen sehr hohen Frequenzen nützlich ist, bei welchen die Länge der geraden Mikrostreifenübertragungsleitungen verwendbar bleibt. Sollte jedoch, wie man erkennt, der sternförmige Mischer für niedrigere Frequenzen ausgelegt sein, wie beispielsweise für ca. 2 GHz, benötigt die Länge der Übertragungsleitungen einen größeren Raum, was, wenn man der in dem '838-Patent an Chang definierten Struktur folgt, für eine MMIC-Struktur unpraktisch ist, und nicht effektiv in einer solchen umgesetzt werden könnte. Als ein Vorteil ist die vorliegende Erfindung größenmäßig kompakter als die Symmetrieschaltungen nach dem Chang-Patent und ist in MMIC-Strukturen bei solchen niedrigen Frequenzen praktikabel. Ein Stern- oder Ringmischer, welcher mittels der vorliegenden Erfindung umgesetzt ist, nimmt wesentlich weniger Grundfläche auf dem Substrat ein als der des '838-Patents an Chang, und zwar bei jedem Frequenzbereich, und bietet eine vergleichbare Leistung. Aufgrund der Anforderung nach weniger Raum, als einem weiteren Vorteil, erlaubt die vorliegende Erfindung eine höhere Miniaturisierung von MMIC-Schaltungen als die des Chang-Patents, und zwar sogar bei solchen höheren Frequenzen, bei denen der Mischer nach dem Chang-Patent praktikabel bleibt.
Nach dem Chang-Patent werden Kopplungsleitungs-Symmetrieschaltungen der Art, wie sie im Chang-Patent und in der vorliegenden Erfindung gefunden werden, allgemein eine schlechte Leitung zeigen, falls die gekoppelten Leitungen keine hohe gleichmodige Impedanz aufweisen und die Phasengeschwindigkeiten für geraden und ungeraden Mode nicht eng beieinander liegen. Dem einzigartigen Aufbau der Symmetrieschaltung des Chang-Patents und dem der vorliegenden Erfindung innewohnend ist, dass beide Symmetrieschaltungen bezüglich niedriger gleichmodaler Impedanzen tolerant sind. Aufgrund dieser Toleranz ist es möglich, die Symmetrieschaltungen bei der Konstruktion von Stern- und Ringmischern zu verwenden. Wenn sie auf einer Grundlage oder einem Substrat mit hoher Dielektrizität aufgebaut sind, wie es für den Fall von MMIC-Anwendungen typisch ist, wird auch eine adäquate gleich- oder ungleich-modale Phasengeschwindigkeitsanpassung erreicht.
Eine Druckschrift von K.S. Ang et al., betitelt eine "A Compact MMIC Balun Using Sprial Transformers", Microwave Conference, 1999 Asia Pacific Singapore 30. November–3. Dezember 1999, Piscataway, N), USA; IEEE, Seiten 655–658, beschreibt eine MMIC-Symmetrieschaltung, welche spiralförmige Wandler in einer Marchand-Konfiguration verwendet. Es wird beschrieben, dass unter Verwendung eines Standardherstellungsprozesses eine Amplitudensymmetrie von 0,2 dB und eine Phasensymmetrie von 10° von 2 bis 6 GHz erreicht wurde.
Eine Druckschrift von K.S. Ang et al., betitelt "A Monolithic Double-Balanced Upconverter for Millimeter-Wave Point-to-Multipoint Distribution Systems", 30^th European Microwave Conference Proceedings, Paris, 3–5. Oktober 2000, Proceedings of the European Microwave Conference, London: CMP, GB, Vol. 1 von 3 CONF. 30, Seiten 187–190, betrifft einen monolithischen doppelsymmetrischen Aufwärtswandler für Millimeterwellen-Punkt-zu-Mehrpunkt-Verteilungssysteme. Ein solcher Aufwärtswandler umfasst individuelle Bausteine, wie beispielsweise eine LO/RF-Symmetrieschaltung, eine Zwischenfrequenz ("Intermediate Frequency"; IF)-Symmetrieschaltung, einen LO/RF-Leistungsverstärker und einen doppelt symmetrischen Mischer. Es wird beschrieben, dass der gesamte Aufwärtswandler einen Größe von 3 × 3,2 mm aufweist und eine Zwischenfrequenz von 3–5 GHz auf das 40,5 bis 43,5 GHz-Band mit einer 20 dBm-Ausgabeleistung hochwandelt. Die IF-Symmetrieschaltung verwendet spiralförmige Wandler in einer Marchand-Konfiguration.
In den obigen zwei Druckschriften ist die Marchand-Symmetrieschaltung so dargestellt, dass sie ein erstes Paar ineinander verschachtelter spiralförmiger Spulen und, als ein Spiegelbild davon, ein zweites Paar ineinander verschachtelter spiralförmiger Spulen aufweist. Ein Eingangsanschluss der Symmetrieschaltung ist mit einem ersten Ende einer Primärspule des ersten Paars verbunden, während ein zweites Ende einer Primärspule des zweiten Paars als ein Leerlaufanschluss der Symmetrieschaltung dient. Wenn vom ersten Ende der Primärspule des ersten Paars aus gesehen, definieren die Spulen des ersten Paars eine rechteckige Spirale mit ansteigendem Radius, während die Spulen des zweiten Paars eine rechteckige Spirale mit abnehmendem Radius definieren, wenn sie von einem ersten Ende der Primärspule des zweiten Paars aus betrachtet werden, das sich gegenüber dem Leerlaufende davon befindet. Der Eingangsanschluss der Symmetrieschaltung ist mit dem ersten Ende der Primärspule des ersten Paars über eine Luftbrückenverbindung verbunden, welche die verschiedenen Windungen der Spulen des ersten Paars überquert, um sich zu einer Mitte der Spirale zu erstrecken, welche durch das erste Spulenpaar definiert wird, wo die Luftbrücke mit dem ersten Ende der Primärspule des ersten Paars verbunden ist.
Die Marchand-Symmetrieschaltungen der obigen zwei Druckschriften von Ang et al. weisen mehrfache Übertragungsleitungsüberkreuzungen benachbart zum Eingangsanschluss der Symmetrieschaltung auf, da sich die Luftbrücke in der Nähe des Eingangsanschlusses befindet.
Die vorliegende Erfindung stellt eine planare Symmetrieschaltung mit allen Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Bevorzugte Ausführungsformen der Symmetrieschaltung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine Ausführungsform umfasst zwei Paare von gekoppelten spiralförmigen Mikrostreifenspulen, welche an der flachen oberen Oberfläche eines elektrisch isolierenden Substrats befestigt sind, wobei ein Paar von Spulen Seite an Seite mit dem anderen Paar positioniert ist. Jede Spule in einem Paar ist mit der anderen Spule in dem Paar verschachtelt und ist voneinander beabstandet, und die Spulen des Paars sind elektromagnetisch verbunden oder gekoppelt. Die Spulen eines Paars definieren eine Spirale von abnehmendem Radius, die Spulen des anderen Paars definieren eine Spirale von ansteigendem Radius, und das eine Paar von Spulen ist ein Spiegelbild des anderen Paars von Spulen. Eine Spule in jedem Paar ist mittels einer Luftbrücke in Reihe mit einer Spule des anderen Paars verbunden, um als in Reihe verbundene Primärwicklungen der Symmetrieschaltung zu dienen; und ein Ende der zweiten Spule in den obigen in Reihe verbundenen Primärwicklungen ist offen. Ein Ende jeder der übrigen Spulen in jedem Paar ist mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden und ist direkt oder indirekt geerdet, während die übrigen Enden der letzteren beiden Spulen die symmetrischen Ausgänge des Symmetrieschaltungswandlers definieren. Geometrisch werden die Spulen typischerweise in einer kreisförmigen oder rechteckigen Spiralkonfiguration verwirklicht.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Koppelleitungs-Symmetrieschaltung bereit, welche mehrzweckfähig, ultrabreitbandig, kompakt in ihrer Größe, eben, monolithisch und preiswert ist. Die Erfindung ist für viele Anwendungen geeignet, einschließlich als eine Komponente von Mikrowellenmischern, Frequenzvervielfachern und symmetrischen Verstärkern.
Die obigen und zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung, zusammen mit der zugehörigen charakteristischen Struktur, welche nur kurz in den obigen Abschnitten zusammengefasst worden ist, werden dem Fachmann beim Lesen der genauen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung klarer, welche dieser Beschreibung folgt, und zwar zusammengenommen mit den zugehörigen Darstellungen, welche in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ausführungsform der Erfindung, die in Draufsicht dargestellt ist;
2 ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild der Ausführungsform aus 1;
3 ist ein Graph, welcher die Ergebnisse zeigt, die man aus der Ausführungsform der 2 im Betrieb erhält;
4 ist eine Auftragung, welche die relative Phase und Größe der Ausgabeleistungsverhältnisse zwischen den symmetrischen Ausgaben bzw. Ausgängen der Symmetrieschaltung aus 1 als eine Funktion der Frequenz als Tabelle aufträgt; und
5 und 6 zeigen die entsprechenden Ausführungsformen von 1, wie sie zum Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen aufgebaut sind.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezogen auf 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform der Symmetrieschaltung 1 in Draufsicht gezeigt. Die Symmetrieschaltung wird aus zwei Paaren elektrometrisch gekoppelter und gewickelter bzw. gewendelter Mikrostreifenübertragungsleitungen gebildet. Das erste Paar enthält spiralförmige Wicklungen oder Spulen 3 und 5, und das zweite Paar enthält spiralförmige Spulen 7 und 9. Jede der spiralförmigen Spulen wird als ebene leitfähige Metallspur auf der flachen oberen Fläche eines Substrats 11 hergestellt, wobei letzteres nur teilweise dargestellt ist, und zwar geeignet aus einem elektrisch isolierenden Material oder einem halbisolierenden Material gebildet, wie beispielsweise aus dem halbleitenden Material Galliumarsenid. Andere geeignete Substratmaterialien umfassen Indiumphosphid, Silizium, Silizium-Germanium und das Isolatormaterial Aluminiumoxid. Die gewickelten gekoppelten Übertragungsleitungen in jedem Spulenpaar treten als ineinander verschachtelte "Pfannkuchen"- bzw. kreisscheibenförmig geformte Spulen auf, welche Seite an Seite angeordnet und integral am Substrat 11 befestigt sind. Die unterseitige Oberfläche des Substrats 11 ist beschichtet oder auf eine andere Art mit einer Schicht aus Metall bedeckt, nicht dargestellt, welche eine Referenzmassenplatte bildet und als eine elektrische Masse dient. Ein Referenzerdungsmechanismus kann auch durch Aufweisen eines co-planaren Metallrings auf der oberen Oberfläche bereitgestellt werden, welcher sich um die gesamte Struktur herum erstreckt. Ein solcher alternativer Erdungsmechanismus wird häufig verwendet, wenn der MMIC-Herstellungsprozess einen Unterprozess zur Durchkontaktierung zum rückseitigen Substrat vermissen lässt.
Die Windungen der Spulen 3 und 5 zur Linken der gezeigten Spule wickeln sich um ein Zentrum parallel in einer Uhrzeigerrichtung in einer Spirale mit abnehmenden Radius, wobei die Windungen der einzelnen Spulen auf dem Substrat miteinander verwoben und beabstandet sind. Die Windungen der Spulen 7 und 9 winden sich um eine andere Mitte parallel in einer gegen den Uhrzeiger gerichteten Richtung in einer Spirale mit abnehmendem Radius (oder, aternativ gesehen, winden sie sich in einer Richtung im Uhrzeigersinn in einer Spirale mit ansteigendem Radius von der Mitte aus), wobei die Windungen der einzelnen Spulen ebenfalls auf dem Substrat ineinander verschachtelt und voneinander beabstandet sind. Alternativ können die Spulen 3 und 5 als in Richtung des Uhrzeigersinns betrachtet werden, wobei die Spule 7 als im Uhrzeigersinn gerichtet und die Spule 9 als im Gegenuhrzeigersinn gerichtet angesehen werden kann. Da das Substrat in seiner Eigenschaft elektrisch isolierend ist, isoliert der Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Spulen die Spulenwindungen voneinander. Die Bemaßungen der gewickelten gekoppelten Mikrostreifenpaare, wie beispielsweise der Abstand und die Spurbreite, und die Zahl der Windungen in den Spulen werden so gewählt, dass sie die Bedürfnisse einer bestimmten Anwendung erfüllen. Es ist anzumerken, dass die Spulen aus rechteckig geformten Windungen gebildet werden. Jedoch können diese Spulen, falls gewünscht, in einer kreisförmigen Form gebildet werden.
Die Spule 3 zur Linken in der Figur und die Spule 7 zur Rechten sind in Reihe verbunden, wie es hierin später ausführlicher beschrieben werden wird, und dienen als die primäre Wicklung der Symmetrieschaltung. Die Spule 5 zur Linken und die Spule 9 zur Rechten dienen als die zwei sekundären Wicklungen. Das Anfangsende der Spule 3, welches auch als ein Eingang für die Symmetrieschaltung dient, wird mit 2 angezeigt, und das Abschlussende dieser Spule ist bei 4 positioniert. Das Anfangsende der entsprechenden Primärspule 7 des rechten Paars von Spulen wird mit 6 dargestellt, und das Abschlussende der Spule 7 wird entsprechend mit 8 dargestellt. Das Anfangsende der zweiten Spule 5 des ersten Paars von Spulen wird als 12 dargestellt, und das Abschlussende wird bei 14 dargestellt. Das Anfangsende der entsprechenden Spule 9 im zweiten Paar von Spulen, zur Rechten dargestellt, wird durch 16 dargestellt, und das Abschlussende davon ist bei 18 dargestellt.
Eine metallische "Luftbrücke" 10, ein Metallstreifen, der sich über die ineinander verschachtelten Windungen der beiden Paare von Spulen erstreckt und von diesen elektrisch isoliert ist, ist elektrisch mit dem Abschlussende 4 der Spule 3 und dem Anfangsende 6 von Spule 7 verbunden, um die beiden Spulen elektrisch in Reihe anzuordnen. Obwohl in der Figur nicht zu sehen, ist die metallische Luftbrücke von den darunter liegenden Teilen der vier Spulen durch eine geringe Lücke beabstandet, um jeden Metall-zu-Metall-Kontakt zu vermeiden, welcher einen Kurzschluss mit jedem überbrückten Teil der vier Spulen erzeugen würde. Da die Symmetrieschaltung in Luft verwendet werden kann, welche elektrisch nichtleitend ist, wird die Lücke als eine Luftlücke bezeichnet. Jedoch ist dies nicht als eine Begrenzung gedacht, da, wie es erkannt werden kann, die Symmetrieschaltung auch in anderen nicht leitfähigen Gasatmosphären oder im Vakuum verwendet werden kann. Darüber hinaus kann diese Luftlücke stattdessen mit einem festen Isolator befüllt werden.
Eine zweite metallische Luftbrücke 20, welche aus einem Metallstreifen gebildet wird, erstreckt sich über die Windungen der Spulen 3 und 5 und ist von ihnen beabstandet, und verbindet mit dem Abschlussende 14 der Spule 5. Das äußere Ende dieser Luftbrücke dient als ein Ausgabeanschluss 21 der Symmetrieschaltung. Ein dritter Metallstreifen 22 bildet eine weitere Luftbrücke, die sich über die Windungen der Spulen 7 und 9 erstreckt und von diesen beabstandet ist, und mit dem Anfangsende 16 der Spule 9 elektrisch verbunden ist. Das äußere Ende der Luftbrücke 22 dient als ein zweiter Ausgabeanschluss der Symmetrieschaltung. Wie bei der beschriebenen ersten Luftbrücke isoliert der Abstand die entsprechenden Brücken von den Teilen der entsprechenden überspannten Spulen elektrisch.
Wie man erkennt, können die Luftbrücken auch dadurch gebildet werden, dass der gewickelte Teil die geraden Ausgangsteile 20 und 22 (1) überspannt und der Verbindungsteil 10 die gewickelten Teile 3 und 7 (1) der Leerlauf-Übertragungsieitung verbindet. Alternativ ist es, statt einen Teil über dem anderen Teil erhöht angeordnet zu haben, wie beschrieben, auch möglich, die Brücke durch das Substrat 11 hindurch ausgebildet aufzuweisen, eine weit schwieriger herzustellende Struktur und weniger bevorzugt. Trotz solcher Änderungen sollte es erkennbar sein, dass alle obigen Alternativen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Das Anfangsende 12 der Spule 5 und das Abschlussende 18 der Spule 9 sind miteinander elektrisch mittels eines Metallstreifens 13 verbunden, welcher an der Oberfläche des Substrats 11 befestigt ist. Zusätzlich wird ein Metallkontaktierungsfeld 15 auf dem Substrat im Kontakt mit dem Streifen 13 gebildet, um die beiden in gemeinsamem elektrischen Kontakt anzuordnen. Die Metallkontaktierungsfläche 15 stellt die obere Metallschicht einer Durchkontaktierung dar, welche sich durch das Substrat zum Verbinden mit dem elektrischen Massepotential erstreckt, wie in gepunkteten Linien dargestellt, wie beispielsweise der mit dem Substrat befestigten Masseebene.
In alternativen Ausführungsformen kann man die Kontaktierungsfläche 15 und die darunter liegenden Metalldurchkontaktierungen, die nicht gezeigt ist, durch zwei getrennte Durchkontaktierungen ersetzen, zusammen mit einer Verkürzung der Länge der gewickelten Teile 5 und 9. In einer solchen Ausführungsform würde der Spulenteil 5 an der gleichen Stelle auf dem Substrat wie das Eingabeende 5 abschließen, und der Spulenteil 9 würde an der gleichen Stelle auf dem Substrat abschließen wie das Ende 8 der Spule 7. Eine der zwei Verbindungskontaktierungsflächen und Durchkontaktierungen würde dann an diesem Ende der Spule 5 angeordnet werden, und die andere der zwei Verbindungskontaktierungsflächen und Durchkontaktierungen würde an diesem Ende von Spule 9 angeordnet werden. Diese Enden der Spulen 5 und 9 würden dann elektrisch durch die metallische Erdungsschicht an der Unterseite des Substrats 11 elektrisch verbunden werden. Eine solche Ausführungsform wird weniger bevorzugt, da angenommen wird, dass ein Anordnen der Verbindungskontaktierungsfelder und Durchkontaktierungen so nahe an den Enden 2 und 8, dadurch die effektive Viertelwellen-Kopplungslänge jedes Spulenpaars 3, 5 und 7, 9 asymmetrisch machend, die Leistung der Symmetrieschaltung negativ beeinträchtigen würde.
Weitergehend mit der Ausführungsform von 2 ist jede Spule in einem Spulenpaar, zur Linken in der Figur gezeigt, in ihrer Struktur identisch mit einer entsprechenden Spule in dem zweiten Paar von Spulen, gezeigt zur Rechten. Außer für die entgegengesetzte radiale Windungsrichtung, nämlich nach innen und nach außen, ist die Spule 3 unter anderen Gesichtspunkten identisch in der Zahl der Windungen, der Länge und der Breite der Metallspuren, welche den Draht der Spule bilden, usw., mit denen in Spule 7. Auf gleiche Weise, außer für die entgegengesetzte radiale Windungsrichtung, nämlich nach innen und nach außen, ist Spule 5 identisch in der Anzahl der Wicklungen, der Länge und der Breite der Metallspuren, welche den Draht der Spule bilden, usw., zu dem in Spule 9. Die gesamte Struktur ist um die Mittellinie oder -achse symmetrisch, welches eine Symmetrieachse der Symmetrieschaltung darstellt. Dies bedeutet, dass die Spulenteile 3 und 5, die Brückenteile und die Teile des geraden Abschnitts der Leitung, welche die Spule 5 mit der Kontaktfläche 15 verbindet, wie zur Linken der Achse 25 gezeigt, das Spiegelbild der entsprechenden Elemente der Symmetrieschaltung zur Rechten der Achse 25 sind.
Die obige Symmetrieschaltung wird hergestellt durch Abscheiden der metallischen Wicklungen der Spulen auf der flachen oberen Oberfläche einer Platte oder eines Wafers aus Halbleitermaterial, beispielsweise einem Galliumarsenid-Wafer, geeigneterweise einem 4 mil dicken Wafer, und Abscheiden einer Metallschicht auf der unteren Oberfläche unter Verwendung jeglicher herkömmlicher Herstellungstechnik. Andere geeignete Prozesse für monolithische Halbleiter können Galliumarsenid in alternativen praktischen Ausführungsformen ersetzen, wie beispielsweise durch Silizium, Silizium-Germanium, Indiumphosphid und dergleichen, oder durch ein Isolatormaterial wie beispielsweise Aluminiumoxid. Wenn die Metallwindungen fertiggestellt sind, werden die Luftbrücken 10, 20 und 22 gebildet. Die Brücken werden der Struktur hinzugefügt zunächst durch Hinzufügen einer Nitridschicht oberhalb der oben genannten Spulen und Wafer-Oberfläche, wobei allerdings die Enden 4 und 8, 14 und 18 durch das Nitrid unbedeckt bleiben, und auch Löcher durch das Substrat an der Stelle freigelassen werden, wo die Luftbrücken 20 und 22 abzuschließen sind. Dann werden die Metallbrücken auf dem Nitrid abgeschieden, und durch die Dicke der Nitridschicht, durch die Löcher in der Nitridschicht auf die freiliegenden Enden 4, 8, 14 und 18 und durch die Löcher im Nitrid zum Substrat.
Sobald die Metallbrücken gebildet worden sind, wird dann das Nitrid weggeätzt unter Verwendung eines geeigneten Ätzmittels. Dies lässt eine physikalische Lücke, die Luftlücke unterhalb der Metallbrücke, übrig, welche das Metall von den Wicklungen der darunterliegenden Spulen isoliert. Entgegengesetzte Enden jeder Luftbrücke werden durch kurze, sich nach oben erstreckende Enden getragen bzw. gestützt, welche, wie geeignet, mit den Enden der Spulen verbunden sind, wie dargestellt, als auch mit dem Substrat, wodurch der sich horizontal erstreckende Abschnitt des Metalls oberhalb der Wicklungen der Spulenpaare freitragend ist.
1, auf die sich bezogen wird, ist ein vereinfachtes Schaltbild der Symmetrieschaltung aus 2. Bei dieser Vereinfachung vernachlässigt diese schematische Darstellung die Selbstinduktivität, Kapazität, Leckleitung und andere elektrische Eigenschaften, die der physikalischen Struktur der Ausführungsform von 2 innewohnen, welche die Leistung der Symmetrieschaltung beeinflussen; aber nichtsdestotrotz ist es hilfreich, das allgemeine Konzept zu verstehen, das dem Betrieb der neuen Symmetrieschaltung zugrunde liegt. Die gekoppelten Mikrostreifenübertragungsleitungen, welche die gewickelten Teile umfassen, werden in dem Schaltbild einfach als Spulen dargestellt. Zur einfachen Beschreibung werden diese Übertragungsleitungsteile als Spulen bezeichnet. Das Anfangsende 2 von Spule 3 dient als ein Eingang, welcher mit einer Quelle der Hochfrequenz-RF-Signale zu koppeln ist, nämlich der asymmetrischen Leitung oder Quelle. Wie durch den ausgefüllten Punkt dargestellt, ist das Anfangsende das Ende positiver Polarität der Spule 3. Beim Betrieb breitet sich das eingegebene Signal seriell durch die gewickelten Leitungen 3 und 7 aus. Das Abschlussende 8 von Spule 7 jedoch ist offen gelassen oder ein offener Kreislauf. Das bedeutet, dass dieses Ende nicht direkt mit irgendetwas Anderem auf dem Substrat verbunden ist, insbesondere nicht mit irgendwelchen metallischen Schaltungselementen. Trotz des Fehlens einer direkten physikalischen Verbindung mit der Masse fließt ein Hochfrequenzstrom durch diese Windungen, gerade wie in einer Leerlaufübertragungsleitung, welche keine gewickelten Teile enthält.
Der Eingangsstrom durch die Spule 3 koppelt magnetisch mit der Windung 5. Dieser Strom läuft auch durch die Spule 7 zur Masse und koppelt magnetisch mit Windung 9. Eine gewisse kapazitive Kopplung kann bei diesen hohen Frequenzen auch zwischen den Wicklungen auftreten, und zwar abhängig vom Grad der der Struktur innewohnenden Kapazität zwischen den Wicklungen. Beide Wicklungen 5 und 9 sind am Ende mit einem Verbindungspunkt 13 verbunden. Dieser Verbindungspunkt ist elektrisch entweder direkt oder über eine Durchkontaktierung mit Masse verbunden, wie es in der Figur gezeigt ist, oder indirekt durch eine kapazitive Kopplung eines Abschlusskondensators, was in der Figur nicht gezeigt ist. Falls beispielsweise die Symmetrieschaltung in einer Mischeranwendung verwendet wird, in welcher eine Zwischenfrequenzauskopplung gewünscht ist, wird ein querabschließender Kondensator in der Symmetrieschaltung zwischen der Verbindungspunktstelle und der Masse anstatt der metallischen Durchkontaktierung verbunden.
Der Strom durch Wicklung 3 läuft von dem Ende positiver Polarität der Spule zum negativen Ende und läuft in umgekehrter Richtung durch Spule 7, nämlich vom negativen Ende der Spule 7 zum positiven Ende von Spule 7. Dieser Strom induziert ge genphasige Ströme in den entsprechenden Wicklungen der Spulen 5 und 9, welche selbst in entgegengesetzter elektrischer Phase relativ zueinander stehen. Da beide Wicklungen 5 und 9 identisch sind, sind die über die Wicklungen 5 und 9 induzierten Ströme Idealerweise von gleicher Größe. Vorzugsweise beträgt die elektrische Länge des gewickelten Paars 3 und 5 und die gleiche kombinierte elektrische Länge des gewickelten Paars 7 und 9 jeweils eine Viertelwellenlänge, λ/4, bei der Mittenfrequenz des Frequenzbands, an welchem die Symmetrieschaltung zum Einsatz vorgesehen ist. Es sollte wiederum angemerkt werden, dass das vereinfachte Schaltbild von 2 die zusätzlichen komplexen Zusammenhänge in der tatsächlichen physikalischen Struktur nicht berücksichtigt, so wie sie beispielsweise durch eine Kapazität zwischen Wicklungen und dergleichen eingeführt wird, was die von der Symmetrieschaltung erlangten Ergebnisse beeinträchtigt. Weil ein Ende der Übertragungsleitung, das Spulenteile 3 und 7 enthält, durch einen offenen Kreislauf dargestellt ist, was eine Eigenschaft von Marchand-Kopplern ist, kann die vorliegende Symmetrieschaltung als eine Symmetrieschaltung vom Marchand-Typ angesehen werden.
Jedoch haben sich die Ergebnisse als außerordentlich erwiesen. Die Funkfrequenzeigenschaften und Leistung einer physikalischen Struktur erhält man üblicherweise am Anfang mittels eines Computers durch die Verwendung eines Computersimulationsprogramms, wie beispielsweise jedem der bekannten Simulationsprogramme. Als ein Beispiel ist ein bekanntes Programm das em-Programm, das von Sonnet Software, Inc. verfügbar ist, nämlich ein 2,5D-Simulationsprogramm, welches auf der Anwendung der Maxwell-Gleichungen auf ebene Strukturen in einem Verfahren beruht, welches üblicherweise als die Momentenmethode ("Method of Moments"; MoM) bezeichnet wird. Ein weiteres ist das "Ensemble-Programm", das von Ansoft Corporation verfügbar ist, welches ein 2,SD-Feldlösungsverfahren ist, das ähnlich zum Sonnet-Programm ist und ebenfalls auf den Maxwellschen Gleichungen beruht. Und noch ein anderes ist das HFSS-Programm, auch verfügbar von Ansoft Corporation, weiches ein 3D-Vollwellen-Elektromagnetfeldgleichungsprogramm ist. Theoretisch beruht das HFSS-Programm auf der Anwendung der Maxwell'schen Gleichungen auf eine volle dreidimensionale Struktur unter Verwendung eines Verfahrens, das üblicherweise als das Finite Elemente-Verfahren bekannt ist. Solche Simulationsprogramme erlauben es einem, die Funkfrequenzeigenschaften einer Struktur auf der Grundlage der iterativen Zusammensetzung und Anordnung ihrer Geometrie und Materialien zu bestimmen.
Die aus einer Computersimulation der obigen Struktur erlangten Ergebnisse werden in den 3 und 4 aufgezeichnet bzw. aufgelistet. Wie gezeigt, wird herausgefun den, dass die Ausgabe von einer der Wicklungen (S31) fast gleich durch einen guten Teil des 8,0 bis 28,0 GHz-Frequenzbereichs ist, wobei man die Ausgabe von der anderen Wicklung 9 erhält (S21), was eine ausgezeichnete Symmetrie in der Größe ergibt. 4 listet die Größendifferenz zwischen den zwei Ausgabeanschlüssen auf, und diese Differenz ist kleiner als 0,65 dB über das 12- bis 24 GHz-Frequenzband, einer Oktaven-Bandbreite. Auch sind die symmetrischen Ausgabeleistungsverhältnisse von S21 und S31 im Wesentlichen flach über dem Bereich von 12 GHz bis 24 GHz. Die Standwellenverhältnisse S22 und S33 sind im Wesentlichen gleich und zeigen eine hervorragende Impedanzübereinstimmung der Referenzimpedanz über den gleichen Bereich. Daher erzeugt die Struktur effektiv eine Symmetrieschaltung, welche in ihrer Eigenschaft ultrabreitbandig ist. Die relative Phase der Funkfrequenz-Leistungsverhältnisse zwischen den Ausgängen 21 und 23 ist in der Tabelle von
4 dargestellt, auf die sich nun bezogen wird. Wie gezeigt, ist, wenn sich die Frequenz von 12 auf 24 GHz erhöht, die relative Phase sehr nahe am Ideal von 180 Grad, schwankend von 178,97 Grad bei 12 GHz bis 185,43 Grad bei 24 GHz. Solche Ergebnisse werden als außergewöhnlich angesehen.
Wie oben angemerkt, kann es bei einigen Mischeranwendungen, auf welche die Zwischenschaltung angewandt wird, notwendig werden, eine sogenannte "gemischte" Frequenz oder Zwischenfrequenz ("intermediate frequency"; IF) auszukoppeln. Eine Auskopplung dieser Frequenzkomponente von den Symmetrieschaltungen aus 1 und 2 wird erreicht durch Entfernen der Durchkontaktierung zur Masse, wie es durch die gestrichene Linie vom Kontaktfeld 15 zur Masse in den 1 und 2 dargestellt ist, und Ersetzen dieser Masse durch Kontaktierung mit einem hochfrequenten Äquivalenzerdungsmechanismus. Der äquivalente Erdungsmechanismus, welcher häufig für diese Funktion verwendet wird, ist ein Nebenschlusskondensator, wobei der Kondensator ein Ende mit der elektrischen Stelle des Kontaktfelds verbunden hat und das zugehörige andere Ende mit Masse verbunden ist. Der optimale Wert des Kondensators hängt von den bestimmten Anforderungen der ausgekoppelten Mischfrequenz ab und kann durch Berechnung oder Simulation bestimmt werden, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Typischerweise wird dieser Wert bei GHz-Frequenzen in Pico-Farad gemessen.
Am Hochfunkfrequenzeingang zu einem solchen Mischer, welcher die Symmetrieschaltung enthält, stellt der Nebenschlusskondensator einen Niedrigimpedanzpfad für die Funkfrequenz bereit, um zur Masse zu laufen. Jedoch ist bei der IF-Frequenz, welche wesentlich niedriger als die obige Funkfrequenz ist, die effektive Impedanz dieser Kapazität viel größer. Daher wird eine größere Wechselstromspannung (d.h., ein Spannungsabfall) der IF-Signale über den Nebenschlusskondensator erzeugt. Diese Spannung kann, wie benötigt, von den Nutzerschaltungen weitergeleitet werden.
Es sollte anerkannt werden, dass der Symmetrieschaltungskoppler mit dem Nebenschlusskondensator zur Masse im Wesentlichen auf die gleiche Art funktioniert wie einer mit der direkten Verbindung zur Masse. Die Leistung der Symmetrieschaltung, welche man mit der Kapazität zur Masse erhält, ist nicht wesentlich unterschiedlich von der Leistung, welche in den 3 und 4 für die Symmetrieschaltung beschrieben wird, welche einen elektrischen Verbindungspunkt 13 (d. h., das Kontaktfeld 15) aufweist, der direkt geerdet ist. Für alle praktischen Anwendungen ist die Leistung die gleiche.
Der oben genannte Nebenschlusskondensator kann auf dem Halbleiterwafer ausgebildet sein, wie beispielsweise beim praktischen Beispiel eines Wafers aus Galiumarsenid, einem relativ hoch dielektrischen Material, mittels einer viereckig geformten Metallbeschichtung oder -abscheidung, welche eine Kondensatorplatte auf der oberen Oberfläche des Substrats definiert, die sich in elektrischem Kontakt mit den Wicklungsenden 12 und 18 aus 1 befindet. Die obige Platte kann elektromagnetisch mit der metallischen masseebenen Schicht, nicht dargestellt, Wechselwirken, die sich auf der Unterseite des dielektrischen Substrats 11 oder mit einer Metallträgerplatte befindet. Jede dieser Alternativen stellt die zweite Metallplatte bereit, die durch ein dielektrisches Material von der ausgebildeten Kondensatorplatte beabstandet ist, die notwendig ist, einen Kondensator zu definieren.
Bei niedrigeren Frequenzen als denen, für welche die vorhergehenden Ausführungsformen der 1 und 2 ausgelegt sind, muss die Länge der Spulenwicklungen erhöht werden. Theoretisch sollte die Länge der Wicklungen gleich der elektrischen Länge eines Viertels der Wellenlänge der Mittenfrequenz des Frequenzbands sein, bei welchem die Symmetrieschaltung zur Verwendung vorgesehen ist, um Funkfrequenzsignale gleichförmig aufzuspalten. Daher besitzt ein Symmetrieschaltungskoppler, der dazu vorgesehen ist, am 3 bis 6 GHz-Frequenzband betrieben zu werden, das physikalische Aussehen, wie es in 5 in Aufsicht dargestellt wird, auf welche sich nun bezogen wird.
Die ineinander verschachtelten Wicklungen 31 und 32 und die ineinander verschachtelten Wicklungen 33 und 34 werden mit einer größeren Länge gezeigt und nehmen eine etwas größere physikalische Fläche ein als die entsprechende Ausführungsform von 1. Die Brücke 35 weist daher eine größere Länge auf als das entsprechende Element 10 in 1, und zwar aufgrund des größeren physikalischen Abstands, welcher die Enden der Spulen 32 und 33 aufspannt. Der Betrieb des Kopplers aus 5 ist der gleiche wie für den aus 1 beschriebenen und braucht nicht wiederholt zu werden. Wie in der vorhergehenden Ausführungsform wurde herausgefunden, dass sogar bei diesem niedrigeren Frequenzband die ebene Struktur eine im Wesentlichen symmetrische Ausgabe über einen ultrabreiten Frequenzbereich bereitstellt.
Zur Vollständigkeit zeigt 6 in Draufsicht die Symmetrieschaltung aus 5, welche dazu ausgelegt ist, als die Symmetrieschaltung innerhalb einer Hochfrequenz-Aufwärtswandlervorrichtung zu dienen, die nicht dargestellt ist. Für diese Aufwärtswandlervorrichtung verwendet die Symmetrieschaltung daher eine Nebenschlusskapazität am Verbindungspunkt der beiden Hälften der Sekundärwicklung der Symmetrieschaltung anstelle einer direkten Verbindung mit Masse wie bei der Symmetrieschaltung aus 5. Diese Symmetrieschaltung enthält Spulen 41–44, welche wie gezeigt verbunden sind, und einen Kondensator 47. Die Symmetrieschaltung wird auf die gleiche Art hergestellt wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen, arbeitet als eine passive Schaltungsvorrichtung auf die gleiche Art wie die vorhergehenden Ausführungsformen und zeigt die gleichen Ultrabreitband-Ergebnisse.
Die gewickelten Teile, welche in den obigen Symmetrieschaltungs-Ausführungsformen verwendet werden, enthalten eine ganze Anzahl an Windungen. Wie zu erkennen, können andere Ausführungsformen eine bruchteilige Zahl von Windungen aufweisen. Beispielsweise enthält eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung, die nicht dargestellt ist, Spulen, welche aus 1 1/2 Windungen gebildet sind. Eine Analyse der Symmetrieschaltung, welche mit diesen gewickelten Teilen mit bruchteiligen Windungen gebildet werden, mit den Computersimulationsprogrammen zeigten, dass die funktionalen Eigenschaften der Symmetrieschaltung im Wesentlichen unverändert in Bezug auf das hierin Dargestellte blieben.
Die erfindungsgemäße Symmetrieschaltung sollte als eine einzigartige Form oder Implementierung einer Marchand-Symmetrieschaltung erkannt werden, welche insbesondere zur Anwendung in MMIC- oder anderen bedruckten Schaltungsvorrichtungen geeignet ist. Die obige Symmetrieschaltungsstruktur kann unter Verwendung lediglich eines Einzelschichtsubstrats hergestellt werden, und zwar im Gegensatz zu solchen Symmetrieschaltungen nach dem Stand der Technik, welche mehrere Lagen von Substrat benötigen, um eine dreidimensionale Struktur aufzu bauen. Daher bietet die Erfindung eine relative Herstellungsvereinfachung und daher niedrigere Herstellungskosten. Wichtiger erreicht die neue Symmetrieschaltungsstruktur hochgradig erwünschte Ergebnisse. Wie es der Fachmann erkennt, weist die obige Symmetrieschaltung eine Anwendung als eine Komponente in Frequenzmischervorrichtungen, in Frequenzaufwärtswandlern und Frequenzabwärtswandlern auf, und als eine Komponente anderer Funkfrequenzvorrichtungen.

11: Substrat
3, 5: erste Spulenscheibe
3: erste (primäre) Spule
2: erstes (Anfangs-) Ende
4: zweites (Abschluss-) Ende
5: zweite Spule
12: erstes (Anfangs-) Ende
14: zweites (Abschluss-) Ende
7, 9: zweite Spulenscheibe
7: erste (primäre) Spule
6: erstes (Anfangs-) Ende
8: zweites (Abschluss-) Ende
9: zweite Spule
16: erstes (Anfangs-) Ende
18: zweites (Abschluss-) Ende
10: erste Luftbrücke
20: zweite Luftbrücke
22: dritte Luftbrücke
2: Eingang der Symmetrieschaltung
21: erster Ausgang der Symmetrieschaltung
22: zweiter Ausgang der Symmetrieschaltung
13: Metallstreifen
13: Verbindungspunkt
15: Metallkontaktfeld
20, 22: gerade Ausgangsteile
25: Achse
31, 32: verschachtelte Wicklungen
33, 34: verschachtelte Wicklungen
35: Brücke erste Luftbrücke 10
41–44: Spulen
47: Kondensator

Claims

Planare Symmetrieschaltung (1), umfassend: ein Substrat (11) aus elektrisch nichtleitendem oder halbleitendem Material, wobei das Substrat flache obere und untere Oberflächen aufweist; eine metallische Massenplattenschicht, wobei die metallische Massenplattenschicht die untere Oberfläche des Substrats bedeckt; eine erste Spulenscheibe (3, 5) und eine zweite Spulenscheibe (7, 9), die in einer nebeneinanderliegenden Beziehung auf der flachen oberen Oberfläche des Substrats (11) ausgebildet sind; wobei die erste Spulenscheibe ein erstes Paar von ineinander verschachtelten Spiralspulen (3, 5) in magnetisch gekoppelter Beziehung aufweist, und wobei die zweite Spulenscheibe ein zweites Paar von ineinander verschachtelten Spiralspulen (7, 9) aufweist, wobei jede der Spulen in jedem der Paare von Spiralspulen erste und zweite Enden (2, 4; 12, 14; 6, 8; 16, 18) aufweist; wobei das erste Spulenpaar (3, 5) ein Spiegelbild des zweiten Spulenpaars (7, 9) umfasst; wobei das erste Ende (2) der ersten Spiralspule (3) des ersten Paars (3, 5) einen Symmetrieschaltungseingang (2) definiert; wobei das zweite Ende (4) der ersten Spiralspule (3) des ersten Paars (3, 5) und das erste Ende (6) der ersten Spiralspule (7) des zweiten Paars (7, 9) elektrisch miteinander verbunden (10) sind; wobei das zweite Ende (8) der ersten Spiralspule (7) des zweiten Paars (7, 9) ein offener Stromkreis ist, wobei die erste Spiralspule (3) des ersten Paars (3, 5) und die erste Spiralspule (7) des zweiten Paars (7, 9) eine Übertragungsleitung für den offenen Stromkreis definieren; wobei das zweite Ende (14) der zweiten Spule (5) des ersten Paars (3, 5) einen ersten Symmetrieschaltungsausgang (21) definiert; wobei das erste Ende (16) der zweiten Spule (9) des zweiten Paars (7, 9) einen zweiten Symmetrieschaltungsausgang (23) definiert; wobei das erste Ende (12) der zweiten Spule (5) des ersten Paars (3, 5) und das zweite Ende (18) der zweiten Spule (9) des zweiten Paars (7, 9) elektrisch miteinander verbunden (13) sind; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spulenpaar eine Spirale mit abnehmendem Radius definiert, so wie es von den ersten Enden (2, 12) der Spulen (3, 5) des ersten Spulenpaars aus gesehen wird, und das zweite Spulenpaar eine Spirale mit zunehmendem Radius definiert, so wie es von den ersten Enden (6, 16) der Spulen (7, 9) des zweiten Spulenpaars aus gesehen wird.
Planare Symmetrieschaltung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Metallfeld (15) auf dem Substrat (11), wobei das Metallfeld (15) mit der elektrischen Verbindung (13) zwischen dem ersten Ende (12) der zweiten Spule (5) des ersten Paars (3, 5) und dem zweite Ende (18) der zweiten Spule (9) des zweiten Paars (7, 9) verbunden ist.
Planare Symmetrieschaltung nach Anspruch 2, wobei das Substrat (11) eine metallische Durchkontaktierung umfasst, wobei die Durchkontaktierung sich zwischen der oberen Seite und der unteren Seite des Substrats erstreckt zum elektrischen Verbinden des Metallfelds (15) mit der metallischen Massenplattenschicht.
Planare Symmetrieschaltung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Kondensator (47), wobei der Kondensator (47) mit einer Seite mit der elektrischen Verbindung zwischen dem ersten Ende (12) der zweiten Spule (5) des ersten Paars (3, 5) und dem zweite Ende (18) der zweiten Spule (9) des zweiten Paars (7, 9) elektrisch verbunden ist, wobei die übrigbleibende Seite des Kondensators (47) mit der Massenplatte elektrisch verbunden ist.
Planare Symmetrieschaltung nach Anspruch 1, wobei die Spiralspulen als kreisförmige Spiralen ausgebildet sind.
Planare Symmetrieschaltung nach Anspruch 1, wobei die Spiralspulen (3, 5, 7, 9) als rechteckige Spiralen ausgebildet sind.
Symmetrieschaltung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen ersten Metallstreifen (10), der eine erste Luftbrücke definiert, wobei der erste Metallstreifen sich vom zweiten Ende (4) der ersten Spule (3) des ersten Spulenpaars (3, 5) zum ersten Ende (6) der ersten Spule (7) des zweiten Spulenpaars (7, 9) erstreckt, um das zweite Ende (4) der ersten Spule (3) des ersten Paars (3, 5) und das erste Ende (6) der ersten Spule (7) des zweiten Paars (7, 9) elektrisch in Reihe zu schalten, wobei sich der erste Metallstreifen über Teile der ersten und zweiten Spulenpaare (3, 5, 7, 9) erstreckt und von ihnen physikalisch beabstandet ist, die zwischen dem zweiten Ende (4) der ersten Spule (3) des ersten Paars (3, 5) und dem ersten Ende (6) der ersten Spule (7) des zweiten Paars (7, 9) eingefügt sind, um den ersten Metallstreifen von den eingefügten Teilen der ersten und zweiten Spulenpaare elektrisch zu isolieren und um dazwischen einen ersten Luftspalt zu definieren; einen zweiten Metallstreifen (20), der eine zweite Luftbrücke definiert, wobei der zweite Metallstreifen sich vom zweiten Ende (14) der zweiten Spule (5) des ersten Spulenpaars (3, 5) zum ersten Symmetrieschaltungsausgang (21) erstreckt, wobei der zweite Metallstreifen sich über Teile des ersten Spulenpaars (3, 5) erstreckt und von ihnen physikalisch beabstandet ist, die zwischen dem zweiten Ende (14) der zweiten Spule (5) des ersten Spulenpaars (3, 5) und dem ersten Symmetrieschaltungsausgang (21) eingefügt sind, um den zweiten Metallstreifen von den eingefügten Teilen des ersten Spulenpaars (3, 5) elektrisch zu isolieren und dazwischen einen zweiten Luftspalt zu definieren; und einen dritten Metallstreifen (22), der eine dritte Luftbrücke definiert, wobei der dritte Metallstreifen sich vom ersten Ende (16) der zweiten Spule (9) des zweiten Spulenpaars (7, 9) zum zweiten Symmetrieschaltungsausgang (23) erstreckt, wobei der dritte Metallstreifen sich über Teile des zweiten Spulenpaars (7, 9) erstreckt und von ihnen physikalisch beabstandet ist, die zwischen dem ersten Ende (16) der zweiten Spule (9) des zweiten Spulenpaars (7, 9) und dem zweiten Symmetrieschaltungsausgang (23) eingefügt sind, um den dritten Metallstreifen von den eingefügten Teilen des zweiten Spulenpaars (7, 9) elektrisch zu isolieren und dazwischen einen dritten Luftspalt zu definieren.
Symmetrieschaltung nach Anspruch 1, wobei das elektrisch nichtleitende oder halbleitende Material aus der Gruppe ausgewählt wird, die Galliumarsenid, Indiumphosphid, Silizium-Germanium, Sllizium und Aluminiumoxid umfasst.