DE60307730T2

DE60307730T2 - Hocheffizienter Tiefpassfilter

Info

Publication number: DE60307730T2
Application number: DE60307730T
Authority: DE
Inventors: William Dean Melbourne Killen; Randy T. Grant Pike
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: EP1376743B1; AU2003204880A1; US6794952B2; EP1376743A1; US20040000960A1; CA2432183C; ATE337619T1; CA2432183A1; DE60307730D1; JP2004032768A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bestimmung des technischen Gebiets
Die vorliegenden Anordnungen betreffen allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Bereitstellen einer erhöhten Entwurfsflexibilität für Funkfrequenzschaltungen und im Besonderen zur Optimierung dielektrischer Leiterplattenmaterialien zur verbesserten Leistung von Resonanzleitungen mit zwei Anschlüssen.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Funkfrequenzschaltungen, Übertragungsleitungen und Antennenelemente werden üblicherweise auf speziell aufgebauten Substratplatten hergestellt. Für den Zweck von Hochfrequenzschaitungen ist es wichtig, eine genaue Steuerung über Impedanzcharakteristiken und die elektrische Länge aufrechtzuerhalten. Falls die Impedanzen unterschiedlicher Teile der Schaltung nicht übereinstimmen, kann dies zu einem ineffizienten Leistungsübertrag, unnötiger Aufheizung von Komponenten und anderen Problemen führen. Die elektrische Länge von Übertragungsleitungen und Abstrahlelementen in diesen Schaltungen kann auch ein kritischer Gestaltungsfaktor sein.
Zwei kritische Faktoren, welche die Leistung eines Substratmaterials beeinflussen, sind die Permittivität (manchmal die relative Permittivität oder ε_r genannt) und der Dielektrizitätsverlust bzw. die Verlusttangente (manchmal als der Dissipationsfaktor bezeichnet). Ein weiterer kritischer Faktor ist die Permeabilität (manchmal die relative Permeabilität oder μ_r genannt). Die relative Permittivität und Permeabilität bestimmen die Geschwindigkeit des Signals und dadurch die elektrische Länge von Übertragungsleitungen und anderen Komponenten, die an dem Substrat implementiert werden. Der Dielektrizitätsverlust kennzeichnet die Verlustmenge, die für Signale auftritt, welche das Substratmaterial durchlaufen. Dementsprechend werden Materialien mit niedrigem Verlust mit steigender Frequenz noch wichtiger, insbesondere bei Entwurf von Empfängereingangsseiten und von niedrig-rauschenden Verstärkerschaltungen.
Gedruckte Übertragungsleitungen, passive Schaltungen und Abstrahlelemente, die in Funkfrequenzschaltungen verwendet werden, können auf viele unterschiedliche Arten gebildet werden. Drei häufige Umsetzungen sind unten beschrieben. Eine Konfiguration, die als Mikrostreifen bekannt ist, ordnet die Signalleitung auf einer Leiterplattenoberfläche an und stellt eine zweite leitfähige Schicht bereit, die üblicherweise als eine Masseplatte bezeichnet wird. Eine zweite Art von Konfiguration, die als bedeckter Mikrostreifen bekannt ist, ist ähnlich, außer dass die Signalleitung mit einem dielektrischen Substratmaterial bedeckt ist. In einer dritten Konfiguration, die als Streifenleitung bekannt ist, ist die Signalleitung innerhalb des Substrats zwischen zwei elektrisch leitenden (Masse)-Platten eingefügt. Wenn man die Verlustleistung vernachlässigt, ist die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung, wie beispielsweise einer Streifenleitung oder eines Mikrostreifens, gleich
wobei L_I die Induktivität bzw. der induktive Widerstand pro Einheitslänge und C_I die Kapazität pro Einheitslänge sind. Die Werte von L_I und C_I werden allgemein durch die physikalische Geometrie und den Abstand der Leitungsstrukturen bestimmt, als auch die Permittivität und Permeabilität des dielektrischen Materials/der dielektrischen Materialien, die verwendet werden, um die Übertragungsleitungsstrukturen zu trennen. Herkömmliche Substratmaterialien weisen typischerweise eine relative Permeabilität von ungefähr 1,0 auf.
Beim herkömmlichen Funkfrequenzentwürfen wird ein Substratmaterial ausgewählt, das einen relativen Permittivitätswert aufweist, der für den Aufbau geeignet ist, und die relative Permeabilität beträgt typischerweise ca. 1 für die meisten üblichen dielektrischen Substratmaterialien. Sobald das Substratmaterial ausgewählt ist, wird der Wert der charakteristischen Impedanz der Leitung ausschließlich durch Steuern der Leitungsgeometrie und der physikalischen Struktur angepasst.
Funkfrequenz ("radio frequency"; RF)-Schaltungen werden typischerweise in hybriden Schaltungen ausgebildet, in denen eine Vielzahl aktiver und passiver Schaltungskomponenten auf einer Oberfläche eines elektrisch isolierenden Leiterplattensubstrats angebracht und miteinander verbunden ist, wie beispielsweise einem Keramiksubstrat. Die verschiedenen Komponenten werden allgemein durch aufgedruckte metallische Leiter aus Kupfer, Gold oder Tantal zusammengeschaltet, die beispielsweise Übertragungsleitungen wie Streifenleitungen oder Mikrostreifen oder Doppelleitungsstrukturen sind.
Die Permittivität und Permeabilität des ausgewählten Substratmaterials für eine Übertragungsleitung, eine passive Funkfrequenzvorrichtung oder ein Abstrahlelement beeinflusst die physikalische Wellenlänge der Funkfrequenzenergie bei einer gegebenen Frequenz für diese Leitungsstruktur. Eines der beim Entwerfen von mikroelektronischen Funkfrequenzschaltungen auftretenden Probleme ist die Auswahl eines dielektrischen Baugruppensubstratmaterials, das für alle verschiedenen passiven Komponenten, strahlenden Elemente und Übertragungsleitungsschaltungen geeignet ist, die auf der Baugruppe ausgebildet werden. Im Besonderen kann die Geometrie bestimmter Schaltungselemente aufgrund der einzigartigen elektrischen oder Impedanz-Eigenschaften, die für solche Elemente benötigt werden, physikalisch groß oder miniaturisiert sein. Beispielsweise müssen viele Schaltungselemente oder abgestimmte Schaltungen eine elektrische Viertelwelle sein. Auf gleiche Weise können die Leitungsbreiten, die für besonders hohe oder niedrige Werte der charakteristischen Impedanz benötigt wird, häufig zu schmal oder zu breit sein bezüglich einer praktischen Implementierung für ein gegebenes Substrat. Da die physikalische Größe des Mikrostreifens oder der Streifenleitung in einer inversen Beziehung zur relativen Permittivität des dielektrischen Materials steht, können die Ausmaße einer Übertragungsleitung durch die Wahl des Substratleiterplattenmaterials stark beeinflusst werden.
Dennoch kann eine optimale Wahl für einen Leiterplattensubstratmaterialentwurf für einige Komponenten inkonsistent mit dem optimalen Leiterplattensubstratmaterial für andere Komponenten sein, wie beispielsweise Antennenelemente oder Filter. Darüber hinaus können einige Entwurfszielsetzungen für eine Schaltungskomponente inkonsistent mit denjenigen für eine andere sein. Dementsprechend führen die Randbedingungen eines Leiterplattensubstrats mit ausgewählten relativen dielektrischen Eigenschaften oft zu Entwurfskompromissen, welche die elektrische Leistung und/oder physikalischen Eigenschaften der Gesamtschaltung negativ beeinflussen.
Ein inhärentes Problem mit dem obigen Ansatz ist es, dass, zumindest in Bezug auf das Substratmaterial, die einzige Steuervariable für die Leitungsimpedanz die relative Permittivität, ε_r, ist. Diese Beschränkung verdeutlicht ein wichtiges Problem mit herkömmlichen Substratmaterialien, d.h., dass diese keinen Vorteil aus dem anderen Materialfaktor ziehen, welcher die charakteristische Impedanz bestimmt, nämlich die relative Permeabilität, μ_r. Änderungen der relativen Permeabilität beeinflussen L_I, die Induktivität pro Einheitslänge der Übertragungsleitung.
Noch ein weiteres Problem, das beim Entwurf von Funkfrequenzschaltungen auftritt, ist die Optimierung von Schaltungskomponenten zum Betrieb an unterschiedlichen Funkfrequenzbändern. Leitungsimpedanzen und -längen, die für ein erstes Funkfrequenzband optimiert sind, können eine schlechtere Leistung bringen, wenn sie für andere Bänder verwendet werden, entweder aufgrund von Impedanzschwankungen und/oder Schwankungen in der elektrischen Länge. Solche Beschränkungen können den effektiven Betriebsfrequenzbereich für ein gegebenes Funkfrequenzsystem beschränken.
Herkömmliche Leiterplattensubstrate werden allgemein durch Abläufe, wie beispielsweise Gießen oder Sprühbeschichten gebildet, welche allgemein zu einheitlichen physikalischen Substrateigenschaften, einschließlich der Permittivität, führen. Dementsprechend haben sich herkömmliche dielektrische Substratanordnungen für Funkfrequenzschaltungen als eine Beschränkung beim Entwurf von Schaltungen gezeigt, die optimal bezüglich sowohl elektrischer als auch größenmäßiger Eigenschaften sind.
Interessierende Referenzen auf dem Gebiet der Funkfrequenzschaltungen umfassen JP 05 211402 von Furakawa Electric Co. Ltd. und ein Aufsatz von Salahun et al., "Ferromagnetic Composite-Based and Magnetically-Tunable Microwave Devices", 2002 IEEE MT-S International Microwave Symposium Digest, 2.–7. Juni 2002, Seiten 1185–1188. JP 05 211402 beschreibt eine Filterschaltung, die auf einer dielektrischen Keramikplatte ausgebildet ist, die aus Hauptleitungen und Stichleitungen bzw. Stubs besteht. Die Keramikplatte weist eine dielektrische Konstante auf, die niedriger als diejenige der dielektrischen Keramikplatte ist, und ein Wandler wird an der Basis gebildet. Gemäß JP 05 211402 wird die Linienbreite verdickt, ohne die charakteristische Impedanz des Wandlers zu ändern, und zwar durch Verwenden eines dielektrischen Materials, dessen dielektrische Konstante niedriger als diejenige eines Filters für den Wandler ist. Der Aufsatz von Salahun et al. betrifft die Erzeugung abstimmbarer Mikrowellenvorrichtungen unter Verwendung ferromagnetischer Materialien. Im Vergleich zu Ferriten sagt dieser Aufsatz, dass die analysierten Komposite gekennzeichnet sind durch eine höhere Sättigungsmagnetisierung und eine verbesserte Empfindlichkeit gegenüber einem Gleichstrom-Magnetfeld.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird eine Schaltung zum Verarbeiten von Funkfrequenzsignalen bereitgestellt, so wie sie in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
In einer Ausführungsform umfasst der zweite Bereich eine Vielzahl entsprechender Teile, und die Leitung mit zwei Anschlüssen ist ein Tiefpassfilter. Das Tiefpassfilter umfasst einen Wandlerleitungsabschnitt auf zumindest einem Teil des ersten Bereichs und auf zumindest einem entsprechenden Teil des zweiten Abschnitts. Der Tiefpassfilter umfasst mindestens einen ersten Stichleitungs- bzw. Stubabschnitt an mindestens einem Teil des ersten Bereichs und an mindestens einem anderen entsprechenden Teil des zweiten Bereichs. Der erste Bereich und der zweite Bereich der dielektrischen Schicht können unterschiedlich modifiziert bzw. verändert sein, um eine Kapazität zwischen der Leitung mit zwei Anschlüssen und einer Masseplatte anzupassen. Der erste Bereich und der zweite Bereich der dielektrischen Schicht können unterschiedlich modifiziert sein, um einen Gütefaktor der Leitung mit zwei Anschlüssen anzupassen. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Leitung mit zwei Anschlüssen eine Vielzahl von Stubabschnitten, wobei jeder der Vielzahl von Stubabschnitten mit seinem eigenen entsprechenden zweiten Substratbereich gekuppelt ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf eine Leitung mit zwei Anschlüssen, die an einem herkömmlichen Substrat ausgebildet wird.
2 ist eine Draufsicht auf eine Leitung mit zwei Anschlüssen, die auf einem Substrat zum Verringern der Größe der Leitung mit zwei Anschlüssen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet wird.
3 ist eine Querschnittsansicht der Leitung mit zwei Anschlüssen aus 2, aufgetragen entlang der Linie A-A.
4 ist eine Querschnittsansicht einer Leerlauf-Stubkonfiguration als offenem Kreislauf der Leitung mit zwei Anschlüssen aus 1, aufgetragen entlang der Linie B-B.
5 ist eine Querschnittsansicht einer Kurzschluss-Stubkonfiguration der Leitung mit zwei Anschlüssen aus 2, aufgetragen entlang der Linie B-B.
6 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der Leitung mit zwei Anschlüssen aus 2, die entlang der Linie A-A aufgetragen ist, wobei ein Teil der Übertragungsleitung einen speziell angepassten Substratbereich umfasst.
7 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der Leitung mit zwei Anschlüssen aus 2, aufgetragen entlang der Linie A-A, wobei ein Wandlereinschnitt eingebettet ist.
8 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Leitung mit zwei Anschlüssen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die gesamte Zwei-Filter-Leitung im Substrat eingebettet ist.
9 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Leitung mit zwei Anschlüssen, die auf einem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet worden ist, wobei die Leitung mit zwei Anschlüssen in einem Streifenleitungsformat eingebettet ist.
10 ist ein Flussdiagramm, das zur Darstellung eines Ablaufs zum Herstellen einer Resonanzleitung verringerter physikalischer Größe gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezug nehmend auf 1 ist eine herkömmliche Leitung 10 mit zwei Anschlüssen auf einem Leiterplattensubstrat 11 mit Anschlüssen 13 und 15 gezeigt, die mit einem Übertragungsleitungsabschnitt 17 und mit einem Wandlerleitungsabschnitt 12 gekoppelt sind. Zusätzlich umfasst die Filterleitung 10 mit zwei Anschlüssen ferner Stubleitungsabschnitte 14 und 16. Der Übertragungsleitungsabschnitt 17 weist eine erste Impedanz auf, während die Stubleitungsabschnitte 14 mindestens eine zweite Impedanz aufweisen können. In diesem Fall sind die Impedanzeigenschaften der Leitung mit zwei Anschlüssen abhängig von den Impedanzeigenschaften oder der effektiven Permeabilität und Permittivität des Substrats 11. Eine Entwurfsauswahl der Größe des Wandlerleitungsabschnitts und der Stubleitungsabschnitte werden von solchen Impedanzeigenschaften bestimmt.
Der Wandler wird allgemein verwendet, um eine Fehlanpassung in der Impedanz zwischen zwei Punkten an einer Übertragungsleitung zu kompensieren. In einem 1/4-Wellen- bzw. λ/4-Wandler weist eine Lastimpedanz Z_i zur charakteristischen Speisungsleitungsimpedanz Z₀ durch eine kurze Länge einer Übertragungsleitung der Länge I eine Impedanz von Z_I auf. Für einen perfekten Übergang mit keinen Reflexionen an der Grenzfläche zwischen einem Mikrostreifen und einer Last würde die charakteristische Impedanz Z_I gleich sein zu:
Daher wird der Wandlerleitungsabschnitt typischerweise so entworfen, dass die charakteristische Speisungsleitungsimpedanz mit der Lastimpedanz (nicht gezeigt) übereinstimmt.
Bezug nehmend auf 2 ist die Leitung 100 mit zwei Anschlüssen, die als ein Tiefpassfilter dient, auf einer Schicht eines Substratmaterials (Substratschicht 110) angebracht. In 2 ist die Leitung 100 mit zwei Anschlüssen so konfiguriert, dass sie einen Eingangsanschluss 113 an einem proximalen Ende und einen Ausgabeanschluss 115 an einem distalen Ende aufweist sowie einen Wandlerabschnitt 112, einen oder mehrere Stubabschnitte 114 und 116 und eine Übertragungsleitung oder -spur 117, die sich von dem proximalen Ende des Wandlerabschnitts 112 erstreckt, wobei die Stubabschnitte sich von der Spur 117 zu einem entsprechenden Ende des Stubs erstrecken. Die Stichleitungen bzw. Stubs 114 und 116 und der Wandlerabschnitt 112 können breiter aber kürzer als die Spur 117 sein. Es wird vom Fachmann jedoch anerkannt, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und die Leitung mit zwei Anschlüssen auch in unterschiedlichen Formen konfiguriert sein kann. Beispielsweise kann in einer Anordnung die Leitung mit zwei Anschlüssen eine Spur mit konstanter Breite ohne einen Stub aufweisen, kann eine Spur mit einer sich ausbreitenden oder konisch geformten Breite aufweisen oder kann einen kreisförmigen oder radialen Stub aufweisen. Jedoch können auch noch andere Leitungsformen verwendet werden.
Die Stubs 114 und 116 können als Resonanzleitungen angesehen werden.
Eine Resonanzleitung ist eine Übertragungsleitung, die typischerweise in Funkfrequenzschaltungen verwendet wird. Eine Resonanzleitung weist eine begrenzte Länge auf und wird nicht in ihrer eigentümlichen Impedanz (Z₀) abgeschlossen bzw. abgesteuert. Die Fehlanpassung zwischen Z₀ und der Impedanz bei Abschluss (Lastimpedanz) Z_L bewirkt, dass Energiereflexionen auftreten. Diese Energiereflexionen können eine Spannung an der Leitung erhöhen oder erniedrigen, und zwar abhängig von der Frequenz der angelegten Spannung und der Lage an der Leitung, an der die Spannung gemessen wird. Dementsprechend kann eine Resonanzleitung einer gegebenen Länge bei einigen Frequenzen eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen, ähnlich einer parallelen Resonanzschaltung bei Resonanz, während die Resonanzleitung bei anderen Frequenzen eine niedrige Eingangsimpedanz aufweisen kann, ähnlich einer reihengeschalteten Resonanzschaltung bei Resonanz. Bei anderen Frequenzen kann die Resonanzleitung auch komplexe oder reaktive Impedanzen aufweisen. Als ein Tiefpassfilter ermöglicht die vorliegende Erfindung eine tiefere Zurückweisung in einer Bandstoppfläche einer Filterantwort und einen niedrigen Verlust in einer Durchlass bandfläche der Filterantwort als vorhergehende Entwürfe unter Verwendung von herkömmlichen Materialien.
Auf bedruckten Leiterplatten oder Substraten werden Einzelanschluss-Resonanzleitungen typischerweise implementiert durch Erzeugen einer Leitung mit einem einzelnen Anschluss am Eingang und entweder mit einem offenen Kreislauf oder einem Kurzschluss zur Masse beim Abschluss. Die elektrische Länge einer Resonanzleitung mit einem Anschluss bzw. einer Einzelanschluss-Resonanzleitung ist üblicherweise ein Vielfaches einer Viertel-Wellenlänge einer ausgewählten Frequenz. An einer kurzgeschlossenen Leitung weist jeder Punkt bei einer ungeraden Zahl von Viertelwellenlängen vom Abschluss aus eine hohe Impedanz und relative Spannungsmaxima auf, und jeder Punkt bei einer geraden Zahl von Viertelwellenlängen von dem Abschluss aus weist eine niedrige Impedanz und ein relatives Spannungsminimum auf. Die Lagen der Spannungsmaxima und -minima sind an Leerlauf-Resonanzleitungen umgekehrt. Die Eingangsimpedanz einer Einzelanschluss-Resonanzleitung ist üblicherweise resistiv, wenn die Länge der Resonanzleitung ein gerades oder ungerades Vielfaches der Viertelwellenlängen der Betriebsfrequenz ist. Das heißt, dass der Eingang zur Einzelanschluss-Resonanzleitung sich an einer Position eines Spannungsmaximums oder -minimums befindet.
Wenn der Eingang der Einzelanschluss-Resonanzleitung sich an einer Position zwischen den Punkten maximaler und minimaler Spannung befindet, kann die Eingangsimpedanz reaktive Komponenten aufweisen, was ein nützliches Merkmal sein kann. Beispielsweise können die Resonanzleitungen auch als fast reine Kapazitäten oder Induktivitäten agieren. Beispielsweise agiert eine Leerlaufleitung als eine reine Kapazität bei einer Länge von 1/8 der Wellenlänge, agiert als eine Reihen-LC-Impedanz bei einer Länge von 1/4 der Wellenlänge, agiert als reine Induktivität bei einer Länge von 3/8 der Wellenlänge und agiert wie eine parallele LC-Schaltung bei einer Länge von 1/2 der Wellenlänge. Diese Abfolge wiederholt sich jede halbe Wellenlänge mit glatten Übergängen zwischen jedem der oben angesprochenen Punkte. Daher können geeignete ausgewählte Resonanzleitungssegmente mit einem Anschluss als parallel-resonante, Reihenschaltungs-resonante, induktive oder kapazitive Schaltungen verwendet werden.
Eine Kurzschlussleitung agiert als eine reine Induktivität bei einer Länge von 1/8 der Wellenlänge, agiert als eine parallele LC-Impedanz bei einer Länge einer 1/4 der Wellenlänge, agiert als reine Kapazität bei einer Länge von 3/8 der Wellenlänge und agiert wie eine Reihen-LC-Schaltung bei einer Länge einer halben Wellenlänge. Die ser Ablauf wiederholt sich jede halbe Wellenlänge mit glatten Übergängen zwischen jedem der oben angesprochenen Punkte. Daher können geeignete ausgewählte Resonanzleitungssegmente mit einem Anschluss als parallel-resonante, reihengeschaltet-resonante, induktive oder kapazitive Schaltungen verwendet werden.
Wenn eine Resonanzleitung in einer Kapazität abschließt, absorbiert der Kondensator keine Energie, sondern gibt jegliche Energie an die Schaltung zurück. Die Impedanzdiskontinuität zwischen der Leitungsimpedanz und dem Abschluss erzeugt eine reflektierte Welle, die sich auf die einlaufende Wellen aufaddiert, um eine stehende Welle zu erzeugen. Die Spannung der stehenden Welle ist minimal bei einem Abstand von genau 1/8 der Wellenlänge, vom Ende aus gesehen, wenn die kapazitive Reaktanz des Abschlusses den gleichen absoluten Wert wie Z₀ aufweist. Falls die kapazitive Reaktanz größer als Z₀ ist (kleinere Kapazität), sieht der Abschluss mehr wie ein offener Kreislauf aus, und das Spannungsminimum bewegt sich vom Ende weg. Falls die kapazitive Reaktanz kleiner als Z₀ ist, bewegt sich das Spannungsminimum näher zum Ende.
Resonanzleitungen mit einem Anschluss werden üblicherweise auf speziell dazu entworfenen bedruckten Leiterplatten bzw. Platinen hergestellt. Die Resonanzleitungen können auf viele unterschiedliche Arten hergestellt werden. Drei übliche Konfigurationen werden als Nächstes beschrieben. Eine Konfiguration, die als Mikrostreifen bekannt ist, ordnet die Resonanzleitung an einer Plattenoberfläche an und stellt eine zweite leitfähige Schicht bereit, die mit der Platte gekoppelt ist. Diese zweite leitfähige Schicht wird üblicherweise als eine Masseplatte bezeichnet. Eine zweite Art von Konfiguration, die als bedeckter Mikrostreifen bekannt ist, ist gleich, außer dass die Resonanzleitung mit einem dielektrischen Substratmaterial bedeckt ist. In einer dritten Konfiguration, die als Streifenleitung bekannt ist, ist die Resonanzleitung zwischen zwei elektrisch leitfähigen (Masse) Platten eingefügt, welche sich nahe der Leiterplatte befinden können oder mit der Leiterplatte gekoppelt sein können. Wie hierin definiert, bedeutet "gekoppelt mit der Leiterplatte" befestigt mit der Oberfläche der Leiterplatte oder in der Leiterplatte enthalten.
Materialien für bedruckte Leiterplatten mit niedriger Permittivität werden üblicherweise zum Entwurf von Funkfrequenzschaltungen ausgewählt. Beispielsweise sind Polytetrafluorethylen (PTFE)-basierte Komposite, wie beispielsweise RT/duroid^® 6002 (relative Permittivität von 2,94; Dielektrizitätsverlust von 0,009) und RT/duroid^® 5880 (relative Permittivität von 2,2; Dielektrizitätsverlust von 0,0007), beide von Rogers Microwave Products, Advanced Circuit Materials Division, 100 S Roosevelt Avenue, Chandler, AZ 85226, erhältlich. Diese beiden Materialien sind übliche Wahl für Leiterplattenmaterial. Die obigen Leiterplattenmaterialien stellen dielektrische Schichten mit relativ niedrigen Permittivitäten mit zugehörigen niedrigen Dielektrizitätsverlusten zur Verfügung.
Jedoch kann die Verwendung herkömmlicher Leiterplattenmaterialien, die Miniaturisierung von Schaltungselementen kompromittieren und mag auch einige Leistungsaspekte der Schaltung kompromittieren, welche von Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante profitieren können. Durch Vergleich stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler eine zusätzliche Flexibilitätsstufe bereit durch Erlauben der Verwendung von Substratschichtteilen mit lokal hoher Permittivität und Substratschichtteilen mit lokal niedriger Permittivität. Zusätzlich können lokalisierte Leiterplattenteile auf einen Wirkungsgrad optimiert werden durch die Fähigkeit, lokalisierte magnetische Leiterplatteneigenschaften auszuwählen. Diese zusätzliche Flexibilität ermöglicht eine verbesserte Leistung und Leitungselementdichte, die anders nicht möglich ist.
Dielektrische Substratplatten bzw. -baugruppen mit Metamaterial-Bereichen, welche lokalisierte bzw. lokal begrenzte und auswählbare magnetische und Substrat-Eigenschaften bereitstellen, können auf die folgende Art hergestellt werden. Wie hierin definiert, bezieht sich der Ausdruck "Metamaterialien" auf Kompositmaterialien, die aus dem Mischen oder einer Anordnung von zwei oder mehr unterschiedlicher Materialien auf einer sehr feinen Ebene, wie beispielsweise der Molekular- oder Nanometer-Ebene, gebildet werden. Metamaterialien erlauben ein Zuschneiden elektromagnetischer Eigenschaften des Komposits, welches durch effektive elektromagnetische Parameter definiert werden kann, die eine effektive elektrische Permittivität ε_eff (oder Dielektrizitätskonstante) und die effektive magnetische Permeabilität μ_eff umfassen.
Geeignete dielektrische Massen- bzw. Bulk-Keramiksubstratmaterialien kann man von kommerziellen Materialherstellern, wie beispielsweise duPont und Ferro, erhalten. Das unverarbeitete Material, üblicherweise Green Tape genannt, kann aus einem dielektrischen Massen-Band in große Bereiche geschnitten werden, wie beispielsweise in Teile von 15,24 × 15,24 cm (d. h., 6 inch × 6 inch-Teile). Beispielsweise stellt duPont Microcircuit Materials Green Tape-Materialsysteme bereit, wie beispielsweise das dielelektrische 951-Niedertemperatur-Einbrand-Band, und die Ferro Electronic Materials die COG-dielektrische ULF28-30-ultraniedrig-Einbrand-Formulierung. Diese Substratmaterialien können dazu verwendet werden, dielektrische Schichten mit relativ geringen Dielektrizitätskonstanten mit dazugehörigen relativ niedrigen Dielektrizitätsverlusten für einen Schaltungsbetrieb bei Mikrowellenfrequenzen bereitzustellen, sobald sie gebrannt sind.
Beim Ablauf des Erzeugens einer Mikrowellenschaltung unter Verwendung mehrfacher Lagen eines dielektrischen Substratmaterials können Merkmale wie beispielsweise Durchführungen, Poren, Löcher oder Hohlräume durch ein oder mehrere Schichten des Bandes gestanzt werden. Poren können durch mechanische Mittel (beispielsweise Stanzungen) oder durch gerichtete Energiemittel (z. B. Laserbohren, Fotolithografie) definiert werden, aber Poren können auch unter Verwendung jedes anderen geeigneten Verfahrens definiert werden. Einige Durchkontaktierungen können durch die gesamte Dicke des großen Substrats hindurch reichen, während einige Poren nur durch verschiedene Bereiche der Substratdicke hindurchreichen.
Die Durchkontaktierungen können dann mit Metall oder anderen dielektrischen oder magnetischen Materialien oder Mischungen davon, aufgefüllt werden, üblicherweise unter Verwendung von Schablonen zur präzisen Aufbringung der Hinterfüllungsmaterialien. Die individuellen Schichten des Bandes können in einem herkömmlichen Verfahrensablauf aufeinander gestapelt werden, um ein vollständiges Mehrlagensubstrat herzustellen. Alternativ können individuelle Schichten des Bandes aufeinandergestapelt werden, um ein nicht vollständiges Mehrlagensubstrat zu erzeugen, das üblicherweise als ein Teilstapel bezeichnet wird.
Mit Poren bzw. Leerräumen versehene Bereiche können auch Poren bleiben. Falls sie mit ausgewählten Materialien hinterfüllt werden, umfassen die ausgewählten Materialien vorzugsweise Metamaterialien. Die Wahl einer Metamaterialzusammensetzung kann steuerbare effektive Dielektrizitätskonstanten über einen vergleichsweise kontinuierlichen Bereich von weniger als 2 bis mindestens 2650 ergeben. Steuerbare magnetische Eigenschaften sind auch von bestimmten Metamaterialien verfügbar. Beispielsweise kann durch Wahl geeigneter Materialien die relative effektive magnetische Permeabilität allgemein von ungefähr 4 bis 116 für die meisten praktischen Funkfrequenzanwendungen reichen. Jedoch kann die relative effektive magnetische Permeabilität so niedrig wie ca. 2 sein oder bis in die Tausende reichen.
Der Ausdruck "unterschiedlich modifiziert", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf Veränderungen bzw. Modifikationen, einschließlich Dotiermitteln, in Bezug auf eine Substratschicht, was dazu führt, dass zumindest eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an einem Bereich des Substrats im Vergleich zu einem anderen Bereich unterschiedlich ist. Ein unterschiedlich modifiziertes Leiterplattensubstrat umfasst vorzugsweise ein oder mehr Metamaterial enthaltende Bereiche.
Beispielsweise kann die Modifikation eine ausgewählte Veränderung sein, bei der bestimmte dielektrische Schichtbereiche bzw. Bereiche einer dielektrischen Schicht verändert werden, um einen ersten Satz dielektrischer Permittivitäts- oder magnetischer Permeabilitäts-Eigenschaften zu erzeugen, während andere Bereiche der Substratschicht unterschiedlich modifiziert bzw. verändert werden oder unverändert bleiben, um dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften bereitzustellen, die sich von dem ersten Satz von Eigenschaften unterscheiden. Eine unterschiedliche Modifizierung kann auf eine Vielzahl unterschiedlicher Wege erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Ergänzungssubstratschicht der dielektrischen Schicht hinzugefügt werden. Bekannte Techniken, wie beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder ein Zerstäuben können verwendet werden, um die Ergänzungssubstratschicht aufzubringen. Die Ergänzungssubstratschicht kann ausgewählt in räumlich begrenzten Bereichen hinzugefügt werden, einschließlich innerhalb von Poren oder Löchern, oder über die gesamte existierende dielektrische Schicht. Beispielsweise kann eine Ergänzungssubstratschicht verwendet werden, um einen Substratbereich mit einer erhöhten effektiven Permittivität bereitzustellen.
Antworten einer Substratschicht auf gegebene energetische Anregungen können im Wesentlichen ganz oder teilweise permanent sein. Permanente Antworten erlauben eine zeitliche Anwendung einer geeigneten Anregung, um ein oder mehrere gewünschte physikalische Eigenschaften einer Substratschicht zu erreichen. Physikalische Eigenschaften können auch dynamisch gesteuert werden, wie beispielsweise durch die Verwendung von Entladungselektroden, welche eine Anwendung eines zeitlich veränderlichen elektrischen Felds über die Substratschicht erlauben können. Eine dynamische Steuerung der Substratschichteigenschaften, wie beispielsweise der Permittivität, kann verwendet werden, um die physikalischen Eigenschaften der Substratschicht zu steuern, um die Leistung der Resonanzleitung als Antwort auf sich verändernde Signaleigenschaften zu optimieren, beispielsweise auf eine wesentliche Änderung in der Betriebsfrequenz.
Der Schritt des unterschiedlichen Modifizierens kann weiterhin ein räumlich begrenztes Hinzufügen zusätzlicher Materialien zu der Substratschicht oder der dielektrischen Ergänzungssubstratschicht schicht enthalten. Die Hinzufügung von Material kann verwendet werden, um die effektiven Permittivitäts- oder Permeabilitätseigenschaften der Substratschicht weiter zu steuern, um ein vorgegebenes Entwurfsziel zu erreichen.
Das zusätzliche Material kann eine Vielzahl von metallischen und/oder keramischen Teilchen umfassen. Metallteilchen umfassen vorzugsweise Eisen-, Wolfram-, Kobalt-, Vanadium-, Mangan-, bestimmte Seltenerdmetall-, Nickel- oder Niob-Teilchen. Die Teilchen sind vorzugsweise nanogroße Teilchen mit allgemein physikalischen Sub-Mikrometer-Abmessungen, die im Weiteren als Nanoteilchen bezeichnet werden.
Die Teilchen, wie beispielsweise Nanoteilchen, können vorzugsweise organofunktionalisierte Kompositteilchen sein. Beispielsweise können organofunktionalisierte Kompositteilchen Teilchen umfassen, welche metallische Kerne mit elektrisch isolierenden Beschichtungen oder elektrisch isolierende Kerne mit einer Metallbeschichtung umfassen.
Magnetische Metamaterialien, welche allgemein zur Steuerung einer magnetischen Permeabilität der Substratschicht für eine Vielzahl von hierin beschriebenen Anwendungen geeignet sind, umfassen Ferrit-Organokeramiken (Fe_xC_yH_z)-(Ca/Sr/Ba-Keramik). Diese Teilchen arbeiten gut bei Anwendungen im Frequenzbereich von 8 bis 40 GHz. Alternativ oder zusätzlich sind Niob-Organokeramiken (NbCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik) nützlich für den Frequenzbereich von 12–40 GHz. Die für eine Hochfrequenz vorgesehenen Materialien sind auch auf Niedrigfrequenzanwendungen anwendbar. Diese und andere Arten von Kompositteilchen sind kommerziell erhältlich.
Allgemein werden beschichtete Teilchen zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt, da sie eine Verbindung mit einer Polymer (z. B. LCP)-Matrix oder mit Seitenkettenresten unterstützen. Zusätzlich zum Steuern der magnetischen Permeabilitätseigenschaften des Dielektrikums können die hinzugefügten Teilchen auch dazu verwendet werden, die effektive Permittivität des Materials zu steuern. Unter Verwendung eines Füllungsverhältnisses von Kompositteilchen von ungefähr 1 bis 70 % ist es möglich, die Permittivität von Bereichen der Substratschicht und/oder der Ergänzungssubstratschicht wesentlich zu erhöhen und möglicherweise abzusenken. Beispielsweise kann ein Hinzufügen organofunktionalisierter Nanopartikel zu einer Substratschicht dazu verwendet werden, die Permittivität der modifizierten Bereiche der dielektrischen Schicht anzuheben.
Teilchen können mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfachmischens, Mischens und eines heftigen Füllens. Falls beispielsweise die Substratschicht ein LCP umfasst, kann die Permittivität von einem nominellen LCP-Wert von 2 bis hoch zu 10 unter Verwendung einer Vielzahl von Teilchen mit einem Füllungsverhältnis von bis zu 70 % angehoben werden.
Metalloxide, die für diesen Zweck nützlich sind, können Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkonoxid und Niob(II, IV, V)-oxid umfassen. Lithiumniobat (LiNbO₃) und Zirkonate, wie beispielsweise Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat, können ebenfalls verwendet werden.
Die wählbaren Substrateigenschaften können auf Flächen so klein wie ca. 10 nm lokal begrenzt werden oder große Flächenbereiche abdecken, einschließlich der gesamten Baugruppen- bzw. Leiterplattensubstratoberfläche. Herkömmliche Techniken, wie beispielsweise Lithographie und Ätzen, zusammen mit Abscheidungsabläufen, können zur räumlich begrenzten Handhabung der Permittivität und Permeabilität verwandt werden.
Die Materialien können gemischt mit anderen Materialien oder einschließlich verschiedener Dichten porenbehafteter Bereiche (welche allgemein Luft einfügen) angesetzt werden, um effektive Permittivitäten in einem im Wesentlichen kontinuierlichen Bereich von 2 bis ca. 2650 herzustellen, als auch andere potentiell gewünschte Substrateigenschaften. Beispielsweise umfassen Materialien, die eine niedrige relative Permittivität (< 2 bis ca. 4) zeigen, Siliziumdioxid mit unterschiedlichen Dichten porenbehafteter Bereiche. Aluminiumoxid mit unterschiedlichen Dichten porenbehafteter Bereiche kann eine Dielektrizitätskonstante von ca. 4 bis 9 bereitstellen. Weder Siliziumdioxid noch Aluminiumoxid weisen irgendeine wesentliche magnetische Permeabilität auf. Jedoch können magnetische Partikel hinzugefügt werden, wie beispielsweise bis zu 20 Gew.-%, um diese oder jegliches andere Material merklich magnetisch zu machen. Beispielsweise können magnetische Eigenschaften mit einer Organofunktionalität zugeschnitten werden. Die Auswirkung auf die Dielektrizitätskonstante vom Hinfügen magnetischer Materialien führt allgemein zu einem Anstieg in der Dielektrizitätskonstante.
Materialien mit mittlerer Dielektrizitätskonstante weisen eine relative Permittivität auf, die allgemein im Bereich von 70 bis 500 ± 10 % liegt. Wie oben angemerkt, können diese Materialien mit anderen Materialien oder Poren gemischt werden, um die gewünschten Werte der effektiven Dielektrizitätskonstanten bereitzustellen. Diese Materialien können Ferrit-dotiertes Kalziumtitanat umfassen. Dotiermetalle können Magnesium, Strontium und Niob umfassen. Diese Materialien weisen einen Bereich von 45 bis 600 in der relativen magnetischen Permeabilität auf.
Für Anwendungen mit hoher Permittivität können Ferrit- oder Niob-dotierte Kalzium- oder Barium-Titanat-Zirkonate verwendet werden. Diese Materialien weisen eine relative Permittivität von ungefähr 2200 bis 2650 auf. Dotieranteile für diese Materialien liegen allgemein zwischen ca. 1 bis 10 %. Wie in Bezug auf andere Materialien angemerkt, können diese Materialien mit anderen Materialien oder Poren gemischt werden, um gewünschte effektive Werte für die Dielektrizitätskonstante bereitzustellen.
Diese Materialien können allgemein durch verschiedene molekulare Veränderungsabläufe modifiziert werden. Modifikationsbearbeiten kann eine Erzeugung von Poren, gefolgt durch Füllen mit Materialien, wie beispielsweise Kohlenstoff- und Fluorbasierten organofunktionalen Materialen, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), umfassen.
Alternativ oder zusätzlich zur organofunktionalen Integration kann ein Bearbeiten eine Herstellung von festen Freiformen ("solid freeform fabrication"; SFF), Licht-, UV-Röntgenstrahl-, Elektronenstrahl- oder Ionenstrahl-Bestrahlung umfassen. Eine Lithographie kann auch unter Verwendung einer Foto-, UV-, Röntgenstrahl-, Elektronenstrahl- oder Ionenstrahl- Bestrahlung durchgeführt werden.
Unterschiedliche Materialien, einschließlich Metamaterialien, können auf unterschiedliche Flächen auf Substratschichten (Teilstapel) aufgebracht werden, so dass eine Vielzahl von Flächen der Substratschichten (Teilstapel) unterschiedliche dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Die Hinterfüllungsmaterialien, wie oben angemerkt, können zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Verarbeitungsschritten verwendet werden, um gewünschte dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften zu erreichen, entweder lokal begrenzt oder über einen Massen-Substratbereich.
Ein Leiteraufdruck auf der obersten Schicht wird dann allgemein auf die modifizierte Substratschicht, den Schichtstapel oder den vollständigen Stapel aufgebracht. Leiterspuren können unter Verwendung von Dünnfilmtechniken, Dickfilmtechniken, einer Galvanisierung oder jeder anderen geeigneten Technik bereitgestellt werden. Die Prozessabläufe, die verwendet werden, um das Leitermuster zu definieren, umfas sen, sind aber nicht beschränkt auf, eine Standardlithographie und Vervielfältigungsmatrizen.
Man erhält dann allgemein eine Grundplatte zum Zuordnen und Ausrichten einer Vielzahl von modifizierten Leiterplattensubstraten. Ausrichtungslöcher durch jede der Vielzahl der Substratleiterplatten können für diesen Zweck verwendet werden.
Die Vielzahl von Schichten des Substrats, ein oder mehrere Teilstapel oder eine Kombination von Schichten und Teilstapeln können dann miteinander geschichtet werden (z. B. mechanisch gepresst) unter Verwendung entweder eines isostatischen Drucks, was einen Druck auf das Material von allen Richtungen anlegt, oder eines einachsigen Drucks, was einen Druck auf das Material nur von einer Richtung aus anlegt. Das Mehrlagensubstrat wird dann weiterverarbeitet, wie oben beschrieben, oder in einen Ofen eingebracht, um auf eine Temperatur aufgeheizt zu werden, die für das verarbeitete Substrat geeignet ist (ungefähr 850°C bis 900°C für die oben angesprochenen Materialien).
Die Vielzahl von Keramikbandschichten und gestapelten Teilstapeln von Substraten kann dann unter Verwendung eines geeigneten Ofens gebrannt werden, welcher bezüglich eines Temperaturanstiegs mit einer Rate gesteuert werden kann, die für das verwendete Substratmaterial geeignet ist. Die verwendeten Prozessbedingungen, wie beispielsweise die Anstiegsrate der Temperatur, die Endtemperatur, das Abkühlprofil und notwendige Halteabschnitte werden abgestimmt auf das Substratmaterial und jedes darin hinterfüllte oder darauf aufgetragene Material ausgewählt. Dem Brennen folgend werden Substratplatten typischerweise unter Verwendung eines optischen Mikroskops auf Fehler untersucht.
Daher können Substratmaterialien mit lokalisierten bzw. lokal begrenzten, ausgewählten dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften zum Verbessern der Dicht und Leistung von Schaltungen ausgestattet sein, einschließlich solcher, die Leitungen mit zwei Anschlüssen aufweisen, welche als elliptische oder andere Tiefpassfilter dienen. Die Substratflexibilität erlaubt eine unabhängige Optimierung der Leitungsimpedanz verschiedener Elemente, welche die Leitungen mit zwei Anschlüssen ausmachen.
Jedoch kann die Verwendung herkömmlicher Leiterplattenmaterialien die Verkleinerung von Schaltungselementen beeinträchtigen und kann auch einige Leistungsgesichtspunkte von Schaltungen beeinträchtigen, die von Schichten mit hoher Dielektri zitätskonstante profitieren. Eine typische Abwägung bei einer Kommunikationsschaltung besteht zwischen der physikalischen Größe einer Resonanzleitung gegen die Betriebsfrequenz. Durch Vergleich stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler eine zusätzliche Flexibilitätsstufe bereit durch das Erlauben der Verwendung eines dielektrischen Schichtteils hoher Dielektrizitätskonstante mit magnetischen Eigenschaften, die auf eine Verringerung der Größe einer Resonanzleitung und /oder einer Wandlerleitung zum Betrieb bei einer bestimmten Frequenz hin optimiert sind. Ferner stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler auch Mittel zum Steuern des Gütefaktors (Q) der Resonanzleitungsgesichtspunkte einer Leitung mit zwei Anschlüssen bereit. Diese zusätzliche Flexibilität ermöglicht eine verbesserte Leistung und Resonanzleitungsdichte und Leistung, die anders für Funkfrequenzschaltungen nicht möglich ist. Wie hierin definiert, bedeutet Funkfrequenz bzw. RF jede Frequenz, die verwendet werden kann, um eine elektromagnetische Welle zu verbreiten.
Bezug nehmend auf die 2 und 3 ist die Leitung 100 mit zwei Anschlüssen auf einem Substrat (dielektrische Schicht) 110 angebracht, welche mindestens einen ersten Bereich 111 mit einem ersten Satz von Substrateigenschaften (wie beispielsweise dielektrischen Permittivitäts- und magnetischen Permeabilitätseigenschaften) einschließlich einer relativen Permittivität und einer relativen Permeabilität aufweist, als auch mindestens einen zweiten Bereich 101 mit einem zweiten Satz von Substrateigenschaften einschließlich einer zweiten relativen Permittivität und relativen Permeabilitätskonstanten. Die erste relative Permittivität unterscheidet sich vorzugsweise von der zweiten relativen Permittivität. In diesem Fall kann der zweite Bereich 101 unter dem Wandlerabschnitt 112 liegen. Der Wandlerleitungsabschnitt 112 und der zweite Bereich 101 der Substratschicht 110 sind so konfiguriert, dass mindestens ein Teil eines Spurteils 102 des Wandlungsleitungsabschnitts 112 sich am zweiten Bereich 101 wie gezeigt befindet. Wie gezeigt, nimmt der zweite Bereich 101 eine breitere Fläche ein als der Spurteil 102 des Wandlerleitungsabschnitts 112, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Auf gleiche Weise, aber unabhängig vom Wandlerleitungsabschnitt (und voneinander, falls gewünscht) sind die Stubs 114 und 116 so konfiguriert, dass mindestens ein Teil ihrer entsprechenden Spurteile 104 und 106 ihre entsprechenden "zweiten" Bereiche 103 und 105 mit ihren eigenen Substrateigenschaften aufweisen. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt, dass jeder der "zweiten" Bereiche 101, 103 und 105 seine eigenen Substrateigenschaften aufweisen kann, aber ein Schaltungsentwickler könnte auch diese "zweiten" Bereiche passend verwenden.
Optional kann ein Teil 118 der Übertragungsleitung oder -spur 117 auch seinen eigenen Bereich oder "zweiten" Bereich mit seinen eigenen Substrateigenschaften aufweisen. Dies würde es einem Entwurfsingenieur erlauben, die zusammengeschalteten Spuren zwischen den Elementen zu verlängern oder zu verkürzen (oder dicker zu machen), so wie es gewünscht wird, und zwar diejenigen Elemente, die in der in 2 gezeigten beispielhaften Leitung mit zwei Anschlüssen und in der Querschnittsansicht von 6 umfasst sind. Es sollte bei der Betrachtung der Erfindung verstanden werden, dass die gesamte Spur 117 ihren eigenen Bereich mit ihren eigenen Substrateigenschaften aufweisen kann, welche sich von den Bereichen 101, 103 und 111 unterscheidet.
Die relative Permittivität des zweiten Bereichs (101 oder 103 oder 105) kann höher als diejenige des ersten Bereichs 111 sein. Dementsprechend kann die Größe der Stubs 114 und 116 kleiner sein als es sonst notwendig wäre, um eine ausgewählte Kapazität zwischen den entsprechenden Stubs 114 und 116 und einer Masseplatte zu erreichen. Auf gleiche Weise kann die Größe der Wandlerleitungsabschnitte 112 kleiner gemacht werden. Dies erlaubt es insbesondere der Fläche der Spurteile 112, 104 und 106 der entsprechenden Stubs und des Wandlungsleitungsabschnitts, kleiner zu sein. Dementsprechend erlaubt dies der Fläche des Substrats 110, welches die Leitung mit zwei Anschlüssen umfasst, kleiner zu sein als die diejenige Fläche, die bei einer herkömmlichen Leiterplatte benötigt würde.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals, das an einer Resonanzleitung läuft, ist ungefähr umgekehrt proportional zu
Dementsprechend verringert ein Erhöhen der Permeabilität und/oder Permittivität im zweiten Bereich (101, 103 oder 105) die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals an der Leitung 100 und dadurch die Signalwellenlänge. Daher kann die Viertel-Wellenlänge (oder jegliches Mehrfache davon) der Leitung 100 verringert werden durch Erhöhen der Permeabilität und/oder Permittivität. Dementsprechend kann die Fläche der dielektrischen Schicht oder des Substrats 110, welche die Leitung mit zwei Anschlüssen aufnimmt, kleiner sein als diejenige Fläche, die an einer herkömmlichen Leiterplatte benötigt würde.
Der zweite Bereich kann auch eine Permittivität aufweisen, die ausgewählt wurde, um eine bestimmte Kapazität für Teile oder für die gesamte Leitung 100 mit zwei Anschlüssen zu erreichen. Ferner kann die Permeabilität ausgewählt werden, um auch zu einer bestimmten Induktivität für die Leitung 100 mit zwei Anschlüssen zu führen. Die Permittivität und Permeabilität können so gewählt werden, dass sie zu einem gewünschten Z₀ oder anderen Filtereigenschaften der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen führen. Z₀ kann ausgewählt werden, um zu einem gewünschten Q für bestimmte Resonanzen an den Resonanzleitungsteilen der Leitung mit zwei Anschlüssen zu führen, die Resonanzantwort des Filters zu bilden und/oder Spannungsmaxima und -minima anzupassen. Ferner kann Z₀ ausgewählt werden, um Resonanzmoden höherer Ordnung zu unterdrücken und/oder um eine Fehlanpassung zwischen der Impedanz der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen und der Impedanz des freien Raums zu erzeugen. Diese Impedanzfehlanpassung kann dabei helfen, eine Funkfrequenzabstrahlung von der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen zu minimieren und eine elektromagnetische Interferenz (EMI) zu verringern.
Die Resonanzeigenschaften der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen können durch die ersten und zweiten Bereiche des Substrats verteilt werden, da die elektrischen Felder und die magnetischen Felder, die in diesen Bereichen gebildet werden, Energie speichern und freigeben. Die Menge der durch die Felder gespeicherten und freigegebenen Energie kann angepasst werden, um unterschiedlichen Bereichen in der dielektrischen Schicht zugeordnete Permittivitäten und Permeabilitäten zu steuern. Beispielsweise wird eine höhere Permittivität in einem bestimmten Bereich zu einer größeren in den elektrischen Feldern gespeicherten Energie führen, die in diesem Bereich gebildet werden. Auf gleiche Weise wird eine höhere Permeabilität in einem bestimmten Bereich zu einer höheren Energie führen, die in den magnetischen Feldern gespeichert ist, welche in diesem Bereich gebildet werden.
Weil die Größe der Stubs 114 und 116 allgemein kleiner sein kann als ein Stub an einer herkömmlichen Schaltungsplatte, kann das Q der Kapazität einfacher angepasst werden, um eine Filtertrequenzantwort zu optimieren, d.h., Spannungsminima und -maxima bei gewünschten Frequenzen der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen. Ferner können die Frequenzbereiche, bei denen die Resonanzleitung wie eine Induktivität oder eine Kapazität agiert, auch einfacher gesteuert werden. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung eine bessere Konfigurabilität von Resonanzleitungen im Vergleich zum Stand der Technik.
3 ist eine Querschnittsansicht, die entlang einer Schnittlinie A-A gezeigt ist, und die 4 und 5 sind Schnittansichten, die entlang einer Schnittlinie B-B zweiter unterschiedlicher Ausführungsformen der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen und der Substratschicht 110 von 1 gezeigt sind. In beiden gezeigten Ausführungsformen ist eine Masseplatte 120 unterhalb der Zwei-Anschluss-Leitung 102 vorgesehen, und Öffnungen können zur Durchführung von Resonanzleitungsspeisungen umfasst sein.
Die in 4 gezeigte Leitung mit zwei Anschlüssen zeigt eine Leerlauf-Stub-Leitung, während die Leitung mit zwei Anschlüssen von 5 eine kurzgeschlossene Stub-Leitung mit einer Verkürzungsspeisung 125 darstellt, welche vorgesehen ist, um die Stub-Leitung (114, 104) zur Masseplatte 120 zu verkürzen. Auf gleiche Weise, aber nicht gezeigt, kann der Stub 116 auch in Leerlauf- und Kurzschluss-Konfigurationen vorkommen. Wie beim Hintergrund besprochen, kann ein Schaltungsdesigner bzw. Schaltungsentwurfsingenieur entweder einen Leerlauf- und Kurzschluss-Stub als Teil der Leitung mit zwei Anschlüssen auswählen, und zwar abhängig von der Anwendung, um die Spannungs- und/oder Impedanzeigenschaften bereitzustellen, die von der Leitung mit zwei Anschlüssen erwünscht werden.
Die Substratschicht 110 weist eine Dicke auf, welche eine Resonanzleitungshöhe über der Masse definiert. Die Dicke ist ungefähr gleich zum physikalischen Abstand von der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen zur darunter liegenden Masseplatte 106. Dieser Abstand kann angepasst werden, um bestimmte elektrische Geometrien zu erreichen, beispielsweise, um eine Kapazität zu erhöhen oder zu erniedrigen, wenn ein bestimmtes Substratmaterial verwendet wird. Bezug nehmend auf 7 ist eine weitere Anordnung für die Leitung 100 mit zwei Anschlüssen gezeigt, bei der ein Stub, oder in diesem Fall, ein Wandlerleitungsabschnitt sich innerhalb des zweiten Bereichs 101 befindet und näher zur Masseplatte 120 angeordnet ist. Diese Konfiguration kann die Kapazität zwischen dem Wandlerleitungsabschnitt und der Masseplatte 120 weiter erhöhen, während sie eine relativ niedrige Kapazität zwischen der Spur 117 und der Masseplatte 120 aufrechterhält. In einer weiteren Ausführungsform kann die gesamte Leitung 100 mit zwei Anschlüssen in der Substratschicht 100 enthalten sein, wie in 8 gezeigt. Die Resonanzleitung 102 kann ebenfalls unter der Substratschicht enthalten sein. Diese Konfiguration kann insbesondere nützlich sein, falls die Masseplatte oder Massespuren sich oberhalb der Substratschicht befinden. In noch einer anderen Anordnung kann die Leitung 100 mit zwei Anschlüssen in der Substratschicht enthalten sein, als auch in gegenüberliegenden Masseplatten 120 und 130 ähnlich zu einer Streifenleitungskonfiguration, wie in der Querschnittsansicht A-A von 9 gezeigt. Durch Aufweisen ihrer eigenen individuellen Masseplatte oder Rücklaufspur (wie beispielsweise in einer Doppelleitungsanordnung), könnte die Leitung mit zwei Anschlüssen so konfiguriert sein, dass Strom an der Masseplatte oder der Rücklaufspur in einer zu demjenigen Strom gegenüberliegenden Richtung fließt, welcher in der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen fließt, dadurch eine Auslöschung des magnetischen Flusses ergebend, der den Resonanzleitungsteilen der Leitung mit zwei Anschlüssen zugeordnet ist, und dadurch deren Induktivität verringernd.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Permeabilität der Leiterplattensubstratschicht gesteuert werden durch Hinzufügen eines ferromagnetischen, diamagnetischen oder paramagnetischen Materials zu dem zweiten Bereich/den zweiten Bereichen, um die Induktivität von Teilen der Leitung mit zwei Anschlüssen zu erhöhen. Vorzugsweise ist die Leitfähigkeit des ferromagnetischen Materials niedrig, um Stubs oder Wandlerleitungsabschnitte nicht mit irgendwelchen anderen Leitungen in oder an der dielektrischen Schicht 110 oder der Masseplatte 120 kurzzuschließen.
Es sollte beachtet werden, dass die Konfigurationen der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen nicht auf die gezeigten beispielhaften Figuren beschränkt sind. Beispielsweise kann die Leitung mit zwei Anschlüssen veränderliche Formen aufweisen und so positioniert sein, dass sie veränderliche Abstände zwischen der Leitung mit zwei Anschlüssen und der Masseplatte oder der Schaltungsschichtoberfläche aufweist. Ferner kann jede Anzahl dielektrischer, ferromagnetischer, diamagnetischer und/oder paramagnetischer Materialien in jeden Bereich des Substrats 110 eingearbeitet werden. In einer Ausführungsform kann Z₀ über die gesamte Länge der Leitung 100 mit zwei Anschlüssen, oder eines Teils davon, gesteuert werden, und zwar unter Verwendung mehrfacher dielektrischer und magnetischer Mischungen oder Konzentrationen, um Z₀ über unterschiedliche Bereiche der Leitung zu variieren. Beispielsweise kann Z₀ gesteuert werden, um eine Abstrahlung von Funkfrequenzenergie oder eine elektromagnetische Interferenz (EMI) für die Leitung 100 mit zwei Anschlüssen zu minimieren. Ferner können die Permittivität und Permeabilität an ausgewählten Teilen der Substratschicht unterschiedlich modifiziert werden, um eine Resonanzleitungsleistung zu optimieren. In noch einer weiteren Anordnung können alle Teile der Substratschicht durch unterschiedliches Modifizieren der Permittivität und Permeabilität in allen Bereichen der Substratschicht modifiziert werden.
Der Ausdruck "unterschiedliches Modifizieren", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf jegliche Modifikationen der Substratschicht 100, einschließlich von Hinzufügungen, die dazu führen, dass zumindest eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an einem Bereich des Substrats im Vergleich zu einem anderen Bereich unterschiedlich ist. Beispielsweise kann die Modifikation eine ausgewählte Modifikation sein, bei der bestimmte Substratschichtteile modifiziert werden, um eine bestimmte dielektrische oder magnetische Eigenschaft zu erzeugen, während andere Substratschichtteile unverändert bleiben, und zwar mit dielektrischen und magnetischen Eigenschaften, die sich vom ersten Satz von Eigenschaften unterscheiden, der sich aus der Modifikation ergibt.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zum Bereitstellen einer auf Größe und Leistung hin optimierten Resonanzleitung wird mit Bezug auf den unten stehenden Text und das in 10 dargestellte Flow-Chart beschrieben. Bezug nehmend auf 10 wird, in Schritt 1010, dielektrisches Leiterplattenmaterial zur Modifikation angesetzt. Das Leiterplattenmaterial kann kommerziell verfügbare Standardmaterialien umfassen, wie beispielsweise RT/duroid^® 6002, oder kundenangepasstes Leiterplattenmaterial, das aus einem Polymermaterial hergestellt wird, oder eine Kombination daraus. Der Ansetzablauf kann von der Art des ausgewählten Leiterplattenmaterials abhängig gestaltet werden.
In Schritt 1020 sind ein oder mehrere Substratschichtteile, wie beispielsweise der erste Bereich 111 oder der zweite Bereich 101, unterschiedlich modifiziert, so dass die Permittivität oder Permeabilität im zweiten Bereich 101 unterschiedlich sind im Vergleich zur Permittivität oder Permeabilität des ersten Bereichs 111. In Schritt 1030 wird eine Metallschicht aufgetragen, um die Leitung mit zwei Anschlüssen zu bilden. In Schritt 1020 kann eine unterschiedliche Modifikation auf verschiedene unterschiedliche Wege erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Ergänzungssubstratschicht zur vorhandenen Substratschicht 110 hinzugefügt werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Techniken, wie verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder Zerstäuben, können verwendet werden, um die Ergänzungsschicht aufzubringen. Die Ergänzungsschicht kann in dem Bereich 112 oder 114 wahlweise hinzugefügt werden oder über die gesamte bestehende dielektrische Schicht 110.
Der Schritt des unterschiedlichen Modifizierens 1020 kann ferner ein Hinzufügen zusätzlichen Materials zur Substratschicht 110 umfassen. Die Hinzufügung von Material kann verwendet werden, um die Permittivität oder Permeabilität der Substratschicht 110 weiter zu steuern, um einen Resonanzleitungswirkungsgrad zu verbessern oder eine bestimmte Resonanzleitungsgröße zu erreichen.
Während die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dargelegt und beschrieben worden sind, ist es klar, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Zahlreiche Änderungen, Modifikationen, Variationen, Ersetzungen und Äquivalente werden dem Fachmann einfallen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen beschrieben ist, abzuweichen.

Claims

Schaltung zum Verarbeiten von Funkfrequenzsignalen, aufweisend: ein Substrat (110) einschließlich zumindest einer dielektrischen Schicht (110), wobei die dielektrische Schicht (110) zumindest einen ersten Bereich (111) und zumindest einen zweiten Bereich (101, 103, 105) aufweist, die unterschiedlich modifiziert sind, um eine unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität aufzuweisen; zumindest eine Masse (120), die an dem Substrat (110) befestigt ist; und ein Leitung (100) mit zwei Anschlüssen, mit zumindest einem Teil der Leitung (100) mit zwei Anschlüssen am ersten Bereich (111) befestigt und mit zumindest einem Teil der Leitung (100) mit zwei Anschlüssen am zweiten Bereich (101, 103, 105) befestigt, wobei die Leitung (100) mit zwei Anschlüssen eine Resonanzleitung (102) umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass eine unterschiedliche Modifikation erreicht wird durch wahlweise Verwendung mindestens eines Metamaterials, das umfasst: ferritische organokeramische Teilchen oder organokeramische Niob-Teilchen oder organofunktionalisierte keramische Verbundteilchen, die aufweisen können: Metalloxide, einschließlich Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkonoxid und Niob (II, IV und V)-Oxid, Lithiumniobat, und Zirkonate, einschließlich Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat, und ferritdotiertes Kalziumtitanat unter Verwendung von Magnesium, Strontium oder Niob als Dotiermetallen, und ferrit- oder niob-dotiertes Kalzium oder Bariumtitanatzirkonate, und wobei das Metamaterial ein Verbundstoff ist, der durch das Mischen oder eine Anordnung zweier oder mehrerer Materialien auf einer molekularen oder Nanometer-Ebene gebildet wird.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der zweite Bereich (101, 103, 105) eine Vielzahl entsprechender Teile (101, 103, 105) umfasst und wobei die Leitung (100) mit zwei Anschlüssen ein Tiefpassfilter ist, wobei der Tiefpassfilter einen Wandlerleitungsabschnitt (112) auf zumindest einem Teil des ersten Bereichs (111) und auf zumindest einem entsprechenden Teil (101) des zweiten Bereichs (101, 103, 105) umfasst, und zumindest einen ersten Stichleitungsabschnitt (114) auf zumindest einem Teil des ersten Bereichs (111) auf zumindest einem entsprechenden Teil (103) des zweiten Bereichs (101, 103, 105) umfasst.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Bereich (111) und der zweite Bereich (101, 103, 105) der dielektrischen Schicht (110) unterschiedlich modifiziert sind, um eine Kapazität zwischen der Leitung (100) mit zwei Anschlüssen und einer Masseplatte (102) anzupassen.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Bereich (111) und der zweite Bereich (101, 103, 105) der dielektrischen Schicht (110) unterschiedlich modifiziert sind, um einen Gütefaktor der Leitung (100) mit zwei Anschlüssen anzupassen.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Leitung (100) mit zwei Anschlüssen eine Vielzahl von Stichleitungsabschnitten (112, 114, 116) aufweist und jeder aus der Vielzahl der Stichleitungsabschnitte (112, 114, 116) mit seinem eigenen entsprechenden zweiten Substratbereich (101, 103, 105) gekoppelt ist.