DE60308266T2

DE60308266T2 - Hocheffiziente resonante Leitung

Info

Publication number: DE60308266T2
Application number: DE60308266T
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: 2003-06-11
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2004032767A; US6963259B2; ATE339781T1; EP1376754B1; JP2008029025A; CA2432264A1; AU2003204648B2; EP1376754A1; DE60308266D1; CA2432264C; AU2003204648A1; US20040000976A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bestimmung des technischen Gebiets
Die vorliegenden Anordnungen betreffen allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Bereitstellen einer erhöhten Entwurtsflexibilität für Funkfrequenzschaltungen und im Besonderen zur Optimierung dielektrischer Leiterplattenmaterialien zur verbesserten Leistung in Resonanzleitungen.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Funkfrequenzschaltungen, Übertragungsleitungen und Antennenelemente werden üblicherweise auf speziell aufgebauten Substratplatten hergestellt. Für den Zweck dieser Art von Schaltungen ist es wichtig, eine genaue Steuerung über Impedanzcharakteristiken 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). Die relative Permittivität bestimmt 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. Verluste neigen dazu, sich mit höheren Frequenzen zu erhöhen. 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, werden typischerweise auf eine von drei Arten gebildet. 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_l die Induktivität bzw. der induktive Widerstand pro Einheitslänge und C_l die Kapazität pro Einheitslänge sind. Die Werte von L_l und C_l werden allgemein durch die physikalische Geometrie und den Abstand der Leitungsstrukturen bestimmt, als auch die Permittivität des dielektrischen Materials/der dielektrischen Materialien, die verwendet wird, 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. 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 eines Keramiksubstrats. Die verschiedenen Komponenten werden allgemein durch aufgedruckte metallische Leiter aus Kupfer, Gold oder Tantal zusammengeschaltet, die beispielsweise Übertragungsleitungen wie Streifenleitungen oder Mikrostreifen oder Doppel- bzw. Zwillingsleitungsstrukturen sind.
Die Permittivität des ausgewählten Substratmaterials für eine Übertragungsleitung, eine passive Funkfrequenzvorrichtung oder ein Abstrahlelement bestimmt 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. Darüber hinaus können einige Entwurtszielsetzungen für eine Schaltungskomponente inkonsistent mit denjenigen für eine andere sein. Beispielsweise mag es wünschenswert sein, die Größe eines Antennenelements zu verkleinern. Dies könnte erreicht werden durch Auswählen eines Leiterplattenmaterials mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstanten. Jedoch wird die Verwendung eines Dielektrikums mit einer höheren relativen Permittivität allgemein den unerwünschten Effekt der Verringerung des Abstrahlwirkungsgrads der Antennen haben. 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 L_l, 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.
EP-A-1089374 beschreibt eine Anordnung, in welcher ein Planarfilterelement und ein Abstimmelement über einen vorbestimmten Abstand zueinander gegenüberliegen. Das Filterelement ist so strukturiert, dass ein Eingangs/Ausgangs-Teil, der aus einem Supraleiter gebildet wird, und eine Vielzahl von Resonanzelementen auf einem Substrat gebildet werden. Das Abstimmelement ist so strukturiert, dass an der Oberfläche einer magnetischen Platte mit einer Permeabilität, die durch ein angelegtes Magnetfeld geändert wird, eine Vielzahl von dielektrischen Dünnfilmen und eine Vielzahl von Elektroden zum Anlegen elektrischer Felder an die dielektrischen Dünnfilme angeordnet sind. Jeder der dielektrischen Dünnfilme ist in einer Position gegenüber einer Lücke zwischen den Resonanzelementen des Filterelements oder einer Lücke zwischen dem Filterelement und dem Eingangs/Ausgangs-Teil angeordnet. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden wird eine effektive Permittivität ε der Lücke zwischen den Resonanzelementen oder der Lücke zwischen dem Resonanzelement und dem Eingangs/Ausgangs-Teil variabel gesteuert, und die Skirt-Eigenschaft und die Welligkeit werden angepasst. Darüber hinaus kann bei dieser Anordnung eine Resonanzfrequenz der Resonanzelemente, eine Kopplung zwischen den Resonanzelementen und eine Kopplung zwischen dem Resonanzelement und dem Eingangs/Ausgangs-Teil individuell und unabhängig gesteuert werden.
Die Patentzusammenfassung der japanischen Veröffentlichung Nummer 07015218 betrifft ein miniaturisiertes Filter, in welchem eine Vielzahl von Grünlagen, die aus Materialien mit hoher dielektrischer Konstante zusammengesetzt sind, gestapelt, angeordnet, druckbeaufschlagt, integriert und gesintert wird, und zwar sowohl auf den oberen als auch auf den unteren Seiten der Grünkörperlage, die mit mehrfachen Resonatorleitungen ausgerüstet ist und aus Materialien mit hoher dielektrischer Konstante zusammengesetzt ist. In diesem Fall wird, betreffend einen Teil oder sämtliche zu schichtende Grünkörperlagen, ein Loch oder einen Schlitz vorher bei einer Position zwischen benachbarten Resonatorleitungen ausgebildet und mit unterschiedlichen Materialien gefüllt. Eine benötigte äußere Elektrode oder dergleichen ist an der äußeren Oberfläche des gesinterten Produkts vorgesehen. Als unterschiedliche Materialien werden Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante, Harzmaterialien, die zum Zeitpunkt des Sinterns zum Verteilen sind, oder leitfähige Materialien verwendet. Die unterschiedlichen Materialien können nur nahe des mittleren Teils der Grünlage in Schichtrichtung angeordnet werden oder können gleichförmig in Schichtrichtung angeordnet werden.
Die Patentzusammenfassung der japanischen Veröffentlichung Nr. 56123102 beschreibt ein interdigitales Wellenfilter, in welchem Hohlräume in einem ersten Dielektrikum an Anschlüssen interner Leiter vorgesehen sind, die nicht mit einem äußeren Leiter verbunden sind. Ein zweites Dielektrikum ist ebenfalls in Hohlräumen vorgesehen. Die dielektrische Konstante des zweiten Dielektrikums ist größer als diejenige des ersten Dielektrikums und weist einen umgekehrten Temperaturkoeffizienten auf. Bei dieser Anordnung verhalten sich die dielektrischen Konstante beider Dielektrika umgekehrt mit der Temperatur, so dass sogar dann, falls die Temperatur fluktuiert, gewünschte Resonanzbedingungen erfüllt sein werden.
Eine Schrift von Salahun et al., betitelt "Ferromagnetic Composite-Based and Magnetically-Tunable Microwave Devices", 2002 IEEE MT-S International Microwave Symposium Digest, Seattle, WA, 2002, Seiten 1185–1188 betrifft die Erzeugung von abstimmbaren Mikrowellenvorrichtungen unter Verwendung ferromagnetischer Materialien. Im Vergleich zu Ferriten beschreibt diese Schrift, dass die analysierten Verbindungen durch eine höhere Sättigungsmagnetisierung und eine verbesserte Empfindlichkeit gegenüber Gleichstrommagnetfeldern gekennzeichnet sind.
US 3,681,716 beschreibt integrierte Mikrowellenfilter, die entworfen werden durch Aufbringen eines Schlingenmusters auf einem Substrat, das zumindest teilweise aus einem ferritischen Material hergestellt wird mit einer Permeabilität, die sich mit dem angelegten externen Magnetfeld ändert. Bei diesem Filter wird die Resonanzfrequenz über ein breites Frequenzband durch Verändern des externen Magnetfelds verändert.
ZUSAMMENFASSUNG HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Schaltung wie in den angehängten Ansprüche definiert.
In einem Beispiel ist eine Permittivität des zweiten Bereichs höher als eine Permittivität des ersten Bereichs, und eine Permeabilität des zweiten Bereichs ist höher als eine Permeabilität des ersten Bereichs. Das Substrat umfasst ferner mindestens einen dritten Bereich, der unterschiedlich modifiziert ist, um eine von den ersten und zweiten Bereichen unterschiedliche Permeabilität und unterschiedliche Permittivität aufzuweisen, wobei eine unterschiedliche Modifikation erreicht wird durch wahlweise Verwendung mindestens eines Metamaterials. Mindestens ein dritter Teil der Resonanzleitung befindet sich an diesem dritten Bereich. Eine Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals am zweiten Teil der Resonanzleitung (angeordnet am zweiten Bereich) ist kleiner als eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Signals am ersten Bereich der Resonanzleitung (angeordnet am ersten Bereich). Die Resonanzleitung kann ferner einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfassen, und zwar mit dem Substrat ferner aufweisend eine Übergangszone, die sich an oder benachbart einer Abzweigung der ersten und zweiten Anschlüsse befindet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf eine Resonanzleitung, die auf einem Substrat zum Verringern der Größe der Resonanzleitung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet worden ist.
2 ist eine Querschnittsansicht einer Leerlaufkonfiguration der Resonanzleitung von 1 entlang einer Linie A-A.
3 ist eine Querschnittsansicht einer Kurzschluss-Konfiguration der Resonanzleitung von 1 entlang einer Linie A-A.
4 ist eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Resonanzleitung, die zum Verringern der Größe der Resonanzleitung gemäß der vorliegenden Erfindung an einem Substrat ausgebildet ist.
5 ist eine Querschnittsansicht einer Leerlauf-Konfiguration der Resonanzleitung von 4 entlang einer Linie B-B.
6 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Resonanzleitung gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Resonanzleitung gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Querschnittsansicht noch einer anderen Ausführungsform einer Resonanzleitung, die erfindungsgemäß zum Verringern der Größe der Resonanzleitung an einem Substrat ausgebildet ist.
9 ist ein Flussdiagramm, das nützlich ist zum Darstellen eines Ablaufs zum Herstellen einer Resonanzleitung verringerter physikalischer Größe gemäß der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Resonanzleitung ist eine Übertragungsleitung, die typischerweise in Funkfrequenz („radio frequenzy"; RF)-Schaltungen verwendet wird. Von einer Resonanzleitung wird manchmal gesagt, dass sie bei einer angelegten Frequenz resonant ist, was bedeutet, dass die Leitung Impedanzcharakteristiken ähnlich einem Resonanzkreis bei dieser Frequenz aufweist. Namentlich sind Resonanzleitungseigenschaften eine Funktion von Spannungsreflexionen, nicht einer Kreislaufresonanz. An Leiterplatten oder -substraten werden Resonanzleitungen typischerweise durch Erzeugen einer Leitung mit mindestens einem Anschluss am Eingang und entweder leerlaufend oder kurzgeschlossen mit der Erde am Abschluss umgesetzt. Die Eingangsimpedanz an einer offenen oder kurzgeschlossenen Resonanzleitung ist typischerweise resistiv, wenn die Länge der Resonanzleitung ein gerades oder ungerades Vielfaches einer Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz ist. Das heißt, dass der Eingang der Resonanzleitung sich an einer Position eines Spannungsmaximums oder -minimums befindet. Wenn der Eingang zur Resonanzleitung sich an einer Position zwischen den Maximal- und Minimalpunkten der Spannung befindet, kann die Eingangsimpedanz reaktive Komponenten aufweisen. Beispielsweise können geeignet ausgewählte Leitungssegmente als parallel-resonante, reihen-resonante, induktive oder kapazitive Kreise verwendet werden, was ein sehr nützliches Merkmal ist.
Leiterplattenmaterialien niedriger Permittivität werden üblicherweise für Funkfrequenzschaltungsentwürfe ausgewählt, welche gestufte Impedanzfilter verwenden.
Beispielsweise sind Polytetrafluorethylen (PTFE)-basierte Komposite, wie beispielsweise RT/duroid^® 6002 (Permittivität von 2,94; Dielektrizitätsverlust von 0,009) und RT/duroid^® 5880 (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 eine übliche Wahl für Leiterplatten bzw. Platinen. Die obigen Leiterplattenmaterialien stellen Substratschichten mit relativ niedrigen Permittivitäten zusammen mit niedrigen Dielektrizitätsverlusten bereit.
Jedoch kann die Verwendung herkömmlicher Leiterplattenmaterialien die Verkleinerung von Schaltungselementen beeinträchtigen und kann auch einige Leistungsgesichtspunkte von Schaltungen beeinträchtigen, die von Schichten mit hoher Permittivität 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 Substratlagenbereichs hoher Permittivität mit magnetischen Eigenschaften, die auf eine Verringerung der Größe einer Resonanzleitung hin optimiert sind, zum Betrieb bei einer bestimmten Frequenz. Ferner stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler auch Mittel zum Steuern des Gütefaktors (Q) der Resonanzleitung bereit. Diese zusätzliche Flexibilität ermöglicht eine verbesserte Leistung und eine 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.
Bezugnehmend auf 1 umfasst gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine Substratschicht 100 einen ersten Bereich 112 mit einem ersten Satz von Substrateigenschaften und einen zweiten Bereich 114 mit einem zweiten Satz von Substrateigenschaften. Die Substrateigenschaften können eine Permittivität und eine Permeabilität umfassen. Insbesondere kann der zweite Satz von Substrateigenschaften sich vom ersten Satz von Substrateigenschaften unterscheiden. Beispielsweise kann der zweite Bereich 114 eine höhere oder niedrigere Permittivität und/oder Permeabilität als der erste Bereich 112 aufweisen.
Die Resonanzleitung 102 ist an der Substratschicht 100 angebracht. In einer Ausführungsform kann die Resonanzleitung 102 so konfiguriert sein, dass sie eine Stichleitung beziehungsweise einen Stub 103 und eine Spur 104 aufweist. Der Stub 103 kann breiter, aber kürzer sein als die Spur 104. Ferner kann der Stub 103 so konfigu riert sein, dass er einen kapazitiven Abschluss für die Resonanzleitung 102 bereitstellt oder eine bestimmte Impedanzcharakteristik für die Resonanzleitung 102 erreicht. Es wird vom Fachmann jedoch erkannt, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und dass die Resonanzleitung auch in unterschiedlichen Formen aufgebaut sein kann. Beispielsweise kann die Resonanzleitung in einer Anordnung eine Spur mit konstanter Breite ohne einen Stub beziehungsweise eine Stichleitung aufweisen, kann eine Spur mit einer sich verbreiternden oder einer sich verjüngenden Breite aufweisen oder kann einen geometrisch geformten Stub aufweisen, zum Beispiel kreisförmig. Jedoch können auch andere Resonanzleitungsformen verwendet werden.
Die Resonanzleitung 102 kann auch mit einem ersten Anschluss 106 und einem zweiten Anschluss 108 verbunden sein. Eine Übergangszone 118 kann an der Abzweigung der Anschlüsse 106, 108 und der Resonanzleitung 102 vorgesehen sein, um den Übergang von Signalen, welche in die Resonanzleitung 102 durch die Anschlüsse 106 und 108 eintreten, zu verbessern. Die Übergangszone kann, wie gezeigt, ein dreieckiger Zylinder sein, oder jede andere Form, beispielsweise ein runder Zylinder, ein ovaler Zylinder oder eine Kugel. Die Permittivität und/oder Permeabilität der Übergangszone 118 kann gesteuert werden, um ein Klingeln ('ringing') und eine Reflektion von Signalen zu verringern, welche durch die Anschlüsse 106 und 108 laufen. Beispielsweise kann die Permeabilität der Übergangszone 118 höher sein als die Permeabilität des ersten Bereichs 112.
Die Resonanzleitung 102 und der zweite Bereich 114 der Substratschicht 100 können so konfiguriert sein, dass zumindest ein Teil der Resonanzleitung 102 sich wie gezeigt am zweiten Bereich 114 befindet. In einer bevorzugten Ausführungsform kann zumindest ein wesentlicher Bereich der Resonanzleitung 102 am zweiten Bereich 114 angeordnet sein.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals, das an der Resonanzleitung läuft, ist gleich zu
Dementsprechend verringert ein Erhöhen der Permeabilität und/oder der Permittivität im zweiten Bereich 114 die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals an der Resonanzleitung 102, und dadurch die Signalwellenlänge. Daher kann die Länge der Resonanzleitung 102 verringert werden durch Erhöhen der Permeabilität und/oder der Permittivität. Daher kann die Resonanzleitung 102 kleiner gemacht werden, als es an einer herkömmlichen Leiterplatte benötigt würde. Der zweite Bereich 114 kann auch eine Permittivität aufweisen, die ausgewählt wird, um eine bestimmte Kapazitätseigenschaft zu erreichen. Beispielsweise kann die Permitti vität des zweiten Bereichs 112 erhöht werden, um die Größe des Stubs 103 zu verringern, der benötigt wird, um einen gegebenen Kapazitätswert zu erreichen.
Die Permittivität und/oder Permeabilität können so gewählt werden, dass sie auch für die Resonanzleitung 102 ein gewünschtes Z₀ ergeben, oder um die der Resonanzleitung 102 zugeordneten Kapazitäts-, Induktivitäts- oder Widerstandswerte zu steuern. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche der Resonanzleitung auf einen bestimmten Widerstand hin ausgewählt werden. Ferner können die Substrateigenschaften ausgewählt werden, um ein gewünschtes Q für bestimmte Resonanzen zu erreichen, die Resonanzantwort der Resonanzleitung 102 zu bilden und/oder Spannungsmaxima und -minima anzupassen. Ferner können die Substrateigenschaften ausgewählt werden, um höhere Resonanzmoden zu unterdrücken und/oder um eine Fehlanpassung zwischen der Impedanz der Resonanzleitung 102 und der Impedanz des freien Raums zu erzeugen. Diese Impedanzfehlanpassung kann helfen, eine Funkfrequenzabstrahlung von der Resonanzleitung 102 zu minimieren und eine elektromagnetische Interferenz (EMI) zu verringern.
Die Resonanzeigenschaften der Resonanzleitung 102 können durch die ersten und zweiten Bereich 112 und 114 verteilt werden, da die elektrischen Felder und magnetischen Felder, die in diesen Bereichen gebildet werden, Energie speichern und freigeben. Die Größe der durch die Felder gespeicherten und freigelassenen Energie kann durch Steuern der Permittivitäten und Permeabilitäten angepasst werden, die unterschiedlichen Bereichen in der Substratschicht 100 zugeordnet sind. Beispielsweise wird eine höhere Permittivität in einem bestimmten Bereich zu einer größeren Energie führen, die in den in diesem Bereich gebildeten elektrischen Feldern gespeichert ist. Auf ähnliche Weise wird eine höhere Permeabilität in einem bestimmten Bereich zu einer größeren in den in diesem Bereich geformten magnetischen Feldern führen.
Die 2 und 3 sind Querschnittsansichten, gezeigt entlang einer Schnittlinie A-A, zweier unterschiedlicher Ausführungsformen der Resonanzleitung 102 und der Substratschicht 100 von 1. Eine Masseplatte 116 ist unterhalb der Resonanzleitung 102 in beiden gezeigten Ausführungsformen vorgesehen. Die in 2 gezeigte Resonanzleitung ist eine Leerlauf-Resonanzleitung beziehungsweise eine Resonanzleitung mit offenem Kreislauf. Die Resonanzleitung von 3 ist eine kurzgeschlossene Resonanzleitung mit einer Kurzschlussspeisung 300, die vorgesehen ist, um das distale Ende 110 der Resonanzleitung 102 mit der Masseplatte 116 kurzzuschließen. Ein Schaltungsdesigner kann entweder eine Leerlauf- oder Kurz schluss-Resonanzleitung auswählen, und zwar abhängig von der Anwendung, um die Spannungs- und/oder Impedanzeigenschaften bereitzustellen, die von der Resonanzleitung gewünscht werden.
Die Substratschicht 100 weist eine Dicke auf, die eine Resonanzleitungshöhe über der Masse definiert. Die Dicke ist ungefähr gleich dem physikalischen Abstand von der Resonanzleitung 102 zur darunterliegenden Masseplatte 116. Dieser Abstand kann angepasst werden, um bestimmte dielektrische Geometrien zu erreichen, beispielsweise, um die Kapazität zu erhöhen oder zu erniedrigen, wenn ein bestimmtes dielektrisches Material verwendet wird.
Bezugnehmend auf die 4 und 5 ist eine weitere Anordnung für die Resonanzleitung 102 gezeigt, wobei der Stub 103 sich innerhalb des zweiten Bereichs 114 befindet und näher zur Masseplatte 116 angeordnet ist. Diese Konfiguration kann die Kapazität zwischen dem Stub 103 und der Masseplatte 116 erhöhen, während eine relativ niedrige Kapazität zwischen der Spur 104 und der Masseplatte 116 aufrechterhalten wird. Diese Konfiguration kann insbesondere nützlich sein für eine kapazitiv abgeschlossene Resonanzleitung. Alternativ kann eine bedeckte Mikrostreifenanordnung, wie in 6 gezeigt, verwendet werden, falls eine höhere Kapazität zwischen der Spur 104 und der Masseplatte 116 gewünscht wird. Eine Streifenleitungsanordnung kann ebenfalls zu einem erhöhten Kapazitätswert sowohl für die Spur 104 als auch für den Stub 103 führen. Eine Kurschlussspeisung (nicht gezeigt) kann in jeder dieser Konfigurationen ebenfalls vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Permeabilität der Substratschicht 100 gesteuert werden, um die Induktivität der gesamten oder eines Teils der Resonanzleitung 102 zu erhöhen. In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt), kann die Resonanzleitung ihre eigene individuelle Masseplatte 116 oder Rücklaufspur (wie beispielsweise in einer Zwillingsleitungsanordnung) konfiguriert haben, so dass der Strom an der Masseplatte 116 oder der Rücklaufspur in einer dem Strom, der in der Resonanzleitung 102 fließt, entgegengesetzten Richtung fließt, wodurch sich eine Auslöschung des magnetischen Flusses ergibt, welcher der Resonanzleitung zugeordnet ist, und wodurch ihre Induktivität verringert wird.
Eine alternative Ausführungsform ist in 7 gezeigt, wobei ein dritter Bereich 710 in der Substratschicht 100 vorgesehen ist. Die Ausführungsform zeigt eine Mikrostreifenkonfiguration, aber ein dritter Bereich 710 kann auch in anderen Konfigurationen bereitgestellt werden, wie beispielsweise als Streifenleitung und als bedeckter Mikro streifen. In einer Anordnung kann der dritte Bereich Substrateigenschaften aufweisen, die sich von dem ersten Bereich 112 und dem zweiten Bereich 114 unterscheiden. Beispielsweise können die Permittivität und/oder die Permeabilität im dritten Bereich 710 höhere oder niedriger als die Permittivität und/oder Permeabilität in den ersten und zweiten Bereichen 112 und 114 sein. In einer anderen Anordnung kann der dritte Bereich 710 die gleichen Substrateigenschaften wie der zweite Bereich 114 aufweisen. Beispielsweise kann der dritte Bereich 710 das gleiche dielektrische Material wie der zweite Bereich 114 aufweisen, und daher die gleiche Permittivität und/oder Permeabilität. Die Permittivitäten und/oder Permeabilitäten können verwendet werden, um die Impedanz- und Resonanz-Eigenschaften der Resonanzleitung 102 zu steuern.
Es sollte angemerkt werden, dass die Konfigurationen der Resonanzleitung 102 und der Schaltungsschicht 100 nicht auf die gezeigten beispielhaften Figuren beschränkt sind. Beispielsweise kann die Resonanzleitung unterschiedliche Formen aufweisen und kann so angeordnet sein, dass sie veränderliche Abstände zwischen der Resonanzleitung und der Masseplatte oder der Schaltungsschichtoberfläche aufweist. In einer Ausführungsform kann Z₀ über die gesamte Länge der Resonanzleitung 102, oder irgendeines Teils davon, gesteuert werden, und zwar unter Verwendung mehrfacher dielektrischer und ferromagnetischer Mischungen oder Konzentrationen, um Z₀ über unterschiedliche Bereiche der Leitung zu verändern. Ferner können die Permittivität und/oder Permeabilität an ausgewählten Bereichen der Substratschicht 100 unterschiedlich modifiziert werden, um eine Resonanzleitungsleistung zu optimieren. In noch einer anderen Ausführung können alle Substratschichtbereiche durch unterschiedliches Modifizieren der Permittivität und/oder Permeabilität in allen Bereichen der Substratschicht 100 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 Substratschichtbereiche modifiziert werden, um eine bestimmte dielektrische oder magnetische Eigenschaft zu erzeugen, während andere Substratschichtbereiche unverändert bleiben, und zwar mit dielektrischen und magnetischen Eigenschaften, die sich vom ersten Satz von Eigenschaften unterscheiden, der sich aus der Modifikation ergibt.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine ergänzende dielektrische Schicht der Substratschicht 100 hinzugefügt werden. Bekannte Techniken, wie beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder Zerstäuben können verwendet werden, um die ergänzende Schicht aufzutragen. Bezug nehmend auf 8 kann eine erste ergänzende Schicht 810 über die gesamte bestehende Substratschicht 100 hinzugefügt werden und/oder eine zweite ergänzende Schicht 820 kann wahlweise dem ersten Bereich 112, dem zweiten Bereich 114 und dem dritten Bereich 710 hinzugefügt werden. Die ergänzenden Schichten können die Permittivität und/oder Permeabilität des Dielektrikums unter der Leitung 102 ändern.
Insbesondere kann die zweite Ergänzungsschicht 820 Teilchen umfassen, um die Permeabilität in den ersten, zweiten und/oder dritten Bereichen 112, 114 und 710 zu ändern. Beispielsweise können diamagnetische oder ferromagnetische Teilchen jedem der Bereiche 112, 114 und 710 hinzugefügt werden. Ferner kann die zweite Ergänzungsschicht 820 dielektrische Teilchen umfassen, um die Substrateigenschaften ebenfalls zu ändern. Beispielsweise können die dielektrischen Teilchen jedem der Bereiche 112, 114 und 710 hinzugefügt werden. Ferner können die erste Ergänzungsschicht 810 und die zweite Ergänzungsschicht 820 in jeglicher Schaltungskonfiguration bereitgestellt werden, beispielsweise als Streifenleitung, Mikrostreifen und bedeckter Mikrostreifen.
Ein Verfahren zum Bereitstellen einer auf Größe und Leistung hin optimierten Resonanzleitung wird mit Bezug auf den unten stehenden Text und das in 9 dargestellte Flussdiagramm beschrieben. In Schritt 910 wird dielektrisches Leiterplattenmaterial zur Modifikation vorbereitet. Wie oben angemerkt, kann das Leiterplattenmaterial kommerziell erhältliches Standardmaterial oder kundenangepasstes Leiterplattenmaterial umfassen, das aus einem Polymermaterial gebildet wird, oder einer Kombination davon. Der Herstellungsablauf kann abhängig von der Art des ausgewählten Leiterplattenmaterials durchgeführt werden.
In Schritt 920 können ein oder mehrere Substratschichtbereiche, wie beispielsweise erste, zweite und/oder dritte Bereiche 112, 114 und 710 unterschiedlich modifiziert werden, so dass sich die Permittivität und/oder Permeabilität zwischen zwei oder mehr Bereichen unterscheidet. Die unterschiedliche Modifikation kann auf verschiedene unterschiedliche Wege erreicht werden, wie vorher beschrieben. Bezugnehmend auf Schritt 930 kann die Metallschicht dann auf die Resonanzleitung unter Verwendung herkömmlicher, aus dem Stand der Technik bekannter Leiterplatten aufgebracht werden.
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 bzw. Kombination 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 (oder Permittivität) und die effektive magnetische Permeabilität 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, Substratschichten mit relativ geringen Permittivitäten 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. Materialien mit magnetischen Eigenschaften sind auch 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 Baugruppensubstrat umfasst vorzugsweise ein oder mehr Metamaterial enthaltende Bereiche.
Beispielsweise kann die Modifikation eine ausgewählte Veränderung sein, bei der bestimmte Schichtbereiche verändert werden, um einen ersten Satz dielektrischer oder magnetischer Eigenschaften zu erzeugen, während andere Bereiche der dielektrischen Schicht 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 dielektrische Ergänzungsschicht der Substratschicht hinzugefügt werden. Bekannte Techniken, wie beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder ein Zerstäuben kann verwendet werden, um die dielektrische Ergänzungsschicht aufzubringen. Die dielektrische Ergänzungsschicht kann ausgewählt in räumlich begrenzten Bereichen hinzugefügt werden, einschließlich innerhalb von Poren oder Löchern, oder über die gesamte existierende Substratschicht. Beispielsweise kann eine dielektrische Ergänzungsschicht verwendet werden, um einen Substratbereich mit einer erhöhten effektiven dielektrischen Konstante bereitzustellen. Das als Ergänzungsschicht hinzugefügte dielektrische Material kann verschiedene Polymermaterialien umfassen.
Der Schritt des unterschiedlichen Modifizierens kann weiterhin ein räumlich begrenztes Hinzufügen zusätzlicher Materialien zu der Substratschicht oder der dielektrischen Ergänzungsschicht umfassen. Die Hinzufügung von Material kann verwendet werden, um die effektive dielektrische Konstante oder magnetische Eigenschaften der Substratschicht weiter zu steuern, um eine vorgegebene Entwurfsaufgabe 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 magnetischer Eigenschaften der dielektrischen Schicht 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 Polymermatrix oder mit Seitenkettenresten unterstützen. Zusätzlich zum Steuern der magnetischen Eigenschaften des Dielektrikums können die hinzugefügten Teilchen auch dazu verwendet werden, die effektive dielektrische Konstante des Materials zu steuern. Unter Verwendung eines Füllungsverhältnisses von Kompositteilchen von ungefähr 1 bis 70 % ist es möglich, die dielektrische Konstante von Bereichen der Substratschicht und/oder der dielektrischen Ergänzungsschicht wesentlich zu erhöhen und möglicherweise abzusenken. Beispielsweise kann ein Hinzufügen organofunktionalisierter Nanopartikel zu einer dielektrischen Schicht dazu verwendet werden, die dielektrische Konstante der modifizierten Bereiche der Substratschicht anzuheben.
Teilchen können mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfach-Mischens, Mischens und eines heftigen Füllens. Beispielsweise kann eine dielektrische Konstante von einem 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 dielektrischen und magnetischen Eigenschaften verwandt werden.
Die Materialien können gemischt mit anderen Materialien oder einschließlich verschiedener Dichten porenbehafteter Bereiche (welche allgemein Luft einfügen) zubereitet werden, um effektive dielektrische Konstanten in einem im Wesentlichen kontinuierlichen Bereich von 2 bis ca. 2650 herzustellen, als auch andere potentiell gewünschte Substrateigenschaften. Beispielsweise umfassen Materialien, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante (< 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 irgendwelche wesentlichen magnetischen Permeabilitäten auf. Jedoch können magnetische Partikel hinzu gefügt 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 Dielektrizitätskonstante 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 Dielektrizitätskonstante können Ferrit- oder Niobdotierte Kalzium- oder Barium-Titanat-Zirkonate verwendet werden. Diese Materialien weisen eine Dielektrizitätskonstante 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, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, eine Standardlithographie und Vervielfältigungsmatrizen.
Man erhält dann allgemein eine Grundplatte zum Zuordnen und Ausrichten einer Vielzahl von modifizierten Baugruppensubstraten. Ausrichtungslöcher durch jede der Vielzahl der Substratbaugruppen 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.
Die gestapelten Keramiksubstrate können dann optional in vereinzelte Stücke geschnitten werden, die so klein sind, wie es benötigt wird, um Schaltungsfunktionsanforderungen zu erfüllen. Folgend auf eine Endprüfung können die vereinzelten Substratstücke dann auf einer Testhalterung zur Beurteilung ihrer verschiedenen Eigenschaften angebracht werden, wie z. B. dazu um sicherzustellen, dass die dielektrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften innerhalb vorbestimmter Grenzen liegen.
Daher können die dielektrischen Substratmaterialien mit räumlich begrenzten ausgewählten dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften zum Verbessern der Dichte und Leistung von Schaltkreisen, einschließlich solcher, die Resonanzleitungen umfassen, ausgerüstet werden. Die dielektrische Flexibilität erlaubt eine unabhängige Optimierung der Resonanzleitung.
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 (100), umfassend mindestens eine Schicht eines Substrats (100), wobei die Schicht des Substrats (100) mindestens einen ersten Bereich (112) und mindestens einen zweiten Bereich (114) aufweist, die unterschiedlich modifiziert sind, um eine unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität aufzuweisen; mindestens eine Masseplatte (116), die an dem Substrat (100) angeordnet ist; und eine Resonanzleitung (102); wobei zumindest ein erster Teil der Resonanzleitung (102) auf dem ersten Bereich (112) angeordnet ist und wobei zumindest ein zweiter Teil der Resonanzleitung (102) auf dem zweiten Bereich (114) angeordnet ist; 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, bei der eine Permittivität des zweiten Bereichs (114) höher ist als eine Permittivität des ersten Bereichs (112).
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Permeabilität des zweiten Bereichs (114) höher ist als eine Permeabilität des ersten Bereichs (112).
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Substrat (100) ferner einen dritten Bereich (710) umfasst, der unterschiedlich modifiziert ist, um bezüglich des ersten und zweiten Bereichs (112, 114) eine unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität aufzuweisen, wobei die unterschiedliche Modifikation durch wahlweise Verwendung mindestens eines Metamaterials erreicht wird.
Schaltung nach Anspruch 4, bei der zumindest ein dritter Teil der Resonanzleitung (102) auf dem dritten Bereich (710) angeordnet ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals am zweiten Teil der Resonanzleitung (102), die auf dem zweiten Bereich (114) angeordnet ist, kleiner ist als eine Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals am ersten Teil der Resonanzleitung (102), die auf dem ersten Bereich (112) angeordnet ist.
Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Resonanzleitung (102) ferner einen ersten Anschluss (106) und einen zweiten Anschluss aufweist, und das Substrat (100) ferner eine Übergangszone (118) aufweist, wobei die Übergangszone (118) sich an oder angrenzend an einer Kontaktstelle des ersten und des zweiten Anschlusses befindet.