DE60317266T2

DE60317266T2 - Hocheffiziente Dreitorschaltung

Info

Publication number: DE60317266T2
Application number: DE60317266T
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: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: ATE377850T1; EP1376740A1; AU2003204879B2; DE60317266D1; CA2432507C; EP1376740B1; JP2007318813A; CA2432507A1; AU2003204879A1; US6753744B2; US20040000961A1; JP2004032778A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aussage des technischen Gebiets
Die erfinderischen Anordnungen betreffen allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Bereitstellen einer erhöhten Entwurfsflexibilität für Funkfrequenzschaltungen, und insbesondere zur Optimierung von dielektrischen Leiterplattenmaterialien für eine verbesserte Leistung in Sechspolschaltungen, wie beispielsweise Diplexern auf Mikrowellensubstraten.
Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Funkfrequenzschaltungen, wie beispielsweise Sechspolschaltungen, werden üblicherweise auf speziell aufgebauten Substratleiterplatten hergestellt. Für den Zweck von Funkfrequenzschaltungen ist es wichtig, eine genaue Steuerung über Impedanzcharakteristiken und elektrische Länge aufrechtzuerhalten. Falls die Impedanz unterschiedlicher Teile der Schaltung nicht übereinstimmt, kann dies zu einem ineffizienten Leistungsübertrag, unnötiger Aufheizung von Komponenten und anderen Problemen führen. Eine bestimmte Art von Übertragungsleitungsstrukturen, die häufig verwendet wird, um die Impedanzen verschiedener Teile der Schaltung miteinander abzustimmen, ist ein Viertelwellenwandler. Daher kann die Leistung von Viertelwellenwandlern in gedruckten Schaltungen ein entscheidender Gestaltungsfaktor sein.
Wie der Name impliziert, weist ein Viertelwellenwandler typischerweise eine elektrische Leitung der Länge λ/4 auf, wobei λ die Signalwellenlänge in der Schaltung ist. Wie dem Fachmann gut bekannt ist, wird die passende charakteristische Impedanz eines Viertelwellenwandlers durch die Formel Z0 = √Z₁Z₂ angegeben, wobei Z₀ die gewünschte charakteristische Impedanz des Viertelwellenwandlers ist, Z₁ die Impedanz einer ersten abzustimmenden Übertragungsleitung und Z₂ die Impedanz einer zweiten Übertragungsleitung oder Last ist, die mit der ersten Übertragungsleitung abzustimmen ist.
Gedruckte Viertelwellenwandler, die in Funkfrequenzschaltungen verwendet werden, können auf viele Arten ausgestaltet sein. Drei herkömmliche Ausgestaltungen sind nachstehend beschrieben. Eine Konfiguration, die als Mikrostreifen bekannt ist, ordnet den Viertelwellenwandler 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 der Viertelwellenwandler mit einem dielektrischen Substratmaterial bedeckt ist. In einer dritten Konfiguration, die als Streifenleitung bekannt ist, ist der Viertelwellenwandler innerhalb des Substrats zwischen zwei elektrisch leitenden(Masse)-Platten eingefügt.
Zwei entscheidende 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 entscheidender Faktor ist die Permeabilität (manchmal die relative Permeabilität oder μ_r genannt). Die relative Permittivität und die relative Permeabilität bestimmt die Geschwindigkeit des Signals und daher die elektrische Länge der Übertragungsleitungen und anderer Komponenten, die auf dem Substrat implementiert sind. 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 niedrigrauschenden Verstärkerschaltungen.
Wenn man den Verlust vernachlässigt, ist die charakteristische Impedanz einer Standardübertragungsleitung, wie beispielsweise einer Streifenleitung oder eines Mikrostreifens, gleich √L_I/C_I, wobei L_I die Induktivität 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 durch 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.
Bei 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.
Die Permittivität 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. Ein beim Entwerfen von mikroelektronischen Funkfrequenz schaltungen auftretendes Problem ist die Auswahl eines dielektrischen Leiterplattensubstratmaterials, das für alle verschiedenen passiven Komponenten und Übertragungsleitungsschaltungen optimiert ist, die auf der Leiterplatte auszubilden sind. 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. Auf gleiche Weise können die Leitungsbreiten, die für besonders hohe oder niedrige Werte der charakteristischen Impedanz benötigt werden, 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 Entwurfsauswahl für ein optimales Leiterplattensubstratmaterial für einige Komponenten inkonsistent mit dem optimalen Leiterplattensubstratmaterial für andere Komponenten sein, wie beispielsweise Antennenelemente. Darüber hinaus können einige Entwurfszielsetzungen für eine Schaltungskomponente inkonsistent mit denjenigen für eine andere sein. Dementsprechend führen die Randbedingungen eines Leiterplattensubstrats mit ausgewählten relativen Substrateigenschaften oft zu Entwurfskompromissen, welche die elektrische Leistung und/oder physikalischen Eigenschaften der Gesamtschaltung negativ beeinflussen können.
Ein inhärentes Problem beim obigen Ansatz ist es, dass, zumindest in Bezug auf das Substratmaterial, die einzige Steuervariable für die Leitungsimpedanz die relative Permittivität, ε_r, ist. Änderungen in der relativen Permittivität beeinflussen C_I, die Kapazität pro Einheitslänge. Diese Beschränkung verdeutlicht ein wichtiges Problem bei 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 in 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 auf unterschiedlichen Funkfrequenzbändern. Leitungsimpedanzen und -längen, die für ein erstes Funkfrequenzband optimiert sind, können eine schlechtere Leistung bringen, wenn sie für andere Bänder verwendet werden, und zwar entweder aufgrund von Impedanzschwankungen und/oder Schwankungen in der elektrischen Länge. Solche Beschrän kungen 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.
US 5,777,526 beschreibt eine Mikrostreifenübertragungsleitungsvorrichtung, in welcher, falls es eine Differenz zwischen den absoluten Übertragungsverzögerungszeiten tpd von zwei über zwei Streifenleitungen zu übertragenden Signalen gibt (z. B., falls ein Taktsignal für tpd = 83,3 oder 76,9 ps/cm und ein Datensignal für tpd = 63,3 oder 56,9 ps/cm zu übertragen sind), eine Übertragungsverzögerungszeiten tpd pro Einheitslänge eines Streifenleiters mittels Anordnens eines Dielektrikums genau unter dem einen Streifenleiter angepasst wird. Bei dieser Anordnung weist das Dielektrikum eine vorbestimmte relative dielektrische Konstante (in diesem Fall εr = 5,0 oder 4,0) auf, die sich von einer relativen dielektrischen Konstante (in diesem Fall εr = 9,0 oder 8,0) eines Dielektrikums genau unter einem weiteren Streifenleiter unterscheidet, und zwar um ein Maß, das einer Differenz zwischen den absoluten Übertragungsverzögerungszeiten tpd des einen Streifenleiters und des anderen Streifenleiters entspricht. Auf diese Weise werden die Längen der zwei Streifenleiter angeglichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Verarbeiten von Funkfrequenzsignalen. Die Schaltung umfasst ein Substrat, an dem die Schaltung platziert sein kann. Das Substrat kann ein Metamaterial (welches nachstehend genauer beschrieben wird) umfassen und kann zumindest eine dielektrische Schicht umfassen. Eine Sechspolschaltung und zumindest eine Masse können mit dem Substrat gekoppelt sein.
Die dielektrische Schicht kann einen ersten Bereich mit einem ersten Satz von Substrateigenschaften und zumindest einen zweiten Bereich mit einem zweiten Satz von Substrateigenschaften umfassen. Die Substrateigenschaften können eine Permittivität und eine Permeabilität umfassen. Der zweite Satz von Substrateigenschaften kann sich vom ersten Satz von Substrateigenschaften unterscheiden. In einer Ausführungsform können die Permittivität und/oder die Permeabilität des zweiten Bereichs höher als die Permittivität und/oder die Permeabilität des ersten Bereichs sein. Ferner kann der erste und/oder der zweite Satz von Substrateigenschaften unterschiedlich modifiziert sein, um eine Permittivität und/oder eine magnetische Permeabilität über einen ausgewählten Bereich zu variieren. Die dielektrische Schicht kann ferner andere Bereiche mit unterschiedlichen Sätzen von Substrateigenschaften, wie gewünscht, aufweisen.
Zumindest ein Teil der Sechspolschaltung kann mit dem zweiten Bereich gekoppelt sein. Die erhöhten dielektrischen Permittivitäten und/oder magnetischen Permeabilitäten können die Größe der Sechspolschaltung verringern. Die erhöhten Permittivitäten und/oder Permeabilitäten können auch eine Änderung in einer Impedanz, einer Induktivität, einer Kapazität, einem Qualitätsfaktor (Q) und/oder einer der Sechspolschaltung zugeordneten Spannung bewirken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf eine Sechspolschaltung, die zum Verringern der Größe der erfindungsgemäßen Sechspolschaltung an einem Substrat ausgebildet ist.
2 ist ein Flussdiagramm, das zum Darstellen eines Ablaufs zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Sechspolschaltung verkleinerter physikalischer Größe nützlich ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Sechspolschaltung und im Besonderen ein Diplexer auf einem Mikrowellensubstrat umfasst einen Viertelwellenwandlerleitungsabschnitt, der eine spezialisierte Übertragungsleitung ist, welche typischerweise in Funkfrequenz("radio frequency"; RF)-Schaltungen verwendet wird und herkömmlicherweise auf gedruckten Leiterplatten oder Substraten implementiert wird. Viertelwellenwandler weisen typischerweise einen Übertragungsleitungsbereich, einen Eingabeanschluss und einen Ausgabeanschluss auf. Die elektrische Länge des Übertragungsleitungsabschnitts beträgt üblicherweise ein Viertel einer Wellenlänge einer ausgewählten Frequenz, aber ein Viertelwellenwandler kann auch jegliches ungerade Vielfache (2n + 1) der Viertelwellenlänge sein.
Materialien für bedruckte Leiterplatten mit niedriger Permittivität werden üblicher weise zum Entwurf von Funkfrequenzschaltungen ausgewählt. 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 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 von Schaltungen kompromittieren, welche von Schichten mit hoher Permittivität profitieren können. Eine typische Abwägung in Kommunikationsschaltungen besteht zwischen der physikalischen Größe eines Viertelwellenwandlers gegen die Betriebsfrequenz. Durch Vergleich stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler eine zusätzliche Flexibilitätsstufe bereit durch Erlauben der Verwendung eines dielektrischen Schichtbereichs hoher Permittivität mit den magnetischen Permeabilitätseigenschaften, die zum Verringern der Größe eines Viertelwellenwandlers, eines Stichleitungs- bzw. Stub-Resonators, einer Übertragungsleitung oder einem anderen Element zum Betrieb mit einer bestimmten Frequenz optimiert sind. Zusätzlich stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler auch Mittel zum Steuern des Qualitätsfaktors (Q) des Viertelwellenwandlers bereit. Diese zusätzliche Flexibilität ermöglicht eine verbesserte Leistung und Viertelwellenwandlerdichte und -leistung, die für Funkfrequenzschaltungen anders nicht möglich ist. Wie hierin definiert, bedeutet Funkfrequenz jegliche Frequenz, die verwendet werden kann, um eine elektromagnetische Welle auszubreiten.
1 zeigt eine Draufsicht einer Sechspolschaltung 100 und insbesondere einen Diplexer 10 auf einem Mikrowellensubstrat 50 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem viel kleineren Flächenbedarf, als auf einem herkömmlichen Substrat eines einheitlichen Substratmaterials verwendet werden würde. Die Sechspolschaltung 100 umfasst einen Wandlerabschnitt 32, der zwischen entsprechenden Anschlüssen 33, 36 und 38 wie gezeigt geschaltet ist. Die Sechspolschaltung 100 umfasst ferner einen Stichleitungsabschnitt 46, der mit dem Wandlerabschnitt 32 gekoppelt ist, und einen Übertragungsleitungsabschnitt 42, der zwischen den Wandlerabschnitt 32 und die Anschlüsse 33 und 36 geschaltet ist. Der Diplexer kann ein Substrat oder eine dielektrische Schicht 50 mit einem ersten Bereich 40 mit einem ersten Satz von Sub strateigenschaften und einen zweiten Bereich 20 mit einem zweiten Satz von Substrateigenschaften umfassen. Das Substrat 8 kann auch andere Bereiche mit noch weiteren Sätzen von Substrateigenschaften, wie beispielsweise den Bereich 30 aufweisen. Die Substrateigenschaften können eine Permittivität und eine Permeabilität umfassen. Es ist zu beachten, dass der zweiten Satz von Substrateigenschaften sich vom ersten Satz von Substrateigenschaften oder von anderen Sätzen von Substrateigenschaften auf dem Substrat für andere Bereiche unterscheiden kann. Beispielsweise kann der zweite Bereich 20 eine höhere Permittivität und/oder Permeabilität als der erste Bereich 40 aufweisen.
Leitungsabschnitte oder Teile von Leitungsabschnitten 32 oder ein Stub bzw. eine Stichleitung 46 können auf der dielektrischen Schicht oder Bereich 20 angebracht oder damit gekoppelt sein und können auch, falls gewünscht, teilweise auf der dielektrischen Schicht 40 angebracht oder damit gekoppelt sein. Die Leitungsabschnitte 42 können, wie gezeigt, auf oder gekoppelt mit der dielektrischen Schicht oder Bereich 30 angebracht sein. Die Sechspolschaltung 100 wie gezeigt umfasst somit den Anschluss 33, der als ein Eingabeanschluss für Signale zwei getrennter Frequenzen dient, den Anschluss 36, der als ein Ausgabeanschluss für Signale einer ersten Frequenz dient, und den Anschluss 38, der als ein Ausgabeanschluss für Signale einer zweiten Frequenz dient. Beispielsweise kann der Anschluss 33 gleichzeitig L-Band-Signale im 1 GHz-Bereich sowie Ku-Band-Signale im 15 GHz-Bereich tragen. Der Anschluss 36 kann so ausgestaltet sein, dass er als der Ausgabeanschluss für die Ku-Band-Signale dient, und der Anschluss 38 kann so ausgestaltet sein, dass er als der Ausgabeanschluss für die L-Band-Signale dient, und zwar unter Verwendung eines geeignet ausgestalteten Diplexers 10. Die Sechspolschaltung 100 kann auch eine Masseplatte auf einer gegenüberliegenden oder Unterseite des Substrats 50 umfassen.
Die erfindungsgemäße Sechspolschaltung 100 kann in Verbindung mit einer Antennenspeisungsstruktur und einer Antenne (nicht gezeigt) verwendet werden. Die Sechspolschaltung 100 ist vorzugsweise in Form eines impedanzangepassten Diplexers mit der Antenne verbunden, welcher Filter zwischen einem gemeinsamen Anschluss, der mit einem proximalen Ende der Antennenspeisungsstruktur verbunden ist, und zugehörigen weiteren Anschlüssen für eine Verbindung zu einer Funksignalverarbeitungsausrüstung, die in den zwei Frequenzbändern arbeitet, geschaltet haben kann. Die Filter können ein erstes Filter aufweisen, das auf eine obere Frequenz abgestimmt ist, welche in einem der Bänder liegt und bei welchem die Antenne in einem ersten Resonanzmodus resonant ist, als auch ein zweites Filter, das auf eine niedrigere Frequenz abgestimmt ist, welche im anderen Band liegt und bei welchem die Antenne in einem zweiten Resonanzmodus resonant ist.
Im ersten Resonanzmodus ist die Resonanzfrequenz typischerweise eine Funktion der elektrischen Längen der Leitungselemente, während die Resonanzfrequenz des zweiten Resonanzmodus bzw. Resonanzbetriebsart eine Funktion der Summe (a) der elektrischen Längen der länglichen Elemente und (b) der elektrischen Längen der Hülse ("Sleeve") der Antenne ist. Im allgemeinen Fall sind die elektrischen Längen der länglichen leitenden Elemente so, dass sie eine durchschnittliche Übertragungsverzögerung von mindestens ungefähr 180 Grad bei einer dem ersten Resonanzmodus zugehörigen Resonanzfrequenz erzeugen. Die Frequenz des zweiten Resonanzmodus kann mittels der Summe der durchschnittlichen elektrischen Länge der leitenden Leitungselemente und der durchschnittlichen elektrischen Länge der Hülse in der Längsrichtung bestimmt werden, welche einer Übertragungsverzögerung von zumindest ungefähr 180 Grad bei dieser Frequenz entspricht.
In der bevorzugten Ausführungsform weist der Diplexer ein Impedanzwandlerelement auf, das zwischen den gemeinsamen Anschluss und einen Knoten geschaltet ist, mit welchem die Filter und eine Impedanzkompensierungsstichleitung verbunden sind. Das Wandlerelement, die Filter und die Stichleitung sind vorzugsweise als Mikrostreifenkomponenten ausgebildet. In solch einem Aufbau kann das Wandlerelement einen leitenden Streifen auf einer isolierenden Substratleiterplatte aufweisen, der auf seiner gegenüberliegenden Oberfläche mit einer leitenden Masseschicht bedeckt ist. Der Streifen bildet zusammen mit der Masseschicht eine Übertragungsleitung von vorbestimmter charakteristischer Impedanz. Ebenso kann die Stichleitung als ein leitender Streifen mit einem Open-Circuit-Ende ausgestaltet sein. Obwohl die Filter herkömmliche "Maschinenblock"filter sein können, können sie stattdessen aus Mikrostreifenelementen auf dem gleichen Substrat wie das Wandlerelement und die Stichleitung ausgebildet sein. Diese Filter sind vorzugsweise mit dem oben genannten Knoten über Leiter verbunden, welche im Vergleich mit den elektrischen Längen des Wandlerelementes elektrisch kurz sind.
Ein Wandlerelement des Diplexers 10 weist auch eine Leitungslänge auf, die in Reihe zwischen die Antennenspeisungsstruktur 36 und den Diplexerknoten 43 geschaltet ist, sodass die Leitungslänge gut an die erste Frequenz (Ku-Band) angepasst ist und eine derartige Länge aufweist, dass der Knoten 43 als eine Open-Circuit-Schaltung bei der zweiten Frequenz (L-Band) am Antennenanschluss erscheint, jedoch an die zweite Frequenz am Anschluss 33 gut angepasst erscheint.
Das Antennensystem arbeitet typischerweise über nur zwei Frequenzbänder, aber es ist möglich, innerhalb des Umfangs der Erfindung eine Schaltung bereitzustellen, die in mehr als zwei voneinander beabstandeten Bändern arbeitet, wobei die Antenne eine entsprechende Anzahl von Resonanzmodi aufweist.
Die Länge der Übertragungsleitung, die den Impedanzwandler bildet, kann dergestalt sein, dass sie eine Widerstandsimpedanzwandlung an der oberen Frequenz bewirkt, wobei die Impedanzen am Knoten aufgrund des Wandlers an den zwei Frequenzen jeweils eine kapazitive Reaktanzkomponente und eine induktive Reaktanzkomponente aufweist, und wobei die Stichleitungslänge dergestalt ist, dass sie induktive bzw. kapazitive Recktanzen an den oberen Frequenzen erzielt, wodurch zumindest teilweise die kapazitiven und induktiven Recktanzen aufgrund des Wandlers ausgeglichen werden, um am Knoten eine sich daraus ergebende Impedanz auf den höheren Frequenzen zu erzielen, welche stärker hochohmig ist als die Impedanzen der Übertragungsleitung auf der niedrigeren Frequenz am Knoten 38.
Typischerweise sind die Übertragungsleitungslängen 42, 46, 32 dergestalt, dass sie sie eine Übertragungsverzögerung von ungefähr 90 Grad bei Frequenzen an den oberen Frequenzen bereitstellen. Der Diplexer wird typischerweise ein Paar Filter aufweisen, als auch zumindest eine reaktanzkompensierende Stichleitung auf einer Frequenz und ein Impedanzwandlerelement zum Anpassen an Vorrichtungen, die auf anderen Bändern arbeiten und um die Signale eines davon bezüglich der Signale der anderen zu isolieren.
Bezüglich 1 existiert am Anschluss 33 ein Signal in zwei Frequenzbändern, das beispielsweise ein L-Band (eine niedrigere, mittlere Frequenz) sein könnte, und eine höhere Frequenz, die beispielsweise ein Ku-Band-Signal sein könnte. Das Signal am Anschluss 38 kann von einem empfangenen Signal am Anschluss 502 kommen, das mittels einer Schaltung 501 gefiltert und auf L-Band abwärtsgewandelt wird, die dazu eingerichtet ist, einen Eingabeanschluss 502 und einen Ausgabeanschluss 516 wie gezeigt aufzuweisen. Das Signal, das die Ausgabe der Schaltung 501 ist, liegt auch am Anschluss 38 vor, lief durch ein Filter, das das L-Band-Signal vom Aufwärtsverbindungsträger (beispielsweise einer 10 mal höheren Frequenz), der auch auf Leitung 37 (zwischen den Anschlüssen 33 und 36 ausgebildet) existiert, trennt (isoliert), und wird mit dem Antennenausgabeanschluss 36 verbunden. Der Diplexer kann auch mit einem Speisungskabel gekoppelt sein, welches das Aufwärtsverbindungsträgersignal am Anschluss 33 speist.
Wieder bezüglich 1 weist der Diplexer 10 eine abgestufte Impedanz/Stichleitung-Kombination auf, die aus den Leitungen 42 (Viertelwelle an der Trägerfrequenz), 32 (Halbwelle an der Trägerfrequenz) und 46 (Viertelwelle an der Trägerfrequenz) besteht, um ein Sperrbandfilter für den (Ku-Band-)Träger zu bilden, aber die L-Band- und abwärtsgewandelte L-Band-Empfangsfrequenz durchzulassen. Der Diplexer 10 weist ferner die Kombination der Leitung 42 und der Leitung 37 auf, welche so angeordnet und aufgebaut sind, dass sie eine solche Abmessung und Leitungseigenschaften aufweisen, dass eine solche Kombination wie eine offene Stichleitung für die niedrigen Frequenzen des L-Bands wirkt.
Der Wandlerabschnitt 32 ist so dimensioniert, dass er eine charakteristische Übertragungsleitungsimpedanz Z₀ aufweist, die gegeben ist durch: Z0 = .sqroot.(ZSZL)√(ZSZL) wobei Z₀ die charakteristische Impedanz der Leitung 37 bei einer von der Trägerfrequenz der Leitung 37 abwärtsgewandelten Frequenz ist, und Z_L eine ausgewählte Lastimpedanz ist. Die Leitungsabschnitte 32, 42 und 46 sind so gewählt, dass sie ein Bandsperrfilter bei der Trägerfrequenz (am Ku-Band beispielsweise) bilden.
Wie in 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, können Wandlerleitungsabschnitte, Übertragungsleitungsabschnitte und Stichleitungsresonatorabschnitte wie gezeigt mit Längen und Breiten verwendet werden, die in der Form (Breite, Länge usw.) wie gewünscht schwanken können, und zwar abhängig vom Substratmaterial, das verwendet wird, um solche Elemente zu koppeln. Abhängig von den gewünschten Eigenschaften können zusätzliche Elemente ausgestaltet und implementiert werden, die variierende Formen ohne so viele Einschränkungen bezüglich Herstellbarkeit oder Größe aufweisen.
Eine Masseplatte kann unterhalb des (der) Viertelwellenwandlerleitungsabschnitts(/e) bereitgestellt werden. Dementsprechend kann die dielektrische Schicht 50c eine Dicke aufweisen, die eine Viertelwellenwandlerhöhe über der Masse definiert. Die Dicke ist ungefähr gleich der physikalischen Distanz vom Viertelwellenwandler zur zugrundeliegenden Masseplatte. Die Distanz kann dazu angepasst werden, bestimmte dielektrische Geometrien zu erreichen, beispielsweise, um die Kapazität zu erhöhen oder zu verringern, wenn ein bestimmtes dielektrisches Material verwendet wird.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals, das auf den Viertelwellenwandlerab schnitten läuft, ist proportional zu
Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur relativen Permeabilität und zur relativen Permittivität ist, verringert ein Erhöhen der Permeabilität und/oder der Permeabilität im zweiten Bereich 20 die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals auf den Viertelwellenwandlerabschnitten und somit die Signalwellenlänge. Daher kann die Länge der Viertelwellenwandlerabschnitte verringert werden, indem man die Permeabilität und/oder die Permittivität des zweiten Bereichs 20 verringert. Ferner erhöht ein Erhöhen der Permittivität die kapazitive Kopplung zwischen den Viertelwellenwandlerbereichen und der Masse. Somit kann auch der Viertelwellenwandleroberflächenbereich verringert werden, indem man die Permittivität des zweiten Bereichs 20 verringert. Entsprechend können die Viertelwellenwandlerabschnitte sowohl in der Läge als auch der Breite kleiner sein, als andernfalls auf einer herkömmlichen Leiterplatte benötigt.
Die Permittivität und/oder Permeabilität kann so gewählt werden, dass sie zu einer gewünschten charakteristischen Impedanz (Z₀) führt (da Z₀ ebenfalls proportional zu
für die Viertelwellenwandlerabschnitte ist), oder um zu den Viertelwellenwandlerabschnitten gehörige Induktivitäts- oder Widerstandswerte zu steuern. Beispielsweise kann die Permeabilität des zweiten Bereichs 20 erhöht werden, um die Induktivität der Viertelwellenwandlerabschnitte zu erhöhen.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Permeabilität der dielektrischen Schicht 50 so gesteuert werden, dass sie die Induktivität aller oder eines Teils der Viertelwelienwandlerabschnitte(e) erhöht. In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) können die Viertelwellenwandlerabschnitt(e) ihre eigenen individuelle Masseplatte oder Rücklaufspur besitzen (wie beispielsweise in einer Zwillingsleitungsanordnung, die so konfiguriert ist, dass Strom auf der Masseplatte oder Rücklaufspur in eine entgegengesetzte Richtung zu dem Strom fließt, der in dem (den) Viertelwellenwandlerabschnitt(e) fließt, was zu einer Auslöschung von magnetischem Fluss führt, der dem (den) Viertelwellenwandlerabschnitt(en) zugeordnet ist und ihre Induktivität verringert.
Die Permittivität und/oder Permeabilität kann an ausgewählten Bereichen der dielektrischen Schicht unterschiedlich modifiziert sein, um die Viertelwellenwandlerleistung zu optimieren. In noch einer weiteren Anordnung können alle dielektrischen Schichtbereiche modifiziert werden mittels unterschiedlichen Modifizierens der Permittivität und/oder Permeabilität in allen Bereichen der dielektrischen Schicht.
Der Ausdruck "unterschiedliches Modifizieren" wie hierin verwendet bezieht sich auf jegliche Modifikationen, einschließlich Hinzufügungen, der dielektrischen Schicht 50, die dazu führen, dass mindestens eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an einem Bereich des Substrats verglichen mit einem anderen Bereich unterschiedliche modifiziert wird. Beispielsweise kann die Modifikation eine selektive Modifikation sein, bei der bestimmte Bereiche der dielektrischen Schicht so modifiziert werden, dass sie eine bestimmte dielektrische oder magnetische Eigenschaft erzeugen, während andere dielektrischen Schichtbereiche unmodifiziert belassen werden.
Gemäß einer Ausführungsform (nicht gezeigt) kann eine dielektrische Ergänzungsschicht zur dielektrischen Schicht 50 hinzugefügt werden. Bekannte Techniken, wie beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder ein Zerstäuben können verwendet werden, um die Ergänzungsschicht aufzubringen. Eine erste Ergänzungsschicht kann über der gesamten bestehenden dielektrischen Schicht 50 zugefügt werden und/oder eine zweite Schicht kann selektiv im zweiten Bereich 20 oder ausgewählten Teilen davon zugefügt werden, um die Permittivität und/oder Permeabilität des Dielektrikums unter dem Viertelwellenwandlerabschnitt sowie dem Stichleitungsabschnitt 46 zu ändern. In einer alternativen Ausführungsform kann die Ergänzungsschicht zum ersten Bereich 40 oder ausgewählten Teilen davon oder zu andern Bereichen hinzugefügt werden. Beispielsweise kann die Ergänzungsschicht unterhalb der Übertragungsleitung 42 im Bereich 30 hinzugefügt werden, um die Permittivität und/oder Permeabilität in diesem Bereich zu erhöhen.
Es ist zu beachten, dass die Ergänzungsschicht Teilchen umfassen kann, um die relative Permeabilität in den ersten und/oder zweiten Bereichen oder anderen Bereichen so zu ändern, dass sie größer oder kleiner als 1 ist. Beispielsweise können diamagnetische oder ferromagnetische Teilchen zu jeglichem der Bereiche hinzugefügt werden. Ferner können dielektrische Teilchen ebenfalls zu jeglichem der Bereiche hinzugefügt werden. Zusätzlich können die erste Ergänzungsschicht und die zweite Ergänzungsschicht in jeglicher Schaltungskonfiguration, beispielsweise Streifenleitung, Mikrostreifen und bedeckter Mikrostreifen, bereitgestellt werden.
Ein Verfahren zum Bereitstellen eines größen- und leistungsoptimierten Viertelwellenwandlers ist mit Bezug auf den nachstehenden Text und das in 2 dargestellte Flussdiagramm beschrieben. In Schritt 210 wird ein dielektrisches Leiterplattenmate rial für eine Modifikation präpariert. Wie zuvor angemerkt, kann das Leiterplattenmaterial handelsübliches Standardleiterplattenmaterial oder kundenangepasstes Leiterplattenmaterial, das aus einem Polymermaterial gebildet ist, umfassen, oder eine Kombination davon. Der Präparationsablauf kann unabhängig von der Art des ausgewählten Leiterplattenmaterials durchgeführt werden.
In Schritt 220 können eine oder mehrere Bereiche der dielektrischen Schicht, wie beispielsweise der erste und der zweite Bereich 40 und 20, unterschiedlich modifiziert werden, sodass sich die Permittivität und/oder Permeabilität zwischen zwei oder mehreren Teilen der Bereiche unterscheidet. Die unterschiedliche Modifikation kann auf mehrere verschiedene Arten erreicht werden, wie zuvor beschrieben. Bezüglich Schritt 230 kann die Metallschicht dann auf die Viertelwellenwandlerabschnitte und die Sechspolschaltung unter Verwendung von aus dem Stand der Technik bekannten Standardleiterplattenmethoden aufgebracht werden.
Dielektrische Substratleiterplatten mit Metamaterialbereichen, die räumlich begrenzte und wählbare magnetische und Substrateigenschaften bereitstellen, können auf die folgende Weise angesetzt werden. Wie hierin definiert, bezieht sich der Ausdruck "Metamaterialien" auf Kompositmaterialien, die durch das Mischen oder Anordnen von zwei oder mehr verschiedenen Materialien auf einem sehr feinen Ebene, wie beispielsweise der Molekular- oder Nanometerebene, gebildet werden können. Metamaterialien erlauben ein Zuschneiden elektromagnetischer Eigenschaften der Komposite, welche mittels effektiver elektromagnetischer Parameter definiert werden können, die eine effektive elektrische Permittivität ε_eff (oder Permittivität) und die effektive magnetische Permeabilität μ_eff aufweisen.
Geeignete dielektrische Bulksubstratmaterialien können von Herstellern handelsüblicher Materialien, wie beispielsweise DuPont und Ferro, bezogen werden. Das unverarbeitete Material, üblicherweise Green Tape^TM genannt, kann von einem dielektrischen Bulkband in abgemessene Bereiche geschnitten werden, wie beispielsweise in Bereiche von 6 mal 6 Inch. Beispielsweise stellt DuPont Microcircuit Materials Green-Tape-Materialsysteme bereit, wie beispielsweise 951 Low-Temperature Cofire Dielectric Tape und Ferro Electronic Materials ULF28–30 Ultra Low Fire COG mit dielektrischer Formulierung. Diese Substratmaterialien können dazu verwendet werden, dielektrische Schichten mit relativ moderaten Permittivitäten mit dazugehörigen relativ niedrigen Verlusttangenten für einen Schaltungsbetrieb bei Mikrowellenfrequenzen bereitzustellen, sobald sie gebrannt sind.
Im Ablauf des Erzeugens einer Mikrowellenschaltung, die mehrfachen Lagen von dielektrischem Substratmaterial verwendet, können Merkmale, wie beispielsweise Durchkontaktierungen, Poren, Löcher oder Hohlräume durch eine oder mehrere Schichten Band hindurchgestoßen werden. Poren können definiert werden, indem man mechanische Mittel (z. B. eine Stanze) oder gerichtete Energiemittel (z. B. Laserbohrung, Photolithographie) verwendet, aber Poren können auch definiert werden, indem man jegliches andere geeignete Verfahren verwendet. Einige Durchkontaktierungen können durch die gesamte Dicke des abgemessenen Substrats hindurchreichen, während einige Poren nur durch variierende Bereiche der Substratdicke reichen.
Die Durchkontaktierungen können dann mit Metall oder anderen dielektrischen oder magnetischen Materialien oder Mischungen davon gefüllt werden, üblicherweise unter Verwendung von Schablonen für eine präzise Platzierung der Hinterfüllungsmaterialien. Die individuellen Bandschichten können in einem herkömmlichen Verfahren gestapelt werden, um ein vollständiges Mehrschichtsubstrat zu erzeugen. Alternativ können individuellen Bandschichten so gestapelt werden, dass sie ein unvollständiges Mehrschichtsubstrat erzeugen, was allgemein als Teilstapel bezeichnet wird.
Porenbehaftete Bereiche können auch porenbehaftete Bereiche bleiben. Bei einer Hinterfüllung mit ausgewählten Materialien umfassen die ausgewählten Materialien vorzugsweise Metamaterialien. Die Wahl einer Metamaterialzusammensetzung kann abstimmbare effektive dielektrische Konstanten über einen relativ kontinuierlichen Bereich von weniger als 2 bis ungefähr 2650 bereitstellen. Abstimmbare magnetische Eigenschaften sind auch von bestimmten Metamaterialien erhältlich. Beispielsweise kann die relative effektive magnetische Permeabilität durch die Wahl geeigneter Materialien allgemein von ca. 4 bis 116 für die meisten praktischen Funkfrequenzanwendungen reichen. Jedoch kann die relative effektive magnetische Permeabilität sogar nur 2 betragen oder bis zu einigen Tausend erreichen.
Der Ausdruck "unterschiedliche modifiziert" wie hierin verwendet bezieht sich auf Modifikationen, einschließlich Dotierungen, an einer dielektrischen Substratschicht, die dazu führen, dass mindestens eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an einem Bereich des Substrats verglichen mit einem anderen Bereich unterschiedliche modifiziert wird. Ein unterschiedlich modifiziertes Leiterplattensubstrat umfasst vorzugsweise ein oder mehrere Metamaterial enthaltende Bereiche.
Beispielsweise kann die Modifikation eine selektive Modifikation sein, bei der bestimmte Bereiche der dielektrischen Schicht so modifiziert werden, dass ein erster Satz von dielektrischen oder magnetischen Eigenschaften erzeugt wird, während andere Bereiche der dielektrischen Schicht unterschiedlich modifiziert werden oder unmodifiziert belassen werden, um dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften bereitzustellen, die sich vom ersten Satz von Eigenschaften unterscheiden. Die unterschiedliche Modifikation kann auf eine Vielzahl verschiedener Arten erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine dielektrische Ergänzungsschicht zur dielektrischen Schicht hinzugefügt werden. Bekannte Techniken, wie beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder ein Zerstäuben können verwendet werden, um die dielektrische Ergänzungsschicht aufzubringen. Die dielektrische Ergänzungsschicht kann selektiv in räumlich begrenzten Bereichen hinzugefügt werden, einschließlich innerhalb von Poren oder Löchern, oder über die gesamte existierende dielektrische Schicht. Beispielsweise kann eine dielektrische Ergänzungsschicht verwendet werden, um einen Substratbereich mit einer erhöhten effektiven Dielektrizitätskonstante bereitzustellen. Das als Ergänzungsschicht hinzugefügte dielektrische Material kann verschiedene Polymermaterialien umfassen.
Der Schritt des unterschiedlichen Modifizierens kann ferner ein räumlich begrenztes Hinzufügen zusätzlicher Materialien zu der dielektrischen Schicht oder der dielektrischen Ergänzungsschicht enthalten. Die Hinzufügung von Material kann verwendet werden, um die effektive Dielektrizitätskonstante oder magnetische Eigenschaften der dielektrischen Schicht 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 Metamaterialteilchen, welche allgemein zur Steuerung magnetischer Eigenschaften der Substratschicht für eine Vielzahl von hierin beschriebenen Anwendungen geeignet sind, umfassen Ferrit-Organokeramiken (FexCyHz)-(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 können. 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 Dielektrizitätskonstante 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 Dielektrizitätskonstante der modifizierten Teile der Substratschicht anzuheben.
Teilchen können mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfachmischens, Mischens und eines heftigen Füllens. Beispielsweise kann eine Dielektrizitätskonstante 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 auswählbaren dielektrischen Eigenschaften können auf Flächen so klein wie ca. 10 nm lokal begrenzt werden oder große Flächenbereiche bzw. -zonen abdecken, einschließlich der gesamten Leiterplattensubstratoberfläche. Herkömmliche Techniken, wie beispielsweise Lithographie und Ätzen, zusammen mit Abscheidungsabläufen, können zur räumlich begrenzten Handhabung der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften verwendet werden.
Die Materialien können gemischt mit anderen Materialien oder einschließlich verschiedener Dichten porenbehafteter Bereiche (welche allgemein Luft einfügen) präpariert werden, um effektive Dielektrizitätskonstanten 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) aufweisen, 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 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 Dielektrizitätskonstante 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 Niob-dotierte 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 eine gewünschte Werte der effektiven Dielektrizitätskonstante bereitzustellen.
Diese Materialien können allgemein durch verschiedene molekulare Veränderungsabläufe modifiziert werden. Modifikationsbearbeiten kann eine Erzeugung von Poren, gefolgt vom Füllen mit Materialien, wie beispielsweise Kohlenstoff- und Fluor-basierten organofunktionalen Materialien umfassen, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE).
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 aufweist. Die Hinterfüllungsmaterialien, wie beispielsweise oben angemerkt, können zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Bearbeitungsschritten verwendet werden, um gewünschte dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften zu erreichen, und zwar entweder lokal begrenzt oder über einen Bulksubstratbereich.
Ein Leiteraufdruck auf der obersten Schicht wird dann allgemein auf die modifizierte Substratschicht, den Teilstapel 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 Schablonen.
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), und zwar 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 wie oben beschrieben weiterverarbeitet oder in einen Ofen eingebracht, um auf eine Temperatur aufgeheizt zu werden, die für das bearbeitete 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 be züglich eines Temperaturanstiegs mit einer Rate gesteuert werden kann, die für die verwendeten Substratmaterialien 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 gestapelte Substratleiterplatten typischerweise unter Verwendung eines optischen Mikroskops auf Fehler untersucht.
Die gestapelten Keramiksubstrate können dann optional in vereinzelte Teile geschnitten werden, die so klein sind, dass sie die Schaltungsfunktionsanforderungen erfüllen. Folgend auf die Endüberprüfung können die vereinzelten Substratteile dann auf eine Testfassung zum Beurteilen ihrer verschiedenen Eigenschaften montiert werden, um so beispielsweise sicherzustellen, dass sich die dielektrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften innerhalb vorbestimmter Grenzen befinden.
Daher können dielektrische Substratmaterialien mit lokal beschränkten abstimmbaren dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften zum Verbessern der Dichte und Leistung von Schaltungen, einschließlich solcher, die Viertelwellenwandler aufweisen, versehen werden. Die dielektrische Flexibilität erlaubt eine unabhängige Optimierung von Schaltungselementen.
Während die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, ist es klar, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Zahlreiche Modifikationen, Änderungen, 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 (50), umfassend zumindest eine dielektrische Schicht (20, 30, 40), wobei die dielektrische Schicht (20, 30, 40) einen ersten Bereich (40) und zumindest einen zweiten Bereich (20) aufweist, wobei der erste Bereich (40) einen ersten Satz von Substrateigenschaften und der zweite Bereich (20) einen zweiten Satz von Substrateigenschaften aufweist, wobei der zweite Satz von Substrateigenschaften andere magnetische Eigenschaften bereitstellt als der erste Satz von Substrateigenschaften; zumindest eine Masse, die mit dem Substrat (50) gekoppelt ist; und eine Sechspolschaltung (100), die mit dem Substrat (50) gekoppelt ist; wobei zumindest ein Teil (32, 46) der Sechspolschaltung (100) mit dem zweiten Bereich (20) gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Substrat (50) ein Metamaterial aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Satz von Substrateigenschaften und/oder der zweite Satz von Substrateigenschaften unterschiedlich modifiziert sind, um eine Permittivität und/oder eine Permeabilität über einen ausgewählten Bereich (30) zu variieren.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Satz von Substrateigenschaften eine erste Permittivität aufweist und der zweite Satz von Substrateigenschaften eine zweite Permittivität aufweist, wobei die zweite Permittivität höher ist als die erste Permittivität.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei eine Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals auf einem Viertelwellenwandlerabschnitt (32) der Sechspolschaltung (100), die mit dem zweiten Bereich (20) gekoppelt ist, niedriger ist als eine Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals auf einem Teil (32, 46) einer Leitung, die mit dem ersten Bereich (40) gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei die zweite Permittivität höher ist als die erste Permittivität, um eine Veränderung in zumindest einer elektrischen Eigenschaft eines Viertelwellenwandlerabschnitts (32) der Sechspolschaltung (100) zu erzielen.