DE69832228T2

DE69832228T2 - Symmetrierschaltung

Info

Publication number: DE69832228T2
Application number: DE69832228T
Authority: DE
Inventors: Kenjiro 3-chome Nishikawa; Ichihiko 3-chome Toyoda; Tsuneo 3-chome Tokumitsu
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JPH10335911A; US6150897A; DE69832228D1; JP3576754B2; EP0869574A2; EP0869574A3; EP0869574B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Symmetrierschaltung und betrifft insbesondere eine solche Schaltung, die auf einer MMIC-Schaltung (Monolithic Micro-wave Integrated Circuit) hergestellt ist und mit einer Frequenz höher gleich 1 GHz arbeitet. Eine Symmetrierschaltung wird zum Teilen und/oder Kombinieren von Signalen mit der gleichen Amplitude und entgegengesetzten Phase zueinander in einem symmetrischen Frequenzmischer benutzt.
Eine Symmetrierschaltung ist einfach in ihrem Aufbau, da sie nur eine Mehrzahl von gekoppelten Viertelwellenlängenleitungen umfaßt. Die Eigenschaft einer Symmetrierschaltung ist von Wellenwiderstandsdifferenz und Phasengeschwindigkeitsdifferenz geradzahliger und ungeradzahliger Moden abhängig. Je größer das Verhältnis des Wellenwiderstands zwischen geradzahligem Modus und ungeradzahligem Modus und je kleiner die Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen geradzahligem Modus und ungeradzahligem Modus, desto breiter ist ein Betriebsequenzband einer Symmetrierschaltung.
Da sich die Phasengeschwindigkeit von gerad- und ungeradzahligen Moden einer gekoppelten Leitung in einer MMIC-Schaltung voneinander unterscheiden, ist eine Hauptbemühung zur Bereitstellung einer breitbandigen Symmetrierschaltung auf die Bereitstellung eines größeren Verhältnisses von Wellenwiderstand zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden gerichtet gewesen.
Wenn jedoch versucht wird, ein großes Verhältnis von Wellenwiderstand in einer gekoppelten Leitung des Standes der Technik bereitzustellen, muß die Schaltungsgröße größer sein. Wenn weiterhin versucht wird, eine kleine Phasengeschwindigkeitsdifferenz bereitzustellen, muß das Betriebssequenzband schmal sein. Es ist daher eine Symmetrierschaltung mit kleiner Größe und breitem Betriebsfrequenzband erwünscht gewesen.
23 zeigt eine Symmetrierschaltung des Standes der Technik, die Merchand-Symmetrierschaltung genannt wird.
23(A) zeigt eine Ersatzschaltung einer Symmetrierschaltung, 23(B) zeigt einen Querschnitt einer gekoppelten Leitung und 23(C) zeigt eine Ersatzschaltung einer gekoppelten Leitung. Dieser Aufbau wird von R. Schwindt in 1994 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Seiten 389–391, beschrieben.
In 23(B) ist die Ziffer 100 ein aus GaAs hergestelltes Substrat mit einer ersten Oberfläche, auf der ein erster Leiter 106 und eine Isolierschicht 102 aus SiO₂ abgelagert sind, und einer zweiten Oberfläche, auf der ein Erdmetall 104 abgelagert ist. Auf der Isolierschicht 102 ist ein zweiter Leiter 108 abgelagert, so daß der zweite Leiter dem ersten Leiter gegenüber liegt. Die Länge des ersten Leiters 106 und des zweiten Leiters 108 ist eine Viertelwellenlänge. Die Breite des ersten Leiters 106 beträgt beispielsweise 750 μm, und die Breite des zweiten Leiters 108 beträgt beispielsweise 25 μm, so daß das große Wellenwiderstandsverhältnis zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden erhalten wird, und die typische Stärke des Substrats 100 und der Isolierschicht 102 betragen 125 μm bzw. 0,75 μm.
23(C) zeigt eine Ersatzschaltung einer gekoppelten Leitung, die ein Paar paralleler Leitungen (a) und (b) aufweist, die mit dem ersten Leiter 106 und dem zweiten Leiter 108 in der 23(B) im Verhältnis stehen. Wenn ein erstes Ende der ersten Leitung (a) ein Eingangsanschluß genannt wird, der ein Eingangssignal annimmt, ist das andere Ende der ersten Leitung (a) ein Durchgangsanschluß, zu dem ein Eingangssignal durchläuft, ein erstes Ende der zweiten Leitung (b), enthalten im Eingangsanschluß, ist ein gekoppelter Anschluß und das andere Ende der zweiten Leitung (b) ist ein Trennungsanschluß, zu dem ein Eingangssignal nicht ausgegeben wird.
Eine Symmetrierschaltung weist ein Paar gekoppelter Leitungen auf. In der 23(A) weist eine Symmetrierschaltung eine erste gekoppelte Leitung 1 auf, die die Anschlüsse A, B, C und D aufweist, und eine zweite gekoppelte Leitung 2, die die Anschlüsse A', B', C' und D' aufweist.
Der erste Anschluß B der ersten gekoppelten Leitung 1 ist mit dem ersten Anschluß A' der zweiten gekoppelten Leitung 2 verbunden, der Trennungsanschluß C ist geerdet, wenn der erste Anschluß B ein Eingangsanschluß ist, der Trennungsanschluß D' der zweiten gekoppelten Leitung 2 ist geerdet, wenn der erste Anschluß A' ein Eingangsanschluß ist, und der Durchgangsanschluß B' der zweiten gekoppelten Leitung 2 ist offen.
Bei dem obigen Aufbau in der 23(A) werden, wenn ein Eingangssignal an den Anschluß P₁ (Anschluß A) angelegt ist, der der Durchgangsanschluß ist, wenn der erste Anschluß B ein Eingangsanschluß in der ersten gekoppelten Leitung 1 ist, ein Paar Ausgangssignale entgegengesetzter Phase an den Anschlüssen P₂ und P₃ (Anschluß D und C) erhalten, die ein gekoppelter Anschluß D sind, wenn Anschluß B ein Eingangsanschluß ist, und ein gekoppelter Anschluß C', wenn der Anschluß A' der zweiten gekoppelten Leitung 2 ein Eingangsanschluß ist.
24 zeigt die beispielhaften Kurven von Spannungsstehwelle V und Stromstehwelle I entlang einer Halbwellenlängenleitung zwischen A und B' in der 23(A). Der Strom I ist maximal und die Spannung V ist Null am Mittelanschluß B(=A'), der eine Viertelwellenlänge vom Eingangsanschluß A ist. Die Phase der Spannung V zwischen den Anschlüssen A und B(A') ist der zwischen den Anschlüssen B(A') und B' entgegengesetzt. Die Amplitude der Spannung V ist symmetrisch hinsichtlich des Mittelanschlusses B(A').
Die Phasen an den Anschlüssen D und C', die gekoppelte Anschlüsse der Anschlüsse B und C' sind, sind einander entgegengesetzt.
Ein an den Anschluß 1 (A) angelegtes Eingangssignal wird daher an die Ausgangsanschlüsse 2 und 3 mit entgegengesetzter Phase und der gleichen Amplitude zueinander ausgegeben.

25 und 26 zeigen berechnete Kennlinien einer Symmetrierschaltung der 23, wobei 25 Amplitudenkennlinien und 26 Phasenkennlinien zeigt. Dicke durchgezogene Linien B, B₁ und B₂ (B1 ist eine Ausgabe am Anschluß 2, und B2 ist eine Ausgabe am Anschluß 3) zeigen die Kennlinien eines Standes der Technik der 23, und eine dünne durchgezogene Linie A zeigt eine ideale Kennlinie. Die in der Berechnung benutzten Parameter sind folgende. Die berechneten Ergebnisse entsprechen gut den gemessenen Ergebnissen. (1) Parameter einer gekoppelten Leitung der Fig. 23

Ze = 121 Ω	Wellenwiderstand des geradzahligen Modus
Zo = 21 Ω	Wellenwiderstand des ungeradzahligen Modus
εe = 3,02	effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus
εo = 4,22	effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus
αe = 0,15 dB/mm bei 10 GHz	Verlust des geradzahligen Modus
αo = 0,60 dB/mm bei 10 GHz	Verlust des ungeradzahligen Modus

(2) Parameter einer idealen Leitung (verlustloser Leitung)

Ze = 500 Ω	Wellenwiderstand des geradzahligen Modus
Zo = 21 Ω	Wellenwiderstand des ungerad zahligen Modus
εe = 3,02	effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus
εo = 3,02	effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus

In 25 und 26 ist zu beachten, daß die Marchand-Symmetrierschaltung des Standes der Technik nach 23 den Nachteil aufweist, daß die Amplitude und die Phase im Betriebsfrequenzband sehr abweichen und das Betriebsfrequenzband daher im wesentlichen schmal ist. In der Praxis ist zu bevorzugen, daß die Phasendifferenz in einem Betriebsfrequenzband innerhalb von 10° liegt und die pmplitudenabweichung in einem Betriebsfrequenzband innerhalb von 1 dB liegt.
Der Grund dafür, daß das Betriebsfrequenzband in einer Marchand-Symmetrierschaltung des Standes der Technik mit einer Mikrostreifenleitung MMIC, einer auf einem Halbleitersubstrat von GaAs und Si abgelagerten koplanaren Wellenleiter-MMIC oder einer dreidimensionalen MMIC mit dielektrischen Mehrfachschichten auf einem Halbleitersubstrat zusammen mit anderen aktiven Schaltungen in einem FET und sonstigen passiven Schaltungen schmal ist, ist (1) daß ein Wellenwiderstand im geradzahligen Modus einer gekoppelten Leitung, die eine Symmetrierschaltung darstellt, klein ist und grundsätzlich nicht groß sein kann, (2) gerad- und ungeradzahlige Modenphasendifferenz aufweisen und (3) Übertragungsverlust mit einer gekoppelten Leitung, die eine Symmetrierschaltung darstellt (größer als 0,1 dB/mm) ist, als der eines herkömmlichen Wellenleiters oder eines herkömmlichen Koaxialkabels.
27 und 28 zeigen eine weitere, auf einer MMIC hergestellte Symmetrierschaltung des Standes der Technik. 27 ist in IEEE Trans. on MTT-41, Nr. 12, Seiten 2330-2335, Dezember 1993 von S. A. Maas beschrieben, und 28 ist in 1995 IEEE Micro-wave and Millimeter-wave Monolithic circuits Symposium Digest, Seiten 155–158 von M.I. Ryu beschrieben.
In 27 ist die 27(A) eine Ersatzschaltung einer Symmetrierschaltung, und 27(B) ist ein Querschnitt einer gekoppelten Leitung einer Symmetrierschaltung der 27(A). In der 27(B) ist eine gekoppelte Leitung eine Inter-Digitalart mit einem Substrat 100 aus GaAs, auf dem ein Erdleiter 98 und eine Mehrzahl von Kopplungsleitungen 99 abgelagert sind. Die Stärke des Substrats 100 beträgt beispielsweise 635 μm.
Eine gekoppelte Leitung 130, 140 der 27 weist drei Finger auf, und eine gekoppelte Leitung 7, 8 der 28 weist sieben Finger auf.
Der Aufbau der 27 und 28 weist den Vorteil auf, daß der Wellenwiderstand im geradzahligen Modus groß ist und die Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden klein ist und daher eine ausgezeichnete Symmetrierschaltung erhalten wird.
Der Aufbau der 27 und 28 weist jedoch den Nachteil auf, daß die Breite der Schaltung aufgrund der vielen Finger groß ist und die Stärke des Substrats groß ist und daher die Größe einer Schaltung nicht klein sein kann. Weiterhin ist das Betriebsfrequenzband der 27 und 28 kleiner als das der 23.
US 4597137 beschreibt eine Symmetrierschaltung mit zwei Paaren gekoppelter Signalleitungen. Die ersten Leitungen jedes Paares sind an einem Ende verbunden, während ihre anderen Enden offen gelassen werden und jeweils einen Eingangsanschluß bilden. Die zweiten Leitungen jedes Paars sind an einem Ende mit Erde verbunden und bilden am anderen Ende Ausgangsanschlüsse.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Symmetrierschaltung mit einem Eingangsanschluß und einem Paar Ausgangsanschlüsse, die Ausgangssignale mit der gleichen Amplitude und zueinander entgegengesetzter Phase bezüglich eines in den Eingangsanschluß eingegebenen Eingangssignals aufweisen, folgendes:
eine erste Signalleitung und zweite Signalleitung, die erste gekoppelte Leitungen bilden, eine dritte Signalleitung und vierte Signalleitung, die zweite gekoppelte Leitungen bilden, eine fünfte Signalleitung und sechste Signalleitung, die dritte gekoppelte Leitungen bilden, eine siebente Signalleitung und achte Signalleitung, die vierte gekoppelte Leitungen bilden, wobei
die Summe der Länge der ersten gekoppelten Leitungen und die Länge der dritten gekoppelten Leitungen kürzer gleich einer Viertelwellenlänge, die Summe der zweiten gekoppelten Leitungen und der Länge der vierten gekoppelten Leitungen kürzer gleich einer Viertelwellenlänge ist, wobei jede der ersten Leitung, der dritten Leitung, der fünften Leitung und siebenten Leitung einen Durchgangsanschluß an einem Ende und einen als Bezugsanschluß am anderen Ende wirkenden Eingangsanschluß aufweist, jede der zweiten Leitung, der vierten Leitung, der sechsten und der achten Leitung einen gekoppelten Anschluß an einem Ende und einen Abtrennungsanschluß am anderen Ende aufweist;
ein Bezugsanschluß der ersten gekoppelten Leitungen und ein Durchgangsanschluß der dritten gekoppelten Leitungen verbunden sind;
ein Bezugsanschluß der dritten gekoppelten Leitungen und einen Bezugsanschluß der zweiten gekoppelten Leitungen verbunden sind;
ein Durchgangsanschluß der zweiten gekoppelten Leitungen und ein Bezugsanschluß der vierten gekoppelten Leitungen verbunden sind;
ein Abtrennungsanschluß der ersten gekoppelten Leitungen geerdet ist und ein Abtrennungsanschluß der vierten gekoppelten Leitungen geerdet ist;
ein Durchgangsanschluß der vierten gekoppelten Leitungen offen ist;
ein Durchgangsanschluß der ersten gekoppelten Leitungen ein Eingangsanschluß der Symmetrierschaltung ist;
gekoppelte Anschlüsse der dritten bzw. zweiten gekoppelten Leitungen Ausgangsanschlüsse der Symmetrierschaltung sind;
und dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrierschaltung weiterhin ein erstes Löschungselement und ein zweites Löschungselement zum Kompensieren von Amplitudendifferenz- und Phasendifferenzfehler von Ausgangssignalen an den Ausgangsanschlüssen umfaßt,
wobei das erste Löschungselement mit dem gekoppelten Anschluß der ersten gekoppelten Leitungen an einem Ende und mit dem Abtrennungsanschluß der dritten gekoppelten Leitungen am anderen Ende verbunden ist, wobei das zweite Löschungselement mit dem Abtrennungsanschluß der zweiten gekoppelten Leitungen an einem Ende und mit dem gekoppelten Anschluß der vierten gekoppelten Leitungen verbunden ist, wobei die ersten und zweiten Löschungselemente Übertragungsleitungen oder ein Induktor sind.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Symmetrierschaltung bereit, die bessere Ausgangsamplituden- und Phaseneigenschaften für ein breites Frequenzband aufweist und die größenmäßig klein sein kann.
Die Symmetrierschaltung der vorliegenden Erfindung kann auch in symmetrischen Frequenzmischern benutzt werden.
Es werden nunmehr einige Beispiele von Symmetrierschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines ersten Beispiels einer Symmetrierschaltung, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist,
2 eine Ersatzschaltung der Symmetrierschaltung der 1.
3 zeigt erläuternde Zeichnungen des Funktionsprinzips des Beispiels der 1, wobei 3(A) Amplitudenkennlinien und 3(B) Phasenkennlinien zeigt,
4 zeigt Verhältnisse zwischen der Länge L₃ der Übertragungsleitungen des Beispiels der 1 und der normierten Bandbreite,
5 zeigt die Frequenzkennlinien von Amplitudendiffernz- und Phasendifferenzfehler, wenn die Länge der Übertragungsleitung fest ist,
6 zeigt die berechnete Betriebsbandbreite für jede Länge der Übertragungsleitung,
7 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines zweiten Beispiels einer Symmetrierschaltung, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist,
8 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines dritten Beispiels einer Symmetrierschaltung, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist,
9 ist eine Ersatzschaltung einer Symmetrierschaltung der 8,
10 zeigt eine erläuternde Zeichnung des Funktionsprinzips einer Symmetrierschaltung, die einen Kondensator an einer Verbindungsstelle von gekoppelten Leitungen aufweist, wobei 10(A) berechnete Amplitudenkennlinien und 10(B) berechnete Phasenkennlinien zeigt,
11 zeigt Verhältnisse zwischen Kapazität und normierter Bandbreite,
12 zeigt Frequenzkennlinien von Amplitudendifferenz- und Phasendifferenzfehler, wenn die Kapazität fest ist,
13 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines vierten Beispiels einer Symmetrierschaltung, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist,
14 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Symmetrierschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
15 ist eine Ersatzschaltung einer Symmetrierschaltung der 14,
16 ist eine erläuternde Zeichnung des Funktionsprinzips der 15, wobei 16(A) berechnete Amplitudenkennlinien und 16(B) berechnete Phasenkennlinien zeigt,
17 zeigt Frequenzkennlinien von Amplitudendifferenz- und Phasendifferenzfehler, wenn die Länge der Übertragungsleitung in der 15 fest ist,
18 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Symmetrierschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung,
19 ist eine Ersatzschaltung einer dritten Ausführungsform einer Symmetrierschaltung,
20 ist eine erläuternde Zeichnung des Funktionsprinzips einer Symmetrierschaltung der 19, wobei 20(A) berechnete Amplitudenkennlinien und 20(B) berechnete Phasenkennlinien zeigt,
21 zeigt Frequenzkennlinien von Amplitudendifferenz- und Phasendifferenzfehler einer Symmetrierschaltung der 18, bei der die eingefügte Induktivität fest ist,
22 zeigt ein Blockschaltbild eines symmetrischen Grenzmischers, der eine vierte Ausführungsform einer Symmetrierschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt,
23 zeigt eine Symmetrierschaltung des Standes der Technik,
24 zeigt Stehwelle von Spannung und Strom an einer Symmetrierschaltung der 23,
25 zeigt Amplitudenkennlinien einer Symmetrierschaltung der 23,
26 zeigt Phasenkennlinien einer Symmetrierschaltung der 23,
27 zeigt eine weitere Symmetrierschaltung des Standes der Technik, und
28 zeigt eine noch weitere Symmetrierschaltung des Standes der Technik.
Eine Symmetrierschaltung weist ein Paar gekoppelter Leitungen auf, die in Reihe geschaltet sind. Jede gekoppelte Leitung weist unvermeidbar unerwünschten Amplitudenfehler und Phasendifferenzfehler in Betriebsfrequenzband auf. Eine Symmetrierschaltung des Standes der Technik der 23, 27 und 28 soll diesen Amplitudenfehler und diesen Phasendifferenzfehler verringern.
Andererseits besteht die Grundidee der vorliegenden Erfindung darin, eine Symmetrierschaltung bereitzustellen, die ein Löschungselement aufweist, das entgegengesetzte Amplitudendifferenz und entgegengesetzten Phasendifferenzfehler aufweist, so daß die Amplitudendifferenz und der Phasendifferenzfehler einer gekoppelten Leitung ausgelöscht werden.
Der Amplitudenfehler und der Phasendifferenzfehler in einer Symmetrierschaltung werden erzeugt, wenn jede der gekoppelten Leitungen mit einer Viertelwellenlänge eine Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden aufweist. Die Phasengeschwindigkeit eines geradzahligen Modus und eines ungeradzahligen Modus ist von der Kapazität für jede Längeneinheit des Modus abhängig, und diese Kapazität ist davon abhängig, welche Art MMIC-Schaltung als gekoppelte Leitung genutzt wird. Die Phasengeschwindigkeit eines geradzahligen Modus und eines ungeradzahligen Modus ist daher von der MMIC-Schaltung abhängig.
Dementsprechend wird durch die vorliegende Erfindung ein Amplitudenfehler und Phasendifferenzfehler durch Anschließen einer Übertragungsleitung, die die Phasengeschwindigkeit eines geradzahligen Modus verringert, an eine gekoppelte Leitung, wenn die Phasengeschwindigkeit eines geradzahligen Modus in einer gekoppelten Leitung größer als die eines ungeradzahligen Modus ist, gelöscht oder kompensiert. Wenn andererseits die Phasengeschwindigkeit eines geradzahligen Modus einer gekoppelten Leitung kleiner als die eines ungeradzahligen Modus ist, wird eine Übertragungsleitung oder ein Induktor, der die Phasengeschwindigkeit eines geradzahligen Modus erhöht, an eine gekoppelte Leitung angeschlossen.
Ein Löschungselement, das eine Übertragungsleitung oder ein Induktor sein kann, kompensiert den Amplitudenfehler und den Phasendifferenzfehler eines Ausgangssignals einer Symmetrierschaltung in einem breiten Betriebsfrequenzband. Weiterhin kann eine Symmetrierschaltung selbst größenmäßig klein sein, da ein Löschungselement einfach und klein im Aufbau ist.
(Erstes Beispiel)
1 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Symmetrierschaltung, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist, und 2 ist eine Ersatzschaltung einer Symmetrierschaltung der 1. Der Aufbau der 1 gehört zu einer dreidimensionalen MMIC. Die Symbole (Anschluß P₁, Anschluß P₂, Anschluß P3, A-D und A'-D') entsprechen denen in der 23.
In den 1 und 2 ist die Ziffer 11 ein beispielsweise aus GaAs hergestelltes Halbleitersubstrat, auf dem ein Erdleiter 10 auf dem gesamten Bereich des Substrats 11 angebracht ist. Eine erste dielektrische Schicht 12 als Polyimid ist auf dem gesamten Bereich des Erdleiters 10 angebracht. Auf der ersten dielektrischen Schicht 12 sind ein linearer anderer Leiter 1_L einer ersten gekoppelten Leitung 1, eine erste Übertragungsleitung 3 und ein linearer unterer Leiter 2_L einer zweiten gekoppelten Leitung 2 angebracht.
Eine zweite dielektrische Schicht 13 aus Polyimid ist auf der gesamten Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht 12 angebracht, und die Leiter 1_L , 3 und 2_L sind daher zwischen die dielektrischen Schichten 12 und 13 eingeschoben. Auf der zweiten dielektrischen Schicht 13 sind ein linearer oberer Leiter 1_U der ersten gekoppelten Leitung 1 und ein linearer oberer Leiter 2_U der zweiten gekoppelten Leitung 2 abgelagert, so daß diese Leiter 1U und 2U den zugehörigen unteren Leitern 1_L bzw. 2_L durch die zweite dielektrische Schicht 13 gegenüber liegen. Weiterhin sind Anschlußleitungen 1_E und 2_E an die oberen Leiter 1_U bzw. 2_U , auf der zweiten dielektrischen Schicht 13 zur externen Verbindung der Symmetrierschaltung angekoppelt.
Die Stärke des Halbleitersubstrats 10 beträgt beispielsweise 10 μm, die unter Berücksichtigung der Anforderung externer zugehöriger Schaltungen bestimmt wird. Das Halbleitersubstrat 10 selbst ist für den Betrieb einer Symmetrierschaltung nicht notwendig. Die Stärke der ersten dielektrischen Schicht 12 beträgt beispielsweise 7,5 μm, und die Stärke der zweiten dielektrischen Schicht 13 beträgt beispielsweise 2,5 μm.
Die ersten oberen und unteren Leiter 1_U und 1_L zusammen mit der zweiten zwischen ihnen eingeschobenen dielektrischen Schicht 13 stellen die erste gekoppelte Leitung 1 bereit, die die Länge einer Viertelwellenlänge aufweist, auf ähnliche Weise stellen die zweiten oberen und unteren Leiter 2_U und 2_L zusammen mit der zwischen ihnen eingeschobenen zweiten dielektrischen Schicht 13 die zweite gekoppelte Leitung 2 bereit, die die Länge einer Viertelwellenlänge aufweist. Es wird angenommen, daß die Länge der zwischen die ersten und zweiten gekoppelten Leitungen gekoppelten ersten Übertragungsleitung 3 L₃ ist. Ein erstes Ende A des unteren Leiters 1_L der ersten gekoppelten Leitung 1 ist an einen Eingangsanschluß P₁ angekoppelt, und das andere Ende B des unteren Leiters 1_L ist mit einem ersten Ende der Übertragungsleitung 3 verbunden. Ein erstes Ende B' des unteren Leiters 2_L der zweiten gekoppelten Leitung 2 ist offen, und das andere Ende A' des zweiten unteren Leiters 2_L ist mit dem anderen Ende der Übertragungsleitung 3 verbunden.
Ein erstes Ende C des oberen Leiters 1_U der ersten gekoppelten Leitung 1, das dem ersten Ende A des unteren Leiters 1_L gegenüberliegt, ist geerdet, und das andere Ende D des oberen Leiters 1_U ist durch den Leiter 1_E an den ersten Ausgangsanschluß P₂ angekoppelt. Das erste Ende D' des oberen Leiters 2_U der zweiten gekoppelten Leitung 2 gegenüber dem ersten Ende B' des unteren Leiters 2_L ist geerdet, und das andere Ende C' des oberen Leiters 2_U der zweiten gekoppelten Leitung 2 ist durch den Leiter 2_E an den zweiten Ausgangsanschluß P₃ angekoppelt.
3 zeigt Kurven zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Symmetrierschaltung der 1 und 2, wobei 3(A) berechnete Amplitudenkennlinien einer Symmetrierschaltung und 3(B) berechnete Phasenkennlinien einer Symmetrierschaltung zeigt. In diesen Zeichnungen zeigt die Kurve (a) einen Idealfall, bei dem keine Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden in einer Symmetrierschaltung besteht, Kurve (b) zeigt einen Fall, bei dem eine Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen geradzahligen und ungeradzahligen Moden besteht, und Kurve (c) zeigt einen Fall, bei dem eine Übertragungsleitung 3 zwischen die gekoppelten Leitungen des Idealfalls der Kurve (a) eingefügt wird.
Die Parameter in 3 sind folgende:
gekoppelte Leitung;
Wellenwiderstand des geradzahligen Modus: 121 Ω
Wellenwiderstand des ungeradzahligen Modus: 21 Ω
Länge L₁ einer gekoppelten Leitung: 1,987 mm
Übertragungsleitung 3:
Wellenwiderstand: 60 Ω
effektive dielektrische Konstante: ε_eff = 3,3
Kurve (a):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 3,04
Kurve (b):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 4,22
Kurve (c):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 3,04
Länge der Übertragungsleitung: L₃ = 0,28 mm
Es ist aus 3 zu erkennen, daß die Kurve (b), wo eine Phasengeschwindigkeitsdifferenz besteht, der Kurve (c) entgegengesetzt ist, wo einer Übertragungsleitung 3 an die Symmetrierschaltung angekoppelt ist, und diese Kurven (b) und (c) in bezug auf die ideale Kurve (a) symmetrisch verlaufen. Der Amplitudenfehler und der Phasendifferenzfehler einer Symmetrierschaltung wird daher durch Anbringen einer Übertragungsleitung 3 zwischen zwei gekoppelte Leitungen kompensiert, obwohl der Wellenwiderstand des geradzahligen Modus und Verlust einer gekoppelten Leitung die gleichen wie die eines Standes der Technik sind.
Die Funktionsweisen der Symmetrierschaltung der 1 und 2 wird nunmehr entsprechend den 4–6 beschrieben.
4 zeigt eine berechnete Kurve zwischen der normierten Bandbreite Δf/f₀ und der Länge L₃ einer zwischen die gekoppelten Leitungen von Schlüsselwellenlänge eingefügten Übertragungsleitung 3, wo die Betriebs-Mittenfrequenz der Symmetrierschaltung 20 GHz beträgt und der Wellenwiderstand und die effektive Dielektrizitätskonstante der Übertragungsleitung 3 Z₀ = 60 Ω bzw. ε_eff = 3,3 betragen. Die normierte Bandbreite ist so definiert, daß der Phasendifferenzfehler weniger als 10° beträgt, die Amplitudendifferenz weniger als 1 dB beträgt und eine 3-dB-Bandbreite eines Ausgangssignals angenommen wird.
In der 4 beträgt die normierte Bandbreite in einem Stand der Technik rund 0,65 die durch einen weißen Punkt in der 4 dargestellt. Andererseits ist die normierte Bandbreite der vorliegenden Erfindung, die eine Übertragungsleitung 3 aufweist, 1,8-mal so groß wie die eines Standes der Technik wie durch die durch den Rahmen umschlossene Kurve dargestellt.
5 zeigt die Kurven der Frequenzkennlinien des Phasendifferenzfehlers und der Amplitudendifferenz, wenn die Länge L₃ der Übertragungsleitung fest ist (L₃ = 0,3 mm), wobei angenommen wird, daß die Phasengeschwindigkeit des geradzahligen Modus höher als die des ungeradzahligen Modus ist. In der 5 zeigen die dünnen Kurven a₁ und a₂ Phasendifferenzfehler bzw. Amplitudendifferenz eines Standes der Technik, der keine Übertragungsleitung aufweist, und die dicken Kurven b₁ und b₂ zeigen den Phasendifferenzfehler bzw. die Amplitudendifferenz der vorliegenden Erfindung, die eine Übertragungsleitung aufweisen.
In der 5 ist zu beachten, daß die Frequenzkennlinien des Phasendifferenzfehlers (b₁) und der Amplitudendifferenz (b₂) klein werden und im Vergleich mit denen (a₁ und a₂) des Standes der Technik verbessert sind. Dementsprechend ist zu bemerken, daß die Gegenwart einer Übertragungsleitung 3 die Amplitudendifferenz und den Phasendifferenzfehler im Betriebsband verringern und damit die Betriebsbandbreite erhöhen.
6 zeigt die berechnete Betriebsbandbreite, wenn die Länge L₁ einer gekoppelten Leitung geändert wird, wobei die horizontale Achse Frequenz in GHz und die senkrechte Achse die normierte Länge (L₁/L₁₀) einer durch L₁₀ = 1,987 mm, Viertelwellenlänge für 20 GHz, normierten gekoppelten Leitung zeigt. Die Länge L₃ der Übertragungsleitung beträgt L₃ = 0,3 mm. In der 6 zeigt eine durch weiße Kreise abgeschlossene Leitung das Betriebsfrequenzband einer Symmetrierschaltung, und ein schwarzer Kreis zeigt Mittenfrequenz (Viertelwellenlänge) einer gekoppelten Leitung.
In 6 ist zu beachten, daß wenn eine Mittenfrequenz zunimmt, eine Obergrenze des Betriebs-Frequenzbandes zunimmt, jedoch eine Untergrenze des Betriebs-Frequenzbandes kaum zunimmt. Wenn anders gesagt die Länge gekoppelter Leitungen verringert wird, so daß die Mittenfrequenz gekoppelter Leitungen hoch setzt, ändert sich die Untergrenze des Betriebsbandes einer Symmetrierschaltung kaum und die Obergrenze des Betriebsbandes einer Symmetrierschaltung steigt an. So wird die Betriebsbandbreite erhöht. Weiterhin wird, wenn die Länge gekoppelter Leitungen gekürzt wird, die Größe einer Symmetrierschaltung verringert.
In 6 ist zu beachten, daß eine längere Leitung als 0,65 × (eine Viertelwellenlänge) für den Betrieb ausreicht.
Wellenlänge bedeutet in der vorliegenden Beschreibung die Wellenlänge eines Signals in einer gekoppelten Leitung.
Die obige erste Ausführungsform zeigt einen mehrschichtigen dreidimensionalen MMIC-Aufbau. Dem Fachmann sind natürlich einige Abänderungen möglich, beispielsweise ist eine mikrostreifenartige MMIC anstatt einer dreidimensionalen MMIC möglich, und/oder eine versetzte Übertragungsleitung oder eine versetzte gekoppelte Leitung in Meanderform oder Spiralform ist anstatt einer Linearform möglich.
(Zweites Beispiel)
7 zeigt ein zweites Beispiel einer Symmetrierschaltung, daß zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Die Ersatzschaltung der 7 ist die gleiche wie die der 2. Das Merkmal der Ausführungsform der 7 ist, daß eine Symmetrierschaltung aus einer koplanaren Schaltung anstatt einer dreidimensionalen MMIC besteht. In der 7 entsprechen die Symbole A-D, A'-D', Anschlüsse P₁-P₃ denen in der 2 und denen in der 23.
In der 7 ist die Ziffer 11 ein Halbleitersubstrat, auf dem ein Erdleiter 10 angebracht ist. Ein Paar Leitungen, die eine erste gekoppelte Leitung 1 bilden, ein weiteres Paar Leitungen, die eine zweite gekoppelte Leitung 2 bilden, und eine Übertragungsleitung 3, die zwischen eine der Leitungen der ersten und der zweiten gekoppelten Leitungen eingefügt wird, werden durch Schlitzbildung oder Entfernen eines Teils des Erdleiters 10 bereitgestellt.
Der Aufbau der 7 weist den gleichartigen Vorteil wie der der Ausführungsform der 1 auf und bietet die verbesserte Amplitudendifferenz und den verbesserten Phasendifferenzfehler und erhöht damit die Betriebsbandbreite. Weiterhin tritt, selbst wenn die Länge der gekoppelten Leitungen kürzer als Viertelwellenlänge ist und die Betriebs-Mittenfrequenz höher als die gewünschte Mittenfrequenz ist, keine Verschlechterung des Betriebs-Frequenzbandes einer Symmetrierschaltung ein, und daher kann die Länge von gekoppelten Leitungen verkürzt werden, und es wird eine Symmetrierschaltung kleiner Größe erhalten.
Natürlich ist anstatt einer linearen Leitung eine meanderförmige oder spiralförmige gekoppelte Leitung und/oder eine Übertragungsleitung möglich.
(Drittes Beispiel)
8 zeigt den Aufbau des dritten Beispiels einer Symmetrierschaltung, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist, und 9 zeigt eine Ersatzschaltung der Symmetrierschaltung der 8. Die Symmetrierschaltung der 8 wird durch eine dreidimensionale MMIC implementiert. Die Symbole der 8 und 9 entsprechen denen in der 23.
In 8 und 9 ist die Ziffer 11 ein Halbleitersubstrat, auf dem ein Erdleiter 10 angebracht ist. Ein Kondensator 4 wird auf dem Halbleitersubstrat 11 in einem Fenster bereitgestellt, das durch Entfernen eines Teils des Erdleiters 10 bereitgestellt wird. Ein Ende des Kondensators 4 ist mit dem Erdleiter 10 verbunden. Eine erste dielektrische Schicht 12 ist am Erdleiter 10 angebracht. Auf der ersten dielektrischen Schicht 12 werden ein unterer Leiter einer ersten gekoppelten Leitung und ein unterer Leiter einer zweiten gekoppelten Leitung erzeugt. Die Länge dieser gekoppelten Leitungen ist eine Viertelwellenlänge. Eine zweite dielektrische Schicht 13 ist auf der ersten dielektrischen Schicht 12 und den unteren Leitern der gekoppelten Leitungen angebracht. Ein oberer Leiter einer ersten gekoppelten Leitung 1 und ein oberer Leiter einer zweiten gekoppelten Leitung 2 sind auf der zweiten dielektrischen Schicht 13 abgelagert, so daß jeder obere Leiter einem zugehörigen unteren Leiter gegenüber liegt.
Ein Ende A des unteren Konduktors der ersten gekoppelten Leitung 1 stellt einen Eingangsanschluß P₁ bereit, und das andere Ende dieses unteren Leiters stellt das Ende B bereit. Ein Ende B' des unteren Leiters der zweiten gekoppelten Leitung 2 ist offen und das andere Ende A' dieses unteren Leiters ist an das Ende B angekoppelt. Ein leitfähiges Durchgangsloch 14 durchdringt die erste dielektrische Schicht 12, so daß dieses leitfähige Durchgangsloch 14 das Ende B(A') des unteren Leiters mit einer der Elektroden des Kondensators 4 verbindet.
Ein Ende C des oberen Leiters der ersten gekoppelten Leitung 1 gegenüber dem Ende A ist geerdet, und das andere Ende D ist an einen Leiter 1_E angekoppelt, der auf der zweiten dielektrischen Schicht 13 abgelagert ist, mit einem Ende als zweiter Anschluß P₂ für eine externe Verbindung. Ein Ende D' eines oberen Leiters der zweiten gekoppelten Leitung 2 gegenüber dem Ende B' ist geerdet, und das andere Ende C' ist an einen Leiter 2_E angekoppelt, der auf der zweiten dielektrischen Schicht 13 abgelagert ist, mit einem Ende als dritter Anschluß P₃.
10 zeigt Kurven zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Symmetrierschaltung der 8 und 9, die einen Kondensator zwischen einer gekoppelten Leitung und Erde aufweist. 10(A) zeigt berechnete Amplitudenkennlinien einer gekoppelten Leitung und 10(B) zeigt berechnete Phasenkennlinien einer gekoppelten Leitung. In diesen Zeichnungen zeigt die Kurve (a) einen Idealfall, bei dem keine Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden in der Symmetrierschaltung besteht, Kurve (b) zeigt einen Fall, wo eine Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden besteht, und Kurve (c) zeigt einen Fall, bei dem ein Kondensator 4 zwischen einer Verbindungsstelle gekoppelter Leitungen und einem Erdleiter einer idealen Symmetrierschaltung der Kurve (a) gekoppelt ist.
Die Parameter einer gekoppelten Leitung und eines Kondensators sind folgende:
gekoppelte Leitung:
Wellenwiderstand des geradzahligen Modus: Z_e = 121 Ω
Wellenwiderstand des ungeradzahligen Modus: Z_o = 21 Ω
Länge L₁ und L₂ einer gekoppelten Leitung: L₁ = 1,987 mm
Kurve (a):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 3,04
Kurve (b):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 4,22
Kurve (c):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 3,04
Kapazität des Kondensators 4: C = 0,03 pF
Aus 10(a) und 10(B) ist zu erkennen, daß die Kurve (b), wo eine Phasengeschwindigkeitsdifferenz in einer Symmetrierschaltung besteht, der Kurve (c) eingegengesetzt ist, wo eine Kapazität bereitgestellt wird, und diese Kurven (b) und (c) symmetrisch bezüglich der idealen Kurve (a) sind. Der Amplitudenfehler und der Phasendifferenzfehler einer Symmetrierschaltung wird daher durch die Gegenwart eines Kondensators zwischen einer gekoppelten Leitung und einem Erdleiter kompensiert, obwohl der Wellenwiderstand des geradzahligen Modus und Verlust einer gekoppelten Leitung die gleiche wie die in einem Stand der Technik sind.
Wie oben beschrieben weist das dritte Beispiel, das einen Kondensator 4 zwischen einer Verbindungsstelle B der unteren Leiter der gekoppelten Leitung 1 und 2 und einem Erdleiter aufweist, einen ähnlichen Effekt wie der der ersten Ausführungsform auf, und wenn ein Eingangssignal an einen Eingansanschluß P₁ angelegt wird, wird ein Paar Ausgaben mit der gleichen Amplitude und entgegengesetzten Phase zueinander an den Ausgangsanschluß P₂ und P₃ erhalten.
Die Funktionsweise des dritten Beispiels wird nunmehr gemäß den 11 und 12 beschrieben.
11 zeigt die berechnete Kurve zwischen der normierten Bandbreite Δf/f₀ und der Kapazität C (pF) des Kondensators 4, wo die Betriebs-Mittenfrequenz der Symmetrierschaltung 20 GHz beträgt.
In der 11 beträgt die normierte Bandbreite in einem Stand der Technik rund 0,65 wie durch einen weißen Punkt in der 11 gezeigt. Andererseits ist die normierte Bandbreite der vorliegenden Erfindung mit einem Kondensator 1,8 mal so groß wie die eines Standes der Technik wie durch die durch den Rahmen eineschlossene Kurve dargestellt.
12 zeigt die Kurven der Frequenzkennlinien des Phasendifferenzfehlers und der Amplitudendifferenz, wenn die Kapazität C auf C = 0,03 pF festgelegt ist, wo angenommen wird, daß die Phasengeschwindigkeit des geradzahligen Modus höher als die des ungeradzahligen Modus ist. In der 12 zeigen die dünnen Kurven a₁ und a₂ Phasendifferenzfehler bzw. Amplitudendifferenz eines Standes der Technik ohne Kondensator, und die dicken Kurven b₁ und b₂ zeigen den Phasendifferenzfehler bzw. die Amplitudendifferenz der vorliegenden Erfindung mit einem Kondensator. In der 12 ist zu beachten, daß die Frequenzkennlinien des Phasendifferenzfehlers (b₁) und der Amplitudendifferenz (b₂) klein werden und im Vergleich mit denen (a₁ und a₂) eines Standes der Technik verbessert sind. Dementsprechend ist zu bemerken, daß die Gegenwart eines Kondensators die Amplitudendifferenz- und den Phasendifferenzfehler im Betriebsband verringert und damit die Betriebsbandbreite erhöht.
Die Länge der gekoppelten Leitungen kann kürzer als eine Viertelwellenlänge sein (Mittenfrequenz einer Symmetrierschaltung wird höher als der gewünschte Wert gesetzt), in diesem Fall tritt keine Verschlechterung des Betriebs-Frequenzbandes einer Symmetrierschaltung ein und kein Amplitudendifferenzfehler und kein Phasendifferenzfehler nimmt zu. Die Länge der gekoppelten Leitungen kann daher verkürzt werden, und es wird eine Symmetrierschaltung kleiner Größe erhalten.
Das beschriebene dritte Beispiel zeigt einen mehrschichtigen dreidimensionalen MMIC-Aufbau. Dem Fachmann sind natürlich einige Abänderungen möglich, beispielsweise ist statt einer dreidimensionalen MMIC eine mikrostreifenartige MMIC möglich, und/oder statt eines linearen Typs ist eine versetzte oder runtergekoppelte Leitung in Meanderform und der Spiralform möglich.
(Viertes Beispiel)
13 zeigt ein viertes Beispiel einer Symmetrierschaltung, das zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Die Ersatzschaltung der 13 ist die gleiche wie 9. Das Merkmal der Ausführungsform der 13 besteht darin, daß eine Symmetrierschaltung aus einer koplanaren Schaltung statt einer dreidimensionalen MMIC besteht. In der 13 entsprechen die Symbole A-D, A'-D', Anschlüsse P₁-P₃ denen in der 9.
In der 13 ist die Ziffer 11 ein Halbleitersubstrat, auf dem ein Erdleiter 10 angebracht ist. Ein Paar Leitungen, die eine erste gekoppelte Leitung 1 bilden, ein weiteres Paar Leitungen, die eine zweite gekoppelte Leitung 2 bilden, sind durch Schlitzbildung oder Entfernen eines Teils des Erdleiters 10 bereitgestellt, so daß diese gekoppelten Leitungen 1 und 2 an der Verbindungsstelle A'(=B) parallel liegen, aber versetzt sind. In dem Substrat 11 ist ein Kondensator 4 vorgesehen. Der Kondensator 4 weist ein Paar Elektroden mit einer dazwischenliegenden dielektrischen Schicht auf. Die Verbindungsstelle A'(=B) von zwei gekoppelten Leitungen ist durch den Kondensator 4 am Erdleiter 10 geerdet.
Der Aufbau der 13 weist einen gleichartigen Vorteil wie der des Beispiels der 9 auf und stellt die verbesserte Amplitudendifferenz und den verbesserten Phasendifferenzfehler bereit und erhöht damit die Betriebsbandbreite. Weiterhin tritt, selbst wenn die Länge der gekoppelten Leitungen kürzer als eine Viertelwellenlänge ist und die Betriebs-Mittenfrequenz höher als die gewünschte Mittenfrequenz ist, keine Verschlechterung des Betriebsfrequenzbandes einer Symmetrierschaltung ein, und die Länge gekoppelter Leitungen kann daher verkürzt werden, und es wird eine Symmetrierschaltung kleiner Größe erhalten.
Natürlich ist statt einer linearen Leitung eine meandferförmige oder spiralförmige gekoppelte Leitung möglich.
(Erste Ausführungsform)
14 zeigt eine vergrößerte perspektivische Ansicht der ersten Ausführungsform einer Symmetrierschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, und 15 zeigt eine Ersatzschaltung der 14. Diese Ausführungsform betrifft eine Symmetrierschaltung mit einem dreidimensionalen MMIC-Aufbau. Die Symbole A-D, A'-D' und P₁-P₃ entsprechen vorherigen Ausführungsformen.
In den 14 und 15 ist die Ziffer 11 ein Halbleitersubstrat, auf dem ein Erdleiter angebracht ist. Eine erste dielektrische Schicht 12 ist am Erdleiter 10 angebracht. Auf der ersten dielektrischen Schicht 12 sind untere Leiter einer ersten gekoppelten Leitung 31, eine dritte gekoppelte Leitung 33, eine zweite gekoppelte Leitung 32, eine vierte gekoppelte Leitung 34 vorgesehen. Ein Eingangsanschluß P₁ ist an ein äußerstes Ende A des unteren Leiters der ersten gekoppelten Leitung 31 angekoppelt.
Das Symbol B zeigt eine Verbindungsstelle der unteren Leiter der ersten gekoppelten Leitung 31 und der dritten gekoppelten Leitung 33. Das Symbol B' zeigt eine Verbindungsstelle der unteren Leiter der zweiten gekoppelten Leitung 32 und der vierten gekoppelten Leitung 34. Das Symbol F zeigt die Verbindungsstelle der unteren Leiter der dritten gekoppelten Leitung 33 und der zweiten gekoppelten Leitung 32.
Die Summe (L₁₁ + L₁₂) der Länge L₁₁ der ersten gekoppelten Leitung 31 und der Länge L₁₂ der dritten gekoppelten Leitung 33, und die Summe (L₂₁ + L₂₂) der Länge L₂₁ der zweiten gekoppelten Leitung 32 und der Länge der vierten gekoppelten Leitung L₃₄ sind Viertelwellenlänge. Die Verbindungsstelle F entspricht der Verbindungsstelle B oder A' der 23.
Eine zweite dielektrische Schicht 13 ist an der ersten dielektrischen Schicht 12 angebracht, die über den unteren Leitern liegt. Auf der zweiten dielektrischen Schicht 13 sind der obere Leiter der ersten gekoppelten Leitung 31, die erste Übertragungsleitung 35 der Länge L₃₁, der obere Leiter der dritten gekoppelten Leitung 33 der obere Leiter der zweiten gekoppelten Leitung 32, die zweite Übertragungsleitung 36 der Länge L₃₁ und der obere Leiter der vierten gekoppelten Leitung 34 abgelagert. Ein Ende G der dritten gekoppelten Leitung 33 ist durch den auf der zweiten dielektrischen Schicht 13 abgelagerten Anschlußleiter an den Ausgangsanschluß P₂ angekoppelt, und ein Ende C' der zweiten gekoppelten Leitung 32 ist durch den auf der zweiten dielektrischen Schicht 13 abgelagerten Anschlußleiter an den Ausgangsanschluß P₃ angekoppelt. Ein Ende C des oberen Leiters der ersten gekoppelten Leitung 31 und ein Ende G' des oberen Leiters der vierten gekoppelten Leitung 34 sind geerdet.
Das Symbol D ist eine Verbindungsstelle des oberen Leiters der ersten gekoppelten Leitung 31 und ein Ende der ersten Übertragungsleitung 35, und das Symbol E ist eine Verbindungsstelle des anderen Endes der ersten Übertragungsleitung 35 und des oberen Leiters der dritten gekoppelten Leitung 33. Das Symbol D' ist eine Verbindungsstelle des oberen Leiters der zweiten gekoppelten Leitung 32 und eines Endes der zweiten Übertragungsleitung 36, und das Symbol E' ist eine Verbindungsstelle des anderen Endes der zweiten Übertragungsleitung 36 und der vierten gekoppelten Leitung 34.
Es ist zu beachten, daß die erste Ausführungsform der 14 und 15 das Merkmal aufweist, daß die Übertragungsleitungen 35 und 36, die nicht Teil einer gekoppelten Leitung sind, in gekoppelte Leitungen zwischen den Kopplungsenden (G, C'), die an die Ausgangsanschlüsse (P₂, P₃) angekoppelt sind, und den Abtrennungsenden (C, G'), die geerdet sind, eingefügt sind.
16 zeigt Kurven zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Symmetrierschaltung der 14 und 15. 16(A) zeigt berechnete Amplitudenkennlinien, und 16(B) zeigt berechnete Phasenkennlinien. In diesen Zeichnungen zeigt die Kurve (a) einen Idealfall, bei dem keine Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden besteht, Kurve (b) zeigt einen Fall, bei dem Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden besteht, und Kurve (c) zeigt einen Fall, bei dem Übertragungsleitungen 35 und 36 in die ideale Symmetrierschaltung der Kurve (a) eingefügt werden.
Die Parameter in der 16 sind folgende:
gekoppelte Leitung:
Wellenwiderstand des geradzahligen Modus: Z_e = 121 Ω
Wellenwiderstand des ungeradzahligen Modus: Z_o = 21 Ω
Länge L₁ (=L₁₁ + L₁₂ = L₂₁ + L₂₂): L₁ = 1,987 mm
Kurve (a):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 3,04
Kurve (b):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 4,22
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 3,04
Kurve (c):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 3,04
Länge L₃₁ für eingefügte Übertragungsleitung: L₃₁ = 0, 33 mm
Aus 16 ist zu erkennen, daß die Kurve (b), wo eine Phasengeschwindigkeitsdifferenz besteht, der Kurve (c) entgegengesetzt ist, wo Übertragungsleitungen an eine Symmetrierschaltung angekoppelt sind, und die Kurven (b) und (c) bezüglich der idealen Kurve (a) symmetrisch sind. Der Amplitudenfehler und der Phasendifferenzfehler einer Symmetrierschaltung wird daher durch Anbringen von Übertragungsleitungen 35 und 36 zwischen gekoppelten Leitungen kompensiert, obwohl Wellenwiderstand des geradzahligen Modus und Verlust gekoppelter Leitungen die gleichen wie die eines Standes der Technik sind.
Nunmehr wird die Funktionsweise der Symmetrierschaltung der 14 und 15 gemäß der 17 beschrieben.
17 zeigt die Kurven der Frequenzkennlinien des Phasendifferenzfehlers und der Amplitudendifferenz, wenn die Länge L₃₁ der Übertragungsleitung L₃₁ = 0,33 mm beträgt und die Länge (=L₁₁ + L₁₂ = L₂₁ + L₂₂) der gekoppelten Leitung 0,75 × (Viertelwellenlänge) beträgt. Die dicken Linien b₁ und b₂ zeigen die Kennlinien der vorliegenden Erfindung, und die dünnen Linien a₁ und a₂ zeigen die Kennlinien eines Standes der Technik.
Es wird angenommen, daß die Phasengeschwindigkeit des geradzahligen Modus geringer als die des ungeradzahligen Modus ist. Nach der Darstellung in 17 wird der Amplitudenfehler und der Phasendifferenzfehler durch die vorliegende Erfindung verringert. Da weiterhin die Länge der gekoppelten Leitung größer als eine Viertelwellenlänge ist, ist eine gekoppelte Leitung oder eine Symmetrierschaltung selbst größenmäßig klein.
Obwohl die erste Ausführungsform eine auf einem MMIC-Aufbau erzeugte Schaltung zeigt, ist es möglich, eine Schaltung durch Verwendung eines Mikrostreifenleitungsaufbaus zu erzeugen. Weiterhin ist die Verwendung einer meanderförmigen Leitung oder einer spiralförmigen Leitung anstatt einer linearen Leitung bei der Verringerung einer Schaltung nützlich.
(Zweite Ausführungsform)
18 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Symmetrierschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ersatzschaltung der 18 ist die gleiche wie 15. Das Merkmal der Ausführungsform der 18 besteht darin, daß eine Symmetrierschaltung durch Verwendung einer koplanaren Schaltung erzeugt wird. In der 18 entsprechen die Symbole A-D, A'-D' und die Anschlüsse P₁-P₃ denen in der 15.
In der 18 ist die Ziffer 11 ein Halbleitersubstrat, auf dem ein Erdleiter 10 angebracht ist. Eine erste gekoppelte Leitung 31, eine dritte gekoppelte Leitung 33, eine zweite gekoppelte Leitung 32, eine vierte gekoppelte Leitung 34, eine erste Übertragungsleitung 35 und eine zweite Übertragungsleitung 36 sind wie in der Figur gezeigt durch Schlitzbildung oder Entfernen eines Teils aus dem Erdleiter vorgesehen. Eine von einer Übertragungsleitung umgebene Insel wirkt als Teil eines Erdleiters und ist über eine Luftbrücke 39 an den Erdleiter 10 angekoppelt.
Die Ausführungsform der 18 weist einen gleichartigen Vorteil wie der der vorherigen Ausführungsform auf. Zur weiteren Größenverringerung an eine gekoppelte Leitung statt eine lineare Leitung meanderförmig oder spiralförmig sein.
(Dritte Ausführungsform)
19 zeigt eine Ersatzschaltung einer dritten Ausführungsform einer Symmetrierschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Merkmal der 19 besteht darin, daß die Übertragungsleitungen 35 und 36 in der 15 in der 19 durch die Induktoren 40 bzw. 41 ersetzt werden.
20 zeigt Kurven zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Symmetrierschaltung der 19. 20(A) zeigt berechnete Amplitudenkennlinien einer Symmetrierschaltung und 20(B) zeigt berechnete Phasenkennlinien einer Symmetrierschaltung. In diesen Zeichnungen zeigt die Kurve (a) einen Idealfall, wenn keine Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden in einer Symmetrierschaltung besteht, Kurve (b) zeigt einen Fall, wenn eine Phasengeschwindigkeitsdifferenz zwischen gerad- und ungeradzahligen Moden besteht, und Kurve (c) zeigt einen Fall, wenn Induktoren 40 und 41 in die ideale Symmetrierschaltung der Kurve (a) eingefügt werden.
Die Parameter in der 20 sind folgende:
gekoppelte Leitung:
Wellenwiderstand des geradzahligen Modus: Ze = 121 Ω
Wellenwiderstand des ungeradzahligen Modus: Z_o = 21 Ω
Länge L₁ einer gekoppelten Leitung: L₁ = 1,987 mm
Kurve (a):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 3,04
Kurve (b):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 4,22
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_e = 3,04
Kurve (c):
effektive Dielektrizitätskonstante des geradzahligen Modus: ε_e = 3,04
effektive Dielektrizitätskonstante des ungeradzahligen Modus: ε_o = 3,04
Induktivität der Induktoren 40, 41: L = 0,11 nH
Aus 20 ist zu erkennen, daß die Kurve (b), wo eine Phasengeschwindigkeitsdifferenz besteht, der Kurve (c) entgegengesetzt ist, wo Induktoren an gekoppelte Leitungen angekoppelt sind, und diese Kurven (b) und (c) bezüglich der idealen Kurve (a) symmetrisch sind. Der Amplitudenfehler und der Phasendifferenzfehler einer Symmetrierschaltung wird daher durch Anbringen von Induktoren kompensiert, obwohl der Wellenwiderstand des geradzahligen Modus und Verlust einer Symmetrierschaltung die gleichen wie die in einem Stand der Technik sind.
Nunmehr wird die Funktionsweise der Symmetrierschaltung der 19 gemäß der 21 beschrieben.
21 zeigt die Kurven der Frequenzkennlinien des Phasendifferenzfehlers und der Amplitudendifferenz, wenn die Induktivität der Induktoren 40 und 41 L₄₀ = L₄₁ = 0,11 nH beträgt und die Länge der gekoppelten Leitungen 0,75 × (Viertelwellenlänge) beträgt. Die dicken Linien b₁ und b₂ zeigen die Kennlinien der dritten Ausführungsform, und die dünnen Linien a₁ und a₂ zeigen die Kennlinien eines Standes der Technik ohne Induktoren.
In der 21 wird angenommen, daß die Phasengeschwindigkeit des geradzahligen Modus kleiner als die Phasengeschwindigkeit des ungeradzahligen Modus ist. In der 21 ist zu beachten, daß der Fehler des Amplitudenfehlers und des Phasendifferenzfehlers im Ausgangssignal in der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit denen in einem Stand der Technik verringert ist. Weiterhin ist zu bemerken, daß die 21 den Fall zeigt, daß die Länge der gekoppelten Leitungen kürzer als eine Viertelwellenlänge ist.
So ist zu erkennen, daß die dritte Ausführungsform der 19 Amplitudenfehler und Phasendifferenzfehler des Ausgangssignals verringert und Betriebsbandbreite erhöht.
Weiterhin ist zu beachten, daß, da die Länge der gekoppelten Leitungen kürzer als eine Viertelwellenlänge ist, eine Symmetrierschaltung größenmäßig klein sein kann.
19 zeigt nur eine Ersatzschaltung. Sie kann entweder durch Verwendung eines dreidimensionalen MMIC-Aufbaus oder einer mikrostreifenartigen MMIC implementiert werden. Weiterhin ist eine koplanare Leitung möglich. Weiterhin kann statt einer linearen Leitung eine meanderförmige Leitung und/oder eine spiralförmige Leitung zur weiteren Größenverringerung möglich sein.
(Vierte Ausführungsform)
22 zeigt ein Blockschaltbild eines symmetrischen Frequenzmischers, der eine Symmetrierschaltung benutzt, eine beliebige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sein kann.
In der 22 ist die Ziffer 20 eine Symmetrierschaltung, die eine beliebige der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sein kann, 21A und 21B sind ein Frequenzmischer, und 22 ist ein Wilkinson-Teiler. Die Symmetrierschaltung 20 weist einen Eingangsanschluß P₁ auf, der eine lokale Frequenz empfängt und stellt ein Paar Ausgaben mit der gleichen Amplitude und entgegengesetzten Phase zueinander für die Ausgangsgröße P₂ und P₃ bereit. Jeder der Frequenzmischer 21A und 21B empfängt die zugehörige lokale Frequenz und das ZF-Signal (Zwischenfrequenzsignal), so daß das ZF-Signal in Hochfrequenz frequenzgewandelt wird. Die Ausgaben der Frequenzmischer 21A und 21B werden an den Wilkinson-Teiler 22 angelegt, der die Ausgaben des Paars von Frequenzmischern 21A und 21B mit gleichphasigem Zustand kombiniert und ein Hochfrequenzsignal für einen HF-Ausgang bereitstellt.
Aufgrund der Verwendung eines Paars lokaler Frequenzen mit der gleichen Amplitude und entgegengesetzten Phase wird im frequenzgewandelten HF-Signal keine Streuung der lokalen Frequenz festgestellt. Der Frequenzmischer der 22 kann auf einer beliebigen der dreidimensionalen MMIC, Mikrostreifenleitungs-MMIC-Schaltung und koplanaren MMIC-Schaltung implementiert sein. Es ist zu beachten, daß die Verwendung der vorliegenden Symmetrierschaltung im Vergleich mit einem Stand der Technik die Verringerung der Einstreuung der lokalen Frequenz, eine kleine Größe einer Vorrichtung und ein breites Band von Betriebsfrequenz erlaubt.
Wie ausführlich beschrieben weist die gegenwärtige Symmetrierschaltung, die auf einem Halbleitersubstrat aus GaAs oder Si implementiert ist und eine Übertragungsleitung oder einen Induktor in gekoppelten Leitungen aufweist, den Vorteil auf, daß der Amplitudenfehler und der Phasendifferenzfehler zwischen zwei Ausgängen im Vergleich mit denen eines Standes der Technik verringert sind, obwohl der Wellenwiderstand des geradzahligen Modus und der Verlust der gleiche wie in einem Stand der Technik sind.
Weiterhin ist zu beachten, daß die Phasendifferenz zwischen zwei Ausgängen einer Symmetrierschaltung durch Einstellen von Übertragungsleitung, Kapazität oder Induktivität, die in gekoppelte Leitungen eingefügt ist, fein eingestellt werden kann und damit die Phasensymmetrie im Breitband aufrechterhalten bleibt. Da weiterhin die vorliegende Erfindung einfach im Aufbau ist, ist keine in der Digitalstruktur einer gekoppelten Leitung notwendig, und die Dicke eines Substrats ist dünn und die Größe der vorliegenden Symmetrierschaltung ist klein.

Claims

Symmetrierschaltung mit einem Eingangsanschluß und einem Paar Ausgangsanschlüsse, die Ausgangssignale mit der gleichen Amplitude und zueinander entgegengesetzter Phase bezüglich eines in den Eingangsanschluß eingegebenen Eingangssignals aufweisen, mit folgendem: einer ersten Signalleitung und zweiten Signalleitung, die erste gekoppelte Leitungen bilden, einer dritten Signalleitung und vierten Signalleitung, die zweite gekoppelte Leitungen bilden, einer fünften Signalleitung und sechsten Signalleitung, die dritte gekoppelte Leitungen bilden, einer siebenten Signalleitung und achten Signalleitung, die vierte gekoppelte Leitungen bilden, wobei die Summe der Länge der ersten gekoppelten Leitungen (L₁₁) und der Länge der dritten gekoppelten Leitungen (L₁₂) kürzer gleich einer Viertelwellenlänge, die Summe der Länge der zweiten gekoppelten Leitungen (L₂₁) und der Länge der vierten gekoppelten Leitungen (L₂₂) kürzer gleich einer Viertelwellenlänge ist, wobei jede der ersten Leitung, der dritten Leitung, der fünften Leitung und siebenten Leitung einen Durchgangsanschluß an einem Ende und einen als Bezugsanschluß am anderen Ende wirkenden Eingangsanschluß aufweist, jede der zweiten Leitung, der vierten Leitung, der sechsten Leitung und der achten Leitung einen gekoppelten Anschluß an einem Ende und einen Abtrennungsanschluß am anderen Ende aufweist; der Bezugsanschluß (B) der ersten gekoppelten Leitungen und der Durchgangsanschluß der dritten gekoppelten Leitungen verbunden sind; der Bezugsanschluß (F) der dritten gekoppelten Leitungen und der Bezugsanschluß der zweiten gekoppelten Leitungen verbunden sind; der Durchgangsanschluß (B') der zweiten gekoppelten Leitungen und der Bezugsanschluß der vierten gekoppelten Leitungen verbunden sind; der Abtrennungsanschluß (C) der ersten gekoppelten Leitungen geerdet ist und der Abtrennungsanschluß (G') der vierten gekoppelten Leitungen geerdet ist; der Durchgangsanschluß (F') der vierten gekoppelten Leitungen offen ist; der Durchgangsanschluß (A) der ersten gekoppelten Leitungen der Eingangsanschluß (P1) der Symmetrierschaltung ist; die gekoppelten Anschlüsse (G, C') der dritten bzw. zweiten gekoppelten Leitungen die Ausgangsanschlüsse (P₂, P₃) der Symmetrierschaltung sind; dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrierschaltung weiterhin ein erstes Löschungselement (35, 40) und ein zweites Löschungselement (36, 41) zum Kompensieren von Amplitudendifferenz- und Phasendifferenzfehler von Ausgangssignalen an den Ausgangsanschlüssen umfaßt, wobei das erste Löschungselement mit dem gekoppelten Anschluß (D) der ersten gekoppelten Leitungen an einem Ende und mit dem Abtrennungsanschluß (E) der dritten gekoppelten Leitungen am anderen Ende verbunden ist, wobei das zweite Löschungselement mit dem Abtrennungsanschluß (D') der zweiten gekoppelten Leitungen an einem Ende und mit dem gekoppelten Anschluß (E') der vierten gekoppelten Leitungen verbunden ist, wobei die ersten und zweiten Löschungselemente Übertragungsleitungen (L₃₁) oder Induktoren (L₄₀) sind.
Symmetrierschaltung nach Anspruch 1, wobei jede der Leitungen auf einer Mikrostreifenleitung mit einem Halbleitersubstrat, einem Erdleiter an einer Fläche des Substrats und einer Signalleitung an der anderen Fläche des Substrats erzeugt wird.
Symmetrierschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei jede der gekoppelten Leitungen auf einer koplanaren Leitung mit einem Halbleitersubstrat erzeugt wird, auf dessen einer Fläche ein Erdleiter und eine Signalleitung vorgesehen sind.
Symmetrierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der gekoppelten Leitungen auf mehrschichtigen dielektrischen Schichten erzeugt wird.
Symmetrierschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der gekoppelten Leitungen im Bereich zwischen einer Viertelwellenlänge und 0,65x einer Viertelwellenlänge liegt.
Symmetrischer Frequenzmischer mit einem Teiler zum Teilen einer lokalen Frequenz in ein Paar von Signalen mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phase, Frequenzwandlungsmitteln zum Umwandeln eines ZF-Signals in Hochfrequenz durch Verwendung von Ausgaben dieses Teilers, und einem Signalkombinierer zum Kombinieren von Ausgaben der Frequenzwandlungsmittel, wobei der Teiler eine Symmetrierschaltung nach einem der Ansprüche 1–5 ist.