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Die Erfindung betrifft einen koplanaren
Mikrowellenkoppler und insbesondere einen koplanaren, aktiven und
symmetrischen Mikrowellenkoppler, der in einen monolithischen integrierten
Schaltkreis eingebaut werden soll, der als MMIC (monolithic microwave
integrated circuit) bezeichnet wird.
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Die aktiven Mikrowellenkoppler des
Kombinator- oder Teiler-Typs, die in die in MMIC-Technologie ausgeführten monolithischen integrierten
Schaltkreise inkorporiert sind, wiesen den Nachteil auf, relativ
sperrig und bei der Integration sehr empfindlich zu sein.
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Eine erste Verbesserung wurde mit
den aktiven Kopplern erzielt, die mit der englischen Abkürzung LUFET
(Line-Unifeed Field-Effect-Transistors) bezeichnet werden, die Feldeffekttransistoren
FET in Gang setzen, deren Eingänge
mit uniplanaren Zusammenschaltungen vereinheitlicht werden. Solche Koppler
werden insbesondere im Dokument mit dem Titel "Divider and Combiner
Line-Unified FET's as basic circuit function modules" beschrieben,
das im September 1990 von T. TOKUMITSU & al auf den Seiten 1210–1226 in
Band 38, Nr. 9 des IEEE MTT veröffentlicht
wurde.
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Die Vereinheitlichung der Eingänge für die Transistoren
ermöglicht
die Nutzung der Schlitze, die durch die Metallbänder gebildet werden, aus denen die
Elektroden dieser Transistoren bestehen. Es ist daher möglich, die
Abmessungen und die Komplexität
der Ausführung
eines Kopplers zu reduzieren. Dies ermöglicht auch die Erhöhung der
Frequenzbandbreite der auf diese Weise ausgeführten monolithischen integrierten
Schaltkreise. Allerdings bleiben die erzielten elektrischen Leistungswerte
eingeschränkt,
insbesondere hinsichtlich der Einfügungsverstärkung. Außerdem ist es nicht immer möglich, einen
solchen Koppler direkt in einen symmetrischen vollständigeren
Schaltkreis und beispielsweise als Kombinator 180° in einen
symmetrischen Mischer zu integrieren, da ein solcher Kombinator
schwebende Eingänge
und Ausgänge
benötigt,
die auf die Erdung bezogen sind, was der beabsichtigte Koppler nicht gestattet.
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Die Erfindung schlägt daher
einen koplanaren, aktiven und symmetrischen Mikrowellenkoppler für einen
monolithischen integrierten Schaltkreis MMIC vor, enthaltend FET-Transistoren,
die mit metallischen Steuer-, Source- und Drain-Elektroden dotiert
sind, die in flache, koplanare Metallelemente integriert sind, die
so kombiniert sind, daß sie
die Eingänge
und Ausgänge
des Kopplers bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit dieser Eingänge von
einer Schaltung gebildet wird, die eine oder mehrere koplanare Bandleitungen
CPS und einen oder mehrere koplanare Wellenleiter CPW umfaßt, und
dadurch, daß sich
die Anzahl der Eingänge
von derjenigen der Ausgänge
unterscheidet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung enthält
der Koppler eine zentrale, gemeinsame, schwebende Elektrode, die
durch die Verwendung der koplanaren Bandleitungen CPS in der Eingangseinheit
erhalten wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Koppler
zwei Eingänge,
die sich aus zwei koplanaren Wellenleitern zusammensetzen, wobei
sie unter der Einwirkung von in entgegengesetzter Phase erregten
Signalen jeweils auf eine Hälfte
der Transistoren des Kopplers wirken, und einen Ausgang, der sich
aus einer koplanaren Bandleitung CPS zusammensetzt, die an ein T-Glied
angeschlossen ist, in dem die von den Transistoren stammenden Zwischensignale
wieder in Phase verbunden werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Koppler
des Teiler-Typs einen schwebenden Eingang, der durch Anfügen eines
CPS/CPW-Übergangs
erhalten wird.
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In einer Ausführungsform der Erfindung enthält der Koppler
des Kombinator-Typs einen schwebenden Eingang, der durch Anfügen einer
koplanaren Bandleitung CPS vor einem Eingangsübergang CPS/CPW erhalten wird.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung
enthält
der Koppler eine Anzahl von Transistoren, die über einen Eingang betrieben
werden, die gleich zwei oder einem Vielfachen von zwei ist, wobei
alle Transistoren entweder einen oder alternativ zwei Gitterfinger
enthalten, wodurch die elektrischen Leistungswerte hinsichtlich
der Einfügungsverstärkung verbessert
werden können.
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Die Erfindung betrifft schließlich die
monolithischen integrierten Schaltkreise, die mindestens eines der
oben genannten Merkmale aufweisen. Die Erfindung, ihre Merkmale
und ihre Vorteile werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit den im folgenden genannten Figuren erläutert.
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1 zeigt
ein typisches Schema von Hauptmaskenelementen für einen erfindungsgemäßen Kombinator.
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2 zeigt
ein typisches Schema von Hauptmaskenelementen für einen erfindungsgemäßen Teiler.
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3 zeigt
ein typisches Schema von Hauptmaskenelementen für eine erfindungsgemäße Kombinatorvariante.
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4 zeigt
ein typisches Schema von Hauptmaskenelementen für einen Kombinator nach 3, der mit Eingangs- und
Ausgangsleitungen eines Mischers dotiert ist.
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Wie oben bereits erwähnt betrifft
die Erfindung einen aktiven, symmetrischen und Mikrowellenkoppler
des koplanaren Typs, der insbesondere zur Integration in einen monolithischen
integrierten Schaltkreis MMIC vorgesehen ist. Ein bekanntes Beispiel
einer solchen Schaltung bezüglich
eines – LUFET-Kombinators
mit gemeinsamem Steuergitter ist in 5a des
weiter oben bereits zitierten Dokuments dargestellt. Auf diesen
Schaltkreis wird hier nur in dem Maße eingegangen, soweit er Gegenstand
der Erfindung ist. Der erfindungsgemäße aktive und symmetrische
Koppler des LUFET-Typs enthält
Eingangsleitungen des Typs koplanare Bandleitungen CPS (coplanar
strips), die mit koplanaren Wellenleitern CPW (coplanar
Waveguides) verbunden sind, insbesondere im Rahmen eines MMIC-Schaltkreises.
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Wie bekannt ist, enthält eine
CPS-Leitung zwei Metallbänder
mit der festgelegten Breite W, die durch einen Schlitz
mit der festgelegten Breite S getrennt sind, und sie funktioniert
praktisch nach einem Ausbreitungsmodus, der die Eigenschaften der
elektromagnetischen Transversal-Wellen TEM ausnutzt, im Gegensatz
zu einer klassischen Schlitzleitung, die nach einem Übertragungsmodus
funktioniert, der die Eigenschaften der elektrischen Transversal-Welle TE ausnutzt.
Ein Kompromiß wurde
hinsichtlich der Breite W verwirklicht, die größer sein
muß, damit
die Leitungsverluste minimal sind, und die im übrigen ausreichend gering sein
muß, um
die Risiken von Nicht-TEM-Störsignalphänomenen
zu beseitigen und um die Oberflächen
des monolithischen integrierten Schaltkreises auf ein Minimum zu
beschränken.
Dies wird insbesondere in dem Dokument mit dem Titel "CPS structure
potentialities for MMICs: a CPS/CPW transition and a bias network"
dargelegt, das 1998 von D. PRIETO & al auf den Seiten 111 bis 114 des IEEE
MIT-S Digest veröffentlicht
wurde.
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Parallel dazu kann die Breite Wm der CPW-Layouts
auf einen Wert reduziert werden, der kleiner als die Hälfte des
Abstands zwischen den Layouts ist, ohne daß die Ausbreitungsmerkmale
davon negativ beeinflußt
werden.
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Der aktive symmetrische Koppler 1,
der in 1 schematisch
dargestellt ist, ist beispielsweise auf einer Oberfläche von
330 × 240 μm2 ausgeführt. Dieser
Koppler ist ein Leistungskombinator 180°, er enthält FET-Transistoren. Dargestellt
sind nur die Eingangsmetallbänder
mit den Gitterelektroden G, den Drain-Elektroden D und
den Source-Elektroden S,
wobei sich diese Bänder
normalerweise über
den Transistoren befinden, denen sie in der den MMIC-Schaltkreis
bildenden Struktur zugeordnet sind.
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Der Koppler enthält vier FET-Transistoren mit
jeweils einem Gitterfinger 2 oder zwei FET-Transistoren mit
jeweils zwei Gitterfingern 2. Diese Transistoren sind hier
in bezog auf eine mittlere Längsachse
XX der schematisierten Maske symmetrisch angeordnet. Jeder Gitterfinger 2 ist
zwischen den Drain- und den Source-Elektroden positioniert, die
in die Metallbandelemente integriert sind, die hier mit den Bezugszeichen 3, 3' für die Drains
und 4, 4' oder 4'' für die Sources bezeichnet sind.
Die Vervielfachung der Anzahl der FET-Transistoren ermöglicht eine Leistungsverstärkung, wie
in 4 dargestellt.
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Für
den Koppler 1 sind zwei Eingänge vorgesehen, die jeweils
einen koplanaren Wellenleiter CPW zur Verbindung mit zwei der FET-Transistoren bilden.
Einer dieser Eingänge
setzt sich aus den Source-Elementen 4 und 4'' und
einem Gitterelement 5 zusammen, der andere setzt sich aus
den Source-Elementen 4 und 4' und einem Gitterelement 5 zusammen.
Das Source-Element 4 ist
beiden Leitern gemeinsam.
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Der Kombinator, der den Koppler 1 bildet, empfängt gleichzeitig
zwei Eingangssignale, die durch die zwei koplanaren Wellenleiter
in entgegengesetzter Phase erregt werden, deren Eingänge in 1 mit den Bezugszeichen
"–Sin"
und "+Sin" bezeichnet sind. Die Isolierung zwischen diesen
Eingängen
wird hier durch die aktiven Teile der FET-Transistoren sichergestellt.
Die Ausgangs-Zwischensignale werden jeweils zwischen den Elementen
erhalten, welche die Source- und Drain-Elektroden für die FET-Transistoren
bilden. Eine koplanare Ausgangs-Bandleitung wird aus den zwei Metallbändern gebildet,
die zu den Drain-Elektroden führen. Die
Zwischensignale werden über
eine T-förmige CPS-Verbindung
wieder in Phase rekombiniert.
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Die koplanare Ausgangs-Bandleitung
dieser Verbindung ermöglicht
eine Reduzierung des Streucharakters des gebildeten Schaltkreises.
Sie überträgt das erhaltene
Signal nach der Rekombination an den Ausgang Sout des Kombinators,
und sie ist hier auf die Erdung bezogen. Eine schematische Darstellung
des elektrischen Feldes zwischen Bändern wird durch die in 1 positionierten Pfeile
angegeben.
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Nach den per Simulation ausgeführten Bewertungen
wird eine Steigerung von mehr als +1 dB bei der Übertragung und von mehr als –20 dB bei
der umgekehrten Übertragung
zwischen einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal erzielt,
sowie eine Isolierung von weniger als –10 dB zwischen den zwei Eingangssignalen
in einem erweiterten Frequenzbereich, der sich bis zu 20 GHz erstreckt.
Desgleichen wird eine Leistungsverstärkung in einer Größenordnung
von +10 dB bei einer Frequenz von 11 GHz erzielt, wenn die Eingänge gleichzeitig
von zwei Signalen mit entgegengesetzter Phase erregt werden.
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Obwohl die in Verbindung mit 1 beschriebene Anordnung
für einen
Kombinator ausgelegt ist, versteht es sich, daß sie, nach einer Umwandlung
der zwei koplanaren Wellenleiter CPW mit schwebendem Eingang in
eine schwebende koplanare Bandleitung CPS, ebenfalls als Leistungsteiler eingesetzt
werden kann. Ein entsprechender Leistungsteiler ist in 2 in dem Fall dargestellt,
in dem die koplanare Ausgangs-Bandleitung des Kopplers mit dem Eingang
eines nicht dargestellten Mischers verbunden ist.
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Ein zusätzliches Metallbandelement 5'' ist
an die Bandelemente angefügt,
welche die Elemente 5 und 5'' am Eingang des Kopplers
verlängern,
um das zweite Erdungselement des koplanaren Eingangs-Wellenleiters CPW zu
bilden, mit dem der Koppler nun ausgestattet ist. Die zwei Elemente 5' und 5'' sind
dann über
eine Luftbrücke 6 verbunden, wobei
die zwei Source-Elemente 4', 4'' ebenfalls mit dem
Source-Element 4 über
Luftbrücken 6' verbunden
sind.
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Die Anwendung eines erfindungsgemäßen Kopplers
auf einen Leistungskombinator 180°,
der am Ausgang eines symmetrischen Mischgeräts positioniert ist, ist in 3 dargestellt. Der in 2 dargestellte Koppler wird
jetzt durch einen koplanaren Ausgangs-Wellenleiter CPW ergänzt und
wird von dem nicht dargestellten Mischer über eine koplanare Bandleitung CPS
betrieben, die durch die Verlängerung
der Elemente 5 und 5' erhalten wird. Ein ergänzendes
Metallbandelement 3'' wird an die Elemente 3 und 3' am
Kopplerausgang angefügt,
um ein zweites Erdungselement des koplanaren Ausgangs-Wellenleiters
CPW zu bilden, mit dem der Koppler jetzt ausgestattet ist. Die zwei
Elemente 3 und 3'' sind dann über eine Luftbrücke 6'' verbunden,
während die
zwei Source-Elemente 4', 4'' ebenfalls mit dem Source-Element 4 über Luftbrücken 6' verbunden sind.
Der erhaltene Leistungskombinator, der über einen koplanaren Erdungsausgangs-Wellenleiter
CPW verfügt,
ist daher mit zwei schwebenden differenzierenden Eingängen versehen.
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Die in 4 dargestellte
Ausführungsvariante
bezieht sich auf einen Koppler mit größerer Leistung, der, ausgehend
von dem in 1 dargestellten, durch
eine Verdoppelung erhalten wird, und der es ermöglicht, die elektrischen Leistungswerte
hinsichtlich der Steigerung und Linearität des Leistungsmerkmals zu
verbessern.
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Der Koppler enthält acht FET-Transistoren mit
jeweils einem Gitterfinger 12 oder 12' oder vier FET-Transistoren
mit jeweils 2 Gitterfingern. Diese Transistoren sind hier in bezug
auf die mittlere Längsachse
XX der schematisierten Maske symmetrisch angeordnet. Jeder Gitterfinger 12 ist
zwischen zwei Metallbandelementen positioniert, einem eines Drain-Elements 13 oder 13' und
einem eines Source-Elements 14, 14' oder 14.
Die Vervielfachung der Anzahl der FET-Transistoren ermöglicht eine
Leistungssteigerung, wie bereits angegeben.
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Am Koppler sind zwei Eingänge vorgesehen, die
jeweils einen koplanaren Wellenleiter CPW zur Verbindung
mit vier FET-Transistoren bilden. Einer setzt sich aus Source-Elementen 14 und 14'' und
einem Gitterelement 15 zusammen, der andere aus den Source-Elementen 14 und 14' und
einem Gitterelement 15'. Das Source-Element 14 ist
beiden Leitern gemeinsam. Die zwei Source-Elemente 14'' und 14' sind
am Source-Element 14 über
Luftbrücken 16 verbunden.
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Zwei in entgegengesetzter Phase erregte Eingangssignale
werden von den zwei koplanaren Wellenleitern übertragen, deren Eingänge mit
den Bezugszeichen "–Sin"
und "+Sin" bezeichnet sind.
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Jeder der koplanaren Wellenleiter CPW,
welche die Eingänge
des Kopplers bilden, ist in zwei koplanare, interne Bandleitungen
getrennt.
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Eine T-förmige CPS/CPW-Verbindung ist
im Koppler an jedem Eingang zwischen den Wellenleitern und den koplanaren
Eingangs-Bandleitungen zu den FET-Transistoren ausgeführt, um
die Übertragung
des empfangenen Signals über
den betreffenden Eingang zu diesen Transistoren zu ermöglichen. Diese
Transistoren sind entweder zwei der vier Transistoren mit jeweils
zwei Gitterfingern des Kopplers oder vier der acht Transistoren
mit jeweils einem Gitterfinger, je nach gewählter Option.
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Wie vorher werden die Ausgangs-Zwischensignale
jeweils zwischen den Elementen in bezug auf die Source- und Drain-Elektroden
der FET-Transistoren erhalten. Die jeweils erhaltenen Zwischensignale für jeden
Eingang werden über
koplanare Wellenleiter CPW und einen Eingangs-Übergang CPW/CPS übertragen.
Diese Zwischensignale werden an einer Tförmigen CPS-Verbindung wieder
in Phase rekombiniert. Das Ausgangssignal Sout wird an der koplanaren
Ausgangs-Bandleitung der Verbindung erhalten.
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Die Funktionsweise dieses Kombinators
entspricht derjenigen des unter Bezug auf 1 beschriebenen Kombinators. Zwei in
entgegengesetzter Phase erregte Eingangssignale "–Sin",
"+Sin" werden gleichzeitig jeweils an eine der zwei Gittereinheiten
angelegt. Die jeweiligen Werte der Verstärkung von Leistung und Sättigungsleistung
am Ausgang von 6,8 dB und 11,5 dBm bei 11 GHz können statt der 3,5 dB und 5,9
dBm bei dem in 1 dargestellten
Kombinator erzielt werden.