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Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochfrequenz-Dämpfungsglied gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Dämpfungsglied ist aus dem Katalog "Microwave Components", (1971), Seiten 28-31 der Firma EMC Technology Inc. bereits bekannt.
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Das bekannte Dämpfungsglied ist als planare Schaltung in Dünnfilmtechnik auf einem Substrat aufgebracht.
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Die Schaltung enthält eine T-förmig ausgebildete Streifenleitung aus einem Widerstandsmaterial mit einem hohen spezifischen Widerstand, die auf der Oberseite des rechteckförmig ausgebildeten Substrats so plaziert ist, daß sie mit ihren drei das T bildende Teilstreifen bis zu den Kanten des Substrats reicht und dadurch auf der Oberseite des Substrats drei Teilbereiche entstehen, die nicht von der Streifenleitung bedeckt und durch diese voneinander getrennt sind. Diese drei Teilbereiche wiederum sind metallisiert und dienen als Anschluß- und Kontaktflächen. Dabei bilden die beiden an dem T-Längsbalken der Streifenleitung angrenzenden Kontaktflächen den Ein- und Ausgang des Dämpfungsgliedes. Die ausschließlich an dem T-Querbalken der Streifenleitung angrenzende Kontaktfläche dient als Anschlußpunkt für Bezugspotential (z.B. Masse). In einer Ausführungsform ist die Kontaktfläche über den Rand des Substrats mit der Grundmetallisierung auf der Rückseite des Substrats verbunden, die ihrerseits an Bezugspotential, z.B. Masse angeschlossen ist.
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Im elektrischen Ersatzschaltbild kann dieses Dämpfungsglied als ein T-förmig verschaltetes Widerstandsnetzwerk dargestellt werden, bei dem der Eingang und der Ausgang des Dämpfungsgliedes über zwei in Reihe geschaltete Widerstände miteinander verbunden sind und der Mittelpunkt dieser Reihenschaltung über einen dritten Widerstand an Masse angeschlossen ist.
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Bei Dämpfungsgliedern dieser Art wird der gewünschte Dämpfungswert durch entsprechende Dimensionierung des Widerstandswerts der Widerstands-Streifenleitung eingestellt. Dabei sollte der Widerstand der Streifenleitung möglichst rein ohmsch sein, um einen möglichst frequenzunabhängigen Dämpfungswert zu erhalten und um (unerwünschte) Phasenverschiebungen des zu dämpfenden HF-Signals möglichst zu vermeiden.
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Der gewünschte Dämpfungswert kann beispielsweise zunächst grob durch die geometrische Ausgestaltung der T-förmigen Streifenleitung aus Widerstandsmaterial, also durch die Vorgabe der Länge, Breite und Dicke der drei Arme der Streifenleitung eingestellt werden. Anschließend kann ein Feinabgleich erfolgen, indem z.B. mit Hilfe eines feinen Sandstrahls oder durch einen Ätzprozeß die Streifenleitungsschicht an bestimmten Stellen abgetragen wird.
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In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß Dämpfungsglieder dieser Art für Hochfrequenzanwendungen, insbesondere für Anwendungen im Mikrowellenbereich zumindest dann nicht geeignet ist, wenn es dort auf hohe Genauigkeit in den elektrischen Kenndaten des Dämpfungsglieds ankommt. Zum einen lassen sich die Dämpfungswerte nicht mit der für diesen Frequenzbereich erforderlichen Genauigkeit reproduzierbar einstellen, zum anderen zeigen die Dämpfungsglieder in der Regel eine unerwünscht hohe Frequenzabhängigkeit in ihren Dämpfungswerten bzw. werden durch diese Dämpfungsglieder Phasenverschiebungen des zu dämpfenden Signals hervorgerufen, die häufig die durch die jeweilige Anwendung vorgegebenen Grenzwerte überschreiten. So werden in dem eingangs zitierten Katalog der Firma EMC Technology Inc. die Genauigkeit der Dämpfungswerte der dort beschriebenen Dämpfungsglieder mit 0,5 dB bzw. 5 % angegeben (wobei der jeweils kleinere Wert gilt) und das Stehwellenverhältnis (VSWR) mit 1,30 für Frequenzen bis 1 GHz.
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Die mangelnde Reproduzierbarkeit der Dämpfungswerte wird vor allem dadurch verursacht, daß ein separater Feinabgleich der einzelnen Teilstreifen des Widerstandsnetzwerks des Dämpfungsglieds nicht möglich ist, da immer nur das Netzwerk in seiner Gesamtwert abgeglichen werden kann.
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Die unerwünscht hohe Frequenzabhängigkeit des eingestellten Dämpfungswerts bzw. die unerwünscht hohen Phasenverschiebungen des zu dämpfenden HF-Signals werden vor allen dadurch verursacht, daß infolge der für HF-Anwendungen großen geometrischen Abmessungen der Schaltung HF-mäßig nicht mehr zu vernachlässigende Streuinduktivitäten und -kapazitäten auftreten, die dazu führen, daß der Widerstand des Widerstandsnetzwerks nicht mehr rein ohmsch ist und sich (in Vergleich zu einer einfachen Streifenleitung gleicher Länge) dadurch die (unerwünschte) Frequenzabhängigkeit der Dämpfungswerte bzw. zusätzliche Phasenverschiebungen des zu dämpfenden HF-Signals ergeben.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Dämpfungsglied der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch für solche HF-Anwendungen, insbesondere für Anwendungen im Mikrowellenbereich geeignet ist, bei denen es auf eine möglichst präzise Einhaltung der elektrischen Kenndaten ankommt. Insbesondere soll der Dämpfungswert dieses zu schaffenden Dämpfungsglieds mit einer möglichst großen Genauigkeit reproduzierbar eingestellt werden können und in seinem Wert möglichst frequenzunabhängig sein.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Teile des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein Hochfrequenz-Dämpfungsglied in Form einer planaren Dünnfilm-Schaltung auf einem Substrat, bei der eine Streifenleitung aus einem Widerstandsmaterial mit einem hohen spezifischen Widerstandswert auf der Oberseite des Substrats angeordnet ist, die aus mindestens drei Teilstreifen besteht, die alle an dem einen ihrer beiden Enden in einem für alle Teilstreifen gemeinsamen Mittelbereich miteinander verbunden sind, welche Streifenleitung über ihre Teilstreifen an den Ein- und Ausgang des Dämpfungsglieds sowie an Bezugspotential, z.B. Masse angeschlossen ist, wird nach der Erfindung dadurch verbessert, daß der die mindestens drei Teilstreifen der Streifenleitung miteinander verbindende Mittelbereich der Streifenleitung durch eine erste Kontaktfläche aus elektrisch gut leitendem Material mit einem niedrigen spezifischen Widerstandswert vorzugsweise vollständig abgedeckt ist.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Dämpfungsglieds wird z.B. einer der mindestens drei Teilstreifen mit seinem freien Ende an den Eingang des Dämpfungsglieds angeschlossen, ein anderer wird mit seinem freien Ende an den Ausgang des Dämpfungsglieds angeschlossen; der (oder die) verbleibende(n) Teilstreifen wird (werden) mit seinem (ihrem) freien Ende an Bezugspotential (Masse) angeschlossen.
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Durch die erste Kontaktfläche, die die mindestens drei Teilstreifen der Streifenleitung im Mittelbereich der Leitung vollständig abdeckt, wird dem Ersatzschaltbild mit drei voneinander separierten Widerständen (zwei in Reihe geschaltete Widerstände, deren Mittelpunkt über einen weiteren Widerstand mit Masse verbunden ist) weitgehend entsprochen, so daß der Feinabgleich der einzelnen Teilstreifen (d.h. der Abgleich der einzelnen Widerstände im Ersatzschaltbild) unabhängig von den jeweils anderen Teilstreifen (Widerständen) durchgeführt werden kann. Diese Maßnahme schafft die Grundlage dafür, daß der erwünschte Dämpfungswert des Dämpfungsglieds mit hoher Genauigkeit (d.h. mit nur geringen Toleranzen) reproduzierbar eingestellt werden kann, was insbesondere für die Serienfertigung solcher Dämpfungsglieder besonders wichtig ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Dämpfungsglieds ist vorgesehen, daß drei Teilstreifen vorgesehen sind, daß diese drei Teilstreifen auf den Substrat in Form eines T oder eines Y miteinander verbunden sind, daß der erste Teilstreifen mit seinen freien Ende an den Eingang des Dämpfungsglieds, der zweite Teilstreifen mit seinem freien Ende an den Ausgang des Dämpfungsglieds und der dritte Teilstreifen mit seinem freien Ende an eine an Bezugspotential, z.B. Masse angeschlossene zweite Kontaktfläche auf der Oberseite des Substrats angeschlossen ist und daß die zweite Kontaktfläche aus elektrisch gut leitenden Material mit einem niedrigen spezifischen Widerstandswert besteht.
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Bei diesem Dämfungsglied kann der Abgleich der einzelnen Teilstreifen und damit der Abgleich des gesamten Widerstandsnetzwerks besonders einfach durchgeführt werden, da insgesamt nur drei Teilstreifen abzugleichen sind. Außerdem ist mit dieser Lösung ein besonders kompakter Aufbau (kurze Leitungsträger) möglich, wodurch der Einfluß von störenden Streukapazitäten und -induktivitäten erheblich vermindert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Substrat auf der der planaren Schaltung gegenüberliegenden Unterseite eine Grundmetallisierung aufweist und daß die Grundmetallisierung auf die Oberseite des Substrats geführt ist und dort mit der zweiten Kontaktfläche verbunden ist, die das freie Ende des dritten Teilstreifens der Streifenleitung abdeckt. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Grundmetallisierung über ein (vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des freien Endes des dritten Teilstreifens befindliches) Loch in dem Substrat auf die Oberseite des Substrats geführt ist und dort die zweite Kontaktfläche vorzugsweise in Form eines den Rand des Loches (vorzugsweise vollständig) abdeckenden Kragens ausgebildet ist.
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Mit dieser Maßnahne ist es möglich, den Anschlußpunkt für das Bezugspotential (Masse) möglichst nahe an der Widerstandsstreifenleitung anzuordnen, so daß die planare Schaltung in noch kompakterer Form, d.h. mit noch kürzeren Leitungslängen realisiert werden kann. Dementsprechend können hier die Streuinduktivitäten und -kapazitäten in ihren Werten noch weiter verringert werden (in der Regel auf vernachlässigbar geringe Werte) mit der Folge, daß dadurch das Stehwellenverhältnis (VSWR) für den vorgesehenen Betriebsfrequenzbereich des Dämpfungsglieds wesentlich verbessert werden kann.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der FIG. 1 näher erläutert. Die Figur zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen HF-Dämpfungsglieds, bei dem eine in an sich bekannter Dünnfilmtechnik hergestellte planare Schaltung 1-10 auf der Oberseite eines Keramiksubstrats 11 (z.B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃)) angeordnet ist, dessen Unterseite mit einer Grundmetallisierung 12 versehen ist.
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Die Schaltung weist eine T-förmig ausgebildete Streifenleitung 4-6 aus einem Widerstandsmaterial mit einem hohen spezifischen Widerstand auf (z.B. Nickel-Chrom (NiCr)), deren Mittelbereich, an den die drei Teilstreifen 4, 5, 6 der Streifenleitung 4-6 sich vereinigen, mit einer ersten Kontaktfläche 3 vollständig abgedeckt ist, die aus einem Material besteht, das einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweist (z.B. ein metallischer Leiter wie Gold (Au), Silber (Ag), Platin (Pt) oder Kupfer (Cu)). Ferner ist diese Widerstands-Streifenleitung 4-6 an dem freien Ende ihres ersten Teilstreifens 4 an eine Streifenleitung 1 angeschlossen, die den Eingang des Dämpfungsglieds darstellt, und an dem freien Ende ihres zweiten Teilstreifens 5 an eine weitere Streifenleitung 2, die den Ausgang des Dämpfungsglieds darstellt. An dem freien Ende ihres dritten Teilstreifens 6 ist diese Widerstands-Streifenleitung an eine zweite Kontaktfläche 7 angeschlossen, die ein Loch 8 in dem Keramiksubstrat 11 kragenförmig umgibt und die über den Rand des Loches 8 mit der Grundmetallisierung 12 auf der Unterseite des Keramiksubstrats 11 elektrisch leitend verbunden ist.
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Die Eingangs- und Ausgangs-Streifenleitung 1 und 2 sowie die zweite Kontaktfläche 7 bestehen aus einem Material, das ebenfalls einen niedrigen spezifischen Widerstand hat (z.B. die erwähnten metallischen Leiter wie Au, Ag, Pt oder Cu). Zweckmäßigerweise wird als Material für die Streifenleitungen 1 und 2 sowie für die ersten und zweite Kontaktfläche 3 und 7 das gleiche Material verwendet wie für die Grundmetallisierung 12 des Keramiksubstrats 11, da hierdurch der Herstellungsprozeß der planaren Schaltung wesentlich vereinfacht werden kann.
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In der FIG. 1 sind die (elektrisch gut leitenden und vorzugsweise metallischen) Streifenleitungen (1 und 2) und Kontaktflächen (3 und 7) schwarz gezeichnet, während die freiliegenden Teile der drei Teilstreifen 4, 5, 6 der Streifenleitung 4-6 aus Widerstandsmaterial schraffiert gezeichnet sind. Zur Kompensation der noch vorhandenen Serieninduktivität sind die Enden der Eingangs- und Ausgangs-Streifenleitung 1 und 2 ferner mit senkrecht abgehenden Stichleitungen 9 und 10 versehen, die ebenfalls aus einem elektrisch gut leitenden Material (vorzugsweise dem selben wie die Streifenleitungen 1 und 2 selbst) bestehen und die als Parallel-Kapazitäten wirken, so daß je nach Länge und Formgebung dieser beiden Stichleitungen 9 und 10 die im Dämpfungsglied vorhandene Serieninduktivität mehr oder minder kompensiert werden kann, und dadurch ein noch besseres Stehwellenverhältnis (VSWR) über den Betriebsfrequenzbereich des Dämpfungsglieds erzielt werden kann. Herstellungsbedingt erstreckt sich, nebenbei bemerkt, die Streifenleitung aus Widerstandsmaterial auch auf diejenigen Teilbereiche der Substratoberseite, die durch die (metallischen) Eingangs- und Ausgangs-Streifenleitungen 1 und 2, die erste und zweite Kontaktfläche 3 und 7 sowie durch die beiden Stichleitungen 9 und 10 abgedeckt sind.
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Zum Abgleich des T-förmigen Widerstands-Streifenleitungsnetzwerks 4-6 können mit Hilfe der ersten Kontaktfläche 3 die einzelnen Teilstreifen 4-6 des Widerstandsnetzwerks separat abgeglichen werden (indem z.B. die Widerstandsschicht in der Breite und/oder Dicke verringert, d.h. abgetragen bzw. abgeätzt wird), so daß der gewünschte Dämpfungswert sehr genau und reproduzierbar eingestellt werden kann. Bei diesem Abgleich dienen die erste Kontaktfläche 3 sowie die Eingangs- und Ausgangs-Streifenleitungen 1 und 2 und die zweite Kontaktfläche 7 als Meßpunkte, mit deren Hilfe die Widerstandswerte der einzelnen Teilstreifen 4, 5, 6 für jeden Teilstreifen separat gemessen werden können. Da bei dem Abgleich nur die freiliegenden Widerstandsschichten der drei Teilstreifen 4, 5, 6 (in der Figur schraffiert) abgetragen werden, kann somit der Widerstandswert der einzelnen Teilstreifen nicht nur vor bzw. nach einem solchen Abtragungsprozess gemessen werden, sondern auch "on-line" während des Abtragungsprozesses. Dabei können die Widerstandswerte der einzelnen Teilstreifen nacheinander eingestellt und während der Einstellung gleichzeitig auch gemessen werden. Möglich ist jedoch auch, die Widerstandswerte von zwei oder allen drei Teilstreifen simultan einzustellen und (gleichzeitig) zu messen. Letzteres (d.h. der gleichzeitige Abgleich aller drei Widerstände) würde bedeuten, daß das gesamte Widerstand-Streifenleitungsnetzwerk 4-6 in einem einzigen Arbeitsgang definiert eingestellt und (gleichzeitig) vermessen werden kann.
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Die Schaltung eignet sich insbesondere für Anwendungen im Mikrowellenbereich und zeichnet sich selbst für Frequenzen von 20 GHz und mehr durch die sehr genaue Einstellbarkeit und (bei der Serienfertigung solcher Dämpfungsglieder) durch eine sehr gute Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften aus. So können die Widerstandwerte der drei Teilstreifen 4, 5, 6 der T-förmigen Widerstands-Streifenleitung 4-6 wie auch der Widerstands-Streifenleitung 4-6 selbst mit einer Genauigkeit von weniger als 1 % ohne weiteres eingestellt werden. Dementsprechend sind die Dämpfungswerte mit einer Genauigkeit von weniger als ± 0,1 dB reproduzierbar einstellbar. Die durch das Dämpfungsglied im Vergleich zu einer durchgehenden metallischen 50 Ω-Streifenleitung gleicher Länge verursachte zusätzliche Phasenverschiebung liegt selbst bei hohen Frequenzen um 20 GHz (oder höher) um mindestens einen Faktor 5 bis 10 niedriger als bei vergleichbaren bekannten Dämpfungsgliedern.
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Mit dem gleichen Substrat können Dämpfungsglieder mit unterschiedlich hohen Dämpfungswerten realisiert werden, wobei der Dynamikbereich der möglichen Dämpfungswerte Werte bis zu 20 dB und mehr erreichen kann.
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Der (jeweils) gewünschte Dämpfungswert kann beispielsweise zunächst grob durch die geometrische Ausgestaltung der Streifenleitung bzw. der Teilstreifen aus Widerstandsmaterial, also durch die Vorgabe der Länge, Breite und Dicke dieser Streifen eingestellt werden. Anschließend kann der Feinabgleich individuell für jeden einzelnen Teilstreifen erfolgen, indem z.B. mit Hilfe eines feinen Sandstrahls oder eines Laserstrahls die einzustellende Streifenleitungschicht an bestimmten Stellen abgetragen wird.
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Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern vielmehr auch auf andere übertragbar ist. So ist es z.B. möglich auf einem einzigen Keramiksubstrat mehrere Dämpfungsglieder anzuordnen, die elektrisch miteinander verbunden sein können (z.B. in Form einer Reihenschaltung) oder die unabhängig voneinander als separate Bauelemente mit eigenen Ein- und Ausgängen auf dem Substrat angeordnet sein können.
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Anstelle der genannten Materialien für die Widerstands-Streifenleitung (NiCr) bzw. für die Ein- und Ausgangs-Streifenleitung und die erste und zweite Kontaktfläche (Ag, Au, Pt, Cu) bzw. für das Keramiksubstrat (Al₂O₃) können selbstverständlich auch andere Materialien mit ähnlichen elektrischen/chemischen/mechanischen Eigenschaften eingesetzt werden: z.B. Tantalnitrid (TaN), Nickel-Chrom-Silizium (NiCrSi), Chrom-Silizium (CrSi) oder Tantaloxylnitrid für die Widerstands-Streifenleitung oder Legierungen aus Ag, Au, Pt bzw. Cu für die elektrisch gut leitenden Flächen oder Aluminiumnitrid (AlN) oder Quarz oder Silizium (Si) für das Substrat.
