EP0683539A1 - Mikrowellenleitungsstruktur - Google Patents

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EP0683539A1
EP0683539A1 EP95105692A EP95105692A EP0683539A1 EP 0683539 A1 EP0683539 A1 EP 0683539A1 EP 95105692 A EP95105692 A EP 95105692A EP 95105692 A EP95105692 A EP 95105692A EP 0683539 A1 EP0683539 A1 EP 0683539A1
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EP
European Patent Office
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line
conductor
coplanar
conductor track
coplanar line
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Application number
EP95105692A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Dr. Dipl.-Ing. Bischof
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
ANT Nachrichtentechnik GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/02—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
    • H01P3/026—Coplanar striplines [CPS]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced with unbalanced lines or devices

Definitions

  • the present invention relates to a microwave line structure according to the preamble of claim 1.
  • planar lines are used for circuits in microwave technology, e.g. in the form of microstrip lines or coplanar lines.
  • microstrip lines consist of two planar lines applied on opposite sides of a substrate.
  • Coplanar lines have two or three lines running side by side on a substrate side.
  • a microwave line structure as set out in the introduction, can be found in German Patent 40 32 260.
  • a microstrip line is arranged between the two conductor tracks of a coplanar line.
  • balun In high-frequency technology, the transition from an asymmetrical line, for example a coaxial line, to a symmetrical line, for example a two-wire line, is accomplished by a balun, which has also entered the specialist literature under the name Balun.
  • the book Zinke, Brunswick shows examples of such symmetry elements: "Textbook of High Frequency Technology" Volume 1, page 104.
  • Integrated circuits so-called monolithically integrated microwave circuits MMIC, are increasingly being used in microwave technology.
  • the present invention was based on the object of specifying a microwave line structure of the type mentioned at the outset which makes it possible to produce a balancing circuit for monolithically integrated circuits in a planar form and to use it in a wide frequency range.
  • the microwave line structure according to the invention allows a symmetry transition of an asymmetrical line type, e.g. Microstrip line, coplanar line, to a symmetrical line type, e.g. Two-wire line, or on two asymmetrical lines with push-pull excitation or in reverse mode of operation, namely in monolithically integrable planar circuit technology.
  • a relatively large operating frequency bandwidth is made possible, with the solution of claim 2, on the other hand, a still significantly expanded bandwidth, for example from 5 to 75 GHz.
  • FIG. 3a shows an equivalent circuit diagram for the arrangement according to FIG. 3.
  • FIG. 1 shows a microstrip line which has a first conductor track 1 which is metallized on one side of a substrate.
  • Semiconductor materials such as gallium arsenide, indium phosphide or silicon, but also ceramic or quartz glass can preferably be used as substrates.
  • a second line 3 belonging to the microstrip line is led at a distance above the line 1 resting on the substrate.
  • the distance between the two lines 1 and 3 is held by posts 4 which protrude from the line 1 metallized on the substrate 2 and serve as supports for the line 3.
  • the posts 4 carrying the line 3 are lined up at suitable intervals, so that the space between the two lines 1 and 3 is mainly filled with air.
  • a 50-ohm microstrip line can be implemented, in which the line 3 guided over the posts 4 does not have to be dimensioned so narrow that sufficient couplings can still be achieved between this line and further lines metallized on the substrate.
  • the posts 4 consist of either a dielectric or a conductive material. In the latter case, it is necessary to isolate them from the metallized conductor track 1 on the substrate 2. As can be seen from the exemplary embodiment in FIG. 1, cutouts 5 are provided in the conductor track 1 for this case. Furthermore, a coplanar line extending to both sides of the microstrip line with the two conductor tracks 6 and 7, which are likewise metallized on the substrate 2, can be removed.
  • This spatially close arrangement creates a coupling between two different line types, namely the microstrip line and the coplanar line.
  • This coupled line arrangement is the basic component of the present balancing circuit.
  • the waveguide 1, 3 carries an electromagnetic wave, which is introduced at its asymmetrical input gate A (Fig. 2).
  • the two conductor tracks 6 and 7 of the coplanar line are connected to one another and to the first conductor of the microstrip line.
  • the length of the coplanar line is approximately 1/4 of the wavelength of the operating frequency. Since it is open at the other end, this is a short-circuited coplanar stub which forms an open circuit at ⁇ / 4 resonance at the other end, so that reverse currents on the first conductor 1 are prevented.
  • the first conductor 1 at gate B is thus free of mass. This means that a load can be connected to this symmetrical gate B without a mass, in particular also an earth-symmetrical two-wire line.
  • the reactance of the coplanar stub deteriorates the behavior of the arrangement outside the resonance frequency.
  • the reactance profile can be compensated for over a large frequency range by a further coplanar stub 9 according to FIG.
  • the conductor 1 is interrupted approximately in the middle and a symmetrical line gate B is led out at both ends. If the two earth-symmetrical conductors at gate B are connected directly with two unbalanced lines, two outputs with push-pull signals are obtained. The phase difference remains almost exactly 180 ° over a very, very wide frequency range.
  • the arrangements according to the invention can of course also be used reciprocally and can thus be used as a power divider or as a power adder.
  • the geometry of the waveguide 1, 3 can be dimensioned differently according to the requirement, so that an impedance transformation between the gates A and B also takes place.

Abstract

Mikrowellenleitungsstruktur, die eine auf einem Substrat aufgebrachte erste Leiterbahn und eine zweite Leiterbahn aufweist, die im Abstand über der ersten leiterbahn auf Pfosten gestützt verläuft, wobei auf dem Substrat außer der durch die erste und zweite Leiterbahn gebildeten Mikrostreifenleitung eine mit dieser gekoppelte Koplanarleitung angeordnet ist und die Mikrostreifenleitung zwischen den beiden Leiterbahnen der Koplanarleitung verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß an dem einen Ende der Koplanarleitung deren beiden Leiterbahnen miteinander und mit der ersten Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind, daß an dem anderen Ende der Koplanarleitung dieselbe offen ist, daß die Länge der Koplanarleitung etwa gleich einem Viertel der Wellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz ist und daß an die erste und zweite Leiterbahn an kurzgeschlossenen Ende (Tor A) der Koplanarleitung eine unsymmetrische Leitung und am offenen Ende (Tor B) der Koplanarleitung eine symmetrische Doppelleitung ankoppelbar ist. Vielseitig verwendbare Symmetrierschaltung in monolithisch integrierter Koplanarmikrowellentechnik für über 60 GHz. Anwendung in Mischern, Modulatoren, Verstärkern usw. der Richtfunkgeräte. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellenleitungsstruktur gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Für Schaltungen der Mikrowellentechnik werden bekannterweise planare Leitungen verwendet, z.B. in Gestalt von Mikrostreifenleitern oder koplanare Leitungen. Wie beispielsweise in dem Buch "Streifenleitungen" von Geschwinde und Krank, Winterische Verlagshandlung, 1960, Seiten 1 bis 4, beschrieben ist, bestehen Mikrostreifenleiter aus zwei auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats aufgebrachten planaren Leitungen. Koplanare Leitungen weisen zwei oder drei auf einer Substratseite nebeneinander verlaufende Leitungen auf. Eine Mikrowellenleitungsstruktur, wie sie einleitend dargelegt ist, kann man der Deutschen Patentschrift 40 32 260 entnehmen. Hier ist eine Mikrostreifenleitung zwischen den beiden Leiterbahnen einer Koplanarleitung angeordnet.
  • In der Hochfrequenztechnik wird der Übergang von einer unsymmetrischen Leitung, beispielsweise Koaxleitung, auf eine symmetrische Leitung, z.B. Zweidrahtleitung, durch ein Symmetrierglied bewerkstelligt, welches auch unter dem Namen Balun in die Fachliteratur eingegangen ist. Ausführungsbeispiele für solche Symmetrierglieder zeigt das Buch Zinke, Brunswick: "Lehrbuch der Hochfrequenztechnik" Band 1, Seite 104.
  • In der Mikrowellentechnik werden zunehmend integrierte Schaltkreise verwendet, sogenannte monolithisch integrierte Mikrowellen-Schaltkreise MMIC.
  • Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellenleitungsstruktur der eingangs genannten Art anzugeben, die es erlaubt, eine Symmetrierschaltung für monolithisch integrierte Schaltungen in planarer Form herzustellen und in einem breiten Frequenzbereich einzusetzen.
  • Diese Aufgabe wurde mit den Merkmalen des ersten bzw. des zweiten Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Mikrowellenleitungsstruktur erlaubt einen Symmetrierübergang von einem unsymmetrischen Leitungstyp, z.B. Mikrostreifenleitung, Koplanarleitung, auf einen symmetrischen Leitungstyp, z.B. Zweidrahtleitung, oder auf zwei unsymmetrische Leitungen mit Gegentaktanregung oder in umgekehrter Betriebsweise und zwar in monolithisch integrierbarer Planarschaltungstechnik. Mit der Lösung gemäß Anspruch 1 wird eine relativ große Betriebsfrequenz-Bandbreite ermöglicht, mit der Lösung des Anspruches 2 dagegen eine noch wesentlich erweiterte Bandbreite, beispielsweise von 5 bis 75 GHz.
  • Es folgt nun die Beschreibung anhand der Figuren.
    • Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Mikrostreifenleitung,
    • die Figur 2 bietet eine Draufsicht auf eine Anordnung gemäß Anspruch 1 und
    • die Figur 3 eine solche gemäß Anspruch 2.
  • In Figur 3a ist ein Ersatzschaltbild zur Anordnung gemäß Figur 3 dargestellt.
  • Der Figur 1 ist eine Mikrostreifenleitung zu entnehmen, welche eine erste Leiterbahn 1 aufweist, die auf einer Seite eines Substrats aufmetallisiert ist. Als Substrate können vorzugsweise Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid, Indiumphosphid oder Silizium, aber auch Keramik oder Quarzglas verwendet werden. Eine zweite zu der Mikrostreifenleitung gehörende Leitung 3 ist im Abstand über der auf dem Substrat aufliegenden Leitung 1 hinweggeführt. Den Abstand zwischen den beiden Leitungen 1 und 3 halten Pfosten 4, die aus der auf dem Substrat 2 metallisierten Leitung 1 herausragen und als Stützen für die Leitung 3 dienen. Die die Leitung 3 tragenden Pfosten 4 sind in geeigneten Abständen aneinandergereiht, so daß der Raum zwischen den beiden Leitungen 1 und 3 hauptsächlich mit Luft gefüllt ist. Unter diesen Umständen ist eine 50-Ohm-Mikrostreifenleitung realisierbar, bei der die über die Pfosten 4 geführte Leitung 3 nicht so schmal dimensioniert werden muß, so daß zwischen dieser Leitung und weiteren auf dem Substrat metallisierten Leitungen noch ausreichende Kopplungen zustandekommen können. Die Pfosten 4 bestehen entweder aus einem dielektrischen oder einem leitenden Material. Für den letzteren Fall ist es erforderlich, sie gegenüber der metallisierten Leiterbahn 1 auf dem Substrat 2 zu isolieren. Wie dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 zu entnehmen ist, sind für diesen Fall in der Leiterbahn 1 Aussparungen 5 vorgesehen. Weiterhin kann eine zu beiden Seiten der Mikrostreifenleitung sich erstreckende Koplanarleitung mit den beiden Leiterbahnen 6 und 7, die ebenfalls auf das Substrat 2 aufmetallisiert sind, entnommen werden. Durch diese räumlich nahe Anordnung entsteht eine Kopplung zwischen zwei verschiedenen Leitungstypen, nämlich der Mikrostreifenleitung und der Koplanarleitung. Diese gekoppelte Leitungsanordnung ist der Grundbestandteil der vorliegenden Symmetrierschaltung. Der Wellenleiter 1, 3 führt eine elektromagnetische Welle, die an seinem unsymmetrischen Eingang Tor A eingeführt wird (Fig. 2). An diesem Eingang Tor A sind die beiden Leiterbahnen 6 und 7 der Koplanarleitung miteinander und mit dem ersten Leiter der Mikrostreifenleitung verbunden. Die Länge der Koplanarleitung beträgt etwa 1/4 der Wellenlänge der Betriebsfrequenz. Da sie am anderen Ende offen ist, handelt es sich hier um eine kurzgeschlossene koplanare Stichleitung, welche bei λ/4-Resonanz am anderen Ende einen Leerlauf bildet, so daß Rückströme auf dem ersten Leiter 1 verhindert werden. Damit wird der erste Leiter 1 an Tor B massefrei.
    Das bedeutet, daß an diesem symmetrischen Tor B massefrei eine Last angeschlossen werden kann, insbesondere auch eine erdsymmetrische Zweidrahtleitung.
  • Die Reaktanz der Koplanarstichleitung verschlechtert das Verhalten der Anordnung außerhalb der Resonanzfrequenz. Durch eine weitere koplanare Stichleitung 9 gemäß Figur 3 kann der Reaktanzverlauf über einen großen Frequenzbereich kompensiert werden. Wie aus Figur 3 zu entnehmen ist, ist der Leiter 1 etwa in der Mitte unterbrochen und an seinen beiden Enden eine symmetrische Leitung Tor B herausgeführt. Werden die beiden erdsymmetischen Leiter am Tor B direkt mit zwei unsymmetrischen Leitungen verbunden, so erhält man zwei Ausgänge mit Gegentaktsignalen. Die Phasendifferenz bleibt dabei über einen sehr sehr weiten Frequenzbereich nahezu exakt 180°.
  • Die erfindungsgemäßen Anordnungen sind natürlich auch reziprok einsetzbar und können so als Leistungsteiler oder als Leistungsaddierer verwendet werden.
  • Die Geometrie des Wellenleiters 1, 3 kann entsprechend der Anforderung verändert dimensioniert werden, so daß zusätzlich eine Impedanztransformation zwischen den Toren A und B erfolgt.
  • Es ist klar, daß der monolithische Herstellungsprozess mindestens zwei Metallisierungsebene beherrschen muß, um erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen realisieren zu können. Von weiterem Vorteil ist, daß auf dem Halbleitersubstrat der erfindungsgemäßen Symmetrierschaltung kompakterweise auch aktive Schaltungselemente monolithisch integriert werden können.

Claims (8)

  1. Mikrowellenleitungsstruktur, die eine auf einem Substrat aufgebrachte erste Leiterbahn und eine zweite Leiterbahn aufweist, die im Abstand über der ersten leiterbahn auf Pfosten gestützt verläuft, wobei auf dem Substrat (2) außer der durch die erste und zweite Leiterbahn (1, 3) gebildeten Mikrostreifenleitung eine mit dieser gekoppelte Koplanarleitung (6, 7) angeordnet ist und die Mikrostreifenleitung zwischen den beiden Leiterbahnen (6, 7) der Koplanarleitung verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß an dem einen Ende der Koplanarleitung (6, 7) deren beiden Leiterbahnen (6, 7) miteinander und mit der ersten (1) Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind, daß an dem anderen Ende der Koplanarleitung (6, 7) dieselbe offen ist,
    daß die Länge der Koplanarleitung (6, 7) etwa gleich einem Viertel der Wellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz ist und
    daß an die erste und zweite Leiterbahn (1, 3) am kurzgeschlossenen Ende (Tor A) der Koplanarleitung eine unsymmetrische Leitung und am offenen Ende (Tor B) der Koplanarleitung (6, 7) eine symmetrische Doppelleitung ankoppelbar ist.
  2. Mikrowellenleitungsstruktur, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem einen Ende der Koplanarleitung (6, 7) deren beiden Leiterbahnen (6, 7) miteinander und mit der ersten (1) Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind,
    daß an dem anderen Ende der Koplanarleitung (6, 7) deren beiden Leiterbahnen (6, 7) miteinander und mit der ersten (1) Leiterbahn elektrisch leitend verbunden sind, daß die Länge der Koplanarleitung etwa gleich der Hälfte der Wellenlänge der mittleren Betriebsfrequenz beträgt, daß die erste Leiterbahn (1) etwa in der Mitte unterbrochen ist,
    daß die zweite Leiterbahn (3) nur über die Unterbrechungsstelle der ersten Leiterbahn reicht bzw. bis über die Unterbrechungsstelle der ersten Leiterbahn geführt ist und dort mit dem Ende des unterbrochenen, abgetrennten Teils (1b) der ersten Leiterbahn (1) verbunden ist, und daß an die erste und zweite Leiterbahn (1, 3) am kurzgeschlossenen Ende der Koplanarleitung (Tor A) eine unsymmetrische Doppelleitung und an der Unterbrechungsstelle (Tor B) der ersten Leiterbahn (1) eine symmetrische Doppelleitung ankoppelbar ist.
  3. Mikrowellenleitungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der ersten und zweiten Leiterbahn (1, 3) am offenen Ende (Tor B, Anspruch 1) bzw. an der Unterbrechungsstelle der ersten Leiterbahn (Tor B, Anspruch 2) jeweils mit einer unsymmetrischen Doppelleitung verbunden ist, deren andere Ader mit einer der Leiterbahnen der Koplanarleitung verbunden ist oder kontaktiert ist.
  4. Mikrowellenleitungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwiderstände der beiden Leiterbahnen (1, 3) und der Koplanarleitung (6, 7) übereinstimmen.
  5. Mikrowellenleitungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfosten (4) aus leitendem Material bestehen und auf dem Substrat (2) in Aussparungen (5) der ersten Leiterbahn (1) stehen.
  6. Mikrowellenleitungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwiderstände der beiden Leiterbahnen und der Koplanarleitung übereinstimmen.
  7. Mikrowellenleitungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Abmessungen der beiden Leiterbahnen der µ Strip Leitung (1, 3) betreffend Breite, Abstand oder Dielektrikum in ihrem Verlauf unterschiedlich dimensioniert sind, so daß eine Impedanztransformation stattfindet.
  8. Mikrowellenleitungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der ersten Leiterbahn (1) gegenüberliegenden Substratseite eine weitere Leiterbahn (8) aufgebracht ist, die zusammen mit der ersten Leiterbahn (1) eine Mikrostreifenleitung bildet.
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