EP1702386B1 - Richtkoppler in streifenleitertechnik mit breitem koppelspalt - Google Patents

Richtkoppler in streifenleitertechnik mit breitem koppelspalt Download PDF

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EP1702386B1
EP1702386B1 EP04804750A EP04804750A EP1702386B1 EP 1702386 B1 EP1702386 B1 EP 1702386B1 EP 04804750 A EP04804750 A EP 04804750A EP 04804750 A EP04804750 A EP 04804750A EP 1702386 B1 EP1702386 B1 EP 1702386B1
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EP
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coupling
coupling conductors
conductor
parallel line
line coupler
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Robert Bosch GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/184—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being strip lines or microstrips
    • H01P5/185—Edge coupled lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/184—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being strip lines or microstrips
    • H01P5/187—Broadside coupled lines

Definitions

  • the invention relates to a directional coupler in stripline technology.
  • Directional couplers are circuit elements of high-frequency (RF) or antenna technology and are used for unbalanced power distribution, for example. In the size of -12 dB, in a desired frequency range. Directional couplers have, in principle, a short line section whose characteristic impedance corresponds to that of the line used. As a result, only a certain voltage is coupled out of the incoming or outgoing wave.
  • RF radio frequency
  • a directional coupler affected here is apparent, for example, from an article published on 5 December 2003 entitled "HF Passive Components" by Prof. DU Gysel, ZHW, Department of Technology, Computer Science and Natural Sciences, Electrical Engineering and Signal Processing, High Frequency Technology, Zurich in the following described in detail Fig. 1 shown schematically.
  • directional couplers are formed eagerorig and have two receiving gates (entrance gates) and two transmission ports (exit gates) on.
  • the two receiving ports must be as far as possible decoupled from each other.
  • the affected in here Directional couplers produced by stripline technology are produced by means of conventional printed circuit board technology.
  • substrates with a relatively low dielectric constant and coupling gaps between the two conductors with a very small gap width in the range of about 100 ⁇ m are used in order to achieve the desired high coupling values of more than 15 dB, such as 12 dB.
  • the coupling conductor consisting of two galvanically separated strip conductors, forms a first metal layer there.
  • a metallic shielding layer is provided in the region of the coupling conductor, which can influence the coupling.
  • a shielding layer can also be provided on the opposite side of the coupling conductor.
  • a multilayer dielectric filter in which a further layer with a coupling electrode is provided between a ground layer and a layer with two coupling conductors.
  • the US 6,294,967 describes a directional coupler, in which a laterally second metal layer has the shape of a transverse in the direction of the two coupling conductor "H" and the "H" -shaped metal layer has two longitudinal sides and a transverse leg which connects the longitudinal legs, the longitudinal legs parallel to the Paired conductors run and have the "H" -shaped metal layer and the coupling conductor both in the direction of a longitudinal extent of the coupling conductor and in the direction perpendicular to the longitudinal extent of the coupling conductor equal axes of symmetry.
  • the directional coupler according to the invention is characterized in particular by a multilayer structure in which at least three metal layers and between these at least two dielectric insulating layers are arranged on a substrate, preferably on a printed circuit board.
  • the directional coupler layout per se can correspond to the layouts known in the prior art.
  • the ground layer does not correspond to a metal layer arranged directly below the conductor structure of the directional coupler, but only to a subsequent metal layer.
  • an insulated and specially shaped conductor structure is created on a metal layer arranged therebetween, preferably etched. Due to this structure very small capacitances connected in series are produced, which allow the required coupling and at the same time a very high electrical insulation between said metal layers.
  • This structure makes it possible to produce a coupling gap which is larger by a factor of 5 than in the structures known in the prior art.
  • said isolated and specially shaped conductor structure has the shape of a transverse "H".
  • any other shapes are conceivable, as the simplest form, for example, also a transverse rectangle
  • additional structures or structure extensions are provided on the outer sides of the coupling conductor, preferably short trapezoidal structures.
  • the reflection properties of the coupling conductors are improved by means of small capacitive structures arranged in the corners of the terminals ("capacitance spots").
  • capacitive spots the sum of slightly inductive impedance of the coupling conductor is compensated so that a particularly good impedance matching is made possible at the terminals.
  • the directional coupler proposed according to the invention can be produced by means of conventional printed circuit board technology without any production limitation, even under customary etching tolerances.
  • the directional coupler has, in particular, a very large coupling value, which would only be feasible in the prior art with considerably high manufacturing and cost outlay.
  • the production spread of the directional coupler parameters, in particular the RF-related parameters, thanks to the invention significantly lower.
  • the use of inexpensive substrates and cost-effective etching process in the production of the directional coupler underlying structures is possible.
  • the Indian Fig. 1 Directional coupler 10 shown schematically in oblique top view represents a parallel line coupler in stripline design, ie, the electrical conductors are formed as thin metallization strips on a substrate 15.
  • the substrate 15 is in this case made of a conventional printed circuit board.
  • the actual coupler consists of two coupling conductors 20, which run parallel over a length ⁇ / 4. Since the coupling between the two coupling conductors 20 naturally increases with decreasing (lateral) distance between the two conductors, the distance d 'has to be as low as possible in order to achieve a sufficient coupling.
  • Such a directional coupler 10 is a passive four-port, which has the property that an input signal at one of the four gates 1 - 4 is passed on only two of the three remaining goals.
  • the currents caused by capacitive and inductive coupling are present simultaneously, they can, depending on their phase position, depending on the direction of the current in the one conductor, either adding or canceling each other, which ultimately causes said directional coupling.
  • multi-layer directional coupler consists of a printed circuit board 100, which has a plurality of metal layers. These metal layers comprise an uppermost metal layer in the form of copper strips ('TOP-Cu') 105, 110, through which the two coupling conductors 105, 110 required for the directional coupler are formed. The lateral distance between the coupling conductors 105, 110 is again indicated by 'd'. Below the uppermost metal layer 105, 110 and from this by an insulation layer not shown here (see Fig. 3 ) is also a copper strip formed middle metal layer ('Mid-1-Cu') 115 is arranged, which in the present embodiment has the shape of a transverse "H".
  • 'Mid-1-Cu' middle metal layer
  • the two copper layers 105-115 are drawn in different stripes. Below this middle metal layer 115 is a not shown here (see Fig. 3 ), in turn, from the middle metal layer 115 by a not shown insulation layer galvanically isolated, at ground potential copper ground layer ('Mid-2-Cu') 220th
  • the said three metal layers are in each case galvanically separated from one another by dielectric insulation layers, not shown here, which are produced from glass fiber / epoxy substrate material used in printed circuit board technology.
  • the metal and insulating layers shown are in the preferred embodiment in the form of a conventional printed circuit board made in per se known etching technique.
  • capacitive structures (“capacitance spots") 125 are arranged, by means of which the reflection properties of the coupling conductors 105, 110 are improved.
  • capacitive structures the 90 ° internal corners are filled obliquely with the triangular shapes 125 shown.
  • other shapes are possible which produce a correspondingly small increase in area, for example a square shape with which, however, a small additional corner is then produced.
  • a further embodiment of the directional coupler according to the invention results from exchanging the above-described uppermost 105, 110 and middle metal layers 115. The described operation itself is unaffected.
  • the in the Fig. 3 shown lateral sectional view corresponds to a section in the Fig. 2 shown structure along the line marked there, A-A '. From the Fig. 3 the spatial arrangement of the three metal layers 200, 210, 220 is even clearer. The corresponding layer thicknesses of the metal layers 200, 210, 220 can also be seen therefrom.
  • the dashed areas 105, 110 correspond to those in the Fig. 2 marked with matching reference numerals two coupling conductors and the two dashed areas 115 of in Fig. 2 also shown, H'-shaped liner. Also, the insulation layers 205, 215, 225 disposed between the metal layers 200, 210, 220 are in the Fig. 3 located.
  • the uppermost metal layer 200 serves essentially as a component side, ie for connecting the directional coupler structure shown with further RF components in the field of antenna technology, whereas an additional fourth lowest metal layer 230 serves to the shown directional coupler structure with an externally arranged antenna (not shown here) connect.
  • a directional coupler of 11 dB actually manufactured according to the above-described structure had a coupling gap nominal value of 380 ⁇ m. In this case, etching tolerances up to +/- 40 ⁇ m were completely harmless for the proper functioning of the respective directional coupler. Conventional couplers would only have a coupling value of about 20 dB with this specification or would require a small coupling gap of 80 ⁇ m, which can not be manufactured in printed circuit board technology.
  • the above-described directional coupler structure according to the invention is preferably provided in the frequency range up to a few GHz and for use on printed circuit boards.
  • the above-described structures can be used in principle with all the advantages mentioned, even with special HF substrates at higher frequencies, for example in the 77 GHz, which is frequently used in automotive technology. Equally feasible is an integrated use of the structures in EF ICs at even higher frequencies (122 GHz, 150 GHz).

Landscapes

  • Waveguides (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler in Streifenleitertechnik.
  • Richtkoppler sind Schaltungselemente der Hochfrequenz-(HF-) bzw. Antennentechnik und werden zur unsymmetrischen Leistungsaufteilung, bspw. in der Größe von -12 dB, in einem gewünschten Frequenzbereich eingesetzt. Richtkoppler weisen prinzipiell einen kurzen Leitungsabschnitt auf, dessen Wellenwiderstand dem der verwendeten Leitung entspricht. Dadurch wird nur aus der hinlaufenden oder aus der rücklaufenden Welle eine bestimmte Spannung ausgekoppelt.
  • Ein hier betroffener Richtkoppler geht bspw. aus einem am 5.12.2003 erschienenen Artikel mit dem Titel "HF-Passive Komponenten" von Prof. D. U. Gysel, ZHW, Departement Technik, Informatik und Naturwissenschaften, Elektrotechnik und Signalverarbeitung, Hochfrequenztechnik, Zürich, hervor und ist in der nachfolgend noch im Detail beschriebenen Fig. 1 schematisch wiedergegeben.
  • Wie aus der Fig. 1 zu ersehen, sind Richtkoppler viertorig ausgebildet und weisen zwei Empfangstore (Eingangstore) und zwei Sendetore (Ausgangstore) auf. Die beiden Empfangstore müssen zueinander möglichst stark entkoppelt sein. Die hier betroffenen in Streifenleitertechnik hergestellten Richtkoppler werden mittels herkömmlicher Leiterplattentechnik hergestellt. Dabei werden Substrate mit relativ niedriger Dielektrizitätskonstante sowie Koppelspalte zwischen den beiden Leitern mit sehr geringer Spaltbreite im Bereich von etwa 100 µm verwendet, um die gewünschten hohen Kopplungswerte von über 15 dB, wie bspw. 12 dB, zu erreichen. So erhält man für einen 12 dB-Koppler bei 2,5 GHz auf einem Leitersubstrat der Dicke 300 µm und der relativen Dielektrizitätszahl von 4,4 eine für die genannte Kopplungsstärke erforderliche Koppelspaltbreite von nur ca. 80 µm. Ein solch geringer Leiterabstand läßt sich in der heutigen Leiterplattentechnik nur mit sehr hohem Fertigungs- und Kostenaufwand bei gleichzeitig hoher Ausschussrate herstellen.
  • Aus der WO 03/071628 A ist ein Richtkoppler in Streifenleitertechnik bekannt. Der Koppelleiter, bestehend aus zwei galvanisch voneinander getrennten Streifenleitern, bildet dort eine erste Metallage.
  • Durch ein Dielektrikum getrennt ist im Bereich des Koppelleiters eine metallische Abschirmschicht vorgesehen, die die Kopplung beeinflussen kann. Eine solche Abschirmschicht kann auch auf der gegenüberliegenden Seite des Koppelleiters vorgesehen sein.
  • Bei der US 5,446,425 A ist eine ähnliche Anordnung bekannt. Auch dort ist durch ein Dielektrikum getrennt über dem Streifenleiterbereich ein Leiter auf sogenanntem "floating potential" vorgesehen, der die Kopplung beeinflusst.
  • Aus der US 2003/0020568 A1 ist ein mehrschichtiges, dielektrisches Filter bekannt, bei welchem zwischen einer Masselage und einer Lage mit zwei Koppelleitern eine weitere Lage mit einer Koppelektrode vorgesehen ist.
  • Die US 6,294,967 beschreibt einen Richtkoppler, bei welchem eine lateral zweite Metalllage die Form eines in Richtung der beiden Koppelleiter quer liegenden "H" aufweist und die "H"-förmige Metalllage zwei Längsseiten und einen Querschenkel, welcher die Längsschenkel verbindet, aufweist, die Längsschenkel parallel zu den Koppelleitern verlaufen und die "H"-förmige Metalllage und die Koppelleiter sowohl in Richtung einer Längsausdehnung der Koppelleiter als auch in Richtung senkrecht zur Längsausdehnung der Koppelleiter gleiche Symmetrieachsen aufweisen.
  • Es besteht daher ein erheblicher Bedarf, Richtkoppler der hier betroffenen Art mit herkömmlicher Leiterplattentechnik mit minimalen Leiterbreiten und lateralen Leiterabständen im Bereich von 150 µm bei Ätztoleranzen bis +/- 20 µm fertigungsgerecht realisieren zu können.
    • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Richtkoppler ist insbesondere durch einen mehrlagigen Aufbau gekennzeichnet, bei dem wenigstens drei Metallagen und zwischen diesen wenigstens zwei dielektrische Isolationslagen auf einem Substrat, bevorzugt auf einer bedruckten Leiterplatte, angeordnet sind. Das Richtkopplerlayout an sich kann dabei den im Stand der Technik bekannten Layouts entsprechen.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik entspricht die Masselage nicht einer direkt unter der Leiterstruktur des Richtkopplers angeordneten Metallage, sondern erst einer darauf folgenden Metallage. Zwischen der Leiterstruktur und der Masselage wird auf einer dazwischen angeordneten Metallage eine isolierte und besonders geformte Leiterstruktur erstellt, und zwar bevorzugt eingeätzt. Aufgrund dieser Struktur werden in Reihe geschaltete sehr kleine Kapazitäten erzeugt, welche die erforderliche Kopplung und gleichzeitig eine sehr hohe elektrische Isolation zwischen den genannten Metallagen ermöglichen. Diese Struktur ermöglicht die Herstellung eines um den Faktor 5 größeren Koppelspalts als bei den im Stand der Technik bekannten Strukturen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung besitzt die genannte isolierte und besonders geformte Leiterstruktur die Form eines quer liegenden "H". Prinzipiell sind jedoch auch beliebig andere Formen denkbar, als einfachste Form bspw. ein ebenfalls quer liegendes Rechteck
  • In weiterer Ausgestaltung sind an den Außenseiten der Koppelleiter zusätzliche Strukturen oder Strukturerweiterungen vorgesehen, und zwar bevorzugt kurze trapezartige Strukturen.
  • In noch weiterer Ausgestaltung werden die Reflexionseigenschaften der Koppelleiter mittels kleiner in den Ecken der Anschlüsse angeordneter kapazitiver Strukturen ("Kapazitätsflecken") verbessert. Damit wird die in der Summe leicht induktive Impedanz der Koppelleiter so kompensiert, daß an den Anschlüssen eine besonders gute Impedanzanpassung ermöglicht wird.
  • Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Richtkoppler läßt sich mittels herkömmlicher Leiterplattentechnik ohne irgendeine Fertigungsbeschränkung, auch unter üblichen Ätztoleranzen, herstellen. Der Richtkoppler weist insbesondere einen sehr großen Kopplungswert auf, der im Stand der Technik nur mit erheblich hohem Fertigungs- und Kostenaufwand realisierbar wäre. Darüber hinaus wird die Fertigungsstreuung der Richtkopplerparameter, wie insbesondere der HF-bezogenen Parameter, dank der Erfindung wesentlich geringer. Des weiteren wird die Verwendung kostengünstiger Substrate sowie kostengünstiger Ätzverfahren bei der Herstellung der dem Richtkoppler zugrunde liegenden Strukturen ermöglicht.
    • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, anhand von Ausführungsbeispielen eingehender beschrieben, aus denen weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen.
  • Im Einzelnen zeigen
    • Fig. 1
    eine Prinzipdarstellung eines Richtkopplers in Streifenleitertechnik gemäß dem Stand der Technik;
    Fig. 2
    eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Richtkopplers in Streifenleitertechnik; und
    Fig. 3
    eine Schnittansicht entlang der Linie A-A des in der Fig. 2 gezeigten Richt- kopplers.
  • Der in der Fig. 1 schematisch in schräger Draufsicht gezeigte Richtkoppler 10 stellt einen Parallelleitungskoppler in Streifenleitungsausführung dar, d.h. die elektrischen Leiter sind als dünne Metallisierungsstreifen auf einem Substrat 15 ausgebildet. Das Substrat 15 ist vorliegend aus einer gewöhnlichen gedruckten Leiterplatte hergestellt. Der eigentliche Koppler besteht aus zwei Koppelleitern 20, welche über eine Länge λ/4 parallel verlaufen. Da die Kopplung zwischen den beiden Koppelleitern 20 naturgemäß mit abnehmendem (Lateral-)Abstand zwischen den beiden Leitern ansteigt, hat der Abstand ,d` zur Erreichung einer ausreichenden Kopplung möglichst gering zu sein.
  • Ein solcher Richtkoppler 10 stellt ein passives Viertor dar, welches die Eigenschaft hat, daß ein Eingangssignal an einem der vier Tore 1 - 4 immer nur an zwei der drei restlichen Tore weitergegeben wird. Speist man den in der Fig. 1 gezeigten Richtkoppler nämlich mit einer einfallenden Welle am Tor 1, so treten Wellen an den Toren 2 und 4 aus, idealerweise nicht jedoch am Tor 3. Das heißt, das Tor 3 ist vom Tor 1 entkoppelt. Verfolgt man die Aufteilung aller möglichen einfallenden Wellen, ergibt sich, daß immer die Torpaare 1 und 3 sowie 2 und 4 voneinander entkoppelt sind, d.h. zwischen diesen findet kein Energieaustausch statt, sofern alle Tore mit ihrem jeweiligen Wellenwiderstand terminiert sind. Es ist anzumerken, daß bei einem ideal angenommenen Richtkoppler jeweils die Tore 1 und 4 sowie 2 und 3 entkoppelt sind, d.h. es findet zwischen diesen kein Nebensprechen statt.
  • Da im Meßzweig, d.h. in dem genannten Leitungsabschnitt λ/4 der beiden Koppelleiter, die durch kapazitive und durch induktive Kopplung hervorgerufenen Ströme gleichzeitig vorhanden sind, können sie sich in Abhängigkeit von ihrer Phasenlage, je nach Richtung des Stromes in dem einen Leiter, entweder addieren oder gegenseitig aufheben, was letztlich die genannte gerichtete Kopplung bewirkt.
  • Die in der Fig. 2 in Draufsicht gezeigte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß mehrlagig aufgebauten Richtkopplers besteht aus einer gedruckten Leiterplatte 100, welche mehrere Metallagen aufweist. Diese Metallagen umfassen eine oberste Metallage in Form von Kupferstreifen (,TOP-Cu') 105, 110, durch welche die beiden für den Richtkoppler erforderlichen Koppelleiter 105, 110 gebildet werden. Der laterale Abstand zwischen den Koppelleitern 105, 110 ist wiederum mit 'd' gekennzeichnet. Unterhalb der obersten Metallage 105, 110 und von dieser durch eine hier nicht gezeigte Isolationslage (siehe Fig. 3) galvanisch getrennt ist eine ebenfalls aus Kupferstreifen gebildete mittlere Metallage ('Mid-1-Cu') 115 angeordnet, welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Form eines quer liegenden "H" hat. Zur besseren Unterscheidung sind die beiden Kupferlagen 105 - 115 unterschiedlich gestreift gezeichnet. Unterhalb dieser mittleren Metallage 115 befindet sich eine hier nicht gezeigte (siehe Fig. 3), wiederum von der mittleren Metallage 115 durch eine hier nicht gezeigte Isolationsschicht galvanisch getrennte, auf Massepotential liegende Kupfer-Masselage (,Mid-2-Cu') 220.
  • Wie bereits erwähnt, sind die genannten drei Metallagen jeweils durch hier nicht gezeigte dielektrische Isolationslagen galvanisch voneinander getrennt, welche aus in der Leiterplattentechnik verwendetem Glasfaser/Epoxy-Substrahnaterial hergestellt sind. Die gezeigten Metall- und Isolationslagen sind in der bevorzugten Ausführungsform in Form einer herkömmlichen in an sich bekannter Ätztechnik hergestellten gedruckten Leiterplatte ausgebildet.
  • Aufgrund der genannten "H"-Form der mittleren Metallage ('Mid-1-Cu ') 115 ergeben sich insgesamt mehrere in Reihe geschaltete, relativ kleine Kapazitäten zwischen den einzelnen Metallagen 105 -115, 220, welche erst die erforderliche starke Kopplung und gleichzeitig sehr hohe dielektrische Isolation zwischen den genannten Metallagen ermöglichen. Insbesondere dadurch läßt sich bei gleicher Koppelstärke ein um den Faktor 5 größerer Koppelspalt in der genannten herkömmlichen Leiterplattenätztechnik realisieren. Die in der Fig. 2 gezeigten Koppelleiter weisen in der vorliegenden Ausführungsform entlang der Koppelleiter etwa mittig angeordnete, sich nach außen hin erstreckende trapezförmige Erweiterungsflächen 120 auf, aufgrund derer der Kopplungseffekt noch verstärkt wird. Zusätzlich sind in den Ecken der Tor-Anschlüsse 1- 4 kapazitive Strukturen ("Kapazitätsflecken") 125 angeordnet, mittels derer die Reflexionseigenschaften der Koppelleiter 105, 110 verbessert werden. Bei diesen kapazitiven Strukturen werden die 90°-Innenecken mit den gezeigten Dreiecksformen 125 schräg aufgefüllt. Prinzipiell möglich sind allerdings auch andere Formen, welche eine entsprechend kleine Flächenvergrößerung erzeugen, bspw. eine quadratische Form, mit der dann allerdings ein kleines zusätzliches Eck erzeugt wird. Insgesamt wird durch die genannten Maßnahmen die in der Summe leicht induktive Impedanz der Koppelleiter so kompensiert, daß an den Tor-Anschlüssen eine sehr gute Impedanzanpassung ermöglicht wird.
  • Es ist anzumerken, daß sich eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Richtkopplers durch Tauschen der vorbeschriebenen obersten 105, 110 und mittleren Metallage 115 ergibt. Die beschriebene Funktionsweise an sich ist davon unberührt.
  • Die in der Fig. 3 gezeigte seitliche Schnittansicht entspricht einem Schnitt der in der Fig. 2 dargestellten Struktur entlang der dort eingezeichneten Linie ,A-A'. Aus der Fig. 3 geht die räumliche Anordnung der drei Metallagen 200, 210, 220 noch deutlicher hervor. Die entsprechenden Schichtdicken der Metallagen 200, 210, 220 sind daraus ebenfalls zu entnehmen. Die gestrichelten Bereiche 105, 110 entsprechen den in der Fig. 2 mit übereinstimmenden Bezugszeichen gekennzeichneten beiden Koppelleitern und die beiden gestrichelten Bereiche 115 der in Fig. 2 ebenfalls gezeigten ,H'-förmigen Zwischenlage. Auch sind die zwischen den Metallagen 200, 210, 220 angeordneten Isolationslagen 205, 215, 225 in der Fig. 3 eingezeichnet. Die oberste Metallage 200 dient im Wesentlichen als Bauelementeseite, d.h. zur Verbindung der gezeigten Richtkopplerstruktur mit weiteren HF-Bauelementen im Bereich der Antennentechnik, wohingegen eine zusätzliche vierte unterste Metallage 230 dazu dient, die gezeigte Richtkopplerstruktur mit einer außen angeordneten (hier nicht gezeigten) Antenne zu verbinden.
  • Bezüglich der Herstellung der in der Fig. 3 gezeigten Leiterplattenstruktur ist anzumerken, daß Bereiche, in denen eine Leiterlage abgeätzt wird, aufgrund der an sich bekannten Multilayertechnik beim Zusammenpressen unter erhöhter Temperatur mit dielektrischem Material gefällt sind.
  • Ein gemäß der vorbeschriebenen Struktur tatsächlich gefertigter Richtkoppler von 11 dB wies einen Koppelspaltnennwert von 380 µm auf. Dabei waren Ätztoleranzen bis hin zu +/- 40 µm für das einwandfreie Funktionieren des jeweiligen Richtkopplers völlig unschädlich. Herkömmliche Koppler hätten mit dieser Spezifikation lediglich einen Koppelwert von etwa 20 dB oder sie würden einen in Leiterplattentechnik nicht fertigbaren kleinen Koppelspalt von 80 µm erfordern.
  • Die vorbeschriebene erfindungsgemäße Richtkoppler-Struktur ist bevorzugt im Frequenzbereich bis einige GHz und für den Einsatz auf Leiterplatten vorgesehen. Allerdings sind die vorbeschriebenen Strukturen prinzipiell mit allen genannten Vorteilen auch bei speziellen HF-Substraten bei höheren Frequenzen, bspw. im bei in der Automobiltechnik vielfach verwendeten 77 GHz einsetzbar. Ebenso realisierbar ist ein integrierter Einsatz der Strukturen bei EF-ICs bei noch höheren Frequenzen (122 GHz, 150 GHz).

Claims (7)

  1. Parallelleitungskoppler in Streifenleitertechnik mit zwei gegenüber einer auf Massepotential liegenden Masselage (220) galvanisch getrennten Koppelleitern (105,110), welche an ihren Enden jeweils einen Tor-Anschluss (1, 2, 3, 4) aufweisen, mit einer mehrlagigen Leiterstruktur mit wenigstens drei, durch wenigstens zwei dielektrische Isolationslagen (205, 215) getrennten Metallagen, wobei eine erste Metallage den Koppelleiter (105,110) bildet und wobei eine zweite der wenigstens drei Metallagen eine von den wenigstens zwei weiteren Metallagen galvanisch getrennte Leiterstruktur (115) aufweist, die räumlich zwischen den wenigstens zwei weiteren Metallagen (105, 110, 220) angeordnet ist und mittels der in Reihe geschaltete kleine Kapazitäten zwischen den wenigstens drei Metallagen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Leterstruktur (115) die Form eines in Richtung der beiden Koppelleiter quer liegenden "H" aufweist; und die "H"-förmige Metallage zwei Längsschenkel und einen Querschenkel, welcher die Längsschenkel verbindet, aufweist, dass die Längsschenkel parallel zu den Koppelleitern (105, 110) verlaufen, und dass die "H"-förmige Metallage und die Koppelleiter sowohl in Richtung einer Längsausdehnung der Koppelleiter als auch in einer Richtung senkrecht zur Längsausdehnung der Koppelleiter gleiche Symmetrieachsen aufweisen, wobei die Koppelleiter entlang der Koppelleiter etwa mittig angeordnete, sich nach außen hin erstreckende trapezförmige Erweiterungsflächen (120) aufweisen und wobei in den Ecken der Tor-Anschlüsse der beiden Koppelleiter kapazitive Strukturen (125) zur Impedanzanpassung angeordnet sind.
  2. Parallelleitungskoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehrlagige Leiterstruktur in Form eines mehrlagigen dielektrischen Substrats ausgebildet ist.
  3. Parallelleitungskoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masselage (220) von der Metallage des Koppelleiters (105, 110) durch wenigstens eine weitere Metallage (115) getrennt ist.
  4. Parallelleitungskoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Koppelleitern (105, 110) zusätaliche Leiterstrukturen, insbesondere kleine trapezartige Strukturen, angeordnet sind.
  5. Parallelleitungskoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 90°-Innenecken der Tor-Anschlüsse (1, 2, 3, 4) der beiden Koppelleiter (105, 110) so ausgestattet sind, dass sich eine geringe Flächenvergrößerung ergibt.
  6. Parallelleitungskoppler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenvergrößerung der Tor-Anschlüsse (1, 2, 3, 4) der beiden Koppelleiter (105, 110) durch eine schräge Dreiecksform oder eine quadratische Form gebildet ist.
  7. Parallelleitungskoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei Metallagen aus Kupfer und die wenigstens zwei Isolationslagen (205, 215) aus einer Glasfaser/Epoxy-Verbindung hergestellt sind.
EP04804750A 2003-12-30 2004-12-09 Richtkoppler in streifenleitertechnik mit breitem koppelspalt Expired - Lifetime EP1702386B1 (de)

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DE10361834 2003-12-30
DE102004021535A DE102004021535A1 (de) 2003-12-30 2004-05-03 Richtkoppler in Streifenleitertechnik mit breitem Koppelspalt
PCT/EP2004/053377 WO2005064740A1 (de) 2003-12-30 2004-12-09 Richtkoppler in streifenleitertechnik mit breitem koppelspalt

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EP1702386A1 EP1702386A1 (de) 2006-09-20
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