EP2137787B1

EP2137787B1 - Gleichspannungstrenner

Info

Publication number: EP2137787B1
Application number: EP08748935A
Authority: EP
Inventors: Karl Schneider; Volker Hurm; Herbert Walcher; Ronny Kolbe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: EP2137787A1; DE102007018120A1; JP2010524414A; DE502008000996D1; ATE475205T1; US20100182106A1; KR20100007859A; CN101657933A; CA2683690A1; WO2008125341A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungstrenner mit mindestens einem Masseleiter und mindestens einem signalführenden Leiter, welche mittels eines Isolators beabstandet angeordnet sind, wobei im signalführenden Leiter eine Kapazität angeordnet ist die eine Spalte im Signalleiter überbrückt. . Solche Gleichspannungstrenner bekannt aus 'Decade bandwidth bias T's for MIC applications up to 50 GHz' B.J.Minnis, IEEE Transaction Microwave Theory and Techniques, Vol. 35, No. 6, Juni 1987, Seiten 597-600, separieren oder superponieren den zeitabhängigen Anteil und den Gleichspannungsanteil eines elektrischen Signals. Hierzu ist an einer oder an beiden Kontakten des Kondensators ein weiterer Anschluss vorgesehen, an welchen der Gleichspannungsanteil zu- oder abgeführt wird. Für diese Bauelemente ist auch die englische Bezeichnung "Bias-T" gebräuchlich.
Ein Bias-T nach dem Stand der Technik trennt den Gleichspannungsanteil (DC) und den zeitabhängigen Anteil (HF) eines elektrischen Signals von einander. Ein ideales Bias-T ist ein 3-Tor, das eine unendlich große Kapazität C und eine unendlich große Induktivität L enthält, vgl. Fig. 1. Durch Tor 1 fällt die Überlagerung des DC- und HF-Signals ein oder aus. Die Induktivität lässt nur ein DC-Signal, die Kapazität hingegen nur ein HF-Signal passieren. Somit verläuft der Signalpfad des DC-Anteils von Tor 1 zu Tor 3 der Signalpfad des HF-Anteils von Tor 1 zu Tor 2. Bei Verzicht auf die Induktivität und Tor 3 kann das Bias-T zur Gleichspannungstrennung von Tor 1 zu Tor 2 verwendet werden.
Ein reales Bias-T weist jedoch nur endliche Werte der Kapazität C und der Induktivität L auf. Daraus resultiert eine endlich große untere Grenzfrequenz f_g1. Unterhalb dieser Grenzfrequenz wird das HF-Signal auf seinem Weg von Tor 1 zu Tor 2 stark bedämpft. Da sich der kapazitive Widerstand X_c eines Wechselstromkreises nach der Formel $X_{c} = \frac{1}{2 πf \cdot C}$

verhält, wird dieser kapazitive Widerstand mit zunehmender Frequenz stetig kleiner. Daher würde man aus der Theorie keine obere Grenzfrequenz eines Bias-Ts erwarten.
Allerdings hat sich gezeigt, dass der Raum um den Signalleiter fast vollständig vom elektromagnetischen Feld der geführten Welle ausgefüllt ist, vgl. Fig. 2. Da eine reale Kapazität auch geometrische äußere Abmessungen hat, welche mit zunehmendem Kapazitätswert steigen, stört die Anwesenheit des Bauelementes die Feldverteilung in seiner Umgebung. Die Kapazität stellt also eine Diskontinuität im Wellenleiter dar, welche Reflexionen verursacht. Je höher die Frequenzen bzw. je kleiner die Wellenlängen der sich ausbreitenden Wellen sind, desto stärker beeinträchtigt diese Diskontinuität die Transmission. Deshalb können große Kapazitäten die obere Grenzfrequenz f_g2 beschränken.
Sofern eine Induktivität zwischen Tor 1 und Tor 3 vorgesehen ist, verursacht auch diese Induktivität eine obere Grenzfrequenz f_g2. Eine reale Induktivität weist endliche Abmessungen auf. Sie verursacht daher wie die Kapazität eine Diskontinuität im Wellenleiter mit den oben beschriebenen negativen Auswirkungen.
Eine reale Induktivität weist darüber hinaus immer auch endliche Werte für die Kapazität und den ohm'schen Widerstand auf. Sie lässt sich daher als Netzwerk mehrerer idealer Bauelemente beschreiben. Dieses Netzwerk weist mindestens eine Resonanzfrequenz auf, bei der es die Wirkung eines Kurzschlusses hat und dadurch mindestens ein Minimum in der Transmission des HF-Signals verursacht. Um eine möglichst hohe obere Grenzfrequenz f_g2 zu erreichen, muss diese Resonanzfrequenz hoch sein. Die Resonanzfrequenz einer Induktivität steigt im Regelfall, wenn deren Abmessungen kleiner werden. Dadurch wird jedoch die Querschnittsfläche der Stromleiter klein und die Belastbarkeit mit einem DC-Strom ist begrenzt.
Zur Lösung dieser Probleme schlägt die DE 103 08 211 A1 vor, die elektromagnetische Welle auf einem Innenleiter zu führen, welcher von einem spaltfreien, im Wesentlichen koaxialen Außenleiter umgeben ist. Der Innenleiter ist an einer Trennstelle durch einen Spalt getrennt. Diese Trennstelle ist mit einem Kondensator überbrückt. Um die Feldverteilung in der koaxialen Leiteranordnung möglichst wenig zu stören, ist dabei der Kondensator in den Innenleiter eingesetzt. Diese Anordnung löst jedoch nicht das Problem, zusätzlich eine Seite des Kondensators mit einer Spule zu kontaktieren, ohne die Transmission zu stören.
Aus der GB 2 189 942 A ist ein Bias-T bekannt, welches durch unterschiedlich breite Mikrostreifenleitungen realisiert ist. Nach diesem Stand der Technik wird die Mikrostreifenleitung zwischen Tor 1 und Tor 2 kontinuierlich breiter, wodurch ihre Impedanz sinkt. Die Induktivität zwischen Tor 1 und Tor 3 wird durch eine sehr schmale Mikrostreifenleitung mit hoher Impedanz gebildet. Somit wird verhindert, dass das HF-Signal über die schmale Mikrostreifenleitung zu Tor 3 läuft. Nachdem der DC-Strom zugeführt ist, verringert sich die Breite der Mikrostreifenleitung und damit die Impedanz wieder bis auf den Ursprungswert. Aufgrund der kurzen effektiven Leitungslänge können DC-Ströme bei etwas erhöhten oberen Grenzfrequenzen zugeführt werden. Da das Bias-T jedoch keine Kapazität aufweist, kann es nicht zur Trennung eines DC- und eines HF-Signals verwendet werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, einen Gleichspannungstrenner bzw. eine Gleichspannungszuführung mit vergrößerter Bandbreite bereitzustellen. Weiterhin besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Gleichspannungszuführung bereitzustellen, welche im Vergleich zum Stand der Technik eine erhöhte obere Grenzfrequenz und einen vergrößerten maximalen DC-Strom aufweist.
Die Erfindung wird gelöst durch einen Gleichspannungstrenner gemäss Anspruch 1.
Unter der dem Isolator zugewandten Fläche der Signal- und Masseleiter wird künftig, die Fläche der Einhüllenden verstanden. Im Querschnitt der Leiteranordnung ist die Einhüllende dabei die Kurve mit minimalem Umfang, welche den Querschnitt der jeweiligen Leiter vollständig umschließt.
Als Isolator wird jedes Material verstanden, welches einen direkten galvanischen Stromfluss zwischen signalführendem Leiter und Masseleiter verhindert. Beispielsweise kann der Isolator aus einem Luftspalt bestehen oder einem Schutzgas. Insbesondere kommt jedoch die Verwendung eines dielektrischen Festkörpers in Frage. Bevorzugt beträgt die Dielektrizitätskonstante in diesem Fall etwa 1 bis etwa 13. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder GaAs und/oder Quarz und/oder InP. Auf einem halbleitend dotierbaren Isolator kann das Bias-T in besonders einfacher Weise monolithisch mit einem Verstärker auf ein Substrat integriert werden.
Fallweise können auch Kombinationen aus mehreren Materialien entweder als Legierung oder als Schichtstruktur als Isolator eingesetzt werden.
In der Elektro- und Nachrichtentechnik gibt es die Jahrzehnte alte Grundannahme, dass in einem Wellenleiter der Signalleiter kleinere Abmessungen besitzt als der bzw. die Masseleiter. Beispielsweise bestehen Koaxialleitungen aus einem dünnen Signalleiter, welcher in der Symmetrieachse der Leitung angeordnet ist. Dieser ist von einem zylindrischen Masseleiter außen umgeben. Auf Leiterplatten wird als Signalleiter ein schmaler Kupferleiter von 0,3 bis 1 mm verwendet, wohingegen als Masseleitung meist die gesamte Rückseite der Leiterplatte zur Verfügung steht oder zwei Masseleiter beidseitig des Signalleiters angeordnet sind. Erfindungsgemäß wurde jetzt erkannt, dass die Aufgaben der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst werden können, dass mit diesem Paradigma gebrochen wird.
Erfindungsgemäß wird im Gleichspannungstrenner ein vergrößerter Signalleiter verwendet, welcher einem nur kleinen Masseleiter gegenüber steht. Infolge dieser Umkehrung der Geometrie können die elektronischen Bauteile, welche die Kapazität C eines Bias-Ts bilden, in einem Raumbereich angeordnet werden, in welchem sie die Feldverteilung der propagierenden HF-Welle nicht merklich stören. Dies liegt darin begründet, dass der breitere Leiter einer HF-Leitung das Feld der propagierenden Welle stets vollständig abschirmt, wohingegen am schmäleren Leiter Randeffekte auftreten, so dass dieser Leiter vom Feld der propagierenden Welle umgriffen wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Gleichspannungstrenner mit den Merkmalen der Anspruchs 1.
Die elektrische Feldstärke ist Berechnungen zugänglich. Bei Kenntnis der Wellenleiterstruktur, also der genauen Abmessungen des Masseleiters und des signalführenden Leiters, kann die elektrische Feldstärke an jedem Punkt der Wellenleiterstruktur berechnet werden. Aufgrund der erfinderisch gewählten Abmessungen des Masseleiters und des signalführenden Leiters gibt es am signalführenden Leiter Bereiche, in denen die Amplitude der elektrischen Feldstärke des Wechselspannungssignals niedriger ist als die Amplitude der elektrischen Feldstärke, die an der Oberfläche des Masseleiters auftritt. Die Betrachtung und der Vergleich der an der Oberfläche der Leiter auftretenden bzw. berechneten Amplituden der elektrischen Feldstärke des Wechselspannungsignals erfolgt ortsgleich. Ortsgleich bedeutet, dass ein Querschnitt orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des propagierenden Wechselspannungssignals betrachtet wird.
Zur Verdeutlichung sei hier Figur 3a gezeigt. Figur 3a ist ein Querschnitt orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des Wechselspannungssignals durch die Wellenleiterstruktur eines erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenners. Es ist zu sehen, dass es beim signalführenden Leiter (hier der obere Leiter) auf der der masseleiter-abgewandten Seite einen Bereich gibt, wo die elektrische Feldstärke niedriger ist, als auf der Oberfläche des Masseleiters gefunden werden kann. Die Oberfläche ist die Grenzfläche zwischen Leiter und dem ihn umgebenden Isolator. Der Masseleiter wird von den Feldlinien umgriffen und so findet sich an keiner Stelle seiner Oberfläche (weder an der dem signalführenden Leiter zugewandten Seite noch an der dem signalführenden Leiter abgewandten Seite) eine Stelle mit so niedriger Amplitude der elektrischer Feldstärke des Wechselspannungssignals als im abgeschirmten Bereich am signalführenden Leiter. Im Beispiel der Figur 3a ist der abgeschirmte Bereich am signalführendem Leiter auf der masseleiter-abgewandten Seite/Oberfläche des signalführenden Leiters.
Der signalführenden Leiter wird nun zur Gleichspannungstrennung aufgetrennt und dadurch entsteht ein Spalt, der mit einer Kapazität (Kondensator bzw. Kondensatoren) überbrückt wird. Der Spalt, der für die Durchführung der Gleichspannungstrennung in den signalführenden Leiter eingebracht wird, stört die Abschirmungsfähigkeit des signalführenden Leiters. Dennoch tritt bereits ein bis zwei Spaltbreit vom Spalt entfernt (entlang der Ausbreitungsrichtung des Signals) wieder ein nahezu feldfreier Bereich auf, so dass der Effekt dieser Streufelder vernachlässigbar ist. Für die Gleichspannungstrennung wird also ein bestimmter Leiterabschnitt entlang der Ausbreitungsrichtung genommen, wobei die Abmessungen der Wellenleiterstruktur entlang dieses Abschnittes ausgeführt sind, so dass am signalführenden Leiter erfindungsgemäß ein abgeschirmter Bereich für die Gleichspannungstrennung zur Verfügung gestellt wird. In diesem Bereich am signalführendem Leiter werden die Kondensatoren zur Überbrückung des Spaltes eingebaut, also in einem Bereich, in welchem sie die Feldverteilung des propagierenden Wechselspannungssignals nicht merklich stören (Figur 3b).
Als Oberfläche eines Leiters zählen nicht Oberflächen von im Leiter eingekapselten Hohlräumen, also nach Art eines Faradayschen Käfigs innerhalb eines Leiters abgekapselte Hohlräume. In Figur 9 ist ein Querschnitt eines Leiters (L) dargestellt, der einen solchen Hohlraum (H) aufweist. Die im Querschnitt eingezeichnete gestrichelte Linie im Hohlraum (H) zeigt die Oberfläche des eingekapselten Hohlraumes, wobei diese bei dem Vergleich der elektrischen Feldstärken an der Oberfläche des Signalleiters und an der Oberfläche des Masseleiters nicht berücksichtigt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des Gleichspannungstrenners kann dieser zum vollständigen Bias-T erweitert werden, indem der signalführende Leiter auf mindestens einer Seite der Kapazität mit einer Induktivität und/oder einem ohm'schen Widerstand verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich dem Signalleiter ein Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung überlagern oder eine solche Spannung abführen. Durch die Induktivität wird aus dem Gleichspannungstrenner auch gleichzeitig eine Gleichspannungszuführung. Diese Erweiterung ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wellenleiterstruktur besonders einfach, da auch die Induktivitäten im abgeschirmten Bereich des signalführenden Leiters platziert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenners besteht die Kapazität und/oder die Induktivität und/oder der ohm'sche Widerstand aus genau einem Bauteil, welches fallweise ein Kondensator, eine Spule oder ein Schichtwiderstand ist. In diesem Fall kann der Gleichspannungstrenner besonders kompakt aufgebaut werden, benötigt keine Versorgungsspannung und ist dadurch bedingt robust und zuverlässig.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann die Kapazität und/oder die Induktivität und/oder der ohm'sche Widerstand durch ein Netzwerk gebildet werden, welches Halbleiterbauelemente und/oder Widerstände und/oder Kondensatoren und/oder Induktivitäten umfasst. Mittels solcher Netzwerke können auch große Werte für die Kapazität oder die Induktivität realisiert werden, ohne die Nachteile großer und schwerer Bauelemente hinnehmen zu müssen. So kann beispielsweise auch bei großen Induktivitäten der ohm'sche Widerstand einer Spule gering gehalten werden oder die dielektrische Verlustleistung kapazitätsstarker Kondensatoren wird durch ein Netzwerk mehrerer Bauelemente vermindert.
Besonders bevorzugt ist der Aufbau des Gleichspannungstrenners gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn die verwendeten Bauelemente mit SMD-Gehäusen versehen sind. Solche Bauteile weisen geringe geometrische Abmessungen auf, wodurch der Einfluss der Bauelemente auf die elektrische Feldverteilung rund um die Leiteranordnung weiter verringert wird. Da keine Bohrungen für Drahtanschlüsse vorhanden sein müssen, verzichtet diese Ausführungsform auf eine weitere Fehlerquelle, an welcher Reflexionen und Verluste des HF-Signals auftreten können. Darüber hinaus weisen SMD-Bauteile standardisierte Gehäuse ähnlicher Abmessungen auf, welche einen einfachen und zuverlässigen Aufbau ermöglichen.
Eine besonders einfache Integration des erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenners in bestehende Umgebungen ergibt sich dann, wenn die dem Isolator zugewandte Fläche des Signalleiters in Richtung auf die Kapazität hin stufenweise oder kontinuierlich zunimmt und die dem Isolator zugewandte Fläche des Masseleiters stufenweise oder kontinuierlich abnimmt. In diesem Fall können weiterhin die bekannten schmalen Signalleitungen für einen Großteil des Signaltransports auf der elektronischen Schaltung verwendet werden. Auch kann die gegenüberliegende Massefläche weiterhin großflächig ausgeführt werden. Lediglich im Bereich des Bias-T werden die Verhältnisse umgekehrt, indem der Signalleiter stufenweise oder kontinuierlich verbreitert wird und der Masseleiter korrespondierend hierzu schmäler wird. Bevorzugt an der breitesten Stelle des Signalleiters wird dieser dann unterbrochen, wobei der entstehende Spalt durch mindestens eine Kapazität überbrückt wird. Nach der Gleichspannungstrennung wird dann die Signalleitung wieder stufenweise oder kontinuierlich auf den ursprünglichen Wert verringert und die Masseleitung hierzu korrespondierend verbreitert. Durch diese Anpassung der Leiterflächen bleibt der Wellenwiderstand der Leitung über das Bias-T hinweg konstant. Dadurch werden Reflexionen und Verschlechterungen des HF-Signales zuverlässig vermieden. Die Abmessungen der Leiter wird der Fachmann anhand bekannter Formeln im Einzelfall bestimmen, wobei die Breite im Wesentlichen von der Dicke und der relativen Dielektrizitätszahl des verwendeten Dielektrikums abhängen.
Zu den besonders bevorzugten Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Bias-T gehört die Messtechnik, beispielsweise an Galliumnitrid-Bauelementen und die Verstärkertechnik, da in diesen Bereichen besondere Anforderungen an die Bandbreite und/oder die Belastbarkeit mit hohen Gleichströmen bestehen. Die erfindungsgemäße Gleichstromzuführung lässt sich mit einfachen Herstellungsmethoden nach dem Stand der Technik in ein bestehendes Platinenlayout integrieren. Somit wird ein Verstärkermodul möglich, welches einerseits das HF-Signal verstärkt und gleichzeitig einen Gleichspannungsanteil aufprägt. Fallweise ist auch die monolithische Integration des Gleichspannungstrenners mit einem Verstärker auf dem selben Halbleiter-Wafer möglich. Dadurch werden Leitungslängen und Übergänge nochmals kleiner und störende Reflektionen des HF-Signals vermieden.
Um eine Störung umliegender Baugruppen zu vermeiden und die Einstrahlung unerwünschter Hochfrequenzsignale in den erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenner zu vermeiden, kann die gesamte Anordnung von einer elektrisch leitfähigen Abschirmung oder einem Gehäuse umgeben werden. Besonders bevorzugt wird dieses mit der elektrischen Masse verbunden. Damit sich das elektrische Feld der propagierenden HF-Welle zwischen Signal- und Masseleiter konzentriert, wird der Fachmann beispielsweise einen größeren Abstand der Abschirmung vom Signalleiter vorsehen. Dadurch ist nur der kleinere Masseleiter maßgeblich an der Wellenführung des HF-Signals beteiligt und der Einfluss der Abschirmung bleibt gering.
Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den Ausführungsbeispielen werden erfindungsgemäße Abmessungen der jeweiligen Wellenleiterstrukturen gezeigt.

Figur 1: zeigt die elektrische Schaltung einer Gleich- spannungszuführung nach dem Stand der Technik.
Figur 2: zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Feldverteilung einer Mikrostreifen- leitung nach dem Stand der Technik mit und ohne
Figur 3: Serienkapazität C. Der Signalleiter ist der obere Leiter. Der unten dargestellte Leiter ist der Masseleiter. 3 (a) zeigt eine ungestörte invertierte Mikro- streifenleitung und 3 (b) zeigt eine invertierte Mikrostreifenleitung mit einer Serienkapazität C gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 3a und 3b ist der obere Leiter der Signalleiter.
Figur 3c: zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenners.
Figur 4: zeigt ein Platinenlayout, mit welchem die erfindungsgemäße Gleichspannungszuführung als Mikrostreifenleitung auf einem ebenen Substrat realisiert werden kann.
Figur 5a: zeigt die gemessene Transmission und die Anpassung der Gleichspannungszuführung nach Figur 4 im Frequenzbereich von 500 kHz bis 500 MHz.
Figur 5b: zeigt dieselben Messungen im Frequenzbereich von 500 MHz bis 40 GHz. Zusätzlich sind Messwerte eines Leitungsstückes als Vergleich aufgetragen.
Figur 6: zeigt die Differenz der gemessenen Transmission einer Referenzleitung und der Gleichspannungs- zuführung nach Figur 4 im Frequenzbereich von 500 MHz bis 40 GHz.
Figur 7: zeigt eine Gleichspannungszuführung gemäß der vorliegenden Erfindung in der Bauweise einer Koaxialleitung.
Figur 8: zeigt eine schematische Darstellung einer symmetrishen Streifenleitung in einem erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenner.
Figur 9: zeigt, was unter einem im Leiter selbst eingekapselten Hohlraum zu verstehen ist

Figur 2a zeigt eine schmale Signalleitung nach dem Stand der Technik welche beabstandet zu einer breiten Masseleitung angeordnet ist. Zwischen beiden Leitern bildet sich eine homogene Feldverteilung der propagierenden Welle aus. Am Rand des schmäleren Leiters verlaufen gebogene Feldlinien, welche den Leiter umgreifen. Dadurch existieren auch Feldlinien, welche von der Oberseite des schmalen Signalleiters ausgehen.
Figur 2b stellt denselben Leiter nach dem Stand der Technik mit einer Serienkapazität C im Querschnitt dar. Deutlich ist zu erkennen, dass die Kapazität den Feldlinienverlauf des freien Leiters stört. Diese Störung bleibt bei niedrigen Frequenzen bis einigen 100 MHz ohne Auswirkungen auf die Signalqualität. Bei hohen Frequenzen ab ca. 10 GHz verursacht die Serienkapazität jedoch Reflexionen, welche die Signalqualität verschlechtern.
Figur 3a zeigt eine Mikrostreifenleitung in einem Gleichspannungstrenner gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass der obere Signalleiter breiter ist als der schmale Masseleiter. Die Feldverteilung der ungestörten Mikrostreifenleitung ändert sich dadurch nicht. Figur 3b zeigt den Bereich der Gleichspannungszuführung mit Kapazitäten C und einer Induktivität L zur Gleichstromzuführung. Diese sind nun, anders als beim Stand der Technik nach Figur 2b, im feldfreien Bereich der Leiteranordnung angeordnet. Somit bleibt die Feldverteilung auch an der Gleichstromzuführung gegenüber der ungestörten Leitung unverändert. Dadurch wird das Auftreten einer oberen Grenzfrequenz f_g2 durch die Kapazität C und die Induktivität L wunschgemäß verhindert. Aufgrund des größeren Leitungsquerschnittes können größere Kondensatoren mit größeren Kapazitätswerten eingesetzt werden, so dass auch die untere Grenzfrequenz vorteilhaft verringert wird.
In Mikrostreifentechnik ist der Gleichspannungstrenner also realisiert mit einem Masseleiter und einem signalführendem Leiter welche als Streifen auf ein dielektrisches Substrat aufgebracht sind. In Figur 3c ist ein Querschnitt orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des propagierenden Wechselspannungssignals durch einen erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenner gezeigt. Der Masseleiter (B) ist auf der einen Seite des dielektrischen Substrats (S) und der signalführende Leiter (A) auf der anderen Seite des dielektrischen Substrats (S) aufgebracht, wobei auf der substratabgewandten Seite des signalführenden Leiters (A) ein Kondensator (C) am signalführenden Leiter (A) angeordnet ist, wobei dass der signalführende Leiter (A) breiter ist als der Masseleiter (B). Breiter bedeutet, dass die Strecke, die die zwei äußersten Punkte a₁ und a₂ der Metallisierung des signalführenden Leiters (A) verbindet, breiter ist als die Strecke, die die beiden äußersten Punkte, b₁ und b₂, der Metallisierung des Masseleiters (B) verbindet.
Figur 4 zeigt das Platinenlayout eines in Mikrostreifentechnik realisierten Gleichspannungstrenners gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt die Oberflächenmetallisierung in grau und die Rückseitenmetallisierung in schwarz. Auf der Oberseite ist im linken Bereich der Signalleiter als schmale Leiterbahn ausgebildet, der gegenüberliegende Masseleiter ist deutlich breiter als der Signalleiter. Im mittleren Bereich ist die Gleichstromzuführung mit drei Kondensatoren C zur Gleichspannungstrennung realisiert. Beiderseits der Kondensatoren wird die Gleichspannung über Induktivitäten L zu- bzw. abgeführt.
In diesem mittleren Bereich mit den elektronischen Bauelementen ist die Signalleitung deutlich breiter als die Masseleitung. Dazu wird die Signalleitung kontinuierlich vergrößert, bis diese die Breite des ursprünglichen Masseleiters erreicht. Der Masseleiter wird im gleichen Flächenbereich dazu angepasst verringert, bis dieser die Breite des ursprünglichen Signalleiters erreicht hat. Da der Wellenwiderstand einer solchen Mikrostreifenanordnung eine Funktion der Leiterbreite, der Leiterplattendicke und der relativen Dielektrizitätszahl ist, ändert sich die Impedanz der Leitung durch diese Änderung der Leiterbreite nicht, wie die Messergebnisse nach Fig. 5 und 6 zeigen. Das Feld der elektromagnetischen Welle, welches stets zwischen dem breiten und dem schmalen Leiter lokalisiert ist, wandert somit im Bereich des Übergangs von der Leiterplattenoberseite auf die Unterseite. Im Bereich der Kapazitäten C und der Gleichstromzuführungen, welche an der Leiterplattenoberseite angeordnet sind, ist der Leiter somit feldfrei.
Das Platinenlayout aus Figur 4 wurde auf einem Leiterplattensubstrat mit einer Dicke von 508 µm mit einer Kupfermetallisierung auf der Ober- und Unterseite von jeweils 17 µm Dicke realisiert. Das Substratmaterial war ein handelsübliches, glasfaserverstärktes PTFE-Material mit einer Dielektrizitätszahl ε_r=3,38 bei einer Frequenz von 10 GHz. Der dielektrische Verlust bei dieser Frequenz beträgt 0,0027. Die gesamte Leiterplatte hat eine Breite von 4 cm und eine Länge von 7,3 cm. Davon ist eine Fläche von 2 x 7,3 cm² mit dem Bias-T belegt. eine weitere Fläche von 2 x 7,3 cm² trägt eine gerade, gleichmäßig breite Referenzleitung ohne weitere Bauelemente.
Figur 5a zeigt eine Messung der Streuparameter (S-Parameter) im Bereich von 500 kHz bis 500 MHz. S-Parameter werden zur Beschreibung von Eigenschaften linearer zeitinvarianter Netzwerke bei hohen Frequenzen verwendet, da sich die variablen Größen Strom und Spannung nur noch mit großen Schwierigkeiten messen lassen. S-Parameter beschreiben in Betrag und Phase die Signalteile, welche an verschiedenen Toren eines Netzwerkes transmittiert oder reflektiert werden. Nach Figur 5 ist eine nahezu ungestörte Transmission von Tor 1 zu Tor 2 des Bias-Ts bei einer Frequenz von 25 MHz oder höher möglich. Die Bandbreitebegrenzung nach unten ist durch die eingesetzte Induktivität gegeben.
Figur 5b zeigt die Messung der S-Parameter für den Frequenzbereich von 500 MHz bis 40 GHz. Zum Vergleich sind die Daten der gleich langen Mikrostreifenleitung ohne weitere Bauelemente dargestellt. Sowohl die Referenzleitung als auch die erfindungsgemäße Gleichspannungszuführung zeigen eine Transmission, welche kontinuierlich zu höheren Frequenzen abfällt.
Die Figur 5b lässt erkennen, dass das erfindungsgemäße Bias-T das Signal mit gleicher Güte transportiert wie die gerade Referenzleitung ohne weitere Bauelemente. Die bisher durch eine Gleichspannungszuführung beobachtete Signalverschlechterung tritt bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenner nicht mehr auf.
Dieser Sachverhalt ist in Figur 6 nochmals dargestellt. Die Grafik zeigt die Differenz der gemessenen Transmissionen aus Fig. 5 für die Referenzleitung und die Gleichspannungszuführung nach Figur 4. Bis zu einer Frequenz von 35 GHz ist diese Differenz nahezu Null, ab 35 GHz ist eine Differenz von 2 dB messbar.
Figur 7 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gleichstromzuführung in Koaxialform. Wie bereits bei der Mikrostreifenleitung wird mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Paradigma gebrochen, dass die Masseleitung die großflächigere Leitung darstellt. Im erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenner wird der innere, an der Symmetrieachse angeordnete Leiter als Masseleiter verwendet. Dieser ist von einem im Wesentlichen zylindrischen Isolatormaterial umgeben. Außen um das Isolatormaterial wird der ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmige Signalleiter als hohlzylindrischer Außenleiter angebracht. Somit unterscheidet sich die Feldverteilung im inneren des Koaxialleiters nicht von der Feldverteilung nach dem Stand der Technik. Der außen angeordnete Signalleiter gestattet jedoch, Bauelemente zur Gleichspannungstrennung und Gleichspannungszu- oder -abfuhr im feldfreien Bereich außerhalb des Koaxialleiters anzubringen. Hierzu wird der Außenleiter aufgetrennt und der entstehende Spalt mit Kondensatoren überbrückt. Der Spalt, der für die Durchführung der Gleichspannungstrennung in den signalführenden Leiter eingebracht wird, stört die Abschirmungsfähigkeit des außen angeordneten signalführenden Leiters. Dennoch tritt bereits ein bis zwei Spaltbreite vom Spalt entfernt wieder ein nahezu feldfreier Bereich ein, so dass der Effekt dieser Streufelder vernachlässigbar ist. Die Kondensatoren_können je nach Material des Außenleiters außen auf diesem angebracht werden oder bei größerer Materialstärke des Außenleiters auch in diesen eingelassen werden.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungstrenner, und zwar in Form der symmetrischen Streifenleitung. Bei der symmetrischen Streifenleitung nach dem Stand der Technik ist der signalführende Leiterstreifen in einem Dielektrikum eingebettet und verläuft parallel zu zwei leitfähigen Schichten, die auf den beiden gegenüberliegenden Seiten des Dielektrikums aufgebracht sind, und als Masseleiter dienen. Erfindungsgemäß wird diese Anordnung nun so verändert (siehe Figur 8), dass die zwei äußeren leitfähigen Schichten (A₁ und A₂), die auf den beiden gegenüberliegenden Seiten des Dielektrikums aufgebracht sind, die signalführenden Leiter darstellen, und der im Dielektrikum eingebettete innere Leiter (B) der Masseleiter ist. Dabei sind die auf den gegenüberliegenden Seiten des Dielektrikums aufgebrachten Leiter (A₁ und A₂), also die signalführenden Leiter (A₁ und A₂), breiter als der Masseleiter (B). Nach Figur 8 heißt dies, dass die Strecke zwischen a₁ und a₂ breiter ist als die Strecke zwischen b₁ und b₂. Dabei sind a₁ und a2 die jeweils äußersten Punkte der Metallisierung der signalführenden Leiter A₁ und A₂, sowie b₁ und b₂ die äußersten Punkte der Metallisierung des Masseleiters. Zur Gleichspannungstrennung wird nun in die signalführenden Leiter A₁ und A₂ ein Spalt entlang a₁ und a₂, eingebracht. Die Kondensatoren (nicht gezeigt) für die Gleichspannungstrennung werden auf der substratabgewandten Seite der signalführenden Leiter A₁ und A₂ angeordnet, unmittelbar in der Nähe des Spaltes.

Claims

Gleichspannungstrenner mit mindestens einem Masseleiter und mindestens einem Signalleiter, welche mittels eines Isolators beabstandet angeordnet sind, wobei im Signalleiter mindestens eine Kapazität angeordnet ist die eine Spalte im Signalleiter überbrückt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität in einem Bereich angeordnet ist, in welchem die dem Isolator zugewandte Fläche des Signalleiters größer ist als die dem Isolator zugewandte Fläche des Masseleiters, so dass der Signalleiter das elektrische Feld eines propagierenden Wechselspannungssignals abschirmt, derart, dass es einen abgeschirmten Bereich an einer isolatorabgewandten Oberfläche des Signalleiters gibt, in dem die Amplitude der elektrischen Feldstärke des Wechselspannungssignals niedriger ist als die Amplitude der elektrischen Feldstärke des Wechselspannungssignals, die an der Oberfläche des Masseleiters auftritt und die Kapazität im abgeschirmten Bereich angeordnet ist.
Gleichspannungstrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalleiter auf mindestens einer Seite der Kapazität mit einer Induktivität und/oder einem ohmschen Widerstand verbunden ist.
Gleichspannungstrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität und/oder die Induktivität und/oder der ohmsche Widerstand aus genau einem Kondensator, einer Spule oder einem Schichtwiderstand bestehen.
Gleichspannungstrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität und/oder die Induktivität und/oder der ohmsche Widerstand durch ein Netzwerk gebildet wird, welches Halbleiterbauelemente und/oder Widerstände und/oder Kondensatoren und/oder Induktivitäten umfasst.
Gleichspannungstrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterbauelemente und/oder Widerstände und/oder Kondensatoren und/oder Induktivitäten mit SMD-Gehäusen versehen sind.
Gleichspannungstrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator eine Dielektrizitätskonstante von etwa 1 bis etwa 13, insbesondere etwa 3 bis etwa 10 aufweist.
Gleichspannungstrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Isolator zugewandte Fläche des Signalleiters in Richtung auf die Kapazität hin zunimmt und die dem Isolator zugewandte Fläche des Masseleiters abnimmt.
Gleichspannungstrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseleiter und der Signalleiter auf gegenüberliegenden Seiten eines ebenen Isolators angeordnet sind.
Gleichspannungstrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Masseleiter von einem zylinderförmigen Isolator umgeben ist, welcher seinerseits von einem zylinderförmigen Signalleiter umgeben ist
Gleichspannungstrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Signalleiter aus einem Drahtgeflecht zusammengesetzt ist.
Gleichspannungstrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Masseleiter und der mindestens eine Signalleiter von einem weiteren Leiter umgeben ist.
Verstärker mit einem Gleichspannungstrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er GaN und/oder GaAs enthält.
Verwendung eines Gleichspannungstrenners nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in der Messtechnik.