EP2815455A1 - Koppelstruktur zum kreuzen von übertragungsleitungen - Google Patents

Koppelstruktur zum kreuzen von übertragungsleitungen

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EP2815455A1
EP2815455A1 EP12813791.6A EP12813791A EP2815455A1 EP 2815455 A1 EP2815455 A1 EP 2815455A1 EP 12813791 A EP12813791 A EP 12813791A EP 2815455 A1 EP2815455 A1 EP 2815455A1
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Abstract

Koppelstruktur zum Kreuzen von drei Übertragungsleitungen (11; 12; 13) für Millimeterwellen- oder Zentimeterwellen-Signale (S1; S2; S3) in einer Signalleiterlage (72) eines Schaltungssubstrates (70), wobei die Koppel struktur (10) drei planare Kreuzkoppler (30; 40; 50) umfasst, und wobei von jedem der drei Kreuzkoppler (30; 40; 50) zwei in der Ebene des Kreuzkopplers (30; 40; 50) im Uhrzeigersinn aufeinanderfolgende Ein-/Ausgangspunkte (33; 34; 41; 43; 44; 53; 54) des Kreuzkopplers (30; 40; 50) verbunden sind mit jeweils einem Ein-/Ausgangspunkt (33; 34; 41; 43; 44; 53; 54) eines jeweiligen anderen der drei Kreuzkoppler (30; 40; 50).

Description

KOPPELSTRUKTUR ZUM KREUZEN VON ÜBERTRAGUNGSLEITUNGEN
Die Erfindung betrifft eine Koppelstruktur zum Kreuzen von Übertragungsleitungen in einer Signalleiterlage eines Schaltungssubstrates, insbesondere eine Koppelstruktur zum Kreuzen von Übertragungsleitungen für Millimeterwellen- oder Zentimeterwellen- Signale.
STAND DER TECHNIK
Um Übertragungsleitungen für hochfrequente Signale zu kreuzen, ist es bekannt, ein Schaltungssubstrat mit mehreren Metallisierungslagen zur Verfügung zu stellen, auf dem in unterschiedlichen Metallisierungslagen ausgebildete Übertragungsleitungen sich kreuzen können. Eine Übertragungsleitung in einer Metallisierungslage kann dabei einen Kreuzungsbereich über einen Umweg über eine andere Metallisierungslage überbrücken. Nachteilig ist dabei der zusätzliche Aufwand für das Vorsehen einer zweiten oder weiteren Metallisierungslage.
Bekannt ist auch die Realisierung einer Kreuzung zweier Übertragungsleitungen der- selben Metallisierungsebene mittels einer Brücke aus einem diskreten Bauteil. Hier kann es jedoch je nach Anforderungen zu nachteiligen Leistungsverlusten kommen.
J.-S. Neron, G.-Y. Delisle, "Microstrip EHF Butler Matrix Design and Realization", ETRI Journal, Volume 27, Number 6, December 2005, beschreibt eine Koppelstruktur zum Kreuzen von zwei Übertragungsleitungen für ein 36 GHz Signal. Die Koppelstruktur besteht aus einem planaren Kreuzkoppler, auch als O-dB-Koppler bezeichnet, der eine Kreuzung zweier Übertragungsleitungen mit minimaler Kopplung zwischen denselben ermöglicht. Der planare Kreuzkoppler ist als Kaskade von zwei 90°-Hybrid-Kopplern ausgeführt. Ein solcher, an sich bekannter 90°-Hybrid-Koppler erzeugt aus einem Eingangssignal an einem von zwei Eingangspunkten zwei um 90° phasenversetzte Signa- le an seinen Ausgangspunkten. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Koppelstruktur zum Kreuzen von drei Übertragungsleitungen insbesondere für Signale im Bereich von 76 bis 77 GHz in einer Signalleiterlage eines Schaltungssubstrates zu schaffen. Ein Beitrag zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Koppelstruktur zum Kreuzen von drei Übertragungsleitungen für Millimeterwellen- oder Zentimeterwellen-Signale in einer Signalleiterlage eines Schaltungssubstrates geleistet, die drei planare Kreuzkoppler umfasst, wobei von jedem der drei Kreuzkoppler zwei in der Ebene des Kreuzkopplers im Uhrzeigersinn aufeinanderfolgende Ein-/Ausgangspunkte des Kreuzkopplers verbunden sind mit jeweils einem Ein-/Ausgangspunkt eines jeweiligen anderen der drei Kreuzkoppler. Die Signalleiterlage ist vorzugsweise eine Metallisierungslage des Schaltungssubstrates.
Diese Koppel struktur ermöglicht es insbesondere, dass die genannten, im Uhrzeigersinn aufeinanderfolgenden Ein-/Ausgangspunkte eines jeweiligen Kreuzkopplers in derselben Signalleiterlage mit jeweils einem Ein-/Ausgangspunkt eines jeweiligen anderen der drei Kreuzkoppler verbunden sind. Somit kann eine Koppelstruktur zum Kreuzen von drei Übertragungsleitungen innerhalb einer einzigen Signalleiterlage realisiert werden, bei der die Koppelstruktur keine außerhalb der Signalleiterlage angeordneten Bauteile aufweist, insbesondere keine diskreten Bauteile. Eine solche Koppelstruktur kann beispielsweise vorteilhaft eingesetzt werden in analogen und/oder digitalen Schaltungen für Radarsensoren, in denen Signale im entsprechenden Frequenzbereich innerhalb einer Metallisierungslage sich kreuzen sollen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Koppelstruktur;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer erfin- dungsgemäßen Koppelstruktur;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Kreuzkopplers in Form eines 90°- Hybrid-Kopplers;
Fig. 4 eine schematische Darstellung dreier durch eine erfindungsgemäße
Koppelstruktur gekreuzter Übertragungsleitungen; und Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines Schaltungssubstrates.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen unterschiedliche Beispiele von Koppelstrukturen 10, 10' zum Kreuzen von drei Übertragungsleitungen 1 1 , 12, 13 für Signale S1 , S2 und S3 im Be- reich von 76 bis 77 GHz gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 4. Von einer ersten Schaltungsseite, in Fig. 1 , Fig. 2 und Fig. 4 jeweils links, sind für drei Signale S1 , S2, S3 in dieser Reihenfolge nebeneinander angeordnete Signalleitungen 11 , 12, 13 (Fig. 4) mit jeweils einem Ein-/Ausgangspunkt 21 , 22, 23 verbunden. Auf der entgegengesetzten Seite der Koppelstruktur 10 sind in umgekehrter Reihenfolge Fortset- zungen der drei Signalleitungen 13', 12', 11 ', für die Signale S3, S2, S1 mit jeweils einem Ein-/Ausgangspunkt 26, 25, 24 der Koppelstruktur 10 verbunden. Die an den Ein-/Ausgangspunkten 21 , 22, 23 der einen Seite der Koppelstruktur anliegenden Signale werden so auf die Ein-/Ausgangspunkte 26, 25, 24 der anderen Seite der Koppelstruktur 10 übertragen, dass die Reihenfolge der Signale (i.e. die Reihenfolge in der Anordnung der Signalpfade nebeneinander) vertauscht wird. In den Fig. 1 , 2 und 4 sind die entsprechenden Seiten der Koppelstruktur 10 bzw. 10' durch eine gestrichelte Linie voneinander abgegrenzt. Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel einer Koppelstruktur 10 entsprechend Fig. 4. Die Koppelstruktur 10 besteht aus drei planaren Kreuzkopplern 30, 40, 50, die sternförmig miteinander verbunden sind und in einer selben Signalleiterlage eines Schaltungssubstrates angeordnet sind. Zwei nebeneinanderliegende erste Ein-/Ausgangspunkte 31 , 32 eines ersten Kreuzkopplers 30 bilden die Ein-/Ausgangspunkte 21 , 22 der Koppelstruktur, zwei nebeneinanderliegende erste Ein-/Ausgangspunkte 41 , 42 eines zweiten Kreuzkopplers 40 bilden die Ein-/Ausgangspunkte 23, 24 der Koppelstruktur, und zwei nebeneinanderliegende erste Ein-/Ausgangspunkte 51 , 52 eines dritten Kreuzkopplers 50 bilden Ein-/Ausgangspunkte 25, 26 der Koppelstruktur 10. Auf einer entgegengesetzten Seite der jeweiligen Kreuzkoppler 30, 40, 50 sind nebeneinanderliegende zweite Ein-/Ausgangspunkte 33, 34 des ersten Kreuzkopplers an Schaltungspunkten B, A mit jeweils einem zweiten Ein-/Ausgangspunkt 44 bzw. 53 eines jeweiligen anderen Kreuzkopplers 40, 50 der drei Kreuzkoppler direkt in derselben Signalleiterlage verbunden, und ein weiterer zweiter Ein-/Ausgangspunkte 43 des zweiten Kreuzkopplers ist an einem Schaltungspunkt C mit einem weiteren zweiten Ein-/Ausgangspunkt 54 des dritten Kreuzkopplers 50 direkt in derselben Signalleiterlage verbunden.
Somit bilden jeweils zwei nebeneinanderliegende erste Ein-/Ausgangspunkte 31 , 32; 41 , 42; bzw. 51 ; 52 eines jeweiligen Kreuzkopplers 30, 40, 50 Ein-/Ausgangspunkte 21 bis 26 der Koppelstruktur, und auf einer entgegengesetzten Seite des jeweiligen Kreuzkopplers 30, 40, 50 nebeneinanderliegende zweite Ein-/Ausgangspunkte 33, 34; 43, 44; bzw. 53, 54 des Kreuzkopplers sind mit jeweils einem zweiten Ein- /Ausgangspunkt 44, 53; 54, 33; bzw. 34, 43 eines jeweiligen anderen der drei Kreuzkoppler 30, 40, 50 direkt in derselben Signalleiterlage verbunden. Die dadurch gebildete Koppelstruktur 10 koppelt die in dieser Reihenfolge an der ersten Seite über die Ein-/Ausgangspunkte 21 , 22, 23 zugeführten Signale S1 , S2, S3 mit den Ein-/Ausgangspunkten 26, 25, 24 an der entgegengesetzten Seite der Koppelstruktur 10 in umgekehrter Reihenfolge. Durch eine geeignete Auslegung der einzelnen Teilstücke oder Leiterabschnitte der Koppelstruktur 10 und der einzelnen Teilstücke oder Leiterabschnitte der Kreuzkoppler 30, 40, 50 kann die Geometrie der Koppelstruk- tur 10 und der einzelnen Kreuzkoppler 30, 40, 50 so optimiert werden, dass sich an den als Ausgang verwendeten Ein-/Ausgangspunkten 26, 25, 24 die Anteile des jeweils gewünschten Signals S3, S2 bzw. S1 sich konstruktiv überlagern und die Anteile der jeweils anderen Signale destruktiv überlagern. Insbesondere werden die elektrischen Längen und Leitungswellenwiderstände geeignet eingestellt. Dies kann für ein gegebenes Substrat durch Anpassung der Leitungslängen und Leitungsbreiten erreicht werden. Auf diese Weise kann eine Kreuzung der drei Signalleitungen 1 1 , 12, 13 mit möglichst geringer gegenseitiger Störung der Signale erreicht werden.
Fig. 2 zeigt ein zweites Beispiel einer erfindungsgemäßen Koppelstruktur 10', die eben- falls drei planare Kreuzkoppler 30, 40, 50 umfasst. Die Kreuzkoppler sind hintereinander angeordnet, wobei ein erster Kreuzkoppler 30 auf der ersten Seite der Koppelstruktur 10' zwei erste Ein-/Ausgangspunkte 31 , 32 des Kreuzkopplers 30 für Signale S1 , S2, die den Ein-/Ausgangspunkten 21 , 22 der Koppelstruktur 10' entsprechen, mit in umgekehrter Reihenfolge angeordneten zweiten Ein-/Ausgangspunkten 33, 34 des Kreuzkopplers 30 koppelt. Ein zweiter Ein-/Ausgangspunkt 33 des ersten Kreuzkopplers 30 ist an einem Schaltungspunkt D direkt mit einem ersten Ein-/Ausgangspunkt 41 eines zweiten, nachfolgenden Kreuzkopplers 40 verbunden, dessen anderer erster Ein- /Ausgangspunkt 42 dem Signal S3 zugeordnet ist und dem Ein-/Ausgangspunkt 23 der Koppelstruktur 10' entspricht. Der zweite Kreuzkoppler 40 ist dabei mit demjenigen zweiten Ein-/Ausgangspunkt 33 des ersten Kreuzkopplers 30 verbunden, der dem ersten Ein-/Ausgangspunkt 31 für das Signal S1 diagonal gegenüberliegt. Dementsprechend werden auf der beschriebenen Seite der Koppelstruktur 10' die Signale S1 , S2, S3 in dieser Reihenfolge nebeneinander zugeführt.
Der Schaltungspunkt D ist über den zweiten Kreuzkoppler 40 mit einem diagonal ge- genüberliegenden zweiten Ein-/Ausgangspunkt 43 des zweiten Kreuzkopplers 40 für das Signal S1 gekoppelt, der dem Ein-/Ausgangspunkt 24 der Koppelstruktur 10' entspricht. Entsprechend ist über den zweiten Kreuzkoppler 40 das am anderen ersten Ein-/Ausgangspunkt 42 des zweiten Kreuzkopplers 40 anliegende Signal S3 an einem diagonal gegenüberliegenden Schaltungspunkt E direkt in derselben Signalleiterlage mit einem zweiten Ein-/Ausgangspunkt 54 des dritten Kreuzkopplers 50 verbunden. Der andere zweite Ein-/Ausgangspunkt 53 des dritten Kreuzkopplers 50 ist an einem Schaltungspunkt F direkt in derselben Signalleiterlage über eine Signalleitung 58 in Form eines Leiterabschnitts mit dem anderen zweiten Ein-/Ausgangspunkt 34 des ersten Kreuzkopplers 30 verbunden. Diese Verbindung verläuft somit parallel zu dem zweiten Kreuzkoppler 40. Über den dritten Kreuzkoppler 50 sind die beiden Schaltungspunkte E, F wiederum mit jeweils diagonal gegenüberliegenden ersten Ein- /Ausgangspunkten 52, 51 des dritten Kreuzkopplers 50 gekoppelt, die den Ein- /Ausgangspunkten 26, 25 der Koppelstruktur 10' entsprechen, so dass insgesamt durch die Koppelstruktur 10' die Reihenfolge der Anordnung der Signale S1 , S2, S3 umgekehrt wird.
Fig. 3 zeigt schematisch anhand des Kreuzkopplers 30 den Aufbau eines der Kreuzkoppler 30, 40, 50 der Fig. 1 oder 2. Die übrigen Kreuzkoppler 40, 50 sind entsprechend aufgebaut.
Der Kreuzkoppler 30 ist als Kaskade zweier 90°-Hybrid-Koppler 60, 62 aufgebaut, wo- bei an einem ersten Ende der Kaskadierung die ersten Ein-/Ausgangspunkte 31 , 32 des Kreuzkopplers unmittelbar nebeneinander angeordnet sind und an einem zweiten Ende der Kaskadierung die zweiten Ein-/Ausgangspunkte 34, 33 unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. In der Ebene des Kreuzkopplers 30 folgen die Ein- /Ausgangspunkte im Uhrzeigersinn in der Reihenfolge 31 , 32, 33, 34, 31 , ... usw. auf- einander. Der Kreuzkoppler 30 umfasst zwei Längsverbindungen 64, 66, welche die Ein-/Ausgangspunkte 31 und 34 bzw. 32 und 33 direkt und geradlinig miteinander verbinden, und die durch drei Querverbindungen 68 miteinander verbunden sind, so dass eine sprossenleiterförmige Struktur mit drei Quersprossen gebildet ist. Die Länge der Querverbindungen 68 beträgt annähernd ein Viertel einer Signalwellenlänge in der Signalleitung. Die Länge der jeweiligen Abschnitte der Längsverbindungen 64, 66 zwischen zwei Querverbindungen 68 entspricht ebenfalls annähernd einem Viertel einer Signalwellenlänge.
Bei den Fig. 1 und 2 dargestellten Beispielen weisen stets wenigstens zwei Kreuzkoppler 30, 50 der drei Kreuzkoppler jeweils an einem Ende der betreffenden Kaskade ihrer 90°-Hybrid-Koppler 60, 62 zwei nebeneinanderliegende Ein-/Ausgangspunkte 31 , 32 bzw. 51 , 52 auf, welche Ein-/Ausgangspunkte 21 , 22 bzw. 25, 26 der Koppelstruktur 10, 10' bilden. Bei dem Beispiel der Fig. 1 trifft dies für jeden der drei Kreuzkoppler zu.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Aufbau eines Schaltungssubstrates 70, auf dem beispielsweise die Koppelstruktur 10 oder 10' realisiert ist. Das Schaltungssubstrat 70 umfasst eine Signalleiterlage 72 in Form einer entsprechend strukturierten Metallisierungsschicht, in der die jeweilige Kopplungsstruktur 10, 10' ausgebildet ist. Weiter umfasst das Schaltungssubstrat 70 eine Trägerplatte 74 in Form eines Dielektrikums und eine Masselage 76. Die Signalleiterlage 72 und die Masselage 76 sind auf entgegengesetzten Seiten der Trägerplatte 74 angeordnet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Koppelstruktur zum Kreuzen von drei Übertragungsleitungen (11 ; 12; 13) für Millimeterwellen- oder Zentimeterwellen-Signale (S1 ; S2; S3) in einer Signalleiterlage (72) eines Schaltungssubstrates (70),
wobei die Koppelstruktur (10) drei planare Kreuzkoppler (30; 40; 50) umfasst, und
wobei von jedem der drei Kreuzkoppler (30; 40; 50) zwei in der Ebene des Kreuzkopplers (30; 40; 50) im Uhrzeigersinn aufeinanderfolgende Ein- /Ausgangspunkte (33; 34; 41 ; 43; 44; 53; 54) des Kreuzkopplers (30; 40; 50) verbunden sind mit jeweils einem Ein-/Ausgangspunkt (33; 34; 41 ; 43; 44; 53; 54) eines jeweiligen anderen der drei Kreuzkoppler (30; 40; 50).
2. Koppelstruktur nach Anspruch 1 , bei dem die Kreuzkoppler (30; 40; 50) jeweils als Kaskade von 90°-Hybrid-Kopplern (60; 62) ausgebildet sind.
3. Koppelstruktur nach Anspruch 2, bei der wenigstens zwei Kreuzkoppler (30; 50) der drei genannten Kreuzkoppler (30; 40; 50) jeweils an einem Ende der betreffenden Kaskade zwei nebeneinanderliegende Ein-/Ausgangspunkte (31 ; 32; 51 ; 52) aufwei- sen, welche Ein-/Ausgangspunkte (21 ; 22; 25; 26) der Koppelstruktur (10) bilden.
4. Koppelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der von jedem der drei genannten Kreuzkoppler (30; 40; 50) zwei in der Ebene des Kreuzkopplers (30; 40; 50) im Uhrzeigersinn aufeinanderfolgende Ein-/Ausgangspunkte (33; 34; 41 ; 43; 44; 53; 54) des Kreuzkopplers (30; 40; 50) direkt und in derselben Signalleiterlage (32) verbunden sind mit jeweils einem Ein-/Ausgangspunkt (33; 34; 41 ; 43; 44; 53; 54) eines jeweiligen anderen der drei Kreuzkoppler (30; 40; 50).
5. Koppelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die drei Kreuzkoppler (30; 40; 50) sternförmig angeordnet sind.
6. Koppelstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die drei Kreuzkoppler (30; 40; 50) sequentiell hintereinander angeordnet sind, wobei ein zweiter, mittlerer Kreuzkoppler (40) seitlich versetzt zu einem ersten und einem dritten Kreuzkoppler (30; 50) angeordnet ist und eine neben dem mittleren Kreuzkoppler (40) verlaufende Sig- nalleitung (58) einen Ein-/Ausgangspunkt (34) des ersten Kreuzkopplers (30) mit einem Ein-/Ausgangspunkt (53) des dritten Kreuzkopplers (50) verbindet.
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