FI106414B - Laajakaistainen impedanssisovitin - Google Patents

Description

V

106414

Laajakaistainen impedanssisovitin

Keksinnön kohteena on menetelmä siirtojohdon karakterististen impedanssien sovittamiseksi, kun siirtojohto viedään dielektrisestä aineesta muodostuvan seinämän si-5 sään. Keksinnön kohteena on myös siirtojohtojen karakterististen impedanssien sovitin siirtolinjan karakteristisen impedanssin muuttamiseksi

Tietyissä RF-rakenteissa signaalin siirtolinja joudutaan muuttamaan joko mitoiltaan tai rakenteeltaan toisenlaiseksi. Tällainen tapaus on muun muassa signaalijohtimen läpivienti vapaasta ulkoilmasta hermeettisesti suojattuun MMIC-mikropiirikoteloon. 10 Kun tällainen johtimen läpivienti kotelon seinämän läpi tehdään, on siitä seuraukse na karakteristisen impedanssin muutos läpiviennin rajapinnoilla. Muutoksen aiheuttavat itse johtimen rakenteen muutos, johtimen ympärillä olevan aineen suhteellisen permittiivisyyden (sr) muutos rajapinnassa sekä mahdolliset maapotentiaalitasot johtimen lähistöllä. Nämä tekijät yhdessä vaikuttavat sähkömagneettisen kentän 15 muotoon kyseisen rajapinnan eri puolilla. Kentän muodon muutos aiheuttaa sen, että osa rajapintaan tulevasta signaalista heijastuu takaisin tulosuuntaansa. Takaisin-heijastuvan signaalin ja rajapintaan tulevan signaalin suhde, merkinnältään joko p tai RF-tekniikassa yleisesti Sn, paluuvaimennus saadaan kaavasta (1). Mitä pienempi tämä suhde on, sitä paremmin sovitus karakteristisen impedanssin suhteen läpivien-20 nin rajapinnassa on onnistuttu tekemään.

Su = y— (1), jossa Z 2 + Z , r · «

Sn = heijastuskerroin,

Zi = rajapintaan tulevan johtimen karakteristinen impedanssi ja 'j 2 = rajapinnasta lähtevän johtimen karakteristinen impedanssi.

25 Tätä karakterististen impedanssien epäsovituksen aiheuttamaa tehohäviötä raja- : ·; pinnassa kutsutaan heijastusvaimennukseksi, kaava (2).

« Γ = lOlg—p-5- [dB] (2), jossa Γ on heijastusvaimennus desibeleissä.

Käytännössä paluuvaimennuksen suuruus on voimakkaasti riippuvainen käytetystä 30 taajuudesta, ja täten sen huononeminen rajoittaa käyttäjän haluamaa taajuusaluetta.

2 106414

Toinen rajapinnan aiheuttama ongelma on rajapinnassa syntyvä syöttöhäviö. RF-tekniikassa sitä kuvataan yleisesti parametrilla S2i. Sen suuruuteen vaikuttavat rajapinnassa syntyvät säteilyhäviöt, heijastus vaimennus ja rajapinnan eri puolilla olevien aineiden erilaiset suhteelliset permittiivisyydet (εΓ). Syöttöhäviö on myös voi-5 makkaasti käytetystä taajuudesta riippuva suure, koska aineiden permittiivisyys (εΓ) muuttuu taajuuden kasvaessa. Syöttöhäviöiden minimoiminen on yhtä tärkeää kuin paluuvaimennuksenkin minimoiminen halutulla taajuusalueella, jos halutaan tehdä hyvä ja vähähäviöinen siirtotien sovitus rajapinnalla.

RF-sovelluksissa käytetään signaalin siirtoteinä yleisesti koaksiaalisia johtimia, lius-10 kajohtimia, mikroliuskajohtimia tai koplanaarijohtimia niiden erilaisina muunnelmina. Kun halutaan käyttää pieneen tilaan sopivia tai substraatille istutettavia johtimia, käytetään joko mikroliuskajohtimia tai koplanaarisia johtimia. Kyseisten johtimien etuna on erityisesti se, että ne voidaan signaalijohtimien osalta toteuttaa tasomaisina verrattuna esimerkiksi koaksiaalikaapeliin. Koplanaarijohdinrakenteella 15 myös ns. maajohdin voidaan toteuttaa samassa tasossa itse signaalijohtimen kanssa.

Yksi tapa sovittaa siirtolinja rajapinnassa on käyttää kuviossa la esitettyä neljännes-aaltomuuntajaa, joka perustuu λ/4 pituisiin portaisiin muutettaessa johtimen leveyttä. Kuviossa johdin 101 on sijoitettu sopivalle substraatille 102. Kuviossa on käytetty neljää porrasta 103 muutettaessa johtimen leveys halutuksi. Näin saatava sovitus 20 on toimiva kuitenkin vain verraten kapealla taajuusalueella. Kapeakaistaisuus aiheutuu portaiden 103 kohdalla syntyvistä epäjatkuvuuskohdista, jotka aiheuttavat epätoivottuja, reaktiivisia kenttiä tai säteilyä avaruuteen kyseisten portaiden 103 kohdalla.

Toinen yleisesti käytettävä sovitustapa on niin sanottu taperointi. Taperoinnissa joh-25 timen geometriaa muutetaan suipentamalla sitä jatkuvasti 1/2-1 λ:η matkalla alkuperäisistä mitoista haluttuihin mittoihin, kuten kuviossa Ib on esitetty. Kuviossa Ib johdin 104 on sijoitettu substraatille 102. Taperointi 105 suoritetaan portaattomasti johdinta suipentaen. Taperoinnilla tehty karakterististen impedanssien sovitus on hallitumpi kuin neljännesaaltomuuntimella tehty impedanssien sovitus. Näin ollen 30 rajapinnassa syntyvät epätoivotut ilmiöt ovat pienempiä, ja syntyvät erilaiset häviöt eivät kasva taajuuden kasvaessa yhtä voimakkaasti kuin neljännesaaltomuuntajaa käytettäessä.

Julkaisussa IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology - Part B, vol 20, No. 1 February 1997, Decker & al, Multichip MMIC 35 Package for X and Ka Band on esitetty yksi ratkaisu laajakaistaisemman sovituksen 3 106414 tekemiseksi MMIC-mikropiirinkotelon läpiviennissä. Kyseisessä ratkaisussa siirto-johdon sovittaminen tapahtuu tekemällä taperointi ennen johtimen sisäänvientiä . MMIC-koteloon. MMIC-kotelon seinämän materiaalina on käytetty eristettä, jonka suhteellinen permittiivisyys (εΓ) on suurempi kuin ilman suhteellinen permittiivisyys 5 (εΓ). Kuviossa 2 on esitetty tehdyn sovitinratkaisun periaate. Kotelon pohjarakenteen 203 päälle on muodostettu yhtenäinen, johtavaa materiaalia oleva maataso 202. Maatason päällä on eristävää ainetta oleva substraatti 201, jonka päälle on sijoitettu koplanaarinen johdinrakenne, signaalijohdin 204 ja maajohtimet 205. Johtimien lähistöllä on läpiviennissä myös maatasot 206, jotka ovat läpivientireikien 209 kautta 10 yhteydessä substraatin alla olevaan maatasoon. Kotelon seinämä 208 on myös eristävää ainetta. Koplanaarijohtimen karakteristinen impedanssi muuttuu johtimien joutuessa kotelon seinämän sisään. Impedanssin muutoksen sovitus on tehty tape-roinnilla 207. Kuten kuviossa 2 on esitetty, taperointi suoritetaan johtimelle ennen sen vientiä kotelon seinämät muodostavan eristeaineen sisään. Samoin johtimien 15 tullessa ulos seinämämateriaalista tehdään toinen taperointi 210, joka myös tehdään vapaassa ilmatilassa Esitetyn ratkaisun mukainen läpivienti MMIC-kotelon seinämän läpi on käyttökelpoinen aina 26 GHz:iin saakka, mutta ei enää siirryttäessä Ka-alueelle.

Viitteessä esitetyllä MMIC-kotelon läpivientiratkaisulla on paluuvaimennuksessa 20 pysytty -15 dB alapuolella aina 27,5 GHziiin saakka. Syöttövaimennus on luokkaa 1 dB aina 30 GHziiin saakka, jonka jälkeen se kasvaa nopeasti.

Julkaisussa Ishitsuka, T and Sato, N Low Cost Hig-performance Package for a Multi-Chip MMIC Modules, GasAs Symp. Dig. November 1988, pp. 221-224 on esitet-ty toinen ratkaisu MMIC-kotelon signaalijohtimen läpivientiin. Ratkaisussa MMIC-25 kotelon seinämät 208 muodostuvat useista kerroksisista keraamisia levyjä, jotka on metalloitu molemmilta puolilta. Eri kerroksiin syntyvät maapotentiaalitasot yhdistetään toisiinsa useilla läpivientireijillä 209. Itse signaalijohtimen läpivienti on rakenteeltaan muuten edellisen viitteen mukainen. Tällä rakenteella on saatu käyttökelpoinen taajuusalue kasvamaan aina 30 GHziiin saakka. Haittapuolena on seinämäraken-- *j 30 teen monimutkaisuus ja siitä seuraava rakenteen kalleus.

Edellä mainituissa julkaisuissa kuvatuissa rakenteissa käytetään usein GaAs-poh-jaisia mikropiirejä. GaAs-piireissä signaalijohtimien kytkentäpisteet sijaitsevat mikropiirin yläpinnalla ja alapintaa peittää yhtenäinen maataso. Kun edellisten viitteiden mukaisia koplanaarisen rakenteen mukaisia johtimia kytketään GaAs-piiriin, 35 täytyy signaalin maadoitusjohtimet viedä GaAs-piirin yläpinnalta piirin alapinnalle. Tämä tehdään tekemällä GaAs-piiriin metalloituja läpivientireikiä. Tämä monimut- 106414 4 kaistaa mikropiirin rakennetta ja aiheuttaa virhekytkentöjä sekä piirien vioittumisia niiden valmistuksen aikana.

Keksinnön tarkoituksena on vähentää mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä haittoja. Keksinnön mukaiselle karakterististen impedanssien sovitusmenetelmälle on tun-5 nusomaista, että karakteristisen impedanssin sovitus tehdään taperoimalla johdin dielektrisestä aineesta muodostetun seinämän sisällä.

Keksinnön mukaiselle karakteristisen impedanssinsovitusmenetelmälle on tunnusomaista, että karakteristisen impedanssin sovitus tehdään taperoimalla johdin dielektrisestä aineesta muodostetun seinämän sisällä 10 Keksinnön mukaiselle karakteristisen impedanssin sovittimelle on tunnusomaista, että sovitin käsittää dielektrisestä aineesta muodostetun seinämän ja sen sisällä sijaitsevan taperoinnin jolla on ensimmäinen ja toinen pää, jolloin ensimmäinen sig-naalijohto on kytketty mainitun taperoinnin ensimmäiseen päähän ja toinen signaali-johto on kytketty mainitun taperoinnin toiseen päähän, ensimmäisen maatason, joka 15 ensimmäinen maataso on oleellisesti saman suuntainen kuin toinen signaalijohto ja joka on ensinmmäisen etäisyyden päässä toisesta signaalijohdosta, ja joka ensimmäinen maataso on ainakin osittain toisen signaalijohdon kohdalla toisen signaali-johtimen tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa tarkasteltuna, ja toisen maatason, joka on oleellisesti saman suuntainen kuin toinen signaalijohto ja joka on toisen 20 etäisyyden päässä toisesta signaalijohdosta, ja joka toinen maataso on ainakin osittain toisen signaalijohdon kohdalla toisen signaalijohtimen määrittämää tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa tarkasteltuna, jolloin toinen signaalijohto on mainitun • ensimmäisen maatason ja toisen maatason välissä, ja että mainittu ensimmäinen etäisyys ja mainittu toinen etäisyys ovat oleellisesti eri suuruisia.

25 Keksinnön perusajatus on seuraava: MMIC-koteloon tulevan johtimen, joko mikro-liuskajohdin tai koplanaarijohdin, sovitus suoritetaan MMIC-kotelon seinämän sisällä. Sovituksessa johdin taperoidaan ja siitä edullisesti muodostetaan taperoinnin • yhteydessä asymmetrinen liuskajohdin tai koplanaarijohdin. Johtimen asymmetri- : syyden vuoksi sähkömagneettinen kenttä keskittyy sovitusrakenteen alaosaan ja ra- 30 japinta ei muuta paljoa etenevän sähkömagneettisen kentän muotoa.

Keksinnön etuna on, että sähkömagneettisen kentän muoto muuttuu vain vähän siirryttäessä vapaasta ilmatilasta dielektrisen seinämän sisään. Tämän seurauksena erään keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisen sovitinrakenteen paluuvai-mennus on eräiden simulaatioiden mukaan alle -10 dB aina 40 GHz:iin saakka.

5 106414

Lisäksi keksinnön etuna on, että rakennetta voidaan helposti soveltaa vietäessä sig-naaUjohtimia MMIC-koteloiden seinämien läpi. Lisäksi MMIC-koteloihin asennet-. tavien GaAs-piireihin tehtävien läpivientien määrää voidaan vähentää, koska GaAs- piirin alapinnalle saadaan suoraan johdettua maajohtimet keksinnön mukaisen ra-„ 5 kenteen alemman maatason avulla.

Edelleen keksinnön etuna on, että johtimien sovitusrakenne on helppo tehdä tavallisella monikerroskeraamitekniikalla eikä mitään erikoistekniikoita tarvitse käyttää.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti. Selostuksessa viitataan oheisiin piirustuksiin, joissa 10 kuvio la esittää neljännesaaltomuuntajalla tehtyä karakteristisen impedanssin sovitinta, kuvio Ib esittää taperoimalla tehtyä karakteristisen impedanssin sovitinta, kuvio 2 esittää tekniikan tason mukaista MMIC-koteloon tehtävää signaalijohti-men läpivientiä ja siinä tehtyä taperointia, 15 kuvio 3a esittää keksinnön mukaista sovitinta siirryttäessä mikroliuskajohdosta asymmetriseen liuskajohtoon, kuvio 3b esittää sähkömagneettisen kentän muotoa mikroliuskajohdon kohdalla, leikkaus A-A’, kuvio 3c esittää sähkömagneettisen kentän muotoa asymmetrisen liuskajohdon 1., 20 kohdalla, leikkaus B-B’, kuvio 3d esittää sähkömagneettisen kentän muotoa tapauksessa, jossa käytetään symmetristä liuskajohtoa, kuvio 4a esittää keksinnön mukaista taperoimalla tehtyä koplanaarisen johtimen . sovitusta j ohtimen tasoa päältäpäin katsottuna, • 1 25 kuvio 4b esittää sähkömagneettisen kentän muotoa koplanaarijohtimen kohdalla, : leikkaus C-C’, kuvio 4c esittää sähkömagneettisen kentän muotoa asymmetrisen, koplanaarisen liuskajohdon kohdalla, leikkaus D-D’, kuvio 4d esittää sähkömagneettisen kentän muotoa tapauksessa, jossa käytetään symmetristä, koplanaarista liuskajohtoa, 6 106414 < kuvio 5a esittää keksinnön mukaista signaalijohtimen vientiä MMIC-kotelon seinämän läpi, 5 kuvio 5b esittää MMIC-kotelon seinämän läpivientiä leikkauksen E-E’ suunnassa, kuvio 6 esittää erästä edullista keksinnön mukaista GaAs-mikropiirin kytkentää MMIC-kotelossa, kuvio 7 esittää keksinnön mukaisen läpiviennin Su ja S2i parametrien arvoja taajuuden funktiona.

10 Kuviot la, Ib ja 2 on selostettu tekniikan tason yhteydessä.

Kuviossa 3a on kuvattu keksinnön mukainen sovitin tilanteessa, jossa mikroliuska-johdin viedään dielektrisestä aineesta olevan kerroksen alle. Mikroliuskajohdin 303 lepää substraatin 302 päällä. Rakenteeseen kuluu substraatin alapinnalle sijoitettu johtavasta materiaalista tehty maataso 301. Johdin viedään dielektrisen aineen 304 15 alle, jossa siinä on taperointi 306. Taperoitu johdin on merkitty viitteellä 307. Dielektrisen aineen 304 yläpinnalle on eräässä suoritusmuodossa sijoitettu johtavasta materiaalista tehty maataso 305. Dielektrisen materiaalin 304 paksuus on keksinnön mukaisessa ratkaisussa suurempi kuin substraatin 302 paksuus. Näin ollen muodostettu taperoitu johdinrakenne 307 on asymmetrinen. Kuviossa esitetyt maatasot 301 20 ja 305 ovat joissakin keksinnön mukaisissa suoritusmuodoissa yhdistetty metalloi-duilla läpivientirei’illä toisiinsa, jotta estetään häiritsevien kelluvien potentiaalitaso-jen syntyminen rajapinnan asymmetriselle puolelle. Joissakin suoritusmuodoissa on edullista olla yhdistämättä maatasoja 301 ja 305 toisiinsa. Kuvioon merkityissä leikkauskohdissa A-A’ ja B-B’ esiintyviä sähkömagneettisen kentän muotoja on esitetty 25 kuvioissa 3b, 3c ja 3d. 1

Kuviossa 3b on esitetty mikroliuskajohtimen leikkauksessa A-A’ synnyttämän säh- kömagneettisen kentän muoto. Signaalijohtimesta 303 lähtevää sähkömagneettista kenttää havainnollistetaan kuviossa voimaviivojen 311 avulla. Signaalijohtimesta 303 lähtevät voimaviivat 311 menevät joko suoraan tai kaartuvat lyhyen matkaa il-30 massa kuljettuaan substraattiin 302, ja päätyvät lopulta maajohtimeen 301. Kuviosta nähdään, että sähkömagneettinen kenttä keskittyy pääosin substraatin 302 sisään.

7 106414

Kuviossa 3c on esitetty asymmetrisen liuskajohtimen leikkauksessa B-B’ synnyttämän sähkömagneettisen kentän muoto. Signaalijohtimesta 307 lähtevää sähkö-• magneettista kenttää kuvaavat voimaviivat 312 keskittyvät pääosin edelleen subs traattiin 302. Dielektrisen aineen 304 päälypinnalla olevaan maatasoon 305 kytkey-5 tyy kuitenkin osa voimaviivoista 312, mikä kuvaa sitä, että johtimen ja maatason 305 välillä on edelleen tietyn suuruinen sähkömagneettisen kentän aiheuttama kytkentä, vaikkakin heikompi kuin johtimen ja alemman maatason 301. Mitä paksumpi dielektrinen kerros 304 on, sitä vähemmän maataso 305 vaikuttaa sähkömagneettisen kentän muotoon ja sitä lähempänä kentän muoto on kuviossa 3b esitetyn kentän 10 311 muotoa. Mikäli ylempi maataso 305 jätetään kellumaan, on kentän muodon muutos tässä suoritusmuodossa pienempi kuin siinä tapauksessa, jossa maatasot 301 ja 305 yhdistetään toisiinsa esimerkiksi metalloiduilla läpivientirei’illä. Mikäli dielektrisen aineen 304 paksuus on suuri substraattiin 302 verrattuna, voidaan ylempi maataso 305 joissakin keksinnön mukaisissa suoritusmuodoissa jättää pois.

15 Kuviossa 3d on esitetty symmetrisen liuskajohdon mukaisen suoritusmuodon leikkauksessa B-B’ synnyttämän sähkömagneettisen kentän muoto. Tässä tapauksessa dielektrisen aineen 315 paksuus on suuruudeltaan substraatin 302 paksuuden suuruusluokkaa. Signaalijohtimesta 314 lähtevä sähkömagneettinen kenttä, jota kuviossa kuvaavat voimaviivat 313, jakautuu tässä tapauksessa tasan alemman maa-20 tason 301 ja ylemmän maatason 305 kanssa. Maatasot 301 ja 305 on yhdistetty toisiinsa läpivientirei’illä. Kuviosta nähdään, että sähkömagneettisen kentän muoto muuttuu toisenlaiseksi verrattuna kuviossa 3b esitettyyn mikroliuskajohtimen aikaansaamaan sähkömagneettisen kentän muotoon.

Kuvioiden 3b, 3c ja 3d esittämien sähkömagneettisten kenttien muodon perusteella 25 on selvää, että symmetrisen liuskajohdon tapauksessa, kuvio 3d, kentän muoto 313 poikkeaa mikroliuskajohdon kentän muodosta 311, ja että tämä muutos aiheuttaa suuremman karakteristisen impedanssin muutoksen kuin asymmetrisen liuskajohdon käyttäminen, kuvio 3c. Tämän seurauksena kuvion 3d tapauksessa saadaan huonompi paluuvaimennus ja suuremmat syöttöhäviöt kuin kuvion 3c tapauksessa. Johtimen " :1 30 taperointi 306 on edullista suorittaa dielektrisen aineen 304 sisällä molemmissa suoritusmuodoissa.

Kuviossa 4a on esitetty eräs keksinnön mukainen suoritusmuoto, jossa koplanaari-johto sovitetaan asymmetriseksi koplanaarijohtimeksi dielektrisen aineen sisällä. Kuvio esittää johtimien tasossa johtimien suuntaan tehtyä leikkausta. Alueella 404 35 koplanaarijohtimen signaalijohdin 401 ja maajohtimet 402 lepäävät substraatin 408 päällä. Alueella 405 johtimen päällä on kerros dielektristä ainetta 413 alkaen raja- 106414

O

pinnasta 403. Rajapinnan 403 jälkeen on taperointi 406, jossa koplanaarijohtimen 401 mitat muutetaan johtimen 407 mittoihin. Vastaavasti signaalijohdinta 401 ympäröiville maajohtimille on tehty rajapinnan 403 jälkeen taperointi 406, jossa maa-johtimien 402 mitat muutetaan johtimien 417 mittoihin.

5 Kuviossa 4b on esitetty leikkauksessa C-C’ koplanaarijohtimella esiintyvä sähkömagneettisen kentän muoto. Substraatin 408 päällä lepäävät sekä signaalijohdin 401 että maajohtimet 402. Signaalijohtimesta 401 lähtevä sähkömagneettinen kenttä, jota kuviossa 4b kuvaavat voimaviivat 407, päätyy sekä substraatin 408 alla olevaan maatasoon 409 että koplanaarijohdon maajohtimiin 402. Pääosa sähkömagneettista 10 kenttää 410 keskittyy substraatin 408 sisään.

Kuviossa 4c on esitetty leikkauksessa D-D’ asymmetrisellä koplanaarijohtimella esiintyvä sähkömagneettisen kentän muoto. Signaalijohtimesta 407 lähtevästä sähkömagneettisesta kentästä, jota kuviossa 4c kuvaavat voimaviivat 411, pääosa päätyy joko substraatin 408 alla olevaan maatasoon 409 tai koplanaarijohdinjärjestel-15 män maajohtimiin 417. Osa sähkömagneettisesta kentästä päätyy dielektrisen aineen 413 yläpinnalla olevaan maatasoon 412. Mitä suurempi dielektrisen aineen 413 paksuus on substraattiin 408 verrattuna, sitä pienempi osa kentästä päätyy ylempään maatasoon 412. Sähkömagneettisen kentän muoto 411 asymmetrisen koplanaarijohtimen puolella 405 muistuttaa kuviossa 4b esitettyä koplanaarijohtimen aiheuttamaa 20 sähkömagneettisen kentän muotoa 410.

Kuviossa 4d on esitetty symmetrisen koplanaarijohtimen leikkauksessa B-B’ synnyttämän sähkömagneettisen kentän muoto. Tässä suoritusmuodossa dielektrisen ai-nekerroksen 416 paksuus on suuruudeltaan substraatin 408 paksuuden suuruusluokkaa. Signaalijohtimesta 415 lähtevä sähkömagneettinen kenttä, jota kuviossa 4d ku-25 vaavat voimaviivat 414, jakautuu substraatin alla olevan maatason 409, dielektrisen ainekerroksen päällä olevan maatason 412 ja koplanaarijohtimen maajohdinten 417 kesken. Kuviosta nähdään, että sähkömagneettisen kentän muoto poikkeaa huomattavasti kuviossa 4b esitetyn koplanaarijohtimen kentän muodosta.

«·

Kuvioiden 4b, 4c ja 4d esittämien sähkömagneettisten kenttien muodon perusteella 30 on selvää, että symmetrisen koplanaarijohdon tapauksessa, kuvio 4d, kentän muoto verrattuna koplanaarijohdon muodostamaan kenttään, kuvio 4b, aiheuttaa suuremman karakteristisen impedanssin muutoksen kuin asymmetrisen koplanaarijohdon käyttäminen, kuvio 4c. Tämän seurauksena kuvion 4d suoritusmuodolla saadaan .. · huonompi paluuvaimennus ja suuremmat syöttöhäviöt kuin kuvion 4c suoritusmuo- 9 106414 dolla. Johtimen taperointi 406 on edullista suorittaa dielektrisen aineen 405 sisällä kummallakin suoritusmuodolla.

a

Kuvioissa 5a ja 5b on esitetty erään edullisen suoritusmuodon mukainen MMIC-mikropiirin koteloon tehty mikroliuskajohtimen läpivienti. Koteloon tuleva mikro- s 5 liuskajohdin 501 on asetettu substraatin 512 päälle. Substraatin paksuus 518 on tässä tapauksessa 372 pm. Mikroliuskajohtimien 501 ja 502 leveys on 552 pm. Tape-roinnin pituus 516 on 600 pm. Taperoidun johtimen 503 leveys 513 on 186 pm. Dielektrisestä aineesta tehdyn kotelon seinämän paksuus 510 on 3200 pm. Johtimen läpiviennin tasossa substraatin 512 päällä on asetettu myös maatasot 504 molemmin 10 puolin taperoitua johdinta 503. Maatasojen 504 etäisyys taperoidusta johtimesta 514 on 177 pm. Dielektrisen seinämän reunoilla 508 ja 509 maatasojen 504 etäisyys 515 johtimesta 502 on 525 pm. Maatasoihin 504 on tehty poraamalla metalloidut läpi-vientireiät 507, neljä kappaletta kumpaankin maatason 504 puoliskoon. Kyseisillä reisillä 507 yhdistetään rakenteessa olevat maatasot 505, 504 ja 506 samaan poten-15 tiaaliin. Ulommaisten läpivientireikien 507 etäisyys 516 dielektrisen seinämän jom-mastakummasta reunasta 508 tai 509 on sama kuin taperoinnin pituus eli 600 pm. Läpivientireikien 507 keskinäinen etäisyys 517 on 667 pm, ja niiden etäisyys johtimen keskiviivasta 511 on 434 pm. Maatason avauskulma 512 taperointivyöhykkeel-lä on 128 astetta. Dielektrisen seinämän paksuus 520 on 744 pm. Seinämän päälle 20 on sijoitettu maataso 506. Mikroliuskajohtimen pituus 519 MMIC-kotelon sisällä on 2900 pm.

Eräässä keksinnön mukaisessa suoritusmuodossa läpiviennit 507 yhdistävät ainoastaan maatasot 504 ja 505. Tällä suoritusmuodolla saavutetaan hieman paremmat Sn-ja Sn-arvot verrattuna edeltävään suoritusmuotoon, mutta rakenteellisesti kyseinen 25 suoritusmuoto on vaikeampi toteuttaa.

Kuvioissa 3-5 esitetyillä johtimen karakteristisen impedanssin sovitinratkaisuilla yksinkertaistetaan myös GaAs-mikropiirien kytkentää MMIC-koteloihin. GaAs-mik-ropiireissä maadoitusjohtimen kytkentäpiste on tyypillisesti sen alapinnalla ja sig-.naalijohtimen kytkentäpisteet sen yläpinnalla. Keksinnön mukaista läpivientiä hyö-30 dyntäen voidaan substraatin paksuus valita niin, että sen paksuus vastaa GaAs-mik-ropiirin paksuutta. Tällöin GaAs-mikropiirin alapinnalla olevat maadoitusjohdinten kytkentäpisteet liitetään keksinnön mukaisesti suoraan alempaan maatasoon. Signaa-lijohtimet voidaan kytkeä normaalisti GaAs-mikropiirin yläpinnalle. Tällä tavalla vältytään tekemästä GaAs-mikropiireihin maadoitusjohtimien läpivientireikiä, joita 35 käyttämällä koplanaaritekniikkaa on pakko tehdä.

10 106414

Kuviossa 6 on esitetty poikkileikkauksena osa MMIC-koteloa, jossa on käytetty erästä edullista suoritusmuotoa kytkeä GaAs-mikropiiri signaali- ja maadoitusjoh-timiin. Kotelon pohja 601 koostuu ainakin yhdestä kerroksesta eristävää ainetta. , Pohja voi joissakin suoritusmuodoissa sisältää ainakin yhden erillisen kerroksen 5 johtavaa materiaalia. Pohjan 601 päälle on asetettu keksinnön mukaisesti maadoi-tusjohdin 602, joka ulottuu GaAs-mikropiirin 611 alla olevaan kytkentäpisteeseen 612. Johtimen päällä on substraatti 603, jonka paksuus valitaan edullisesti vastaamaan GaAs-mikropiirin paksuutta. Tällöin substraatin 603 päälle asetettu johdin 604 on helppo kytkeä kytkentäelimellä 609 GaAs-mikropiirin 611 signaalin kytkentä-10 pisteeseen 610. Substraatin 603 ja johtimen 604 päällä on dielektrinen ainekerros 605, jonka paksuus on suurempi kuin substraatin 603 paksuus, jolloin aikaansaadaan keksinnön mukainen asymmetrinen johdinrakenne signaalijohtimen 604 läpiviemiseksi kotelon ulkopuolelle. Kyseisen ainekerroksen 605 päällä on ylempi maadoi-tusjohdin 607. Maadoitusjohtimen päällä on kotelon kansi 608, joka koostuu yhdes-15 tä tai useammasta eristävästä aineskerroksesta. Kansi voi joissakin suoritusmuodoissa sisältää kerroksen johtavaa materiaalia. Kotelon maatasot on edullisesti yhdistetty johtavilla läpivientirei’illä 606 toisiinsa, jotta estetään häiritsevien kelluvien potenti-aalitasojen syntyminen. Sama MMIC-kotelo voi sisältää useampia GaAs-mikropiire-jä, joiden kytkentään käytetään keksinnön mukaista rakennetta.

20 Kuviossa 7 on esitetty erään keksinnön mukaisella johtimen läpiviennillä toteutetun MMIC-kotelon paluuvaimennus Sn ja kytkentähäviö S2] taajuuden funktiona. Kuviosta nähdään, että Sn pysyy parempana kuin -8 dB ja S2i parempana kuin -5 dB taajuusalueella 0-40 GHz. Saavutettu 10 GHz:n lisäkäyttöalue verrattuna tekniikan tämänhetkiseen tasoon on merkittävä etu.

25 Keksinnön mukaista rakennetta voidaan käyttää myös Si-kaviteettien yhdistämisessä. Tällöin kotelorakenteen seinämien vahvuudet muuttuvat, koska Si-pohjaiset mikropiirit ovat useita kertoja paksumpia kuin GaAs-mikropiirit.

Samoin keksinnön mukaista rakennetta voidaan käyttää siirtojohtojen impedanssien I. sovitinrakenteena. Edullisesti mikroliuskajohto voidaan muuttaa koplanaarijohdoksi 30 pienin häviöin.

Edellä on kuvattu eräitä keksinnön mukaisia edullisia suoritusmuotoja. Keksintö ei rajoitu juuri kuvattuihin suoritusmuotoihin, vaan keksinnöllistä ajatusta voidaan soveltaa lukuisilla tavoilla patenttivaatimusten asettamissa rajoissa.

· m

Claims (13)

1. Menetelmä siirtojohdon karakterististen impedanssien sovittamiseksi, kun siir-tojohto viedään dielektrisestä aineesta muodostuvaan seinämän (304) sisään, tunnettu siitä, että karakteristisen impedanssin sovitus tehdään taperoimalla (306) johto 5 dielektrisestä aineesta muodostetun seinämän (304, 413) sisällä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että dielektrisestä aineesta muodostetun seinämän sisällä (304, 413) käytettävä johto on asymmetrinen liuskajohto (307).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että dielektrisestä 10 aineesta muodostetun seinämän sisällä (304, 413) käytettävä johto on asymmetrinen koplanaarijohto (407).

4. Rakenne ensimmäisen signaalijohdon impedanssin sovittamiseksi toisen sig-naalijohdon impedanssiin, tunnettu siitä että se käsittää dielektrisestä aineesta muodostetun seinämän (304, 413) ja sen sisällä sijaitsevan taperoinnin (306, 406), jolla 15 on ensimmäinen ja toinen pää, jolloin ensimmäinen signaalijohto on kytketty mainitun taperoinnin ensimmäiseen päähän ja toinen signaalijohto on kytketty mainitun • taperoinnin toiseen päähän, ensimmäisen maatason (301, 409, 505), joka ensimmäi nen maataso on oleellisesti saman suuntainen kuin toinen signaalijohto ja joka on ensimmäisen etäisyyden (518) päässä toisesta signaalijohdosta, ja joka ensimmäinen 20 maataso on ainakin osittain toisen signaalijohdon kohdalla toisen signaalijohtimen tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa tarkasteltuna, ja toisen maatason (305, 412, 506), joka on oleellisesti saman suuntainen kuin toinen signaalijohto ja joka on toisen etäisyyden (520) päässä toisesta signaalijohdosta, ja joka toinen maataso on ainakin osittain toisen signaalijohdon kohdalla toisen signaalijohtimen määrittämää 25 tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa tarkasteltuna, jolloin toinen signaalijohto on mainitun ensimmäisen maatason ja toisen maatason välissä, ja että mainittu ensimmäinen etäisyys ja mainittu toinen etäisyys ovat oleellisesti erisuuruisia.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen signaalijohdon impedanssin sovitin, tunnettu siitä, että ensimmäinen signaalijohtoon mikroliuskajohto (303) ja toinen signaalijoh-30 to on asymmetrinen liuskajohto (307).

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen signaalijohdon impedanssin sovitin, tunnettu siitä, että ensimmäinen signaalijohto on koplanaarijohto (401, 402) ja toinen signaalijohto on asymmetrinen koplanaarijohto (407, 417). 106414

7. Patenttivaatimusten 4 mukainen signaalijohdon impedanssin sovitin, tunnettu siitä, että ensimmäinen signaalijohto on mikroliuskajohto (501) ja toinen signaali-johto on asymmetrinen koplanaarijohto (503).

8. Patenttivaatimuksen 4 mukainen signaalijohdon impedanssin sovitin, tunnettu 5 siitä, että mainitut ensimmäinen maataso (301, 409, 505) ja toinen maataso (305, 412, 506) on yhdistetty toisiinsa läpivientirefillä (507).

9. Patenttivaatimusten 6 ja 8 mukainen signaalijohdon impedanssin sovitin, tunnettu siitä, että mainitut ensimmäinen maataso (301, 409, 505) ja toinen maataso (305, 412, 506) on yhdistetty asymmetrisen koplanaarijohdon maajohtoon (417, 10 504) läpivientirei’illä (507).

10. Mikropiirikotelo, joka käsittää mikropiirin, joka mikropiiri käsittää ainakin yhden kytkentäpisteen (610) sekä ainakin yhden maadoituspisteen (612), tunnettu siitä, että kotelo käsittää - dielektrisestä aineesta muodostetun seinämän (603, 606), 15. signaalijohdon (604), jonka ensimmäinen pää sijaitsee kotelon ulkopuolella ja toi nen pää sijaitsee kotelon sisäpuolella ja jonka signaalijohdon toinen pää on kytketty mikropiirin kytkentäpisteeseen (610) kytkentävälineen välityksellä (609), - mikropiirin maadoituspisteen (612), joka on kytketty mainittuun ensimmäiseen maatasoon (602), 20. sekä mainitut ensimmäisen (602) ja toisen maatason (608) ja asymmetrisen johti- don maajohtimen (604), joista ainakin kaksi on yhdistetty läpivientirei’illä (606).

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen mikropiirin kotelo, tunnettu siitä, että sig-naalijohto (604) on asymmetrinen mikroliuskajohto.

12. Patenttivaatimuksen 8 mukainen mikropiirin kotelo, tunnettu siitä, että sig-25 naalijohto (604) on asymmetrinen koplanaarijohto.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen menetelmän tai impedanssin-sovittimien käyttö. 13 106414