SE451357B - Mikrovagsdetektoranordning - Google Patents

Description

451 357 ligt mindre än Z0 i serie med parallellkombinationen av dioden och en andra resistans, som inte är väsentligt mindre än Zo, och även inkluderande minst en kapacitans genom vilken dioden är ansluten till nämnda första del av trans- missionsledningen, varigenom den resistiva delen av avslutningsimpedansen som nätet ger blir huvudsakligen bestämd av summan av de första och andra resistan- serna vid frekvenser som skiljer sig väsentligt från fo och av den första resistansen vid frekvenser i området för fo.

Nämnda kapacitans kan vara ansluten i serie med dioden och parallellt med den andra resistansen; Anordningen kan innefatta en ytterligare kapacitans i serie med den första resistansen och med nämnda parallellkombination för att åstadkomma likströmsisolation från den första delen av transmissionsledningen.

Anordningen kan vidare innefatta en eller flera ytterligare delar av transmissionsledningen som förbinder impedanser i nätet med varandra. Detta kan minska missanpassningen inom detektoranordningen.

Transmissionsledningen är lämpligen en koplanar ledning eller planledning (en sådan ledning benämnes ibland koplanar vägledning, vilket kan förkortas CPW). En plan ledning kan vara utförd i lämplig storlek, som är avpassad till detektoranordningens arbetsfrekvensområde, och tillåter att de första och/eller andra resistanserna är gjorda i tunnfilmsteknik och att förbindningarna inom anordningen har minimal längd, vilket reducerar förbindningarnas effektiva im- pedanser. önskade värden på de första och/eller andra resistanserna kan därvid erhållas bara genom att välja en lämplig resistans per ytenhet oberoende av ledningens konstruktionsskala. I synnerhet kan ledningen göras mycket liten så att den blir lämpad för höga mikrovågsfrekvenser, varvid begränsningar enbart införs genom den teknologi, som krävs för mikrominiatyrframställning och genom den fysikaliska storleken hos tillgängliga detektordioder.

Delarna är lämpligen gjorda på ett gemensamt substrat och har ett gemen- samt jordplan.

Den första resistansen kan ha framställts i ett stycke med mittledaren i nämnda del av planledningen, t.ex. såsom ett resistivt metallskikt som också har utgjort ett "utsädes"-skikt för vakuumavsättning av ett ytterligare metall- skikt med bra ledningsförmåga för mittledaren.

En ytterligare del av transmissionsledningen, som är en planledning, kan förbinda de första och andra resistanserna med varandra och en jordledare kan sträcka sig längs båda sidor av och omkring den ände som är vänd bort från den första resistansen av mittledaren i denna ytterligare del av ledningen. Detta /// gör det möjligt att erhålla en synnerligen kompakt konfiguration. Den andra (r a 451 357 resistansen kan sträcka sig mellan nämnda ände av mittledaren och jordledaren och har lämpligen framställts i ett stycka därmed.

Den första resistansen är lämpligen i huvudsak 2 Zo/3 och den andra re- sistansen är lämpligen 3 Zo/2.

Utföringsformer av uppfinningen kommer nu att beskrivas såsom exempel med hänvisning till ritningarna, där fig_l visar en planvy av en mikrovågsdetektor- anordning som är utförd i enlighet med uppfinningen,_fjg_g visar en modifiering av en del av utföringsformen enligt fig 1 och fig_§ visar ett ekvivalent kopp- lingsschema för anordningen. 7 Den i fig 1 visade detektoranordningen är i väsentlig utsträckning utbil- dad i en koplanar ledning eller planledning på ett dielektriskt substrat 1.

Hela huvudytan av substratet 1 som syns på ritningen är belagd med ett ledande jordplan Z bortsett från ett U-format spår som sträcker sig horisontellt över ritningen från den vänstra kanten därav; remsledare sträcker sig på substra- tet inuti och längs spåret och ligger på avstånd från spårets kanter för att bilda delar av en planledning. En remsledare 3 av en första del av den planled- ningen tillför vid drift de signaler, som skall detekteras av anordningen. Led- ningen är avslutad genom ett nät som innefattar tre impedanser anslutna i serie med varandra, vilka impedanser utgöres av en kapacitans 4, ett första motstånd 5 och ett andra motstånd 6. Motstånden är bildade av jämna motståndsskikt. Ka- pacitansen 4 och motståndet 5 är sammankopplade genom en andra del av planled- ningen innefattande en remsledare 7 och motstånden 5 och 6 är sammankopplade genom en tredje del av planledningen omfattande en remsledare 8. Jordplanet 2 är gemensamt för de tre delarna av planledningen.

En “beam-lead"-detektordiod 9 är anbringad på substratet över det andra motståndet 6. En ledning 9 A på dioden är ansluten till remsledaren 8, medan den andra ledningen 9 B är ansluten till en platta i en kondensator 10, som i sin tur via en induktiv transmissionsledning 11 är ansluten till en platta i en ytterligare kondensator 12 för att bilda ett lågpassfilter.

Remsledarna 3 och 7 i de första och andra delarna av planledningen har tätt närliggande men åtskilda transversella kanter 3 A respektive 7 A. Kapaci- tansen 4 innefattar ett skikt 13 av dielektrikum som ligger direkt över rems- ledarna 3 och 7 och också ligger över substratet nära nämnda kanter. På det dielektriska skiktet finns en ytterligare remsledare 14 som ligger i linje med remsledaren 3 och 7 för att bilda kondensatorer därmed: kapacitansen 4 innefat- tar således två kondensatorer i serie med varandra. Lågpassfiltret som är an- slutet till dioden 9 innefattar på analogt sätt ett skikt 15 av dielektrikum 451 357 a 4 på jordplanet 2, varvid en ledare 16 på det dielektriska skiktet är så formad att den bildar en platta i var och en av kondensatorerna 10 och 12 samt en smal förbindningsremseledare i transmissionsledningen 11.

I den i fig 1 visade anordningen sträcker sig det resistiva skiktet, som bildar motståndet 6, bara mellan änden av remsledaren 8 och jordplanet 2, vil- ket skikt har jämn resistivitet. I den i fig 2 visade modifikationen sträcker sig det resistiva skiktet också mellan vardera sidan av ledaren 8 och jordpla- net 2 och motståndet är graderat, så att skiktets resistivitet ökar med ökande avstånd från den ände av ledaren, som är vänd bort från det första motståndet 5, t.ex. upp till ett maximum av 1000 ohm per ytenhet.

Fig 3 visar ett ekvivalent kopplingsschema, där kretselementen är identi- fierade genom de aktuella hänvisningssiffrorna från fig 1. Man ser att dioden 9 är ansluten parallellt med det andra motståndet 6 (så att ström som flyter ge- nom terminalnätet från den första delen av transmissionsledningen, som bildas av remsledaren 3 och jordplanet 2, delar upp sig mellan motståndet 6 och dio- den) ; att denna parallellkombination är ansluten i serie med det första mot- ståndet 5 och kapacitansen 4; och att dioden är ansluten till den första de- len av ledningen genom kapacitansen 4 och genom kapacitansen 10, så att ström som flyter genom dioden från ledningen passerar genom varje kapacitans.

Fig 3 visar ej den ekvivalenta kretsen för detektordioden själv men denna kan antas innefatta en serieresistans (som för mikrovågs-"beam-lead"-dioder i ett typiskt fall ligger i området 5-10 ohm) och kombinationen av en induktans och en kapacitans i serie med varandra. För sådana mikrovågsdioder ligger denna serieresistans i ett typiskt fall i området 5-10 ohm och serieresonansfrekven- sen fo ( vid vilken impedanserna för denna induktans och denna kapacitans är av samma storlek men har motsatt tecken) ligger i ett typiskt fall i området 30-40 GHz då den är monterad i kretsen. Vid frekvenser som ligger väsentligt under och väsentligt över fo, t.ex. under 20 GHz och över 40 GHz vid ett fo av 30 GHz, har dioden en hög impedans som i övervägande grad beror på dess ka- pacitans och dess induktans; vid frekvenser i närheten av fo har dioden en låg impedans som i övervägande grad beror på dess serieresistans. Till följd härav blir den avslutningsimpedans som nätet uppvisar gentemot den första delen av transmissionsledningen vid frekvenser som ligger väsentligt under fo och väsentligt över fo huvudsakligen bestämd av summan av de första och andra resistanserna, varvid dioden arbetar såsom en spänningsdetektor, medan vid fre- kvenser i närheten av fo nätets avslutningsimpedans huvudsakligen blir be- stämd av den första resistansen, varvid dioden arbetar såsom en strömdetektor. 451 357 De värden som är valda för den första och den andra resistansen representerar en kompromiss mellan att maximera den effekt som absorberas av dioden och att erhålla ett acceptabelt värde på VSWR; lämpliga värden har visat sig vara 33 ohm respektive 75 ohm för ett arbetsområde som sträcker sig från ett värde av- sevärt under fo till avsevärt över fo.

Utgångssignalen från detektordioden (vid videofrekvenser) kan tas över en kapacitans som är ansluten mellan dioden och den första delen av transmissions- ledningen. I anordningen enligt fig 1 finns det två sådana kapacitanser, näm- ligen kapacitansen 4 och kondensatorn 10; i detta fall tas diodutgångssigna- len direkt över kondensatorn 10, varvid kapacitansen 4 ger likströms- och låg- frekvensisolation.

En detektoranordning enligt fig 1 framställdes på följande sätt. Substra- tet 1 var av aluminium och 1/4 mm tjockt. Två metallskikt avsattes i vakuum över hela substratytan som användes för anordnigen: först framställdes ett "ut- sädes"-skikt av nickel-kromlegering med en motståndförmåga av 100 ohm per yten- het genom sublimation och därefter gjordes ett 300 nm tjockt guldskikt genom förångning. Guldet elektropläterades sedan till en total tjocklek av 2 /um.

Ledarna 2,3,7 och 8 samt motstånden 5 och 6 bildades därefter av metallskikten genom fotolitografi. Kisel finfördelades nu genom en mask för att bilda de di- elektriska skikten 13 och 14 med en tjocklek av 2/um. Slutligen bildades le- darna 14 och 16 genom vakuumavsättning, genom en mask, av en nickel-kromlege- ring och av guld, såsom ovan, varefter guldet elektropläterades. Dioden anslöts genom termo-kompressionslimning. g Det i fig 2 visade graderade motståndet kan framställas genom jonstråle- etsning av ett motståndsskikt med en styrd hastighet, som varieras utefter mot- ståndet.

En utföringsform enligt fig 1 har undersökts vid frekvenser upp till 40 GHz; tillfredställande drift uppnåddes till denna frekvens, varvid returför- lusten var bättre än 10 dB (med ett värde på VSNR som är bättre än 2:1) och antas fortsätta till mycket högre frekvenser. Undersökningar gjordes med ett antal olika dioder omfattande Alpha typ DC6606 och Hevflett-Packard typ 5082-2716 och 5082-2764; kretsens uppträdande var i huvudsak detsamma i samt- liga fall.

Claims (14)

451 357 Patentkrav.

1. Bredbandig mikrovågsdetektoranordning innefattande en detektordiod och en första del av en transmissionsledning (enligt definition), vilken del har en karakteristisk impedans Z0, vilken anordning är lämplig för att detektera mikrovâgsenergi i nämnda första del av transmissionsledningen vid frekvenser i omrâdet för diodens serieresonansfrekvens fo och vid frekvenser som ligger väsentligt under och/eller väsentligt över fo, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda första del av transmissionsledningen är avslutad av ett nät som in- nefattar ett flertal impedanser inkluderande en första resistans som är avse- värt mindre än Zo i serie med parallellkombinationen av dioden och en andra resistans, som inte är väsentligt mindre än Zo, och även inkluderande minst en kapacitans, genom vilken dioden är ansluten till nämnda första del av trans- missionsledningen, varigenom den resistiva delen av den avslutningsimpedans som presenteras av nätet huvudsakligen är bestämd genom summan av de första och andra resistanserna vid frekvenser, som skiljer sig väsentligt från fè, och genom den första resistansen vid frekvenser i området för fo.

2. Detektoranordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k'n a d av att nämnda kapacitans är ansluten i serie med dioden och parallellt med den andra resistansen.

3. Detektoranordning enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar en ytterligare kapacitans i serie med den första resistansen och med nämnda parallellkombination.

4. Detektoranordning enligt något av patentkraven 1-3, ä n n e t e c k - n a d av att den innefattar en eller flera delar av transmissionsledningen som förbinder impedanser i nätet med varandra.

5. Detektoranordning enligt något av patentkraven 1-4, k ä n n e t e c k - n a d av att transmissionsledningen är en koplanar ledning eller planledning.

6. Detektoranordning enligt patentkravet 5 i anslutning till patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d av att delarna ligger på ett gemensamt substrat och har ett gemensamt jordplan. F41' 451 357

7. Detektoranordning enligt patentkravet 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d av att den första resistansen har gjorts i ett stycke med mittledaren i nämnda del av planledningen.

8. Detektoranordning enligt patentkravet 4 och patentkravet 5,6 eller 7, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda ytterligare del av transnfissionsledning- en, som är en planledning, förbinder de första och andra resistanserna med var- andra, och att en jordledare sträcker sig längs båda sidor av och omkring den ände, som är vänd bort från den första resistansen av mittledaren i denna yt- terligare del av planledningen.

9. Detektoranordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d av att den andra resistansen sträcker sig mellan nämnda ände av mittledaren och jord- ledaren.

10. Detektoranordning enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a d av att den andra resistansen har gjorts i ett stycke med mitt- och jordledarna.

11. Detektoranordning enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a d av att den andra resistansen också sträcker sig mellan vardera sidan av mittledaren och jordledaren, varvid motståndet per ytenhet ökar med ökande avstånd från nämnda ände.

12. Detektoranordning enligt patentkravet 9,10 eller 11 k ä n n e t e c k - n a d av att dioden är anbringad över den andra resistansen.

13. Detektoranordning enligt något av patentkraven 1-12, k ä n n e t e c k - n a d av att den första resistansen i huvudsak uppgår till 2 Zo/3.

14. Detektoranordning enligt något av patentkraven 1-13, k ä n n e t e c k - n a d av att den andra resistansen i huvudsak uppgår till 3 20/2.