SE500982C2 - Mikrovågskrets med impedansanpassat gränssnittsorgan - Google Patents

Description

500 982 10 15 20 25 30 35 2 När högfrekventa signaler, såsom mikrovågor, passerar ett gränssnitt av något slag, exempelvis mellan två kret- sar, är det viktigt att de två kanaler som möts i gräns- snittet är elektriskt anpassade, d v s uppvisar samma impedans (vanligen 50 ohm). Om så inte är fallet reflek- teras en del av signalen, vilket innebär en effektförlust.

Eftersom effekten vid dessa frekvenser är mycket dyrbar, särskilt i tillämpningar där en hög uteffekt önskas, fästs stor vikt vid anpassningen. Förlusterna på grund av dålig anpassning ökar med ökad frekvens.

Det är i allmänhet tämligen svårt att erhålla god anpassning. Detta gäller kanske särskilt den ovan be- skrivna dubbelsidiga uppbyggnaden (US-4 626 805) som föreliggande uppfinning i första hand riktar sig till.

Vägen för en signal som matas till eller från kretsen kan indelas i tre huvuddelar, som kan sägas utgöra ovannämnda gränssnitt, nämligen anslutningsbenet, det genomgående hålet och in- eller utgångsledaren. Huvuddelarnas utformning är avgörande för anpassningens kvalitet.

Den del som i de kända mikrovågskretsarna har störst negativ inverkan på anpassningen, och således bestämmer kretsarnas övre gränsfrekvens, är in-/utgångsledaren.

Dominerande faktorer för en ledares impedans är dess bredd och dess avstånd till jordplanet. I den dubbelsidiga konstruktionen är det möjligt att styra ledarens impedans med stor precision utom i ett parti intill det genomgående hålet. Orsaken till detta är att ett område runt det genomgående hålet saknar jordplan, vilket är en självklar- het om det inte skall vara jordat. Denna avsaknad av jord- plan medför en annan impedans i det parti av ledaren som befinner sig på ovansidan av substratet mitt emot detta område, och således saknar jordplan under sig, än i resten av ledaren. Detta parti ger en extra induktans.

Det genomgående hålet tillför också en viss induk- tans, dock avsevärt mindre eftersom man har lyckats lösa anpassningen av detta någorlunda väl. Kompensationen för den tredje delens, dvs anslutningsbenets, induktans är 10 15 20 25 30 35 SOU 982 3 relativt enkel och görs med lämpligt bred spalt mellan benet och jordplanet.

I kretsar som arbetar med små effekter och vid frekvenser under ca 8 GHz blir inverkan av missanpass- ningen i gränssnittet i de flesta fall godtagbart liten men vid högre frekvenser och/eller högre effekter blir effektförlusten så kännbar att åtgärder måste vidtas för att förbättra anpassningen.

En viss förbättring kan erhållas genom att ledarens bredd ökas avsevärt i nämnda parti, som saknar jordplan under sig. Detta löser dock ej problemet helt och kan även vara en helt oframkomlig väg, exempelvis då utrymmet inte medger den erfoderliga breddningen.

I nämnda US-4 626 805 visas ett annat sätt att förbättra anpassningen. Vid ingången på undersidan av substratet ersätts en del av jordplanet med en koplanär ledare (30), i vars ena ände (34) det genomgående hålet, eller viahålet (40), placeras och i vars andra ände (32) anslutningen för inkoppling av en annan mikrovågskrets är belägen. Viahålet förbinder den koplanära ledaren med ingångsledaren (36) på substratets ovansida. En spalt (6) som omgärdar den änden (34) av den koplanära ledaren och viahålet utfomas. Härvid införs en kapacitans som kompen- serar för induktanserna i ingångsledarens ände och i viahålet, varvid spaltens bredd dimensioneras för erhål- lande av rätt kapacitans. Resultatet av denna lösning är inte tillfredsställande. Samtidigt med den kompenserande kapacitansen ger spalten upphov till en induktans i den del av ingångsledaren som befinner sig ovanför spalten.

Utformandet av en koplanär ledare på substratets undersida medför att viahålet placeras långt in från substratets kant och således upptar ingången en avsevärd yta på substratets ovansida, vilken yta är obrukbar.

I US-4 626 805 visas även en annan utföringsform i vilken ett försök görs att kompensera för den induktans som erhålls i den del av ingångsledaren som befinner sig över den på undersidan anordnade spalten. Ett parti (T) av 500 982 10 15 20 25 30 35 4 ingångsledaren breddas kraftigt vilket ger ett kapacitivt tillskott. Denna kompensation är emellertid inte till- fredsställande på grund av att den ej görs vid källan till missanpassningen. Det är heller inte möjligt med denna typ av kompensation, eftersom en ökning av den kapacitiva kopplingen genom breddning av ledaren förutsätter ett underliggande jordplan vilket således inte finns där miss- anpassningen uppkommer.

Resultatet i form av kretsprestanda blir inte god- tagbart med de åtgärder, enligt ovan, som beskrivs i US-4 626 805. Visserligen ökar förlusterna endast långsamt upp till 20 GHz, men detta utgör en brytpunkt över vilken förlusterna ökar mycket snabbt. Kretsen är därför i det närmaste oanvändbar för frekvenser över 20 GHz.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en mikrovågskrets med bättre anpassning i kretsens gränssnitt än vad som är fallet i kända mikrovågskretsar.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en mikrovågskrets som har små effektförluster för frekvenser upp till mer än 26 GHz. Ändamålen uppfylls med en mikrovågskrets av inled- ningsvis angivet slag som ges de särdrag som framgår av den kännetecknande delen av patentkrav l i de bifogade patentkraven.

Denna lösning av anpassningsproblemet är tillämpbar på mikrovågskretsar med i stort sett vilken konstruktion som helst och oberoende av komponentinnehåll och -place- ring, konstruktionsprincip mm. Anordnandet av anpassnings- mönstret på substratet på motsatta sidan mot ett jordplan innebär att missanpassningen kan angripas vid källan till skillnad från lösningarna enligt den kända tekniken.

Vidare har anpassningsmönstret endast positiva effekter och introducerar inga problem, såsom lösningarna enligt US-4 626 805 gör. Anpassningsmönstret enligt föreliggande uppfinning ger således möjlighet att åstadkoma låga förluster mycket högt upp i frekvens genom en lämplig utformning av anpassningsmönstret. 10 15 20 25 30 35 5 00 9 842 5 Nedan kommer en mikrovågskrets enligt föreliggande uppfinning att beskrivas närmare i form av utförings- exempel under hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka: Fig l visar en del av ett substrat med ett anpass- ningsmönster enligt uppfinningen; Fig 2 visar anpassningsmönstret i detalj; och Fig 3 visar ett stycke av substratets undersida.

I figur l visas en bortbruten och förstorad del av ett substrat 1. Substratet 1 är i verkligheten av stor- leksordningen 15-20 mm långt och 10-15 mm brett. Subst- ratet 1 är anordnat på en benram och täcks av ett lock, som hermetiskt innesluter substratet 1 och även ger skärm- ning. Benramen och locket visas ej, då de har underordnad betydelse för uppfinningen. På substratets 1 ovansida 2 är mikrovågskomponenter och ledarmönster 3 anordnade (av vilka merparten i förtydligande syfte ej visas) och på substratets undersida 4 är ett jordplan 5 och anslutningar 6 påförda. Genomföringar i form av genomgående hål, så kallade viahål, 7 förbinder ovansidan 2 och undersidan 4 med varandra. Viahàlen 7 är genompläterade eller helt fyllda av ledande material. Dessa viahål 7 används för överföring av signaler mellan anslutningarna 6 och ledare 3 eller komponenter och för direkt jordning av ovansidans komponenter med mera. Jordplanet 5 täcker merparten av undersidan 4 men lämnar en spalt 8 med bart substratmate- rial runt varje anslutning 6, som inte skall jordas. På ovansidan 2 visas i fig 1 en jordansluten ram 9, med vilken locket är förbundet genom lödning, en ingångs- (eller utgångs-) ledare 10 och en utföringsform av ett anpassningsmönster ll enligt föreliggande uppfinning.

Dessa detaljer visas även i fig 2, som är ett bortbrutet och, i förhållande till fig l, ytterligare förstorat stycke av substratet 1 sett ovanifrån. I fig 3 visas ett bortbrutet stycke av substratet 1 sett under- ifrån. Fig 3 har samma skala som fig 1. 500 982 10 15 20 25 30 35 6 Såsom har nämnts ovan är det av stor vikt att mikrovågskretsen är väl anpassad, dvs att impedansen i kretsens in- och utgångar är densamma som i de anslutna, yttre ledarna. En vanlig impedans är 50 ohm. Om impedansen ej är lika erhålls signalreflektioner i övergången, vilket innebär effektförluster. I den visade utföringsformen av en mikrovågskrets enligt uppfinningen utgörs den kritiska övergången av anslutningen 6, viahålet 7 och en del av ingångsledaren 10, vilket kommer att förklaras närmare nedan.

Ingångsledaren 10 sträcker sig, i denna utförings- form, vinkelrätt mot en ändkant 12 hos substratet 1 från viahålet 7 och inåt till någon ingångskomponent i kretsen.

De faktorer som i den visade typen av kretsuppbyggnad har störst betydelse för en ledares impedans är ledarens av- stånd till jordplanet och ledarens bredd. Eftersom väsent- ligen hela undersidan 4 av substratet l är täckt av jord- planet och substratets tjocklek är väldefinierad är det relativt enkelt att dimensionera ingångsledaren 10 så att dess impedans blir 50 ohm. Detta gäller med ett viktigt undantag, nämligen följande.

Ett ändparti 14 av ingångsledaren 10 och ett mönster- parti 13, i form av en rektangulär krage, som omger vi- ahålets 7 öppning och som är bredare än ingångsledaren 10, saknar jordplan rakt under sig på grund av den nödvändiga spalten 8, se framför allt fig 2. Kragen 13 erhålls för övrigt vid pläteringen av viahålet 7. Detta medför en missanpassning som framför allt har stor negativ inverkan vid högre frekvenser än ca 8 GHz, varvid effektförlusterna ökar kraftigt med ökande frekvens. Ingångsledaren 10 utgör i detta ändparti 14 en extra induktans, som ger en totalt sett för hög impedans. Till detta kommer induktanser på grund av kragen 13, i viahålet 7 och i anslutningen 6.

Hela denna ej fullständigt anpassade del, dvs anslutningen 6, viahålet 7, kragen 13 och ändpartiet 14 benämnes i det följande gränssnitt. Induktansen i anslutningen 6 kompen- seras enligt känd teknik genom dimensionering av spalten 8 10 15 20 25 30 35 500 982 7 för lämplig kapacitiv koppling till jordplanet 5. lighet med uppfinningen löses problemet med missanpass- I en- ningen i resten av gränssnittet i det närmaste fullt ut genom anbringandet av anpassningsmönstret 11. Anpass- ningsmönstret inför en kapacitiv motvikt till induktan- serna i hela gränssnittet även om det främst eliminerar missanpassningen i ändpartiet 14 och kragen 13.

Anpassningsmönstret 11 är anslutet till jordplanet 5 via viahål 15 och kan således ses som ett på ovansidan 2 placerat, extra jordplan. Anpassningsmönstret 11 utgörs av två delar, som är symmetriskt anordnade på var sin sida om ingångsledaren 10 och som är trappformade, dvs de har en mot ingångsledaren 10 vänd, trappstegsformig begränsnings- linje med två trappsteg. Studera den i fig 2 nederst be- lägna delen av anpassningsmönstret. Vad som i det följande sägs om denna del gäller genom symmetrin på motsvarande sätt även för den andra delen. Trappstegens första resp andra avsatser 16 resp 17 är parallella med ingångsledaren 10 och är placerade på olika avstånd från ingångsledaren 10, för bildande av en första resp en andra spalt 18 resp 19. En mot avsatserna 16,17 vinkelrät första förbindnings- kant 20 förenar avsatserna 16,17 med varandra. Den första avsatsen 16 sträcker sig utmed ändpartiet 14 från randen av den motstående spalten 8 mot mönsterpartiet 13 och lämnar endast ett parti alldeles intill mönsterpartiet 13, där den andra avsatsen 17 tar vid. Den andra avsatsen 17 sträcker sig fram till en tänkt rät linje, som är vinkel- rät mot avsatsen 17 och passerar genom viahålets 7 mitt.

En andra förbindningskant 21, som är parallell med den första förbindningskanten 20, förbinder den andra avsatsen 21 med ett "golv" 22, som sträcker sig fram till ramen 9.

Detta anpassningsmönster 11 introducerar således en kapacitiv motvikt till den ovannämnda induktansen i ändpartiet 14 och mönsterpartiet 13 genom införandet av kapacitiv koppling till jordplanet. Alternativt kan anpassningsmönstret ll genom smärre ändringar utformas så att det även kompenserar för induktansen i viahålet 7. Om 500 982 10 15 20 25 30 35 8 det skulle vara önskvärt kan anpassningsmönstret 11 även utformas så att det kompenserar för en del av anslut- ningens 6 induktans/kapacitans, varvid spalten 8 jämkas i motsvarande grad.

Spalternas bredd är väsentlig för impedansen i om- rådet. I denna utföringsform av mikrovågskretsen enligt uppfinningen är ingångsledarens bredd 0,24 mm; den första spaltens 18 bredd 0,1 mm och den andra spaltens 19 bredd 0,3 mm. Av vikt är också avståndet mellan den första för- bindningskanten 20 och mönsterpartiet 13, mätt vinkelrätt mot den första förbindningskanten 20. form är detta avstånd 0,1 mm.

Viahålet 7 har diametern 0,25 mm och dess centrum är beläget 0,25 mm från den närmsta sidokanten av ändpartiet 14.

I denna utförings- Den första avsatsens 16 längd är 0,45 mm och den andra avsatsens längd 17 är 0,35 mm.

Avståndet mellan ändpartiet 14 och den närmast be- lägna genomföringen 15 är 1,0 mm i denna mikrovågskrets, som är avsedd att användas vid ca 10 GHz. Detta avstånd kan vara godtyckligt kort men bör inte vara längre än l/8 våglängd (dvs A/8). I detta exempel är det lämpligt att hålla avståndet kortare än ca 2,0 mm. råde där mikrovågskretsen enligt uppfinningen är tänkt att Inom det frekvensom- arbeta ligger för övrigt den övre gränsen för detta av- stånd i praktiken vid ungefär 3,0 mm.

Merparten av de ovan angivna måtten beror av subst- ratets 1 tjocklek och många beror också av ledarens 10 bredd. Substratets 2 tjocklek är vanligen 0,25 m, 0,38 mm eller 0,64 mm, och här är den 0,25 mm. Denna tjocklek styr ledarens 10 bred, som i sin tur styr i första hand spal- tens 18 bredd. Beroende på substratets l tjocklek, leda- rens 10 bredd och avsatsens 16 längd (avsatsen 16 kan sträcka sig utmed en mindre del av ledaren 10 med en samtidig minskning av spaltens 18 bredd) kan spaltens 18 bredd variera mellan nästan 0 och ca 0,5 mm, där den nedre gränsen väsentligen bestäms av vad som är tillverknings- 10 15 20 25 30 35 500 982 9 tekniskt möjligt (idag ca 0.01 m).

Den ovan beskrivna utföringsformen av mikrovàgskret- sen enligt uppfinningen år givetvis ej den enda möjliga lösningen utan modifieringar kan göras så länge som dessa ligger inom uppfinningens ram, såsom denna definieras i patentkraven. Exempelvis kan anpassningsmönstrets utform- ning ändras alltefter förutsättningarna vad gäller leda- rens utformning, substratets tjocklek, utsträckningen och formen av det jordplanslösa partiet pà undersidan av substratet med mera.

Således behöver anpassningsmönstret ej vara förbundet med ramen. Antalet viahál i anpassningsmönstret kan varie- ras. Såsom har nämnts ovan kan anpassningsmönstret utfor- mas så att det ger en högre kapacitans än i den ovan beskrivna utföringsformen för att kompensera för induktan- sen i viahálet. Å andra sidan kan anpassningsmönstret, om man sà önskar, exempelvis utformas att ej kompensera för missanpassningen i mönsterpartiet runt viahålet. Detta ger dock ett sämre resultat vid de högre frekvenserna, men kan trots det ha fördelar i vissa avseenden. Den symmetri som anpassningsmönstret uppvisar i den avbildade utföringsfor- men är heller inte nödvändig. Anpassningsmönstrets trapp- stegsform skall också endast ses som ett utföringsexempel.

Anpassningsmönstrets periferi kan givetvis ges annan form förutsatt att resultatet blir det med uppfinningen avsedda.

Claims (10)

500 982 10 15 20 25 30 35 10 PATENTKRAV

1. Mikrovágskrets innefattande ett tvàsidigt substrat (1) med mikrovágskomponenter, jordplan (5) och åtminstone ett för externanslutning av mikrovàgskretsen impedansan- passat gränssnittsorgan, som innefattar ett externanslut- ningsställe (6), k ä n n e t e c k n a d av att impe- dansanpassningen av grånssnittsorganet innefattar ett på substratets (1) ena sida anordnat anpassningsmönster (ll), som är förbundet med ett pà den motstáende sidan anordnat jordplan (5).

2. Mikrovágskrets enligt patentkrav 1, varvid gräns- snittsorganet vidare innefattar en ledare (10) och en genomföring (7), som förbinder ledaren (10) med extern- anslutningsstället (6), varvid ett parti (14) av ledaren (10) löper över ett på den motsatta sidan av substratet anordnat jordplanslöst område (8), k ä n n e t e c k - n a d av att anpassningspartiet (11) är anordnat åtmin- stone vid nämnda parti (l4) av ledaren (10) och i första hand kompenserar frånvaron av jordplan (5) i det jord- planslösa området (8).

3. Mikrovàgskrets enligt patentkravet 2, t e c k n a d av att det jordplanslösa området (8) utgörs av ett mellanrum (8), som åtskiljer externanslutnings- stället (6) från jordplanet (5).

4. Mikrovàgskrets enligt något av patentkraven 2 k ä n n e - eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att det finns en spalt (18) parti (14), vilken spalt (18) har en bredd som ligger i intervallet 0< bredden ¿O,5 mm.

5. Mikrovágskrets enligt något av patentkraven 2-4, mellan anpassningsmönstret (11) och nämnda k ä n n e t e c k n a d av att anpassningsmönstret (11) vidare är anordnat vid ett mönsterparti (13), som omger den i gränssnittsorganet innefattade genomföringen och att det finns en spalt (19) och mönsterpartiet (13), vilken spalt (19) har en bredd mellan anpassningsmönstret (ll) 10 15 20 25 30 35 500 982 ll som ligger i intervallet 0< bredden 50,5 mm.

6. Mikrovågskrets enligt något av patentkraven 2-5, k ä n n e t e c k n a d av att anpassningsmönstret (ll) utgörs av två delar, som är anordnade på var sin sida av nämnda parti (14).

7. Mikrovágskrets enligt något av föregående patent- krav, (ll) är förbundet med jordplanet (5) via en eller flera genomföringar (15). k ä n n e t e c k n a d av att anpassningsmönstret

8. Mikrovågskrets enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av att anpassningsmönstret (11) är förbundet med jordplanet (5) via flera genomfö- ringar (15) innefattande genomgående, genompläterade hål alternativt helt eller delvis utfyllda genomföringshål, alternativt kombinationer därav.

9. Mikrovågskrets enligt något av patentkraven 7-8, k ä n n e t e c k n a d av att avståndet mellan partiet (14) och närmast belägna genomföring (15) i anpassnings- mönstret är 33,0 mm.

10. Mikrovågskrets enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av att anpassningsmönstret (11) är förbundet med en på substratet (1) anordnad ram (9) av ledande material.