WO2005101567A1 - Oscillator - Google Patents
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- H01P7/00—Resonators of the waveguide type
- H01P7/06—Cavity resonators
- H01P7/065—Cavity resonators integrated in a substrate
Definitions
- MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit
- the spectral purity of the generated vibration depends primarily on the frequency-determining resonator.
- phase noise jitter
- resonant circuits made of concentrated elements coil
- Capacitors or varactor diodes also line resonators. The aim is to implement these elements on the integrated circuit.
- Phase noise is not sufficient for the quality of the resonators that can be implemented on the integrated circuits. Therefore, external arrangements (e.g. dielectric resonators or ceramic coaxial resonators) have to be used. This then leads to additional space requirements and increased assembly costs. A large-volume shielding housing is also often required.
- the invention is based on the problem of creating a high-frequency oscillator which has a phase noise which is reduced compared to the oscillators according to the prior art.
- the problem is solved by a high-frequency oscillator with the features according to the independent claim.
- a high-frequency oscillator has an integrated circuit and an external frequency-determining resonator, the frequency-determining resonator being set up as a cavity resonator and, in addition to its electrical function, serving as a housing and carrier for the integrated circuit of the high-frequency oscillator.
- the multiple functions of the housing result in considerable volume and weight savings. Furthermore, the assembly effort is significantly reduced. An automated and therefore inexpensive construction is made possible. Furthermore, the compact structure leads to a reduced sensitivity to mechanical vibrations (microphone). Despite the inexpensive implementation, it can also be used under problematic environmental conditions.
- the resonator is designed in such a way that, in addition to its electrical function, it also functions as a carrier for the integrated circuit and also forms the housing or an essential part of the housing.
- Figure 1 shows schematically the structure of a high-frequency oscillator with integrated circuit and external cavity resonator for the microwave range.
- the resonator 1 also forms the housing base. It has or consists of a dielectric and is almost completely metallized on the outside, ie on the entire surface of the dielectric body.
- the dielectric can be a ceramic material such as thin-film or thick-layer ceramic (usually Al2O3 ) or also be an LTCC ceramic. In another alternative. It can also consist of a Tef lon material or another high-frequency soft substrate.
- the metallization 2 (e.g. gold plating, alternatively copper can be used, for example, when using a Teflon material as a dielectric, according to another alternative embodiment of the invention it is provided to use silver as the metallization) is not only interrupted at one point for the coupling 3.
- the resonator 1 is encased by the metallization 2, in other words, the entire bottom of the dielectric body and all side surfaces of the dielectric body are completely metallized. Only on the upper side of the dielectric body facing away from the bottom of the dielectric body is an area free of the metalization 2.
- the coupling / decoupling of the high-frequency energy takes place via probe 3.
- Ref oscillator designed, i.e. as a 1-port oscillator.
- the high-frequency oscillator is clearly designed as a transmission oscillator, i. H . as a 2-port Os zillator.
- the metallization 2 is interrupted at two positions for the coupling or decoupling 3.
- the active part of the oscillator is implemented on the top of the resonator 1 - implemented here as an integrated part
- the integrated circuit 4 can also receive additional circuit parts such as isolating amplifiers or a digital frequency divider.
- a bond wire 5 represents the connection between the oscillator core and the coupling.
- the active part of the oscillator is in an alternative embodiment as Thin film oscillator circuit is set up.
- a small multilayer circuit 6 is applied to the resonator 1 around the open oscillator. Further bond wires 10 are used to connect the oscillator core and multilayer. The multilayer then establishes the connection to the connection area
- the required connections are usually the oscillator output and operating voltage supply.
- a further connection is used to supply the then necessary tuning voltage.
- the multilayer circuit can be implemented together with the resonator, for example using polyimide technology. It then also allows a lid to be soldered or glued on
- connection of the oscillator to the surrounding circuit can also be made with bond wires 11.
- Dielectric constant of the resonator material determined. The latter can be varied within wide limits in the production of ceramics by appropriate selection of the raw materials.
- the flip chip assembly is also provided in an alternative embodiment.
Landscapes
- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
Abstract
An oscillator has an integrated circuit and an external, frequency-determining resonator set up as a cavity resonator which, besides its electric function, acts as a housing and support for the integrated circuit of the high-frequency oscillator.
Description
Beschreibungdescription
Oszillatoroscillator
Oszillatoren für den Hochfrequenz- und Mikrowellehbereich werden heute zunehmend nicht mehr aus Einzelbauelementen sondern mit integrierten Mikrowellenschaltungen (MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit) realisiert. Diese Bausteine ermöglichen sehr geringe mechanische Abmessungen und lassen sich kostengünstig herstellen.Today, oscillators for the high-frequency and microwave range are increasingly no longer made from individual components but with integrated microwave circuits (MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit). These modules enable very small mechanical dimensions and can be manufactured inexpensively.
Die spektrale Reinheit der erzeugten Schwingung (Phasenrauschen, Jitter) hängt in erster Linie von dem frequenzbestimmenden Resonator ab. Gebräuchlich sind neben Schwingkreisen aus konzentrierten Elementen (Spulen,The spectral purity of the generated vibration (phase noise, jitter) depends primarily on the frequency-determining resonator. In addition to resonant circuits made of concentrated elements (coils,
Kondensatoren oder Varaktordioden) auch Leitungsresonatoren. Dabei ist man bestrebt, diese Elemente mit auf der integrierten Schaltung zu realisieren.Capacitors or varactor diodes) also line resonators. The aim is to implement these elements on the integrated circuit.
Für qualitativ hochwertige Oszillatoren mit geringemFor high quality, low oscillators
Phasenrauschen reicht die Güte der auf den integrierten Schaltungen realisierbaren Resonatoren nicht aus. Deshalb müssen externe Anordnungen (z. B. dielektrische Resonatoren oder keramische Koaxialresonatoren) verwendet werden. Dies führt dann zu einem zusätzlichen Platzbedarf und einem erhöhten Montageaufwand. Oft ist zudem ein großvolumiges Abschirmgehäuse erforderlich.Phase noise is not sufficient for the quality of the resonators that can be implemented on the integrated circuits. Therefore, external arrangements (e.g. dielectric resonators or ceramic coaxial resonators) have to be used. This then leads to additional space requirements and increased assembly costs. A large-volume shielding housing is also often required.
Aus DE 198 00 459 AI ist eine Oszillator-Struktur mit einem externen Resonator bekannt, wobei der Resonator als elektrische Leiter und damit als Leitungsresonator ausgebildet ist. Diese Struktur eignet sich jedoch nur für relativ niedrige Frequenzen bis ca. 3 GHz.From DE 198 00 459 AI an oscillator structure with an external resonator is known, the resonator being designed as an electrical conductor and thus as a line resonator. However, this structure is only suitable for relatively low frequencies up to approx. 3 GHz.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Hochfrequenz- Oszillator zu schaffen, der ein gegenüber den Oszillatoren gemäß dem Stand der Technik reduziertes Phasenrauschen aufweist .
Das Problem wird durch einen Hochfrequenz-Oszillator mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Ein Hochfrequenz-Oszillator weist eine integrierte Schaltung und einen externen frequenzbestimmeriden Resonator auf, wobei der frequenzbestimmende Resonator als Hohlraumresonator eingerichtet ist und neben seiner elektrischen Funktion als Gehäuse und Träger für die integrierte Schaltung des Hochfreqenz-Oszillators dient.The invention is based on the problem of creating a high-frequency oscillator which has a phase noise which is reduced compared to the oscillators according to the prior art. The problem is solved by a high-frequency oscillator with the features according to the independent claim. A high-frequency oscillator has an integrated circuit and an external frequency-determining resonator, the frequency-determining resonator being set up as a cavity resonator and, in addition to its electrical function, serving as a housing and carrier for the integrated circuit of the high-frequency oscillator.
Durch die Mehrfachfunktion des Gehäuses wird eine erhebliche Volumen- und Gewichtseinsparung erreicht. Ferner wird der Montageaufwand deutlich reduziert. Ein automatisierter und dadurch kostengünstiger Aufbau wird ermöglicht. Weiterhin führt der kompakte Aufbau zu einer verringerten Empfindlichkeit gegen mechanische Vibrationen (Mikrofonie) . Trotz der kostengünstigen Realisierung ist ein Einsatz auch unter problematischen Umweltbedinguncjen möglich.The multiple functions of the housing result in considerable volume and weight savings. Furthermore, the assembly effort is significantly reduced. An automated and therefore inexpensive construction is made possible. Furthermore, the compact structure leads to a reduced sensitivity to mechanical vibrations (microphone). Despite the inexpensive implementation, it can also be used under problematic environmental conditions.
Anschaulich kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass der Resonator so ausgeführt wird, dass er neben seiner elektrischen Funktion gleichzeitig als Träger für die integrierte Schaltung fungiert und außerdem das Gehäuse oder einen wesentlichen Teil des Gehäuses bildet.One aspect of the invention can clearly be seen in that the resonator is designed in such a way that, in addition to its electrical function, it also functions as a carrier for the integrated circuit and also forms the housing or an essential part of the housing.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung- ist in der Figur dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the figure and is explained in more detail below.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Hochfrequenz- Oszillators mit integrierter Schaltung und externem Hohlraumresonator für den Mikrowelleribereich. Der Resonator 1 bildet gleichzeitig den Gehäuseboden. Er weist auf oder besteht aus einem Dielektrikum und ist außen, d.h. an der gesamten Oberfläche des Dielektrikum—Körpers fast vollständig metallisiert. Das Dielektrikum kann ein Keramikmaterial wie Dünnfilm- oder Dickschichtkeramik (üblicherweise AI2O3) oder
auc-h eine LTCC-Keramik sein . In einer anderen alternativen . Aus ±ührungs form kann es auch aus einem Tef lon-Material oder einem anderen Hochfrequenz-Weichsubstrat bestehen .Figure 1 shows schematically the structure of a high-frequency oscillator with integrated circuit and external cavity resonator for the microwave range. The resonator 1 also forms the housing base. It has or consists of a dielectric and is almost completely metallized on the outside, ie on the entire surface of the dielectric body. The dielectric can be a ceramic material such as thin-film or thick-layer ceramic (usually Al2O3 ) or also be an LTCC ceramic. In another alternative. It can also consist of a Tef lon material or another high-frequency soft substrate.
Die Metallisierung 2 ( z . B . Vergoldung, al ternativ kann bei spielsweise bei Verwendung von einem Teflon-Material als Dielektrikum Kupfer verwendet werden, gemäß einer anderen alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, Sil-ber als Metallisierung zu verwenden) is t nur an einer Stelle für die Einkopplung 3 unterbrochen . Anschaulich ist der Res onator 1 von der Metallisierung 2 ummantelt , anders aus gedrückt , der gesamte Boden des Dielektrikum- Körpers sowie all e Seitenflächen des des Dielektrikum- Körpers sind vol lständig metallisiert . Lediglich auf der dem Boden des Dielektrikum-Körpers abgewandten Oberseite des Dielektrikum- Körpers ist ein Bereich frei von der Metal lisierung 2 . Hier erf olgt die Einkopplung/Auskopplung der Hochfrequenzenergie übe-r Sonde 3 .The metallization 2 (e.g. gold plating, alternatively copper can be used, for example, when using a Teflon material as a dielectric, according to another alternative embodiment of the invention it is provided to use silver as the metallization) is not only interrupted at one point for the coupling 3. Clearly, the resonator 1 is encased by the metallization 2, in other words, the entire bottom of the dielectric body and all side surfaces of the dielectric body are completely metallized. Only on the upper side of the dielectric body facing away from the bottom of the dielectric body is an area free of the metalization 2. Here, the coupling / decoupling of the high-frequency energy takes place via probe 3.
Damit ist der Hochfrequenz-Oszillator anschaulich alsThis makes the high-frequency oscillator vivid as
Ref exions-Oszillator ausgestaltet , d.h. als 1-Tor-Oszillator .Ref oscillator designed, i.e. as a 1-port oscillator.
In einer anderen Aus führungs form der Erfindung ist der Hochfrequenz-Oszillator anschaulich als Tzransmissions- Osz illator ausgestaltet , d. h . als 2-Tor-Os zillator . In diesem Fal l ist die Metallisierung 2 an zwei Stel len für die Ein-kopplung bzw. Auskopplung 3 unterbrochen .In another embodiment of the invention, the high-frequency oscillator is clearly designed as a transmission oscillator, i. H . as a 2-port Os zillator. In this case, the metallization 2 is interrupted at two positions for the coupling or decoupling 3.
Auf der Oberseite des Resonators 1 wird der aktive Teil des Osz illators - hier realisiert als integrierteThe active part of the oscillator is implemented on the top of the resonator 1 - implemented here as an integrated part
Mik-rowellenschaltung - aufgeklebt , nämlich in dem Bereich der Obe seite des Dielektrikum- Körpers , welcher metallisiert ist . Die integrierte Schaltung 4 kann neben dem Oszillatorkern auch noc-h weitere Schaltungsteile wie Trennvers tärker oder einen digitalen Frequenzteiler erhalten . Ein Bondraht 5 stellt die Ver-bindung zwischen Oszillatorkern und Einkopplung dar . Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass der aktive Teil des Osz illators in einer alternativen Aus führi-xngs form als
Dünnfilm-Oszillatorschaltung eingerichtet ist .Mic-row circuit - glued, namely in the area of the upper side of the dielectric body, which is metallized. In addition to the oscillator core, the integrated circuit 4 can also receive additional circuit parts such as isolating amplifiers or a digital frequency divider. A bond wire 5 represents the connection between the oscillator core and the coupling. In this context, it should be noted that the active part of the oscillator is in an alternative embodiment as Thin film oscillator circuit is set up.
Um ö-en Oszillator herum ist auf dem Resonator 1 eine kleine Multilayer Schaltung 6 aufgebracht . Zur Verbindung zwischen Os zi-llatorkern und Multilayer dienen wei tere Bonddrähte 10 . Der Multilayer stellt dann die Verbindung zum AnschlussbereichA small multilayer circuit 6 is applied to the resonator 1 around the open oscillator. Further bond wires 10 are used to connect the oscillator core and multilayer. The multilayer then establishes the connection to the connection area
7 her . Die erforderlichen Anschlüsse sind normalerweise Osz-Lllatorausgang und Betriebspannungszuführung. Im Falle von elektrisch abstimmbaren Oszillatoren dient ein weiterer Anschluss zur Zuführung der dann erforderlichen Abs timmspannung .7 ago. The required connections are usually the oscillator output and operating voltage supply. In the case of electrically tunable oscillators, a further connection is used to supply the then necessary tuning voltage.
Die Multilayerschaltung kann zusammen mit dem Resonator beispielsweise in Polyimid-Technik ausgeführt werden . Sie gestattet dann auch das Auflöten oder Aufkleben eines DeckelsThe multilayer circuit can be implemented together with the resonator, for example using polyimide technology. It then also allows a lid to be soldered or glued on
8 wobei durch Durchkontakt ierungen 9 eine leitende Verbindung zwischen Resonator und Deckel gewährleistet wird. So entsteht ein hermetisch dichtes und elektrisch im wesentlichen perfekt abgeschirmtes Gehäuse . Eine alternative Verschlusstechnik ist das Vergießen mit einer geeigneten Vergussmasse ( z . B . Glob Top) .8 with through-contacting 9 a conductive connection between the resonator and cover is guaranteed. This creates a hermetically sealed and electrically perfectly shielded housing. An alternative sealing technique is potting with a suitable potting compound (e.g. Glob Top).
Die Verbindung des Oszillators zur umgebenden Schaltung kann ebenfalls mit Bonddrähten 11 erfolgen.The connection of the oscillator to the surrounding circuit can also be made with bond wires 11.
Diese Bauform gestattet eine bisher nicht erreiche Kompaktheit bei gleichzeitiger Verwendung eines Resonators 1 mit hoher Güte. Dadurch werden bei vorgegebenen Rauschdaten Oszillatoren in cleutlich kleinerer Bauform realisierbar. Die Frequenz wird durch die geometrischen Abmessungen und dieThis design allows a compactness not previously achieved while simultaneously using a resonator 1 with high quality. As a result, oscillators can be realized in a finely smaller design with given noise data. The frequency is determined by the geometric dimensions and the
Dielektrizitätskonstante des Resonatormaterials bestimmt. Letztere lässt sich bei der Herstellung der Keramik durch entsprechende Auswahl der Rohmaterialien in weiten Grenzen variieren.Dielectric constant of the resonator material determined. The latter can be varied within wide limits in the production of ceramics by appropriate selection of the raw materials.
Es st anzumerken, dass es im Bereich der Chip-Montage / Chip- Kontaktierung eine Vielzahl unterschiedlicher Alternativen für die Montage des Halbleiterchips mit dem aktiven Teil des
Oszillators gibt . Neben der im bevorzugten Ausführungsbeispiel beschriebenen konventionellen Bondtechnologie ist auch die Flipchip-Montage in einer alternativen Aus führungs form vorgesehen .It should be noted that there are a number of different alternatives for mounting the semiconductor chip with the active part of the chip assembly / contacting area Oscillator there. In addition to the conventional bonding technology described in the preferred exemplary embodiment, the flip chip assembly is also provided in an alternative embodiment.
Ferner wurde hinsichtlich der verwendeten Technologien in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel auf die Keramiktechnologie in Verbindung mit Polyimid-Multilayer zurückgegriffen . Die Auf bringung der Metallisierungen kann dabei in Dünnfilm- oder D±ckschichttechnologien erfolgen . Auch die Verwendung von Mehrschichtkeramik (LTCC ) ist denkbar . Ein vergleichbarer Aufbau lässt sich auch mit einer fortgeschrittenen Leiterplattentechnologie durchführen .Furthermore, with regard to the technologies used, ceramic technology in connection with polyimide multilayer was used in the preferred exemplary embodiment. The metallizations can be applied in thin-film or thick-film technologies. The use of multilayer ceramics (LTCC) is also conceivable. A comparable structure can also be carried out with advanced circuit board technology.
Somit wird in dieser Beschreibung ein neuartiger Ansatz für den Aufbau von rauscharmen, kompakten und kostengünstig realisierbaren Oszillatoren für Hochfrequenz und M±krowellenanwendungen offenbart . Durch die gleichzeitige Verwendung des notwendigen Resonators als Chipträger und als Gehäuse bzw. Gehäuseteil kann bei vorgegebener spektraler Reinheit ein bisher nicht erreichbar geringes Bauvolumen realisiert werden .
Thus, in this description, a novel approach for the construction of low-noise, compact and inexpensive to implement oscillators for high frequency and M ± krawave applications is disclosed. Through the simultaneous use of the necessary resonator as a chip carrier and as a housing or housing part, a previously unattainable construction volume can be achieved with a given spectral purity.
Claims
1 . Oszillator mit einer integrierten Schaltung und einem externen frequenzbestimmenden Resonator, wobei der frequenzbestimmende Resonator als Hohlraumresonator eingerichtet ist und neben seiner elektrischen Funktion als Gehäuse und Träger für die integrierte Schaltung des Hochfreqenz-Oszillators dient .1 . Oscillator with an integrated circuit and an external frequency-determining resonator, the frequency-determining resonator being set up as a cavity resonator and, in addition to its electrical function, serving as a housing and carrier for the integrated circuit of the high-frequency oscillator.
2 . Oszillator gemäß Anspruch 1 , eingerichtet als Hochfrequenz-Oszillator .2nd Oscillator according to claim 1, set up as a high-frequency oscillator.
3 . Oszillator gemäß Anspruch 1 oder 2 , bei dem der Resonator einen Körper aus einem Dielektrikum aufweist , an dessen Bodenfläche und an dessen Seitenflächen eine vollständige Metallisierung vorgesehen ist , und an dessen oberer Oberfläche die Metallisierung an einer oder mehreren Stellen unterbrochen ist, wobei an diesen Stellen Sonden zur Ein- bzw. Auskopplung der HF-Energie sowie zur Ankopplung eines Abstimmelementes ( z . B . Varaktor Diode) angebracht sind. In diesem Bereich ist auch die integrierte Schaltung aufgebracht .3rd Oscillator according to Claim 1 or 2, in which the resonator has a body made of a dielectric, on the bottom surface and on the side surfaces of which a complete metallization is provided, and on the top surface of which the metallization is interrupted at one or more locations, at these locations Probes for coupling or decoupling the RF energy and for coupling a tuning element (e.g. varactor diode) are attached. The integrated circuit is also applied in this area.
4 . Oszillator gemäß Anspruch 3 , bei dem das Dielektrikum aus einem Material gebildet ist , welches ausgewählt ist aus der Gruppe der folgenden Materialien :4th Oscillator according to Claim 3, in which the dielectric is formed from a material which is selected from the group of the following materials:
- Aluminiumoxid,- aluminum oxide,
- Keramik, - Teflon-Material oder anderes Hochf-requenz-Weichsubstrat .- Ceramic, - Teflon material or other high frequency soft substrate.
5. Oszillator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die integrierte Schaltung auf dem Resonator aufgeklebt oder aufgelötet ist.5. Oscillator according to one of claims 1 to 4, in which the integrated circuit is glued or soldered onto the resonator.
6 . Oszillator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 , bei dem die integrierte Schaltung als Monolithic Microwave6. Oscillator according to one of claims 1 to 5, wherein the integrated circuit as a monolithic microwave
Integrated Circuit oder als Dünnfilm— Oszillatorschaltung ausgebildet ist.Integrated circuit or as a thin film oscillator circuit is trained.
7. Oszillator gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem die Metallisierung aus einem Material gebildet ist, welches ausgewählt ist aus der Gruppe der folgenden7. Oscillator according to one of claims 3 to 6, wherein the metallization is formed from a material which is selected from the group of the following
Materialien:Materials:
- Gold,- Gold,
- Kupfer,- copper,
- Silber. - silver.
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| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A1 Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| DPEN | Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101) | ||
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |