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Die
Erfindung betrifft ein Bauelement mit mindestens einer Koplanarleitung,
die einen Mittelleiter und zwei zumindest abschnittsweise zu beiden Seiten
des Mittelleiters angeordnete Außenleiter umfasst. Außerdem ist
ein Leitungsabschluss für
die Koplanarleitung vorgesehen, der mindestens ein Widerstandselement
umfasst, über
das der Mittelleiter endseitig mit den beiden Außenleitern verbunden ist.
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Die
Technologie der Koplanarleitungen (CPWs, coplanar waveguides) wird
für Hochfrequenzschaltungen
insbesondere im Millimeterwellenbereich eingesetzt, da Koplanarleitungen
insbesondere im Zusammenhang mit mikro-elektromechanischen Schaltern
für hochfrequente
Signale hervorragende Hochfrequenzeigenschaften zeigen.
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Der
Aufbau einer Koplanarleitung, wie sie aus dem Stand der Technik
bekannt ist, ist in den 1a und 1b dargestellt, wobei 1a einen Schnitt durch ein
Bauelement mit einer Koplanarleitung zeigt und 1b eine Draufsicht auf die Oberfläche des
Bauelements. Das Bauelement ist aus einem Substrat 1 aufgebaut,
das aus mehreren Schichten bestehen kann. Auf der obersten Substratschicht 2 sind
ein Mittelleiter 3 der Breite w und der Dicke tw und zwei Außenleiter 4 und 5 mit
den Breiten ba und bb und
den Dicken ta und tb angeordnet.
Die beiden Außenleiter 4 und 5 sind hier
parallel zum Mittelleiter 3 geführt. Die Lücken zwischen dem Mittelleiter 3 und den
Außenleitern 4 und 5 haben
die gleiche Breite ga bzw. gb,
was nicht bei jeder Koplanarleitung so sein muss. Der Mittelleiter 3 dient
als Signalleiter. Die Leitungsgeometrie für eine bestimmte Impedanz bei
einer bestimmten Frequenz ist von den Materialparametern und Dicken
der Substratschichten und der leitenden Schicht, in der der Mittelleiter 3 und
die Außenleiter 4 und 5 realisiert
sind, abhängig.
Diese Struktur kann mit einer oder auch mehreren Deckschichten bedeckt
sein.
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Ein
Leitungsabschluss für
eine Koplanarleitungen, der beispielsweise auf Kalibrationssubstraten
für Netzwerkanalysatoren
realisiert wird, ist in 2 dargestellt.
Die Leitungsabmessungen sind bei dieser Anwendung relativ klein.
Typisch sind 50 μm
Mittelleiter. Der Leitungsabschluss umfasst hier zwei Wiederstandselemente 6,
die orthogonal zur Richtung der Koplanarleitung, d.h. orthogonal
zum Mittelleiter 3 und zu den Außenleitern 4 und 5,
angeordnet sind. Die Widerstandselemente werden auf einen Gleichstromwiderstand
von exakt 50 Ohm (+/– 0,3%)
getrimmt. Damit werden im Bereich von 50...110 GHz Anpassungen von
ca. –30...–25 dB erreicht.
Unter ca. 26 GHz liegt die Anpassung besser als –35 dB.
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Vorteile der
Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden neuartige Konzepte für möglichst
reflexionsarme Leitungsabschlüsse
von Koplanarleitungen vorgeschlagen.
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Erfindungsgemäß wird zum
einen vorgeschlagen, unabhängig
von dem mindestens einen Widerstandselement eine endseitige Verbindung
zwischen den beiden Außenleitern
zu realisieren. Dadurch kann ein schlitzleitungsähnlicher Mode unterdrückt werden,
der insbesondere bei komplexeren koplanaren Leitungen mit Ecken
oder T-Verzweigungen auftritt. Außerdem unterdrückt eine
ringförmig um
den Abschluss herumliegende Verbindung der Außenleiter ein etwaiges Übersprechen
in andere Schaltungsteile.
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Zum
anderen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
mindestens ein Widerstandselement des Leitungsabschlusses in einem
schrägen
Winkel zum Mittelleiter anzuordnen, d.h. in einem Winkel, der entweder
größer oder
kleiner als 90° ist.
Dadurch kann eine sehr gute Anpassung erzielt werden, auch wenn die
Abmessungen der Koplanarleitung relativ groß sind. Auch in diesem Fall
kann eine Verbindung der Außenleiter
realisiert werden, um den schlitzleitungsähnlichen Mode und ein Übersprechen
in andere Schaltungsteile zu unterdrücken.
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Grundsätzlich gibt
es verschiedene Möglichkeiten
für die
Realisierung des erfindungsgemäßen Bauelements
und insbesondere für
die Realisierung der Verbindung zwischen den beiden Außenleitern und
die Realisierung der Widerstandselemente des Leitungsabschlusses.
In einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Bauelements
sind sowohl die Widerstandselemente als auch die endseitige Verbindung
zwischen den beiden Außenleitern
in derselben Schichtebene ausgebildet, wie der Mittelleiter und
die beiden Außenleiter.
Es ist aber auch möglich,
die Widerstandselemente und/oder die endseitige Verbindung der Außenleiter
in einer anderen Schichtebene, als der Mittelleiter und die beiden
Außenleiter
auszubilden und über
Durchkontaktierungen mit dem Mittelleiter bzw. den Außenleitern
zu verbinden, so dass die Widerstandselemente und/oder die Verbindung
in Form einer Unterführung oder
einer Brücke
realisiert sind.
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Wie
bereits erwähnt,
werden die Widerstandselemente des Leitungsabschlusses in einer
Variante des erfindungsgemäßen Bauelements
in einem schrägen
Winkel zum Mittelleiter angeordnet. Die Widerstandselemente können dazu
von der Stirnseite des Mittelleiters ausgehen oder auch von den
Seiten des Mittelleiters, die parallel zu den Außenleitern orientiert sind.
Außerdem
kann der Mittelleiter kürzer oder
länger
als die Außenleiter
ausgebildet sein, so dass die Außenleiter über den Mittelleiter hinausragen
oder der Mittelleiter über
die Außenleiter
hinausragt.
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Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert,
gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche und
andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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Die 1a und 1b zeigen
den Aufbau eines Bauelements mit einer Koplanarleitung (Stand der
Technik).
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2 zeigt
einen bekannten Leitungsabschluss für eine Koplanarleitung (Stand
der Technik).
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3 zeigt
einen Leitungsabschluss für
eine Koplanarleitung gemäß Patentanspruch
1.
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4 zeigt
einen weiteren Leitungsabschluss für eine Koplanarleitung gemäß Patentanspruch
1.
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Die 5a und 5b zeigen
eine Leitungsabschluss für
eine Koplanarleitung gemäß Patentanspruch
4.
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6 zeigt
einen weiteren Leitungsabschluss für eine Koplanarleitung gemäß Patentanspruch
4.
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7 zeigt
eine erste Anwendung für
ein erfindungsgemäßes Bauelement
und
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8 zeigt
eine zweite Anwendung für
ein erfindungsgemäßes Bauelement.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 3 ist
die Draufsicht auf eine Koplanarleitung mit einem Mittelleiter 3 und
zwei parallel zum Mittelleiter 3 geführten Außenleitern 4 und 5 dargestellt.
Die Außenleiter 4 und 5 sind
hier identisch und wesentlich breiter als der Mittelleiter 3 ausgeführt und symmetrisch
zum Mittelleiter 3 angeordnet. Die Koplanarleitung ist
mit einem Leitungsabschluss versehen, der hier zwei Widerstandselemente 6 umfasst, über die
der Mittelleiter 3 endseitig mit den beiden Außenleitern 4 und 5 verbunden
ist. Die Widerstandselemente 6 sind orthogonal zum Mittelleiter 3 und den
Außenleitern 4 und 5 angeordnet
und gehen von den beiden Seiten des Mittelleiters 3 aus,
die parallel zu den Außenleitern 4 und 5 orientiert
sind.
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Erfindungsgemäß besteht
unabhängig
von den beiden Widerstandselementen 6 eine endseitige Verbindung 7 zwischen
den beiden Außenleitern 4 und 5,
so dass das Ende des Mittelleiters 3 mit den Widerstandselementen 6 von
den beiden Außenleitern 4 und 5 und
deren Verbindung 7 ringförmig umgeben ist.
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Die
in 3 dargestellte Variante eines Leitungsabschlusses
eignet sich insbesondere für
Anwendungen mit kleinen Leitungsabmessungen. Bei hohen Frequenzen
hat der Reflexionsfaktor hier eine kapazitive Komponente.
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Im
Gegensatz dazu hat der Reflexionsfaktor der in 4 dargestellten
Variante eines Leitungsabschlusses eine induktive Komponente. Die
Koplanarleitung ist bei diesem Ausführungsbeispiel genauso, wie
in 3 dargestellt, ausgebildet, mit einem Mittelleiter 3 und
endseitig verbundenen Außenleitern 4 und 5.
Der Leitungsabschluss umfasst hier allerdings nur ein Widerstandselement 8,
das von der Stirnseite des Mittelleiters 3 ausgeht und
als Verlängerung
des Mittelleiters 3 in die endseitige Verbindung 7 der
Außenleiter 4 und 5 mündet.
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Mit
der in 4 dargestellten Leitungsgeometrie kann ein guter
Leitungsabschluss für
Widerstandsschichten mit kleinen Flächenwiderständen von typischerweise unter
10 Ω erreicht
werden, wenn die Auswirkung der Widerstandsschicht auf die Leitungsimpedanz
in der Geometrie des Widerstandselements 8 bzw. in der
Geometrie der aus Außenleitern 4 und 5 und
Widerstandselement 8 gebildeten Leitung berücksichtigt
wird. Der Leitungsabschluss ist hier in der Regel recht groß, so dass
auch größere HF-Leistungen
absorbiert werden können.
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Mit
den in den 5 und 6 dargestellten Leitungsabschlüssen kann
auch dann eine sehr gute Anpassung erzielt werden, wenn die Abmessungen der
Koplanarleitung verhältnismäßig groß sind.
Verhältnismäßig groß bedeutet
beispielsweise bei 77 GHz, dass der Mittelleiter einer Koplanarleitung
auf Keramik- oder Halbleitersubstrat breiter als ca. 50 μm ist. Dies
erweist sich für
die Integration von mikromechanischen Bauelementen als vorteilhaft
und führt außerdem zu
einer niedrigen Dämpfung
der Leitung.
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Bei
den in den 5a und 5b dargestellten
Leitungsabschlüssen
sind die Außenleiter 4 und 5 nicht
endseitig verbunden. Die Leitungsabschlüsse werden hier jeweils durch
zwei Widerstandselemente 9 gebildet, über die der Mittelleiter 3 endseitig
mit den beiden Außenleitern 4 und 5 verbunden ist,
wobei die Widerstandselemente 9 in beiden Fällen in
einem schrägen
Winkel und symmetrisch zum Mittelleiter angeordnet sind. Der Mittelleiter 3 der
in 5a dargestellten Variante ist kürzer ausgebildet als
die beiden Außenleiter 4 und 5.
Die Widerstandselemente 9 gehen hier von der Stirnseite
des Mittelleiters 3 aus und sind schräg nach vorne, in Richtung der überstehenden
Enden der Außenleiter 4 und 5 geführt. Im
Gegensatz dazu ragt der Mittelleiter 3 der in 5b dargestellten
Variante über
die Enden der beiden Außenleiter 4 und 5 hinaus.
Die Widerstandselemente 9 gehen hier von den den Außenleitern 4 und 5 zugewandten
Seiten des Mittelleiters 3 aus und sind schräg nach hinten
zu den Enden der Außenleiter 4 und 5 geführt.
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Mit
beiden in den 5a und 5b dargestellten
Varianten kann ein Leitungsabschluss mit sehr kleiner Blindkomponente
realisiert werden. Der optimale Winkel, in dem die Widerstandselemente 9 angeordnet
werden, sowie die optimale Breite der Widerstandselemente 9 sind
von der Leitungsgeometrie, dem Flächenwiderstand der Widerstandsschicht
und der Frequenz abhängig.
Da die Stromverteilung auf den Widerstandselementen 9 bei
hohen Frequenzen nicht mehr homogen ist, reicht es in der Regel nicht
aus, die Widerstandselemente 9 anhand ihres Gleichstromwiderstands
zu optimieren. Eine Optimierung kann aber anhand von Simulationsrechnungen
vorgenommen werden. Auch durch Verkürzen bzw. Verlängern des
Mittelleiters 3 gegenüber
den Außenleitern 4 und 5 können die
Blindanteile gezielt eingestellt und kompensiert werden.
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Der
in 6 dargestellte Leitungsabschluss hat gegenüber der
in 5a dargestellten Variante den Vorteil, dass durch
die endseitige Verbindung 7 der beiden Außenleiter 4 und 5 parasitäre Koplanarmoden
unterdrückt
werden und ein Übersprechen auf
andere Schaltungsteile verhindert werden kann.
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Bauelemente
der hier in Rede stehenden Art finden in vielen Bereichen der Technik
Anwendung. Im Kraftfahrzeugbereich können derartige Bauelemente
beispielsweise in Verbindung mit Mikrowellenantennen, die als Radar-Abstandssensoren
dienen, eingesetzt werden. So werden zur adaptiven Geschwindigkeitsregelung
(adaptive cruise control – ACC)
Mikrowellenantennen verwendet, die im LRR(long range radar)-Bereich arbeiten.
Mikrowellenantennen, die im SRR(short range radar)-Bereich arbeiten,
werden z.B. im Rahmen von automatischen Einparkhilfen, der automatischen Überwachung
des toten Winkels und der pre-crash Airbag Auslösung verwendet. Diese Mikrowellenantennen
sind üblicherweise
als Gruppenantennen aufgebaut und sind vorteilhafter Weise mit einer
elektronisch schwenkbaren oder umschaltbaren Strahlkeule ausgestattet.
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Zur
elektronischen Strahlschwenkung kann ein Strahlformungsnetzwerk
wie beispielsweise eine Butler-Matrix oder eine Rotman-Linse eingesetzt werden,
wie sie in 7 dargestellt ist. Die Rotman-Linse
ist hier als planare Struktur auf Millimeterwellensubstrat mit Mikrostreifenleitungen
als Ein- und Ausgängen
hergestellt. Sie besteht aus geätzten Strukturen,
nämlich
aus einer linsenförmigen
Parallelplattenleitung 10 und Ausgleichsleitungen 11 unterschiedlicher
Länge,
die mit Antennenelementen 12 verbunden sind. Auf der anderen
Seite der Parallelplattenleitung 11 sind Zuleitungen 13 über einen Umschalter 14 mit
einer Hochfrequenzschaltung 15 verbunden. An den Zuleitungen 13 werden
die Signale der einzelnen Strahlkeulen abgegriffen bzw. angelegt.
In jeder Zuleitung 13 ist ein Schaltelement 16 angeordnet,
so dass sich die Zuleitungen 13 sequentiell ansteuern lassen.
Die Schaltelemente 16 können in
Form von mikromechanischen Schaltern (MEMS) oder auch in Form von
aktiven Elementen, wie z.B. pin-Dioden, in integrierten Mikro- oder
Millimeterwellenschaltungen (MMICs) realisiert sein.
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Für die Funktion
der hier dargestellten Rotman-Linse wie auch einer Butler-Matrix
ist es notwendig, dass alle nicht genutzten Zuleitungen 13 reflexionsarm
abgeschlossen werden. In diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße Konzept eines
Leitungsabschlusses in vorteilhafter Weise eingesetzt werden. Der
Leitungsabschluss ist hier jeweils in Form eines mit dem entsprechenden
Schaltelement 16 verbundenen Widerstandselements 17 dargestellt.
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In 8 ist
ein rekonfigurierbares, adaptives Antennenkonzept dargestellt, das
ebenfalls im Rahmen der Radarsensorik eingesetzt werden kann. Auch
hier sind die einzelnen Antennenelemente 12, Antennenspalten
oder Untergruppen von Antennenelementen 12 eines Antennenarrays über Zuleitungen 13 mit
einer Hochfrequenzschaltung 15 verbunden. In den Zuleitungen 13 befindet
sich jeweils ein absorptives Schaltelement 16, so dass
sich Teile des Antennenarrays wahlweise hinzu- oder auch abschalten
lassen.
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Dabei
müssen
die abgeschalteten Antennenelemente 12 möglichst
reflexionsarm abgeschlossen werden, um eine Beeinflussung des aktiven
Antennenteils möglichst
gering zu halten. Auch in diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße Konzept
eines Leitungsabschlusses in vorteilhafter Weise eingesetzt werden,
was hier wieder in Form eines mit dem entsprechenden Schaltelement 16 verbundenen
Widerstandselements 17 dargestellt ist.
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Mit
dem voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Konzept eines integrierten
Leitungsabschlusses für
integrierte HF-Schaltungen
lässt sich eine
sehr gute Anpassung für
Mikro- und Millimeterwellen
realisieren. Deshalb kann dieses Konzepts in den unterschiedlichsten
Bereichen der Technik eingesetzt werden, beispielsweise in der Kommunikations-,
Radar- und Satellitentechnik sowie in militärischen Systemen.