DE60308599T2

DE60308599T2 - Hocheffiziente interdigitale Filter

Info

Publication number: DE60308599T2
Application number: DE60308599T
Authority: DE
Inventors: William Dean Melbourne Killen; Randy T. Grant Pike
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2023-06-13
Also published as: EP1376741B1; JP2004032777A; US6750740B2; AU2003204878A1; JP2008141760A; ATE341106T1; DE60308599D1; CA2432467C; CA2432467A1; US20040000972A1; EP1376741A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Feststellung des technischen Gebiets
Die erfinderischen Anordnungen betreffen allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Bereitstellen einer erhöhten Entwurtsflexibilität für Funkfrequenzschaltungen, und im besonderen zur Optimierung von dielektrischen Leiterplattenmaterialien für eine verbesserte Leistung in Filtern mit zwei Anschlüssen und gekoppelten Resonanzleitungen.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Funkfrequenzschaltungen, Übertragungsleitungen und Antennenelemente werden üblicherweise auf speziell aufgebauten Substratplatten hergestellt. Für den Zweck von Hochfrequenzschaltungen ist es wichtig, eine genaue Steuerung über Impedanzcharakteristiken aufrechtzuerhalten. Falls die Impedanzen unterschiedlicher Teile der Schaltung nicht übereinstimmen, kann dies zu einem ineffizienten Leistungsübertrag, unnötiger Aufheizung von Komponenten und anderen Problemen führen. Die elektrische Länge von Übertragungsleitungen und Abstrahlelementen in diesen Schaltungen kann auch ein kritischer Gestaltungsfaktor sein.
Zwei kritische Faktoren, welche die Leistung eines Substratmaterials beeinflussen, sind die Permittivität (manchmal die relative Permittivität oder ε_r genannt) und der Dielektrizitätsverlust bzw. die Verlusttangente (manchmal als der Dissipationsfaktor bezeichnet). Die relative Permittivität bestimmt die Geschwindigkeit des Signals und dadurch die elektrische Länge von Übertragungsleitungen und anderen Komponenten, die an dem Substrat implementiert werden. Der Dielektrizitätsverlust kennzeichnet die Verlustmenge, die für Signale auftritt, welche das Substratmaterial durchlaufen. Dementsprechend werden Materialien mit niedrigem Verlust mit steigender Frequenz noch wichtiger, insbesondere bei Entwurf von Empfängereingangsseiten und von niedrig-rauschenden Verstärkerschaltungen.
Gedruckte Übertragungsleitungen, passive Schaltungen und Abstrahlelemente, die in Funkfrequenzschaltungen verwendet werden, werden typischerweise auf eine von drei Arten gebildet. Eine Konfiguration, die als Mikrostreifen bekannt ist, ordnet die Signalleitung auf einer Leiterplattenoberfläche an und stellt eine zweite leitfähige Schicht bereit, die üblicherweise als eine Masseplatte bezeichnet wird. Eine zweite Art von Konfiguration, die als bedeckter Mikrostreifen bekannt ist, ist ähnlich, außer dass die Signalleitung mit einem dielektrischen Substratmaterial bedeckt ist. In einer dritten Konfiguration, die als Streifenleitung bekannt ist, ist die Signalleitung innerhalb des Substrats zwischen zwei elektrisch leitenden (Masse)-Platten eingefügt. Wenn man die Verlustleistung vernachlässigt, ist die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung, wie beispielsweise einer Streifenleitung oder eines Mikrostreifens, gleich
wobei L_l die Induktivität bzw. der induktive Widerstand pro Einheitslänge und C_I die Kapazität pro Einheitslänge sind. Die Werte von L_l und C_l werden allgemein durch die physikalische Geometrie und den Abstand der Leitungsstrukturen bestimmt, als auch die Permittivität des dielektrischen Materials/der dielektrischen Materialien, die verwendet werden, um die Übertragungsleitungsstrukturen zu trennen. Herkömmliche Substratmaterialien weisen typischerweise eine relative Permeabilität von ungefähr 1,0 auf.
Beim herkömmlichen Funkfrequenzentwürfen wird ein Substratmaterial ausgewählt, das einen relativen Permittivitätswert aufweist, der für den Aufbau geeignet ist. Sobald das Substratmaterial ausgewählt ist, wird der Wert der charakteristischen Impedanz der Leitung ausschließlich durch Steuern der Leitungsgeometrie und der physikalischen Struktur angepasst.
Funkfrequenz ("radio frequency"; RF)-Schaltungen werden typischerweise in hybriden Schaltungen ausgebildet, in denen eine Vielzahl aktiver und passiver Schaltungskomponenten auf einer Oberfläche eines elektrisch isolierenden Leiterplattensubstrats angebracht und miteinander verbunden ist, wie beispielsweise einem Keramiksubstrat. Die verschiedenen Komponenten werden allgemein durch aufgedruckte metallische Leiter aus Kupfer, Gold oder Tantal zusammengeschaltet, die beispielsweise Übertragungsleitungen wie Streifenleitungen oder Mikrostreifen oder Doppel- bzw. Zwillingsleitungsstrukturen sind.
Die Permittivität des ausgewählten Substratmaterials für eine Übertragungsleitung, eine passive Funkfrequenzvorrichtung oder ein Abstrahlelement bestimmt die physikalische Wellenlänge der Funkfrequenzenergie bei einer gegebenen Frequenz für diese Leitungsstruktur. Eines der beim Entwerfen von mikroelektronischen Funkfrequenzschaltungen auftretenden Probleme ist die Auswahl eines dielektrischen Baugruppensubstratmaterials, das für alle verschiedenen passiven Komponenten, strahlenden Elemente und Übertragungsleitungsschaltungen geeignet ist, die auf der Baugruppe ausgebildet werden. Im Besonderen kann die Geometrie bestimmter Schal tungselemente aufgrund der einzigartigen elektrischen oder Impedanz-Eigenschaften, die für solche Elemente benötigt werden, physikalisch groß oder miniaturisiert sein. Beispielsweise müssen viele Schaltungselemente oder abgestimmte Schaltungen eine elektrische Viertelwelle sein. Auf gleiche Weise können die Leitungsbreiten, die für besonders hohe oder niedrige Werte der charakteristischen Impedanz benötigt wird, häufig zu schmal oder zu breit sein bezüglich einer praktischen Implementierung für ein gegebenes Substrat. Da die physikalische Größe des Mikrostreifens oder der Streifenleitung in einer inversen Beziehung zur relativen Permittivität des dielektrischen Materials steht, können die Ausmaße einer Übertragungsleitung durch die Wahl des Substratleiterplattenmaterials stark beeinflusst werden.
Dennoch kann eine optimale Wahl für einen Leiterplattensubstratmaterialentwurf für einige Komponenten inkonsistent mit dem optimalen Leiterplattensubstratmaterial für andere Komponenten sein, wie beispielsweise Antennenelemente oder Filter. Darüber hinaus können einige Entwurfszielsetzungen für eine Schaltungskomponente inkonsistent mit denjenigen für eine andere sein. Beispielsweise mag es wünschenswert sein, die Größe eines Antennenelements zu verkleinern. Dies könnte erreicht werden durch Auswählen eines Leiterplattenmaterials mit einer relativ hohen Dielektrizitätskonstanten. Jedoch wird die Verwendung eines Dielektrikums mit einer höheren relativen Permittivität allgemein den unerwünschten Effekt der Verringerung des Abstrahlwirkungsgrads der Antennen haben. Dementsprechend führen die Randbedingungen eines Leiterplattensubstrats mit ausgewählten relativen dielektrischen Eigenschaften oft zu Entwurfskompromissen, welche die elektrische Leistung und/oder physikalischen Eigenschaften der Gesamtschaltung negativ beeinflussen.
Ein inhärentes Problem mit dem obigen Ansatz ist es, dass, zumindest in Bezug auf das Substratmaterial, die einzige Steuervariable für die Leitungsimpedanz die relative Permittivität, ε_r, ist. Diese Beschränkung verdeutlicht ein wichtiges Problem mit herkömmlichen Substratmaterialien, d.h., dass diese keinen Vorteil aus dem anderen Materialfaktor ziehen, welcher die charakteristische Impedanz bestimmt, nämlich L_l, die Induktivität pro Einheitslänge der Übertragungsleitung.
Noch ein weiteres Problem, das beim Entwurf von Funkfrequenzschaltungen auftritt, ist die Optimierung von Schaltungskomponenten zum Betrieb an unterschiedlichen Funkfrequenzbändern. Leitungsimpedanzen und -längen, die für ein erstes Funkfrequenzband optimiert sind, können eine schlechtere Leistung bringen, wenn sie für andere Bänder verwendet werden, entweder aufgrund von Impedanzschwankungen und/oder Schwankungen in der elektrischen Länge. Solche Beschränkungen können den effektiven Betriebsfrequenzbereich für ein gegebenes Funkfrequenzsystem beschränken.
Herkömmliche Leiterplattensubstrate werden allgemein durch Abläufe, wie beispielsweise Gießen oder Sprühbeschichten gebildet, welche allgemein zu einheitlichen physikalischen Substrateigenschaften, einschließlich der Permittivität, führen. Dementsprechend haben sich herkömmliche dielektrische Substratanordnungen für Funkfrequenzschaltungen als eine Beschränkung beim Entwurf von Schaltungen gezeigt, die optimal bezüglich sowohl elektrischer als auch größenmäßiger Eigenschaften sind.
Veröffentlichungen, die für Funkfrequenzschaltungen relevant sind, welche Filter beinhalten, umfassen: Patentzusammenfassung der japanischen Veröffentlichung Nr. 56023102, Interdigital wave filter (Mitsubishi Electric Corporation), veröffentlicht am 20. September 1981, und Patentrusammenfassung der japanischen Veröffentlichung Nr. 07015218, Herstellung laminierter diektrischer Filter (ebenfalls Mitsubishi Electric Corporation), veröffentlicht am 17. Januar 1995.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird eine Schaltung zum Verarbeiten von Funkfrequenzsignalen wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert bereitgestellt.
In einem Beispiel umfassen einige aus der Vielzahl der Resonatorelemente Abschlussleitungen. Ein dritter Bereich kann innerhalb des Substrats vorgesehen sein. Der dritte Bereich ist unterschiedlich zu den ersten und zweiten Bereichen modifiziert, um unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität aufzuweisen, wobei die unterschiedliche Modifikation erreicht wird durch selektive bzw. wahlweise Verwendung mindestens eines Metamaterials. In einer Ausführungsform befindet sich der dritte Bereich des Substrats unterhalb der Resonatorelemente und oberhalb mindestens von Teilen des ersten Bereichs des Substrats.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf ein Kammfilter, das zum Verringern der Größe des Digitalfilters gemäß der vorliegenden Erfindung an einem Substrat ausgebildet ist.
2 ist eine Querschnittsansicht des Kammfilters von 1 entlang einer Linie A-A.
3 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des Kammfilters von 1 entlang einer Linie A-A gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform des Kammfilters von 1 entlang einer Linie A-A.
5 ist ein Flussdiagramm, das zum Darstellen eines Ablaufs zum Herstellen eines Kammfilters verkleinerter physikalischer Größe gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend auf 1 ist ein Kammfilter 10, das als ein Interdigital-Bandpassfilter dient, an einer Schicht von Substratmaterial oder dielektrischem Material (dielektrische Schicht) 11 angebracht. Es sollte verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung und die Interdigital- bzw. Kammstruktur nicht notwendigerweise auf einen Bandpassfilter beschränkt ist. In 1 ist das Kammfilter 10 so konfiguriert, dass es einen Eingangsanschluss 13 und einen Ausgangsanschluss 14 und eine Vielzahl (1 bis n) von gegenseitig gekoppelten Resonatorelementen 15, 16, 17, 18, 19, 20 und 21 aufweist. Die Resonatorelemente 15 und 21 werden auch als Abschlussleitungen angesehen. Obwohl sieben Resonatoren gezeigt sind, sollte es verständlich sein, dass mehr oder weniger Resonatorelemente gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden könnten. Das Bandpass-Kammfilter besteht vorzugsweise aus gegenseitig gekoppelten Resonatoren, welche physikalisch weniger als eine Viertelwellenlänge lang sein können und welche an einem Ende (wie durch die Massepunkte 25, 26, 27, 28, 29 und 31 gezeigt) geerdet und an gegenüberliegenden Enden des Resonatorelements kapazitiv belastet sein können. Die Erdungspunkte sind typischerweise mit einer Masseplatte 50 durch die metallisierten Durchkontaktierungen 35 geerdet, wie in der Querschnittsansicht von 2 gezeigt. Die Kammstruktur wird gebildet durch Erden der Resonatorelemente an abwechselnden Enden, und zwar im Gegensatz zu benachbarten Enden, wie es in einem typischen Kammlinien-Filter gefunden wird. Die vorliegende Erfindung verwendet Substratmaterialien unterschiedlicher Substrateigenschaften, die mit den Resonatorelementen gekoppelt sind. Insbesondere sind Substratmaterialien (12 und 40) mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften und magnetischen Eigenschaften unterhalb und zwischen jedem Resonator in der Vielzahl von Resonatoren 15 bis 21 gekoppelt. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Kammfilters 10 entlang einer Linie A-A, wo magnetische Materialien 40 unterhalb der Resonatoren (15 bis 21) angeordnet sind, um die Leitungen des Filters zu verkürzen und aufzuweiten. Magnetische Materialien zwischen den Leitungen und der Masse stellen ein zusätzliches Mittel dar, um die Breite der Leitung zu steuern. 2 zeigt ferner, dass, wo eine starke Kopplung gewünscht wird (enger Abstand), die Kopplung verbessert werden kann (das heißt, das die Impedanzen mit geradem und ungeradem Mode besser angepasst sind).
Allgemein weisen Kammfilterstrukturen eine Vielzahl von Resonatorelementen auf, die bei der Mittelbandfrequenz eine Viertelwellenlänge lang sind und an einem Ende kurzgeschlossen und an einem gegenüberliegenden Ende leerlaufend sind. Eine Kopplung wird erreicht durch die Felder, die sich zwischen benachbarten Resonatorelementen hindurchzwängen. In der Ausführungsform von 1 dienen Elemente 16 bis 20 als Resonatoren und Elemente 15 und 21 arbeiten als Impedanzwandlungsabschnitte. 3 zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der einzige Unterschied zwischen der Ausführungsform von 2 und 3 derjenige ist, dass die Resonatorelemente oder Abschlussleitungen 15 und 21 einen offenen Kreislauf bilden, statt kurzgeschlossene Leitungselemente (zur Masse) zu sein. In dieser Ausführungsform dienen alle Resonatorelemente, einschließlich der Abschlussleitungen 15 und 21, als Resonatoren. Daher wird die Ausführungsform von 3 ein Kammfilter mit breiterer Bandbreite bereitstellen als die Ausführungsform von 2 (wo die Abschlusselemente 15 und 21 zur Masse hin kurzgeschlossen sind).
Die inneren Leitungsabstände zwischen Resonatoren können ausreichend groß sein, um jegliche Toleranzprobleme zu vermeiden, und zwar sogar für moderat breite Bandbreiten. Die Bandbreite ist eine Entwurfsrandbedingung und wird gegen Herstellungsrandbedingungen abgewogen. Die Resonatorlänge ist auch eine Entwurfswahl, außer dass sie weniger als 90 Grad betragen muss, da bei 90 Grad Länge sich die magnetische und elektrostatische Kopplung vollständig auslöschen. Bei weniger als 90 Grad herrscht magnetische Kopplung vor. Feste Kopplung tritt bei einer Resonatorlänge von 90 Grad sogar für moderat breite Abstände auf. Weil die Leitungen idealerweise eine Resonanzlänge aufweisen, wird eine Lastkapazität typischerweise nicht benötigt. Obwohl die Kammstruktur nicht so kompakt ist wie eine ähnliche Kammleitungsstruktur, ist das Resonator-unbelastete Q höher. Das höhere unbelastete Q macht die Interdigitalstruktur insbesondere gut geeignet, wenn ein Einfü gungsverlust benötigt wird. Das hohe lastlose Q ist auch ein Vorteil im Entwurf von sehr engbandigen Filtern, außer dass die Abwesenheit von Lastabschlüssen entweder eine extrem enge Toleranz oder eine leichte Last zu Abstimmzwecken vorschreibt. Die hervorragenden Kopplungseigenschaften machen das Kammfilter für Bandbreitenanwendungen von bis zu 70 % geeignet.
4 ist eine Querschnittsansicht von 1 entlang einer Linie A-A, welche eine weitere alternative Ausführungsform darstellt, bei der unterschiedliche Substratmaterialien 12 und 40 zwischen der oberen Ebene des Substrats 11 und der Masseplatte 50 gekoppelt sind. Insbesondere koppelt das Substratmaterial 40 zwischen den Resonatorleitungen oder -spuren und der Masseplatte 50. Es wird dem Fachmann jedoch verständlich sein, dass die Erfindung nicht drauf beschränkt ist und dass die gekoppelten Leitungen auch in unterschiedlichen Formen konfiguriert sein können, und zwar auf der Grundlage der gewünschten Funktion und der Eigenschaften des damit gekoppelten Substratmaterials.
Wie oben besprochen, können die Elemente 15 bis 21 Resonanzleitungen sein. Eine Resonanzleitung ist eine Übertragungsleitung, die typischerweise in Funkfrequenzschaltungen verwendet wird. Eine Resonanzleitung weist eine begrenzte Länge auf und wird nicht in ihrer eigentümlichen Impedanz (Z₀) abgeschlossen bzw. abgesteuert. Die Fehlanpassung zwischen Z₀ und der Impedanz bei Abschluss (Lastimpedanz, Z_L) bewirkt, dass Energiereflexionen auftreten. Diese Energiereflexionen können eine Spannung an der Leitung erhöhen oder erniedrigen, und zwar abhängig von der Frequenz der angelegten Spannung und der Lage an der Leitung, an der die Spannung gemessen wird. Dementsprechend kann eine Resonanzleitung einer gegebenen Länge bei einigen Frequenzen eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen, ähnlich einer parallelen Resonanzschaltung bei Resonanz, während die Resonanzleitung bei anderen Frequenzen eine niedrige Eingangsimpedanz aufweisen kann, ähnlich einer reihengeschalteten Resonanzschaltung bei Resonanz. Bei anderen Frequenzen kann die Resonanzleitung auch komplexe oder reaktive Impedanzen aufweisen.
Auf bedruckten Leiterplatten oder Substraten werden Einzelanschluss-Resonanzleitungen typischerweise implementiert durch Erzeugen einer Leitung mit einem einzelnen Anschluss am Eingang und entweder mit einem Leerlauf oder einem Kurzschluss zur Masse beim Abschluss. Die elektrische Länge einer Resonanzleitung mit einem Abschluss bzw. einer Einzelanschluss-Resonanzleitung ist üblicherweise ein Vielfaches einer Viertel-Wellenlänge einer ausgewählten Frequenz. An einer kurzgeschlossenen Leitung weist jeder Punkt bei einer ungeraden Zahl von Viertelwellen längen vom Abschluss aus eine hohe Impedanz und relative Spannungsmaxima auf, und jeder Punkt bei einer geraden Zahl von Viertelwellenlängen von dem Abschluss aus weist eine niedrige Impedanz und ein relatives Spannungsminimum auf. Die Lagen der Spannungsmaxima und -minima sind an Leerlauf-Resonanzleitungen umgekehrt. Die Eingangsimpedanz einer Einzelanschluss-Resonanzleitung ist üblicherweise resistiv, wenn die Länge der Resonanzleitung ein gerades oder ungerades Vielfaches der Viertelwellenlängen der Betriebsfrequenz ist. Das heißt, dass der Eingang zur Einzelanschluss-Resonanzleitung sich an einer Position eines Spannungsmaximums oder -minimums befindet.
Wenn der Eingang der Einzelanschluss-Resonanzleitung sich an einer Position zwischen den Punkten maximaler und minimaler Spannung befindet, kann die Eingangsimpedanz reaktive Komponenten aufweisen, was ein nützliches Merkmal sein kann. Beispielsweise können die Resonanzleitungen auch als fast reine Kapazitäten oder Induktivitäten agieren. Beispielsweise agiert eine Leerlaufleitung als eine reine Kapazität bei einer Länge von 1/8 der Wellenlänge, agiert als eine Reihen-LC-Impedanz bei einer Länge von 1/4 der Wellenlänge, agiert als reine Induktivität bei einer Länge von 3/8 der Wellenlänge und agiert wie eine parallele LC-Schaltung bei einer Länge von 1/2 der Wellenlänge. Diese Abfolge wiederholt sich jede halbe Wellenlänge mit glatten Übergängen zwischen jedem der oben angesprochenen Punkte. Daher können geeignete ausgewählte Einzelanschluss-Resonanzleitungssegmente als parallel-resonante, Reihenschaltungs-resonante, induktive oder kapazitive Schaltungen verwendet werden.
Eine kurzgeschlossene Leitung agiert als eine reine Induktivität bei einer Länge von 1/8 der Wellenlänge, agiert als eine parallele LC-Impedanz bei einer Länge einer 1/4 der Wellenlänge, agiert als reine Kapazität bei einer Länge von 3/8 der Wellenlänge und agiert wie eine Reihen-LC-Schaltung bei einer Länge einer halben Wellenlänge. Dieser Ablauf wiederholt sich jede halbe Wellenlänge mit glatten Übergängen zwischen jedem der oben angesprochenen Punkte. Daher können geeignete ausgewählte Einzelanschlussresonanzleitungssegmente als parallel-resonante, reihengeschaltet-resonante, induktive oder kapazitive Schaltungen verwendet werden.
Wenn eine Resonanzleitung in einer Kapazität abschließt, absorbiert der Kondensator keine Energie, sondern gibt jegliche Energie an die Schaltung zurück. Die Impedanzdiskontinuität zwischen der Leitungsimpedanz und dem Abschluss erzeugt eine reflektierte Welle, die sich auf die einlaufende Wellen aufaddiert, um eine stehende Welle zu erzeugen. Die Spannung der stehenden Welle ist minimal bei einem Ab stand von genau 1/8 der Wellenlänge, vom Ende aus gesehen, wenn die kapazitive Reaktanz des Abschlusses den gleichen absoluten Wert wie Z₀ aufweist. Falls die kapazitive Reaktanz größer als Z₀ ist (kleinere Kapazität), sieht der Abschluss mehr wie ein Leerlauf aus, und das Spannungsminimum bewegt sich vom Ende weg. Falls die kapazitive Reaktanz kleiner als Z₀ ist, bewegt sich das Spannungsminimum näher zum Ende.
Einzelanschluss-Resonanzleitungen werden üblicherweise auf speziell dazu entworfenen bedruckten Leiterplatten bzw. Platinen hergestellt. Die Resonanzleitungen können auf viele unterschiedliche Arten hergestellt werden. Drei übliche Konfigurationen werden als Nächstes beschrieben. Eine Konfiguration, die als Mikrostreifen bekannt ist, ordnet die Resonanzleitung an einer Plattenoberfläche an und stellt eine zweite leitfähige Schicht bereit, die mit der Platte gekoppelt ist. Diese zweite leitfähige Schicht wird üblicherweise als eine Masseplatte bezeichnet. Eine zweite Art von Konfiguration, die als bedeckter Mikrostreifen bekannt ist, ist gleich, außer dass die Resonanzleitung mit einem dielektrischen Substratmaterial bedeckt ist. In einer dritten Konfiguration, die als Streifenleitung bekannt ist, ist die Resonanzleitung zwischen zwei elektrisch leitfähigen (Masse) Platten eingefügt, welche sich nahe der Leiterplatte befinden können oder mit der Leiterplatte gekoppelt sein können. Wie hierin definiert, bedeutet "gekoppelt mit der Leiterplatte" befestigt mit der Oberfläche der Leiterplatte oder in der Leiterplatte enthalten.
Materialien für bedruckte Leiterplatten mit niedriger Dielektrizitätskonstante werden üblicherweise zum Entwurf von Funkfrequenzschaltungen ausgewählt. Beispielsweise sind Polytetrafluorethylen (PTFE)-basierte Komposite, wie beispielsweise RT/duroid^® 6002 (dielektrische Konstante von 2,94; Dielektrizitätsverlust von 0,009) und RT/duroid^® 5880 (dielektrische Konstante von 2,2; Dielektrizitätsverlust von 0,0007), beide von Rogers Microwave Products, Advanced Circuit Materials Division, 100 S Roosevelt Avenue, Chandler, AZ 85226, erhältlich. Diese beiden Materialien sind übliche Wahl für Leiterplattenmaterial. Die obigen Leiterplattenmaterialien stellen dielektrische Schichten mit relativ niedrigen dielektrischen Konstanten mit zugehörigen niedrigen Dielektrizitätsverlusten zur Verfügung.
Jedoch kann die Verwendung herkömmlicher Leiterplattenmaterialien, die Miniaturisierung von Schaltungselementen kompromittieren und mag auch einige Leistungsaspekte der Schaltung kompromittieren, welche von Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante profitieren können. Eine typische Abwägung in Kommunikationsschaltungen besteht zwischen der physikalischen Größe von Antennenelementen gegen den Wirkungsgrad. Durch Vergleich stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler eine zusätzliche Flexibilitätsstufe bereit durch Erlauben der Verwendung von dielektrischen Schichtteilen mit lokal hoher Dielektrizitätskonstante und Schichtteilen mit lokal niedrigen Dielektrizitätskonstanten. Zusätzlich können lokalisierte Leiterplattenteile auf einen Wirkungsgrad optimiert werden durch die Fähigkeit, lokalisierte magnetische Leiterplatteneigenschaften auszuwählen. Diese zusätzliche Flexibilität ermöglicht eine verbesserte Leistung und Leitungselementdichte, die anders nicht möglich ist.
Dielektrische Substratplatten bzw. -baugruppen mit Metamaterial-Bereichen, welche lokalisierte bzw. lokal begrenzte und auswählbare magnetische und dielektrische Eigenschaften bereitstellen, können auf die folgende Art hergestellt werden. Wie hierin definiert, bezieht sich der Ausdruck "Metamaterialien" auf Kompositmaterialien, die aus dem Mischen oder einer Anordnung bzw. Kombination von zwei oder mehr unterschiedlicher Materialien auf einer sehr feinen Ebene, wie beispielsweise der Angström- oder Nanometer-Ebene, gebildet werden. Metamaterialien erlauben ein Zuschneiden elektromagnetischer Eigenschaften des Komposits, welches durch effektive elektromagnetische Parameter definiert werden kann, die eine effektive elektrische Permittivität (oder Dielektrizitätskonstante) und die effektive magnetische Permeabilität umfassen.
Geeignete dielektrische Massen- bzw. Bulk-Keramiksubstratmaterialien kann man von kommerziellen Materialherstellern, wie beispielsweise duPont und Ferro, erhalten. Das unverarbeitete Material, üblicherweise Green Tape genannt, kann aus einem dielektrischen Massen-Band in große Bereiche geschnitten werden, wie beispielsweise in Teile von 15,24 × 15,24 cm (d. h., 6 inch × 6 inch-Teile). Beispielsweise stellt duPont Microcircuit Materials Green Tape-Materialsysteme bereit, wie beispielsweise das dielelektrische 951- Niedertemperatur-Einbrand-Band, und die Ferro Electronic Materials die COG-dielektrische ULF28-30-ultraniedrig-Einbrand-Formulierung. Diese Substratmaterialien können dazu verwendet werden, dielektrische Schichten mit relativ geringen Dielektrizitätskonstanten mit dazugehörigen relativ niedrigen Dielektrizitätsverlusten für einen Schaltungsbetrieb bei Mikrowellenfrequenzen bereitzustellen, sobald sie gebrannt sind.
Beim Ablauf des Erzeugens einer Mikrowellenschaltung unter Verwendung mehrfacher Lagen eines dielektrischen Substratmaterials können Merkmale wie beispielsweise Durchführungen, Poren, Löcher oder Hohlräume durch ein oder mehrere Schichten des Bandes gestanzt werden. Poren können durch mechanische Mittel (beispiels weise Stanzungen) oder durch gerichtete Energiemittel (z. B. Laserbohren, Fotolithografie) definiert werden, aber Poren können auch unter Verwendung jedes anderen geeigneten Verfahrens definiert werden. Einige Durchkontaktierungen können durch die gesamte Dicke des großen Substrats hindurch reichen, während einige Poren nur durch verschiedene Bereiche der Substratdicke hindurchreichen.
Die Durchkontaktierungen können dann mit Metall oder anderen dielektrischen oder magnetischen Materialien oder Mischungen davon, aufgefüllt werden, üblicherweise unter Verwendung von Schablonen zur präzisen Aufbringung der Hinterfüllungsmaterialien. Die individuellen Schichten des Bandes können in einem herkömmlichen Verfahrensablauf aufeinander gestapelt werden, um ein vollständiges Mehrlagensubstrat herzustellen. Alternativ können individuelle Schichten des Bandes aufeinandergestapelt werden, um ein nicht vollständiges Mehrlagensubstrat zu erzeugen, das üblicherweise als ein Teilstapel bezeichnet wird.
Mit Poren bzw. Leerräumen versehene Bereiche können auch Poren bleiben. Falls sie mit ausgewählten Materialien hinterfüllt werden, umfassen die ausgewählten Materialien vorzugsweise Metamaterialien. Die Wahl einer Metamaterialzusammensetzung kann steuerbare effektive Dielektrizitätskonstanten über einen vergleichsweise kontinuierlichen Bereich von weniger als 2 bis mindestens 2650 ergeben. Steuerbare magnetische Eigenschaften sind auch von bestimmten Metamaterialien verfügbar. Beispielsweise kann durch Wahl geeigneter Materialien die relative effektive magnetische Permeabilität allgemein von ungefähr 4 bis 116 für die meisten praktischen Funkfrequenzanwendungen reichen. Jedoch kann die relative effektive magnetische Permeabilität so niedrig wie ca. 2 sein oder bis in die Tausende reichen.
Der Ausdruck "unterschiedlich modifiziert", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf Veränderungen bzw. Modifikationen, einschließlich Dotiermitteln, in Bezug auf eine dielektrische Substratschicht, was dazu führt, dass zumindest eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an einem Bereich des Substrats im Vergleich zu einem anderen Bereich unterschiedlich ist. Ein unterschiedlich modifiziertes Leiterplattensubstrat umfasst vorzugsweise ein oder mehr Metamaterial enthaltende Bereiche.
Beispielsweise kann die Modifikation eine ausgewählte Veränderung sein, bei der bestimmte dielektrische Schichtbereiche bzw. Bereiche einer dielektrischen Schicht verändert werden, um einen ersten Satz dielektrischer oder magnetischer Eigenschaften zu erzeugen, während andere Bereiche der dielektrischen Schicht unterschiedlich modifiziert bzw. verändert werden oder unverändert bleiben, um dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften bereitzustellen, die sich von dem ersten Satz von Eigenschaften unterscheiden. Eine unterschiedliche Modifizierung kann auf eine Vielzahl unterschiedlicher Wege erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine dielektrische Ergänzungsschicht der dielektrischen Schicht hinzugefügt werden. Bekannte Techniken, wie beispielsweise verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidetechnologien oder ein Zerstäuben kann verwendet werden, um die dielektrische Ergänzungsschicht aufzubringen. Die dielektrische Ergänzungsschicht kann ausgewählt in räumlich begrenzten Bereichen hinzugefügt werden, einschließlich innerhalb von Poren oder Löchern, oder über die gesamte existierende dielektrische Schicht. Beispielsweise kann eine dielektrische Ergänzungsschicht verwendet werden, um einen Substratbereich mit einer erhöhten effektiven dielektrischen Konstante bereitzustellen.
Antworten einer dielektrischen Schicht auf gegebene energetische Anregungen können im Wesentlichen ganz oder teilweise permanent sein. Permanente Antworten erlauben eine zeitliche Anwendung einer geeigneten Anregung, um ein oder mehrere gewünschte physikalische Eigenschaften einer dielektrischen Schicht zu erreichen. Physikalische Eigenschaften können auch dynamisch gesteuert werden, wie beispielsweise durch die Verwendung von Entladungselektroden, welche eine Anwendung eines zeitlich veränderlichen elektrischen Felds über die dielektrische Schicht erlauben können. Eine dynamische Steuerung der dielektrischen Schichteigenschaften, wie beispielsweise der Dielektrizitätskonstanten, kann verwendet werden, um die physikalischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht umzustimmen, um die Leistung der Resonanzleitung als Antwort auf sich verändernde Signaleigenschaften zu optimieren, beispielsweise auf eine Änderung in der Betriebsfrequenz.
Der Schritt des unterschiedlichen Modifizierens kann weiterhin ein räumlich begrenztes Hinzufügen zusätzlicher Materialien zu der dielektrischen Schicht oder der dielektrischen Ergänzungsschicht enthalten. Die Hinzufügung von Material kann verwendet werden, um die effektive dielektrische Konstante oder magnetische Eigenschaften der dielektrischen Schicht weiter zu steuern, um ein vorgegebenes Entwurfsziel zu erreichen.
Das zusätzliche Material kann eine Vielzahl von metallischen und/oder keramischen Teilchen umfassen. Metallteilchen umfassen vorzugsweise Eisen-, Wolfram-, Kobalt-, Vanadium-, Mangan-, bestimmte Seltenerdmetall-, Nickel- oder Niob-Teilchen. Die Teilchen sind vorzugsweise nanogroße Teilchen mit allgemein physikalischen Sub-Mikrometer-Abmessungen, die im Weiteren als Nanoteilchen bezeichnet werden.
Die Teilchen, wie beispielsweise Nanoteilchen, können vorzugsweise organofunktionalisierte Kompositteilchen sein. Beispielsweise können organofunktionalisierte Kompositteilchen Teilchen umfassen, welche metallische Kerne mit elektrisch isolierenden Beschichtungen oder elektrisch isolierende Kerne mit einer Metallbeschichtung umfassen.
Magnetische Metamaterialien, welche allgemein zur Steuerung magnetischer Eigenschaften der dielektrischen Schicht für eine Vielzahl von hierin beschriebenen Anwendungen geeignet sind, umfassen Ferrit-Organokeramiken (Fe_xC_yH_z)-(Ca/Sr/Ba-Keramik). Diese Teilchen arbeiten gut bei Anwendungen im Frequenzbereich von 8 bis 40 GHz. Alternativ oder zusätzlich sind Niob-Organokeramiken (NbCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik) nützlich für den Frequenzbereich von 12–40 GHz. Die für eine Hochfrequenz vorgesehenen Materialien sind auch auf Niedrigfrequenzanwendungen anwendbar. Diese und andere Arten von Kompositteilchen sind kommerziell erhältlich.
Allgemein werden beschichtete Teilchen zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt, da sie eine Verbindung mit einer Polymermatrix oder mit Seitenkettenresten unterstützen. Zusätzlich zum Steuern der magnetischen Eigenschaften des Dielektrikums können die hinzugefügten Teilchen auch dazu verwendet werden, die effektive dielektrische Konstante des Materials zu steuern. Unter Verwendung eines Füllungsverhältnisses von Kompositteilchen von ungefähr 1 bis 70 % ist es möglich, die dielektrische Konstante von Bereichen der dielektrischen Substratschicht und/oder der dielektrischen Ergänzungsschicht wesentlich zu erhöhen und möglicherweise abzusenken. Beispielsweise kann ein Hinzufügen organofunktionalisierter Nanopartikel zu einer dielektrischen Schicht dazu verwendet werden, die dielektrische Konstante der modifizierten Bereiche der dielektrischen Schicht anzuheben.
Teilchen können mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfach-Mischens, Mischens und eines heftigen Füllens. Beispielsweise kann eine dielektrische Konstante von einem Wert von 2 bis hoch zu 10 unter Verwendung einer Vielzahl von Teilchen mit einem Füllungsverhältnis von bis zu 70 % angehoben werden.
Metalloxide, die für diesen Zweck nützlich sind, können Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkonoxid und Niob(II, IV, V)-oxid umfassen. Lithiumniobat (LiNbO₃) und Zirkonate, wie beispielsweise Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat, können ebenfalls verwendet werden.
Die wählbaren Substrateigenschaften können auf Flächen so klein wie ca. 10 nm lokal begrenzt werden oder große Flächenbereiche abdecken, einschließlich der gesamten Baugruppen- bzw. Leiterplattensubstratoberfläche. Herkömmliche Techniken, wie beispielsweise Lithographie und Ätzen, zusammen mit Abscheidungsabläufen, können zur räumlich begrenzten Handhabung der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften verwandt werden.
Die Materialien können gemischt mit anderen Materialien oder einschließlich verschiedener Dichten porenbehafteter Bereiche (welche allgemein Luft einfügen) angesetzt werden, um effektive dielektrische Konstanten in einem im Wesentlichen kontinuierlichen Bereich von 2 bis ca. 2650 herzustellen, als auch andere potentiell gewünschte Substrateigenschaften. Beispielsweise umfassen Materialien, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante (< 2 bis ca. 4) zeigen, Siliziumdioxid mit unterschiedlichen Dichten porenbehafteter Bereiche. Aluminiumoxid mit unterschiedlichen Dichten porenbehafteter Bereiche kann eine Dielektrizitätskonstante von ca. 4 bis 9 bereitstellen. Weder Siliziumdioxid noch Aluminiumoxid weisen irgendwelche wesentlichen magnetischen Permeabilitäten auf. Jedoch können magnetische Partikel hinzugefügt werden, wie beispielsweise bis zu 20 Gew.-%, um diese oder jegliches andere Material merklich magnetisch zu machen. Beispielsweise können magnetische Eigenschaften mit einer Organofunktionalität zugeschnitten werden. Die Auswirkung auf die Dielektrizitätskonstante vom Hinfügen magnetischer Materialien führt allgemein zu einem Anstieg in der Dielektrizitätskonstante.
Materialien mit mittlerer Dielektrizitätskonstante weisen eine Dielektrizitätskonstante auf, die allgemein im Bereich von 70 bis 500 ± 10 % liegt. Wie oben angemerkt, können diese Materialien mit anderen Materialien oder Poren gemischt werden, um die gewünschten Werte der effektiven Dielektrizitätskonstanten bereitzustellen. Diese Materialien können Ferrit-dotiertes Kalziumtitanat umfassen. Dotiermetalle können Magnesium, Strontium und Niob umfassen. Diese Materialien weisen einen Bereich von 45 bis 600 in der relativen magnetischen Permeabilität auf.
Für Anwendungen mit hoher Dielektrizitätskonstante können Ferrit- oder Niob-dotierte Kalzium- oder Barium-Titanat-Zirkonate verwendet werden. Diese Materia lien weisen eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 2200 bis 2650 auf. Dotieranteile für diese Materialien liegen allgemein zwischen ca. 1 bis 10 %. Wie in Bezug auf andere Materialien angemerkt, können diese Materialien mit anderen Materialien oder Poren gemischt werden, um gewünschte effektive Werte für die Dielektrizitätskonstante bereitzustellen.
Diese Materialien können allgemein durch verschiedene molekulare Veränderungsabläufe modifiziert werden. Modifikationsbearbeiten kann eine Erzeugung von Poren, gefolgt durch Füllen mit Materialien, wie beispielsweise Kohlenstoff und Fluor-basierten organofunktionalen Materialen, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), umfassen.
Alternativ oder zusätzlich zur organofunktionalen Integration kann ein Bearbeiten eine Herstellung von festen Freiformen ("solid freeform fabrication"; SFF), Licht-, UV-, Röntgenstrahl-, Elektronenstrahl- oder Ionenstrahl-Bestrahlung umfassen. Eine Lithographie kann auch unter Verwendung einer Foto-, UV-, Röntgenstrahl-, Elektronenstrahl- oder Ionenstrahl-Bestrahlung durchgeführt werden.
Unterschiedliche Materialien, einschließlich Metamaterialien, können auf unterschiedliche Flächen auf Substratschichten (Teilstapel) aufgebracht werden, so dass eine Vielzahl von Flächen der Substratschichten (Teilstapel) unterschiedliche dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Die Hinterfüllungsmaterialien, wie oben angemerkt, können zusammen mit einem oder mehreren zusätzlichen Verarbeitungsschritten verwendet werden, um gewünschte dielektrische und/oder magnetische Eigenschaften zu erreichen, entweder lokal begrenzt oder über einen Massen-Substratbereich.
Ein Leiteraufdruck auf der obersten Schicht wird dann allgemein auf die modifizierte Substratschicht, den Schichtstapel oder den vollständigen Stapel aufgebracht. Leiterspuren können unter Verwendung von Dünnfilmtechniken, Dickfilmtechniken, einer Galvanisierung oder jeder anderen geeigneten Technik bereitgestellt werden. Die Prozessabläufe, die verwendet werden, um das Leitermuster zu definieren, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, eine Standardlithographie und Vervielfältigungsmatrizen.
Man erhält dann allgemein eine Grundplatte zum Zuordnen und Ausrichten einer Vielzahl von modifizierten Baugruppensubstraten. Ausrichtungslöcher durch jede der Vielzahl der Substratleiterplatten können für diesen Zweck verwendet werden.
Die Vielzahl von Schichten des Substrats, ein oder mehrere Teilstapel oder eine Kombination von Schichten und Teilstapeln können dann miteinander geschichtet werden (z. B. mechanisch gepresst) unter Verwendung entweder eines isostatischen Drucks, was einen Druck auf das Material von allen Richtungen anlegt, oder eines einachsigen Drucks, was einen Druck auf das Material nur von einer Richtung aus anlegt. Das Mehrlagensubstrat wird dann weiterverarbeitet, wie oben beschrieben, oder in einen Ofen eingebracht, um auf eine Temperatur aufgeheizt zu werden, die für das verarbeitete Substrat geeignet ist (ungefähr 850°C bis 900°C für die oben angesprochenen Materialien).
Die Vielzahl von Keramikbandschichten und gestapelten Teilstapeln von Substraten kann dann unter Verwendung eines geeigneten Ofens gebrannt werden, welcher bezüglich eines Temperaturanstiegs mit einer Rate gesteuert werden kann, die für das verwendete Substratmaterial geeignet ist. Die verwendeten Prozessbedingungen, wie beispielsweise die Anstiegsrate der Temperatur, die Endtemperatur, das Abkühlprofil und notwendige Halteabschnitte werden abgestimmt auf das Substratmaterial und jedes darin hinterfüllte oder darauf aufgetragene Material ausgewählt. Dem Brennen folgend werden Substratplatten typischerweise unter Verwendung eines optischen Mikroskops auf Fehler untersucht.
Die gestapelten Keramiksubstrate können dann optional in vereinzelte Stücke geschnitten werden, die so klein sind, wie es benötigt wird, um Schaltungsfunktionsanforderungen zu erfüllen. Folgend auf eine Endprüfung können die vereinzelten Substratstücke dann auf einer Testhalterung zur Beurteilung ihrer verschiedenen Eigenschaften angebracht werden, wie z. B. dazu um sicherzustellen, dass die dielektrischen, magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften innerhalb vorbestimmter Grenzen liegen.
Daher können dielektrische Substratmaterialien mit lokalisierten bzw. lokal begrenzten, ausgewählten dielektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften zum Verbessern der Dicht und Leistung von Schaltungen ausgestattet sein, einschließlich solcher, die gekoppelte Leitungen aufweisen, die als Bandpassfilter dienen. Die dielektrische Flexibilität erlaubt eine unabhängige Optimierung der Leitungsimpedanz und der elektromagnetischen Kopplung verschiedener Elemente, die das Kammfilter ausmachen.
Jedoch kann die Verwendung herkömmlicher Leiterplattenmaterialien die Verkleinerung von Schaltungselementen beeinträchtigen und kann auch einige Leistungsgesichtspunkte von Schaltungen beeinträchtigen, die von Schichten mit hoher Dielektrizitätskonstante profitieren. Eine typische Abwägung bei einer Kommunikationsschaltung besteht zwischen der physikalischen Größe einer Resonanzleitung gegen die Betriebsfrequenz. Durch Vergleich stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler eine zusätzliche Flexibilitätsstufe bereit durch das Erlauben der Verwendung eines dielektrischen Schichtteils hoher Dielektrizitätskonstante mit magnetischen Eigenschaften, die auf eine Verringerung der Größe einer Resonanzleitung und/oder einer Wandlerleitung zum Betrieb bei einer bestimmten Frequenz hin optimiert sind. Ferner stellt die vorliegende Erfindung dem Schaltungsentwickler auch Mittel zum Steuern des Gütefaktors (Q) der Resonanzleitungsgesichtspunkte der Leitung mit zwei Anschlüssen bereit. Diese zusätzliche Flexibilität ermöglicht eine verbesserte Leistung und Resonanzleitungsdichte und Leistung, die anders für Funkfrequenzschaltungen nicht möglich ist. Wie hierin definiert, bedeutet Funkfrequenz bzw. RF jede Frequenz, die verwendet werden kann, um eine elektromagnetische Welle zu verbreiten.
Wieder bezugnehmend auf die 1 und 2 ist das Kammfilter an einem Substrat oder einer Schicht dielektrischen Materials (dielektrische Schicht) 11 befestigt, welche mindestens einen ersten Bereich 9 mit einem ersten Satz von Substrateigenschaften (wie beispielsweise dielektrischen Eigenschaften), einschließlich einer ersten dielektrischen Konstante, umfasst, sowie mindestens einen zweiten Bereich 12 mit einem zweiten Satz von Substrateigenschaften, einschließlich einer zweiten dielektrischen Konstante. Die erste dielektrische Konstante ist vorzugsweise unterschiedlich von der zweiten dielektrischen Konstante. In diesem Fall liegt der zweite Bereich 12 zwischen den Resonatorleitungsabschnitten 15 bis 21. Das Substrat kann auch andere Bereiche aufweisen, wie beispielsweise einen Bereich 40 mit noch einem anderen Satz von Substrateigenschaften. Wie gezeigt, nimmt der Bereich 40 die Fläche zwischen den entsprechenden Resonatorelementen und der Masseplatte 50 ein. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt, dass jeder der Bereiche 9, 12 und 40 seine eigenen dielektrischen Eigenschaften aufweisen kann, aber zwei von drei Bereichen können auch Substrateigenschaften aufweisen, die äquivalent sind, wie von der vorliegenden Erfindung berücksichtigt.
Die dielektrische Konstante der Bereiche 12 und/oder 40, kann eine höhere Permittivität und/oder Permeabilität aufweisen als der erste Bereich 9. Dementsprechend kann die Größe der Resonatorelemente 15 bis 21 (oder Wandlerelemente 15 und 21, wie es der Fall in der Ausführungsform von 1 sein kann) kleiner sein, als es sonst notwendig wäre, um eine ausgewählte Kapazität zwischen den entsprechenden Resonatorelementen und der Masseplatte 50 zu erreichen. Dementsprechend ermöglicht dies der Fläche des Substrats 11, welche das Kammfilter aufnimmt, kleiner zu sein als die Fläche, die an einer herkömmlichen Leiterplatte benötigt würde.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Signals, das an einer Resonanzleitung läuft, ist ungefähr umgekehrt proportional zu √με . Dementsprechend verringert ein Erhöhen der Permeabilität und/oder Permittivität in den Bereichen 12 oder 40 die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals an den Resonanzleitungen und dadurch die Signalwellenlänge. Daher kann die Viertel-Wellenlänge (oder jegliches Mehrfache davon) der Leitung verringert werden durch Erhöhen der Permeabilität und/oder Permittivität. Dementsprechend kann die Fläche der dielektrischen Schicht oder des Substrats 11, welche das Kammfilter aufnimmt, kleiner sein als diejenige Fläche, die an einer herkömmlichen Leiterplatte benötigt würde.
Die Bereiche 12 und 40 können auch eine Permittivität aufweisen, die ausgewählt wurde, um eine bestimmte Kapazität für Teile oder für die gesamte Resonatorleitung zu erreichen. Ferner kann die Permeabilität ausgewählt werden, um zu einer bestimmten Induktivität für ein bestimmtes Resonatorelement zu führen. Die Permittivität und Permeabilität können so gewählt werden, dass sie zu einem gewünschten Z₀ oder anderen Filtereigenschaften führen. Z₀ kann ausgewählt werden, um zu einem gewünschten Q für bestimmte Resonanzen an den Resonanzleitungsteilen zu führen, um die Resonanzantwort des Filters zu bilden und/oder um Spannungsmaxima und -minima anzupassen. Ferner kann Z₀ ausgewählt werden, um höhere Resonanzmoden zu unterdrücken und/oder um eine Fehlanpassung zwischen der Impedanz des Kammfilters und der Impedanz des freien Raums zu erzeugen. Diese Impedanzfehlanpassung kann dabei helfen, eine Funkfrequenzabstrahlung vom Kammfilter zu minimieren und eine elektromagnetische Interferenz (EMI) zu verringern.
Die Resonanzeigenschaften des Kammfilters 10 können durch die ersten und zweiten Bereiche (oder andere Bereiche) des Substrats verteilt werden, da die elektrischen Felder und die magnetischen Felder, die in diesen Bereichen gebildet werden, Energie speichern und freigeben. Die Menge der durch die Felder gespeicherten und freigegebenen Energie kann angepasst werden, um unterschiedlichen Bereichen in der dielektrischen Schicht zugeordnete Permittivitäten und Permeabilitäten zu steuern. Beispielsweise wird eine höhere Permittivität in einem bestimmten Bereich zu einer größeren in den elektrischen Feldern gespeicherten Energie führen, die in diesem Bereich gebildet werden. Auf gleiche Weise wird eine höhere Permeabilität in einem bestimmten Bereich zu einer höheren Energie führen, die in den magnetischen Feldern gespeichert ist, welche in diesem Bereich gebildet werden.
Weil die Größe der Resonanzelemente oder -leitungen allgemein kleiner sein kann als diejenige auf herkömmlichen Leiterplatten, kann die Kapazität einfacher angepasst werden, um Spannungsminima und -maxima an gewünschten Orten entlang des Kammfilters zu lokalisieren. Ferner können Bereiche, bei denen Resonanzleitungen wie eine Induktivität oder eine Kapazität agieren, ebenfalls einfacher gesteuert werden. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung eine größere Konfigurabilität von Resonanzleitungen im Vergleich zum Stand der Technik.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Permeabilität der dielektrischen Schicht des Leiterplattensubstrats gesteuert werden durch Hinzufügen ferromagnetischen, diamagnetischen oder paramagnetischen Materials in den zweiten Bereich/in die zweiten Bereichen, um die Induktivität von Teilen des Kammfilters zu erhöhen. Vorzugsweise ist die Leitfähigkeit des ferromagnetischen Materials niedrig, um so einen Fluss zu minimieren und die Resonatorabschnitte nicht mit irgendwelchen anderen Leitungen in oder an der dielektrischen Schicht oder zur Masseplatte kurzzuschließen.
Es sollte angemerkt werden, dass die Kammfilterkonfigurationen nicht auf die gezeigten beispielhaften Figuren beschränkt sind. Beispielsweise können die Kammfilter Resonatorelemente mit veränderlichen Formen aufweisen und können so positioniert sein, dass sie veränderliche Abstände zwischen den Resonatorelementleitungen und der Masseplatte oder der Schaltungsschichtoberfläche aufweisen. Ferner kann jede Anzahl von dielektrischen, ferromagnetischen, diamagnetischen und/oder paramagnetischen Materialien in jeglichen Bereichen des Substrats enthalten sein. In einer Ausführungsform kann Z₀ über die gesamte Länge des Kammfilters gesteuert werden, oder über irgendeinen Teil davon, und zwar unter Verwendung dielektrischer und magnetischer Mischungen oder Konzentrationen, und Z₀ über verschiedenen Bereiche der Leitung zu verändern. Beispielsweise kann Z₀ gesteuert werden, um eine Abstrahlung von Funkfrequenzenergie oder elektromagnetischer Interferenz (EMI) vom Kammfilter zu minimieren. Ferner können die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an ausgewählten Teilen der dielektrischen Schicht unterschiedlich modifiziert werden, um die Resonanzleitungsleistung zu optimieren. In noch einer weiteren Ausführungsform können alle Teile der dielektrischen Schicht durch unterschied liches Modifizieren dielektrischer Eigenschaften und magnetischer Eigenschaften in allen Bereichen der dielektrischen Schicht modifiziert werden.
Der Ausdruck "unterschiedliches Modifizieren", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf jegliche Modifikationen der Substratschicht 100, einschließlich von Hinzufügungen, die dazu führen, dass zumindest eine der dielektrischen und magnetischen Eigenschaften an einem Bereich des Substrats im Vergleich zu einem anderen Bereich unterschiedlich ist. Beispielsweise kann die Modifikation eine ausgewählte Modifikation sein, bei der bestimmte Teile der dielektrischen Schicht modifiziert werden, um einen ersten Satz dielektrischer oder magnetischer Eigenschaft zu erzeugen, während andere Teile der dielektrischen Schicht unverändert bleiben, und zwar mit dielektrischen und magnetischen Eigenschaften, die sich vom ersten Satz von Eigenschaften unterscheiden, der sich aus der Modifikation ergibt.
Eine Ausführungsform des Verfahrens zum Bereitstellen einer auf Größe und Leistung hin optimierten Resonanzleitung wird mit Bezug auf den unten stehenden Text und das in 5 dargestellte Flussdiagramm beschrieben. Bezug nehmend auf 5 wird, in Schritt 510, dielektrisches Leiterplattenmaterial zur Modifikation angesetzt. Das Leiterplattenmaterial kann kommerziell verfügbare Standardmaterialien umfassen, wie beispielsweise RT/duroid^® 6002, oder kundenangepasstes Leiterplattenmaterial, das aus einem Polymermaterial hergestellt wird, oder eine Kombination daraus. Der Ansetzablauf kann von der Art des ausgewählten Leiterplattenmaterials abhängig gestaltet werden.
In Schritt 520 werden ein oder mehrere Teile der dielektrischen Schicht, wie beispielsweise der erste Bereich 9 oder der zweite Bereich 12, unterschiedlich modifiziert, so dass die dielektrische Konstante oder magnetische Eigenschaften im zweiten Bereich 12 unterschiedlich sind im Vergleich zur dielektrischen Konstante oder magnetischen Eigenschaften des ersten Bereichs 9. In Schritt 530 wird eine Metallschicht aufgebracht, um das Kammfilter zu bilden. In Schritt 520 kann die unterschiedliche Modifikation auf verschiedene Arten erreicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine dielektrische Ergänzungsschicht der dielektrischen Schicht 11 hinzugefügt werden. Aus dem Stand der Technik bekannte Techniken, wie verschiedene Sprühtechnologien, Aufschleudertechnologien, verschiedene Abscheidungstechnologien oder ein Zerstäuben können verwendet werden, um die Ergänzungsschicht aufzubringen. Die Ergänzungsschicht kann in der Re gion 12 oder 40 selektiv aufgebracht werden, oder über die gesamte existierende dielektrische Schicht 11.
Der Schritt 520 des unterschiedlichen Modifizierens kann ferner ein Hinzufügen zusätzlichen Materials zur dielektrischen Schicht 11 umfassen. Das Hinzufügen des Materials kann dazu verwendet werden, die dielektrische Konstante oder magnetische Eigenschaften der dielektrischen Schicht 11 weiter zu steuern, um einen Resonanzleitungswirkungsgrad zu verbessern oder eine bestimmte Resonanzleitungsgröße zu erlangen.
Das zusätzliche Material, das der dielektrischen Schicht hinzugefügt werden kann, kann eine Vielzahl von Teilchen umfassen. Die Teilchen sind vorzugsweise metallische und/oder keramische Teilchen. Metallteilchen umfassen vorzugsweise Eisen-, Wolfram-, Kobalt-, Vanadium-, Mangan-, bestimmte Seltenerdmetall-, Nickel- oder Niob-Teilchen. Die Teilchen sind vorzugsweise nanogroße Teilchen mit allgemein physikalischen Sub-Mikrometer-Abmessungen, die im Weiteren als Nanoteilchen bezeichnet werden.
Die Teilchen, wie beispielsweise Nanoteilchen, können vorzugsweise organofunktionalisierte Kompositteilchen sein. Beispielsweise können organofunktionalisierte Kompositteilchen Teilchen umfassen, welche metallische Kerne mit elektrisch isolierenden Beschichtungen oder elektrisch isolierende Kerne mit einer Metallbeschichtung umfassen.
Mögliche magnetische Metamaterialien, welche allgemein zur Steuerung magnetischer Eigenschaften der dielektrischen Schicht 11 für eine Vielzahl von hierin beschriebenen Resonanzleitungsanwendungen geeignet sind, umfassen Ferrit-Organokeramiken (Fe_xC_yH_z)-(Ca/Sr/Ba-Keramik). Diese Teilchen arbeiten gut bei Anwendungen im Frequenzbereich von 8 bis 40 GHz. Alternativ oder zusätzlich sind Niob-Organokeramiken (NbCyHz)-(Ca/Sr/Ba-Keramik) nützlich für den Frequenzbereich von 12–40 GHz. Die für eine Hochfrequenz vorgesehenen Materialien sind auch auf Niedrigfrequenzanwendungen anwendbar. Diese und andere Arten von Kompositteilchen sind kommerziell erhältlich.
Allgemein werden beschichtete Teilchen zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt, da sie eine Verbindung mit einer Polymermatrix oder mit Seitenkettenresten unterstützen. Zusätzlich zum Steuern der magnetischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht 11 können die hinzugefügten Teilchen auch dazu verwendet werden, die dielektrische Konstante des Materials zu steuern. Unter Verwendung eines Füllungsverhältnisses von Kompositteilchen von ungefähr 1 bis 70 % ist es möglich, die dielektrische Konstante von Bereichen der dielektrischen Substratschicht und/oder der dielektrischen Ergänzungsschicht wesentlich zu erhöhen und möglicherweise abzusenken. Beispielsweise kann ein Hinzufügen organofunktionalisierter Nanopartikel zu einer dielektrischen Schicht dazu verwendet werden, die dielektrische Konstante der modifizierten Bereiche der dielektrischen Schicht anzuheben.
Teilchen können mittels einer Vielzahl von Techniken aufgebracht werden, einschließlich eines Vielfach-Mischens, Mischens und eines heftigen Füllens. Beispielsweise kann, falls die dielektrische Schicht ein Polymer umfasst, eine dielektrische Konstante von einem Wert von 2 bis hoch zu 10 unter Verwendung einer Vielzahl von Teilchen mit einem Füllungsverhältnis von bis zu 70 % angehoben werden.
Metalloxide, die für diesen Zweck nützlich sind, können Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkonoxid und Niob(II, IV, V)-oxid umfassen. Lithiumniobat (LiNbO₃) und Zirkonate, wie beispielsweise Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat, können ebenfalls verwendet werden.
Während die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dargelegt und beschrieben worden sind, ist es klar, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Zahlreiche Änderungen, Modifikationen, Variationen, Ersetzungen und Äquivalente werden dem Fachmann einfallen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen beschrieben ist, abzuweichen.

Claims

Schaltung (100) zum Verarbeiten von Funkfrequenzsignalen, aufweisend: ein Substrat (11) mit einem ersten Bereich (9) und einem zweiten Bereich (12), die unterschiedlich modifiziert sind, um eine unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität aufzuweisen; eine Masseplatte (50), die an dem Substrat (11) angeordnet ist; und ein Kammfilter (10) mit einer Vielzahl von Resonatorelementen (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21), wobei sich abwechselnde Enden (25, 26, 27, 28, 29, 30, 31) von angrenzenden Resonatorelementen aus der Vielzahl der Resonatorelemente mit der Masseplatte (50) verbunden sind und wobei der erste Bereich (9) des Substrats (11) sich unterhalb der Resonatorelemente (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) des Kammfilters befindet und wobei der zweite Bereich (12) des Substrats (11) sich zwischen zumindest Teilen der Resonatorelemente (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) des Kammfilters befindet; dadurch gekennzeichnet, dass eine unterschiedliche Modifikation erreicht wird durch wahlweise Verwendung mindestens eines Metamaterials, das umfasst: ferritische organokeramische Teilchen oder organokeramische Niob-Teilchen oder organofunktionalisierte keramische Verbundteilchen, die aufweisen können: Metalloxide, einschließlich Aluminiumoxid, Kalziumoxid, Magnesiumoxid, Nickeloxid, Zirkonoxid und Niob (II, IV und V)-Oxid, Lithiumniobat, und Zirkonate, einschließlich Kalziumzirkonat und Magnesiumzirkonat, und ferritdotiertes Kalziumtitanat unter Verwendung von Magnesium, Strontium oder Niob als Dotiermetallen, und ferrit- oder niob-dotiertes Kalzium oder Bariumtitanatzirkonate, und wobei das Metamaterial ein Verbundstoff ist, der durch das Mischen oder eine Anordnung zweier oder mehrerer Materialien auf einer molekularen oder Nanometer-Ebene gebildet wird.
Schaltung (100) nach Anspruch 1, wobei einige aus der Vielzahl der Resonatorelemente (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) Abschlussleitungen (15, 21) umfassen.
Schaltung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen dritten Bereich (40) des Substrats, der bezüglich des ersten und zweiten Bereichs (9, 12) unterschiedlich modifiziert ist, um eine unterschiedliche Permeabilität und/oder eine unterschiedliche Permittivität aufzuweisen, wobei die unterschiedliche Modifikation durch wahlweise Verwendung mindestens eines Metamaterials erreicht wird.
Schaltung (100) nach Anspruch 3, bei welcher der dritte Bereich (40) des Substrats (11) sich unterhalb der Resonatorelemente (15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) und oberhalb von zumindest Teilen des ersten Bereichs (9) des Substrats (11) befindet.