DE4228349A1 - Koplanarer Wellenleiter mit geringem Wellenwiderstand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen koplanaren Wellenleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Wellenleiter finden z. B. Verwendung in monoli­ thisch integrierten Mikrowellenschaltkreisen (MMIC), die in koplanarer Wellenleitertechnik, sogenannter CPW-Tech­ nik, hergestellt werden.

Verglichen mit der Mikrostreifenleiter-Technik (siehe u. a. T. Hiraoka et al., IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. MTT-37 (1989), S. 1569 bis 1575) hat die CPW-Technik den Vorteil, daß die Leitungsstruktur auf der Vorderseite aufgebracht wird.

Deshalb entfällt das Dünnen des Substrates, die via-hole- Technik und die Rückseitenmetallisierung des Substrates. In Verbindung mit der Realisierung von MMIC′S in CPW-Tech­ nik erweist es sich mitunter als notwendig, Koplanarlei­ tungen mit sehr geringen Wellenwiderständen auszulegen. Beispielsweise werden Transmissionsleitungen für MMIC′S mit charakteristischen Impedanzen von kleiner als Z_L = 30Ω benötigt. Aus feldtheoretischen Betrachtungen ist bekannt, daß die Impedanzen von koplanaren Wellenleitern (CPW) hauptsächlich durch das Verhältnis von Steifenbreite w zu Schlitzbreite s bestimmt wird.

Um z. B. für MMIC′S auf GaAs, deren Leitungsstrukturen ty­ pischerweise eine Metallisierungsdicke von 3 µ aufweisen, charakteristische Impedanzen von Z_L = 30Ω zu realisieren, müssen diese CPW′s ein Verhältnis w/s ≈ 10 aufweisen (bei­ spielsweise Streifenbreite w = 50 µ und Schlitzbreite s = 5 µ).

Außer dem physikalisch ungünstigen Verhältnis von w/s = 10 hat eine derartige Leitungsstruktur den Nachteil, daß ein großer Chip benötigt wird, wenn Leitungen mit einer Länge von 1 = 1 mm hergestellt werden sollen unter Berücksichti­ gung von minimalen Krümmungsradien r_min = w + 2s. Diese Grenze für den minimalen inneren Radius der Koplanarlei­ tung ist notwendig, um Kopplungseffekte zu vermeiden. Die Schwierigkeit koplanare Leitungen mit charakteristischen Impedanzen unterhalb von Z_L = 30Ω herzustellen, liegt darin, daß für immer kleiner werdende Impedanzen das Ver­ hältnis w/s drastisch ansteigt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen ko­ planaren Wellenleiter mit geringem Wellenwiderstand an zugeben, der technisch einfach und zuverlässig herstellbar ist und der einen geringen Platzbedarf erfordert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels be­ schrieben unter Verwendung von Zeichnungen.

In Fig. 1 ist eine Teststruktur auf einem GaAs-Substrat mit zwei parallel geschalteten 60Ω-Leitungen 1 und 2 und einer 30Ω-Leitung 4 dargestellt.

Fig. 2 zeigt einen vierstufigen monolithisch integrierten 30GHz-Verstärker auf GaAs in Koplanartechnik, bei dem vier parallel geschaltete Koplanarleitungen P verwendet werden.

Mit den erfindungsgemäßen Koplanarleitungen werden Wellen­ leiter mit geringen Wellenwiderständen realisiert, die gleichzeitig ein geringes Verhältnis von w/s besitzen. Es werden zwei identische Transmissionsleitungen verwendet, jede mit der gewünschten Länge, aber mit doppelt so hoher Impedanz als wie benötigt. Luftbrücken-T-Übergänge, die aus der Veröffentlichung Koster et al., Proc. EMC 1989, London, S. 666 bis 671 bekannt sind, werden an den Ver­ zweigungspunkten der beiden koplanaren Wellenleiter ange­ bracht, um höhere Moden zu unterdrücken. Die beiden kopla­ naren Leitungen besitzen z. B. eine Schlitzbreite von s = 12 µm und eine Streifenbreite von w = 10 µm mit einer Impe­ danz von Z_L = 60Ω. Die Länge der Transmissionsleitungen beträgt z. B. 1 = 2 mm. Durch die Parallelschaltung zweier 60Ω-Leitungen in CPW-Technik kann das elektrische Verhal­ ten einer 30Ω-Leitung (s = 5 µm, w = 50 µm, 1 = 2 mm) reali­ siert werden. Eine Teststruktur, die eine 30Ω-Koplanarlei­ tung 4 und eine Parallelschaltung P zweier 60Ω-Leitungen 1 und 2 und einen Luftbrücken-T-Übergang 3 enthält, ist in Fig. 1 dargestellt.

In Filternetzwerken ist die Parallelschaltung von Kopla­ narleitungen auf Luftbrücken-Kreuz-Verzweigungen oder all­ gemeine Mehrfachverzweigungen erweiterbar. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Ka-Band GaAs-Verstärkerschaltung, die vier parallel geschaltete Koplanarleitungen P enthält. Dieser vierstufige monolithisch integrierte Verstärker ist für Frequenzen von 30 GHz geeignet, wobei lediglich sehr geringe Wellenwiderstände auftreten.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die im Ausführungsbei­ spiel angegebene Koplanarleitungen beschränkt, sondern es kann z. B. durch Parallelschaltung von zwei identischen 40Ω-Leitungen (auf GaAs beispielsweise Schlitzweite s = 10 µm, Streifenbreite w = 35 µm, Metallisierungshöhe t = 3 µm) das Verhalten einer 20Ω-Leitung realisiert werden. Eine derartige 20Ω-Leitung ist in konventioneller CPW-Technik auf GaAs nicht mehr realisierbar.

Desweiteren ist auch die Verwendung anderer Substratmate­ rialien wie z. B. Si oder InP zur Herstellung von MMIC′s in CPW-Technik möglich.

Claims (5)

1. Koplanare Wellenleiter, insbesondere für Mikrowellen­ schaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß der koplanare Wellenleiter zwei identische Koplanarleitungen (1, 2) ent­ hält, die parallel geschaltet sind, und daß durch Paral­ lelschaltung von zwei identischen Koplanarleitungen mit dem Wellenwiderstand Z_L ein koplanarer Wellenleiter mit einer charakteristischen-Impedanz von Z_L/2 herstellbar ist.

2. Koplanarer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Bereich der Aufspaltung des Wellen­ leiters Luftbrücken-T-Übergänge (3) angebracht sind.

3. Koplanarer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Filternetzwerken Luftbrücken-Kreuz- Verzweigungen an den Verzweigungspunkten des Wellenleiters angebracht sind.

4. Koplanarer Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Paral­ lelschaltung von zwei identischen 60Ω-Koplanarleitungen ein koplanarer Wellenleiter mit einer charakteristischen Impedanz von 30Ω herstellbar ist.

5. Koplanarer Wellenleiter nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die parallelgeschalteten 60Ω-Koplanar­ leitungen eine Länge von 1 = 2 mm, eine Schlitzweite s = 12 µm und eine Streifenbreite w = 10 µm besitzen.