DE60026388T2

DE60026388T2 - Spannungsgesteuerte koplanare Phasenschieber

Info

Publication number: DE60026388T2
Application number: DE60026388T
Authority: DE
Inventors: Andrey Kozyrev; Yongfei Zhu; Louise C. Sengupta
Original assignee: Paratek Microwave Inc
Current assignee: BlackBerry RF Inc
Priority date: 1999-08-24
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2020-08-23
Also published as: EA200200275A1; DE60026388D1; JP2003508942A; US6646522B1; WO2001015260A1; KR20020035578A; AU6796200A; US6954118B2; US20050242902A1; CN1370338A; US7154357B2; US20040036553A1; EP1208613A1; ATE319195T1; CA2381548A1

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein elektronische Phasenschieber und insbesondere bei Raumtemperatur arbeitende, spannungsabstimmbare Phasenschieber zur Verwendung bei Mikrowellen- und Millimeterfrequenzen.
Abstimmbare Phasenschieber mit Verwendung ferroelektrischer Materialien werden in den US-Patentschriften Nr. 5307033, 5032805 und 5561407 offenbart. Diese Phasenschieber enthalten ein ferroelektisches Substrat als phasenmodulierende Elementen. Die Dielektrizitätskonstante des ferroelektrischen Substrats kann geändert werden, indem die Stärke eines an dem Substrat anliegenden elektrischen Feldes variiert wird. Die Abstimmung der Dielektrizitätskonstanten führt zu einer Phasenverschiebung beim Durchgang eines HF-Signals durch den Phasenschieber. Die in diesen Patentschriften offenbarten ferroelektrischen Phasenschieber leiden unter hohen Leiterverlusten, hohen Wellenformen, Gleichstromvormagnetisierungs- und Impedanzanpassungsproblemen in den K- und Ka-Bändern.
Ein bekannter Phasenschiebertyp ist der Mikrostreifenleiter-Phasenschieber. Beispiele von Mikrostreifenleiter-Phasenschiebern mit Verwendung abstimmbarer dielektrischer Materialien werden in den US-Patentschriften Nr. 5212463, 5451567 und 5479139 dargestellt. Diese Patentschriften offenbaren Mikrostreifenleiter, die mit einem spannungsabstimmbaren ferroelektrischen Material beladen werden, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer geführten elektromagnetischen Welle zu verändern.
Abstimmbare ferroelektrische Materialien sind Materialien, deren Permittivität (häufiger als Dielektrizitätskonstante bezeichnet) verändert werden kann, indem die Stärke eines elektrischen Feldes variiert wird, dem die Materialien ausgesetzt sind. Auch wenn diese Materialien in ihrer paraelektrischen Phase oberhalb der Curie-Temperatur arbeiten, werden sie zweckmäßig als "ferroelektrisch" bezeichnet, das sie bei Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur eine spontane Polarisation aufweisen. Abstimmbare ferroelektrische Materialien, zu denen Barium-Strontiumtitanat (BST) oder BST-Verbundstoffe gehören, waren Gegenstand mehrerer Patente.
Dielektrische Materialien einschließlich Barium-Strontiumtitanat werden offenbart in US-A-5312790 von Sengupta et al., mit dem Titel "Ceramic Ferroelectric Material" (Keramisches ferroelektrisches Material); US-A-5427988 von Sengupta et al., mit dem Titel "Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-MgO" (Keramischer ferroelektrischer Verbundstoff-BSTO-MgO); US-A-5486491 von Sengupta et al., mit dem Titel "Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-ZrO₂" (Keramischer ferroelektrischer Verbundstoff-BSTO-ZrO₂); US-A-5635434 von Sengupta et al., mit dem Titel "Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-Magnesium Based Compound" (Keramischer ferroelektrischer Verbundstoff-BSTO-Verbindung auf Magnesiumbasis); US-A-5830591 von Sengupta et al., mit dem Titel "Multilayered Ferroelectric Composite Waveguides" (Wellenleiter aus mehrschichtigen ferroelektrischen Verbundstoffen); US-A-5846893 von Sengupta et al., mit dem Titel "Thin Film Ferroelectric Composites and Method of Making" (Ferroelektrische Dünnschichtverbundstoffe und Herstellungsverfahren); US-A-5766697 von Sengupta et al., mit dem Titel "Method of Making Thin Film Composites" (Herstellungsverfahren für Dünnschichtverbundstoffe); US-A-5693429 von Sengupta et al., mit dem Titel "Electronically Graded Multilayer Ferroelectric Composites" (Elektronisch abgestufte mehrschichtige ferroelektrische Verbundstoffe) und US-A-5635433 von Sengupta, mit dem Titel "Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-ZnO" (Keramischer ferroelektrischer Verbundstoff-BSTO-ZnO). Diese Patentschriften werden hiermit durch Verweis einbezogen. Eine gleichzeitig anhängige, gemeinsam zedierte US-Patentanmeldung mit dem Titel "Electronically Tunable Ceramic Materials Including Tunable Dielectric and Metal Silicate Phases" (Elektronisch abstimmbare Keramikmaterialien einschließlich abstimmbarer dielektrischer und Metallsillicatphasen) von Sengupta, eingereicht am 15. Juni 2000, offenbart weitere abstimmbare dielektrische Materialien und wird gleichfalls durch Verweis einbezogen. Die in diesen Patentschriften dargestellten Materialien, besonders BSTO-MgO-Verbundstoffe, weisen einen niedrigen dielektrischen Verlust und hohe Abstimmbarkeit auf. Abstimmbarkeit ist definiert als die relative Änderung der Dielektrizitätskonstante mit der angelegten Spannung.
Regulierbare Phasenschieber werden in vielen elektronischen Anwendungen verwendet, wie z. B. zur Strahlsteuerung bei phasengesteuerten Gruppenantennen. Eine phasengesteuerte Antennengruppe bezeichnet eine Antennenkonfiguration, die sich aus einer großen Zahl von Elementen zusammensetzt, die phasengesteuerte Signale ausstrahlen, um einen Funkstrahl zu bilden. Das Funksignal kann durch aktive Manipulation der relativen Phasensteuerung der einzelnen Antennenelemente elektronisch gelenkt werden. Phasenschieber spielen eine Schlüsseholle beim Betrieb von phasengesteuerten Gruppenantennen. Das Elektronenstrahlsteuerungskonzept gilt für Antennen, die sowohl mit einem Sender als auch mit einem Empfänger eingesetzt werden. Phasengesteuerte Gruppenantennen sind im Vergleich zu ihren mechanischen Gegenstücken vorteilhaft im Hinblick auf Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Der Ersatz von Kardanringen in mechanisch abgelenkten Antennen durch elektronische Phasenschieber in elektronisch abgelenkten Antennen erhöht die Überlebensfähigkeit von Antennen, die in Verteidigungssystemen eingesetzt werden, durch schnellere und genauere Zielerkennung. Komplizierte Verfolgungsaufgaben können außerdem schneller und genauer mit einem phasengesteuerten Antennensystem manövriert werden.
US-A-5617103 offenbart eine Antennengruppe mit ferroelektrischer Phasenverschiebung, die ferroelektrische Phasenschieberkomponenten nutzt. Die in dieser Patentschrift offenbarten Antennen nutzen eine Struktur, in der ein ferroelektrischer Phasenschieber auf einem einzigen Substrat mit mehreren Steckantennen integriert ist. Weitere Beispiele von phasengesteuerten Gruppenantennen, die elektronische Phasenschieber verwenden, sind in den US-Patentschriften Nr. 5079557; 5218358; 5557286; 5589845; 5617103; 5917455 und 5940030 zu finden.
US-A-5472935 und US-A-6078827 offenbaren koplanare Wellenleiter, in denen Leiter aus hochtemperatursupraleitendem Material auf einem abstimmbaren dielektrischen Material montiert sind. Die Verwendung derartiger Bauelemente erfordert Abkühlung auf eine relativ tiefe Temperatur. Außerdem lehren US-A-4472935 und US-A-6078827 die Verwendung abstimmbarer Schichten aus SrTiO₃ oder (Ba, Sr)TiO₃ mit hohem Sr-Anteil. ST und BST haben hohe Dielektrizitätskonstanten, die zu einer niedrigen Eigenimpedanz führen. Dies macht es nötig, die Phasenschieber mit niedriger Impedanz auf die gewöhnlich verwendete Impedanz von 50 Ohm zu transformieren.
Kostengünstige Phasenschieber, die bei Raumtemperatur arbeiten können, könnten die Leistung erheblich verbessern und dazu beitragen, diese fortgeschrittene Technologie aus modernen militärdominierten Anwendungen in kommerzielle Anwendungen zu überführen.
Es besteht ein Bedarf für elektrisch abstimmbare Phasenschieber, die bei Raumtemperatur und bei Frequenzen im K- und Ka-Band (typischerweise 18 GHz bis 27 GHz bzw. 27 GHz bis 40 GHz) arbeiten können und dabei hohe Gütefaktoren bewahren und Eigenimpedanzen aufweisen, die mit bestehenden Schaltungen vergleichbar sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen koplanaren Wellenleiterphasenschieber mit reflektierendem Abschluss bereit, der aufweist: ein Substrat, eine abstimmbare dielektrische Schicht mit einer Dielektrizitätskonstanten zwischen 70 und 600, einem Abstimmbereich von 20 bis 60% und einem Verlustfaktor zwischen 0,008 und 0,03 in K- und Ka-Bändern, wobei die abstimmbare dielektrische Schicht auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet ist, erste und zweite am Ende offene koplanare Wellenleiter, die auf einer Oberfläche der abstimmbaren dielektrischen Schicht gegenüber dem Substrat angeordnet sind; einen auf dem Substrat angeordneten Mikrostreifenleiter zum Ein- und Auskoppeln eines Hochfrequenzsignals in die und aus den ersten und zweiten koplanaren Wellenleitern; und einen Anschluss zum Anlegen einer Steuerspannung an die abstimmbare dielektrische Schicht.
Die Leiter, die den koplanaren Wellenleiter bilden, arbeiten bei Raumtemperatur. Die erfindungsgemäßen koplanaren Phasenschieber können als phasengesteuerte Gruppenantennen in breiten Frequenzbereichen eingesetzt werden. Die hier beschriebenen Vorrichtungen sind von außergewöhnlicher Konstruktion und weisen selbst bei Frequenzen in den K- und Ka-Bändern eine niedrige Einfügungsdämpfung auf. Die Vorrichtungen verwenden verlustarme abstimmbare dielektrische Schichtelemente.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum vollen Verständnis der Erfindung kann man aus der nachstehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelangen. Dabei zeigen:
1 eine Draufsicht eines reflektierenden Phasenschiebers, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
2 eine Schnittansicht des Phasenschiebers von 1 entlang der Linie 2-2;
3 ein Schaltschema der Ersatzschaltung des Phasenschiebers von 1;
4 eine Draufsicht eines andern Phasenschiebers;
5 eine Schnittansicht des Phasenschiebers von 4 entlang der Linie 5-5;
6 eine Draufsicht eines weiteren Phasenschiebers;
7 eine Schnittansicht des Phasenschiebers von 6 entlang der Linie 7-7;
8 eine Draufsicht eines weiteren Phasenschiebers;
9 eine Schnittansicht des Phasenschiebers von 8 entlang der Linie 9-9;
10 eine Draufsicht eines weiteren Phasenschiebers;
11 eine Schnittansicht des Phasenschiebers von 10 entlang der Linie 11-11;
12 eine perspektivische Darstellung eines Phasenschiebers, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; und
13 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung von Phasenschiebern, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein koplanare spannungsabgestimmte Wellenleiterphasenschieber, die bei Raumtemperatur in den K- und Ka-Bändern arbeiten. Die Geräte nutzen verlustarme abstimmbare dielektrische Schichten. In den bevorzugten Ausführungsformen ist die abstimmbare dielektrische Schicht eine Verbundkeramik auf Barium-Strontiumtitanat-(BST-) Basis, die eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die durch Anlegen einer Gleichstromvorspannung variiert werden kann, und kann bei Raumtemperatur arbeiten.
1 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäß aufgebauten reflektierenden Phasenschiebers. 2 zeigt eine Schnittansicht des Phasenschiebers von 1 entlang der Linie 2-2. Die Ausführungsform gemäß den 1 und 2 ist ein reflektierender koplanarer 360°-Wellenleiterphasenschieber 10 für das 20 GHz-K-Band. Der Phasenschieber 10 weist einen Eingang/Ausgang 12 auf, der an einen 50-Ohm-Mikrostreifenleiter 14 angeschlossen ist. Der 50 Ohm-Mikrostreifenleiter 14 enthält einen ersten linearen Leiter 16 und zwei Viertelwellen-Mikrostreifenleiter 18, 20, jeweils mit einer Eigenimpedanz von etwa 70 Ohm. Der Mikrostreifenleiter 14 ist auf einem Substrat 22 aus Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante montiert. Die zwei Viertelwellen-Mikrostreifenleiter 18, 20 werden in koplanare Wellenleiter (CPW) 24 und 26 transformiert und passen die Leitung 16 an koplanare Wellenleiter 24 und 26 an. Jeder CPW enthält einen mittleren Streifenleiter 28 bzw. 30 und zwei Leiter 32 und 34, die auf jeder Seite der Streifenleiter eine Masseebene 36 bilden. Die Masseebenenleiter sind vom benachbarten Streifenleiter durch Zwischenräume 38, 40, 42 und 44 getrennt. Die koplanaren Wellenleiter 24 bzw. 26 haben eine Eigenimpedanz von etwa Z₂₄ = 15 Ohm bzw. Z₂₆ = 18 Ohm. Die Impedanzdifferenz erhält man durch Verwendung von Streifenleitern mit ein wenig verschiedenen Mittelleiterbreiten. Die koplanaren Wellenleiter 24 und 26 arbeiten als Resonatoren. Jeder koplanare Wellenleiter ist auf einer abstimmbaren dielektrischen Schicht 46 angeordnet. Die Leiter, welche die Masseebene bilden, sind am Rand der Baugruppe miteinander verbunden. Die Wellenleiter 24 und 26 enden in offenen Enden 48 und 50.
Die Impedanzen Z₂₄ und Z₂₆ entsprechen der Vorspannung null. Die Resonanzfrequenzen der koplanaren Wellenleiterresonatoren unterscheiden sich ein wenig voneinander und werden durch die elektrischen Längen λ₂₄ und λ₂₆ festgelegt. Der leichte Unterschied in den Impedanzen Z₂₄ und Z₂₆ ist nützlich bei der Verminderung des Phasenfehlers, wenn der Phasenschieber über eine große Bandbreite arbeitet. Die Phasenverschiebung ergibt sich aus der Abstimmung der Dielektrizitätskonstante, die durch Anlegen einer Gleichstromsteuerspannung (auch als Vorspannung bezeichnet) an die Zwischenräume der koplanaren Wellenleiter 24 und 26 gesteuert wird. In der Vorspannungsschaltung 58 sind Induktionsspulen 54 und 56 enthalten, um Hochfrequenzsignale in der Gleichstromvorspannungsschaltung zu blockieren.
Die elektrischen Längen λ₂₄ und λ₂₆ und die Vorspannung an den Zwischenräumen des koplanaren Wellenleiters bestimmen den Betrag der resultierenden Phasenverschiebung und die Arbeitsfrequenz des Bauelements. Die abstimmbare dielektrische Schicht wird auf einem Substrat 22 montiert, und die Masseebenen des koplanaren Wellenleiters und des Mikrostreifenleiters werden über die Kanten des Substrats angeschlossen. Ein an den Eingang des Phasenschiebers angelegtes Hochfrequenzsignal (HF-Signal) wird an den offenen Enden des koplanaren Wellenleiters reflektiert. In der bevorzugten Ausführungsform werden der Mikrostreifen und der koplanare Wellenleiter aus 2 μm dickem Gold mit einer 10 nm dicken Titanhaftschicht durch Elektronenstrahlverdampfung und Ablöseätzen hergestellt. Es könnten jedoch auch andere Ätzverfahren, wie z. B. Trockenätzen, zur Erzeugung der Struktur angewandt werden. Die Breite der Linien bzw. Leiter ist vom Substrat und der abstimmbaren Schicht abhängig und wird so eingestellt, daß man die gewünschte Eigenimpedanz erhält. Die Leiterstreifen- und Masseebene-Elektroden können auch aus Silber, Kupfer, Platin, Rutheniumoxid oder anderen Leitermaterialien hergestellt werden, die mit den abstimmbaren dielektrischen Schichten verträglich sind. Für die Elektrode kann eine Pufferschicht notwendig sein, in Abhängigkeit von dem System aus Elektrode und abstimmbarer Schicht und von den Verarbeitungsverfahren, die zum Aufbau des Bauelements angewandt werden.
Das in den bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Phasenschieber verwendete abstimmbare Dielektrikum weist eine niedrigere Dielektrizitätskonstante als herkömmliche abstimmbare Materialien auf. Die Dielektrizitätskonstante kann bei 20 V/μm um 20% bis 70% verändert werden, typischerweise um etwa 50%. Die Größe der Vorspannung variiert mit der Größe des Zwischenraums und liegt typischerweise im Bereich von etwa 300 bis 400 V für einen Zwischenraum von 20 μm. Niedrigere Vorspannungspegel können Vorteile haben, jedoch ist die erforderliche Vorspannung von der Struktur des Bauelements und den Materialien abhängig. Der erfindungsgemäße Phasenschieber ist für eine Phasenverschiebung von 360° ausgelegt. Die Dielektrizitätskonstante kann im Bereich von 70 bis 600 liegen, und typischerweise im Bereich von 300 bis 500. In der bevorzugten Ausführungsform ist das abstimmbare Dielektrikum eine Schicht auf Barium-Strontiumtitanat-(BST-)Basis mit einer Dielektrizitätskonstanten von etwa 500 bei der Vorspannung null. Das bevorzugte Material weist eine hohe Abstimmbarkeit und einen niedrigen Verlust auf. Abstimmbares Material weist jedoch gewöhnlich eine höhere Abstimmung und einen höheren Verlust auf. Die bevorzugten Ausführungsformen nutzen Materialien mit einer Abstimmung von etwa 50% und einem möglichst niedrigen Verlust, der bei 24 GHz im Bereich von 0,01 bis 0,03 (Verlustfaktor) liegt. Genauer gesagt, in der bevorzugten Ausführungsform ist die Materialzusammensetzung ein Barium-Strontiumtitanat (Ba_xSr_1–xTiO₃, BSTO, mit x kleiner 1), oder BSTO-Verbundstoffe mit einer Dielektrizitätskonstante von 70 bis 600, einem Abstimmungsbereich von 20 bis 60% und einem Verlustfaktor von 0,008 bis 0,03 in K- und Ka-Bändern. Die abstimmbare dielektrische Schicht kann eine dünne oder dicke Schicht sein. Beispiele derartiger BSTO-Verbundstoffe, welche die erforderlichen Leistungsparameter aufweisen, schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf: BSTO-MgO, BSTO-MgAl₂O₄, BSTO-CaTiO₃, BSTO-MgTiO₃, BSTO-MgSrZrTiO₆ und Kombinationen davon. 3 zeigt ein Schaltschema der Ersatzschaltung des Phasenschiebers gemäß den 1 und 2.
Die koplanaren Wellenleiterphasenschieber für K- und Ka-Bänder gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden auf einer abstimmbaren dielektrischen Schicht mit einer Dielektrizitätskonstanten (Permittivität) ε von etwa 300 bis 500 bei der Vorspannung null und einer Dicke von 10 μm hergestellt. Es können jedoch sowohl dünne als auch dicke Schichten aus dem abstimmbaren dielektrischen Material verwendet werden. Die Schicht wird auf ein MgO-Substrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante im Bereich des koplanaren Wellenleiters (CPW-Bereich) mit einer Dicke von 0,25 mm aufgebracht. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung ist eine niedrige Dielektrizitätskonstante kleiner als 25. MgO weist eine Dielektrizitätskonstante von etwa 10 auf. Das Substrat kann jedoch auch aus anderen Materialien bestehen, wie z. B. LaAlO₃ Saphir, Al₂O₃ und anderen Keramiken. Die Dicke der Schicht aus abstimmbarem Material kann in Abhängigkeit von den Abscheidungsmethoden von 1 bis 15 μm reguliert werden. Die Hauptanforderungen an die Substrate sind ihre chemische Beständigkeit, Reaktion mit der abstimmbaren Schicht bei der Schichtbrenntemperatur (1200°C) sowie der dielektrische Verlust (Verlustfaktor) bei der Arbeitsfrequenz.
5 zeigt eine Schnittansicht der Phasenschieberbaugruppe 60 von 4 entlang der Linie 5-5. Die Phasenschieberbaugruppe 60 wird unter Verwendung einer abstimmbaren dielektrischen Schicht und eines Substrats hergestellt, das den oben für die Phasenschieber gemäß den 1 und 2 dargestellten Substraten ähnlich ist. Die Baugruppe 60 enthält einen koplanaren Hautwellenleiter 62 mit einem Mitteleiter 64 und einem Paar Masseebene-Leitern 66 und 68, die durch Zwischenräume 70 und 72 von dem Mittelleiter getrennt sind. Der Mittelabschnitt 74 des koplanaren Wellenleiters weist eine Eigenimpedanz von etwa 20 Ohm auf. Zwei sich verjüngende Anpassungsabschnitte 76 und 78 sind an den Enden des Wellenleiters angeordnet und bilden Impedanzwandler zur Anpassung der 20-Ohm-Impedanz an eine 50-Ohm-Impedanz. Der koplanare Wellenleiter 62 ist auf einer Schicht aus abstimmbarem dielektrischem Material 80 angeordnet. Leiterelektroden 66 und 68 sind gleichfalls auf der abstimmbaren dielektrischen Schicht angeordnet und bilden die Masseebene des koplanaren Wellenleiters (CPW). Außerdem sind auf der Oberfläche des abstimmbaren dielektrischen Materials 80 zusätzliche Masseebenen-Elektroden angeordnet. Die Elektroden 82 und 84 erstrecken sich auch um die Ränder des Wellenleiters herum, wie in 5 dargestellt. Die Elektroden 66 bzw. 68 sind von den Elektroden 82 bzw. 84 durch Zwischenräume 86 bzw. 88 getrennt. Die Zwischenräume 86 und 88 blockieren Gleichspannung, so daß an die CPW-Zwischenräume eine Gleichstromvorspannung angelegt werden kann. Für eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von etwa 200 bis 400 und ein MgO-Substrat betragen die Breite des Mitteleiters und der Zwischenraum etwa 10 bis 60 μm. Das abstimmbare dielektrische Material 80 ist auf einer ebenen Oberfläche eines Substrats 90 mit niedriger Dielektrizitätskonstante (etwa 10) angeordnet, das in der bevorzugten Ausführungsform MgO mit einer Dicke von 0,25 mm ist. Das Substrat kann jedoch auch aus anderen Materialien bestehen, wie z. B. LaAlO₃, Saphir, Al₂O₃ und anderen Keramiksubstraten. Eine Metallhalterung 92 erstreckt sich entlang der Unterseite und der Seiten des Wellenleiters. Eine Vorspannungsquelle 94 ist über eine Drossel 96 mit dem Streifen 64 verbunden.
Der koplanare Wellenleiterphasenschieber 60 kann entweder mit einem anderen koplanaren Wellenleiter oder mit einem Mikrostreifenleiter abgeschlossen werden. Für den letzteren Fall wird der koplanare 50-Ohm-Wellenleiter durch direkten Anschluss des Mitteleiters des koplanaren Wellenleiters an den Mikrostreifenleiter in den 50-Ohm-Mikrostreifenleiter transformiert. Die Masseebenen des koplanaren Wellenleiters und der Mikrostreifenleiter werden über die Seitenkanten des Substrats miteinander verbunden. Die Phasenverschiebung ergibt sich aus der Abstimmung der Dielektrizitätskonstante durch Anlegen einer Gleichspannung an die Zwischenräume des koplanaren Wellenleiters.
6 zeigt einen koplanaren 20 GHz-Wellenleiterphasenschieber 98 mit einer Struktur ähnlich derjenigen von 4 und 5. Um die Größe des Substrats zu verringern, wird jedoch ein zickzackförmiger koplanarer Wellenleiter 100 mit einem Mittelleiter 102 verwendet. 7 zeigt eine Schnittansicht des Phasenschiebers von 6 entlang der Linie 7-7. Die Wellenleiterleitung 102 weist einen Eingang 104 und einen Ausgang 106 auf und ist auf der Oberfläche einer abstimmbaren dielektrischen Schicht 108 angeordnet. Ein Paar Masseebene-Elektroden 110 und 112 sind gleichfalls auf der Oberfläche des abstimmbaren dielektrischen Materials angeordnet und von dem Leiter 102 durch Zwischenräume 114 und 116 getrennt. Die abstimmbare dielektrische Schicht 108 ist auf einem verlustarmen Substrat 118 ähnlich dem oben beschriebenen angeordnet. Der Kreis nahe der Mitte des Phasenschiebers ist ein Durchkontaktloch 120 zur Verbindung der Masseebene-Elektroden 110 und 112.
8 zeigt eine Draufsicht der Phasenschieberbaugruppe 42 von 4 mit einer hinzugefügten Vorspannungskuppel 130 zum Anlegen der Vorspannung an die Masseebene-Elektroden 66 und 68. 9 zeigt eine Schnittansicht der Phasenschieberbaugruppe 60 von 8 entlang der Linie 9-9. Die Kuppel verbindet die beiden Masseebenen des koplanaren Wellenleiters und deckt den Wellenleiter ab. Auf die Kuppel ist ein Elektrodenabschluss 132 für den Anschluss an die Gleichstromvorspannungsregelung aufgelötet. Ein weiterer Abschluss (nicht dargestellt) der Gleichstromvorspannungsregelungsschaltung ist mit dem Mittelleiter 64 des koplanaren Wellenleiters verbunden. Um die Gleichstromvorspannung an den koplanaren Wellenleiter (CPW) anzulegen, sind kleine Zwischenräume 86 und 88 angebracht, um die inneren Masseebene-Elektroden 66 und 68 zu trennen, wobei die Gleichstromvorspannungskuppel am anderen Teil (außerhalb) der Masseebene (Elektroden 82 und 84) des koplanaren Wellenleiters angeordnet ist. Die äußere Masseebene erstreckt sich um die Seiten und die Bodenebene des Substrats herum. Die äußere oder untere Masseebene ist mit einer HF-Signal-Masseebene 134 verbunden. Die positiven bzw. negativen Elektroden der Gleichspannungsquelle sind mit der Kuppel 130 bzw. dem Mittelleiter 64 verbunden. Die kleinen Zwischenräume in der Masseebene funktionieren als Gleichstromsperrkondensatoren, die Gleichspannung blockieren. Die Kapazität sollte jedoch hoch genug sein, um ein HF-Signal durchzulassen. Die Kuppel ist elektrisch mit den Masseebenen 66 und 68 verbunden. Diese Verbindung sollte mechanisch fest genug sein, um jede Berührung zu vermeiden. Die Kuppel ist eine dieser Verbindungen. Zu beachten ist, daß die Breiten der Masseebenen 66 und 68 etwa 0,5 mm betragen.
Ein Mikrostreifenleiter und der koplanare Wellenleiter können an eine Übertragungsleitung angeschlossen werden. 10 zeigt eine Draufsicht eines weiteren Phasenschiebers 136. 11 zeigt eine Schnittansicht des Phasenschiebers von 10 entlang der Linie 11-11. Die 10 und 11 zeigen, wie sich der Mikrostreifenleiter 138 in die koplanare Wellenleiterbaugruppe 140 umformt. Der Mikrostreifen 138 enthält einen Leiter 142, der auf einem Substrat 144 montiert ist. Der Leiter 142 wird, zum Beispiel durch Löten oder Bonden, mit einem Mittelleiter 146 des koplanaren Wellenleiters 148 verbunden. Die Masseebenenleiter 150 und 152 sind auf einem abstimmbaren dielektrischen Material 154 montiert und durch Zwischenräume 156 und 158 von dem Leiter 146 getrennt. In der dargestellten Ausführungsform sind die Leiter 142 und 146 durch das Lot 160 verbunden. Das abstimmbare dielektrische Material 154 ist auf einer Oberfläche eines nicht abstimmbaren dielektrischen Substrat 162 montiert. Die Substrate 144 und 162 werden durch eine Metallhalterung 164 getragen.
Da die Zwischenräume in den koplanaren Wellenleitern (< 0,04 mm) viel kleiner sind als die Dicke des Substrats (0,25 mm), werden fast alle HF-Signale eher durch den koplanaren Wellenleiter als durch den Mikrostreifenleiter übertragen. Diese Struktur macht die Transformation von dem koplanaren Wellenleiter zu einem Mikrostreifenleiter sehr leicht, ohne eine Durchkontaktloch- oder Kopplungstransformation zu benötigen.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß aufgebauten Phasenschiebers. Ein Gehäuse 166 ist über der Vorspannungskuppel aufgebaut, um den gesamten Phasenschieber abzudecken, so daß nur zwei 50 Ohm-Mikrostreifenleiter für den Anschluss an eine externe Schaltung freiliegen. In der vorliegenden Ansicht ist nur der Leiter 168 dargestellt.
13 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Gruppe 170 von erfindungsgemäß aufgebauten koplanaren 30 GHz-Wellenleiterphasenschiebern zur Verwendung in einer phasengesteuerten Gruppenantenne. Eine Vorspannungsleitungsplatte 172 wird verwendet, um die Phasenschiebergruppe abzudecken. Die Elektroden auf der Kuppel jedes Phasenschiebers sind durch die Löcher 174, 176, 178 und 180 an die Vorspannungsleitungen angelötet. Die Phasenschieber sind in einer Halterung 182 montiert, die mehrere Mikrostreifenleiter 184, 186, 188, 190, 192, 194, 196 und 198 für den Anschluss der Hochfrequenzeingangs- und -ausgangssignale an die Phasenschieber enthält. Die in 13 dargestellten besonderen Strukturen versehen jeden Phasenschieber mit seinem eigenen Schutzgehäuse. Die Phasenschieber werden einzeln zusammengebaut und getestet, bevor sie in der phasengesteuerten Gruppenantenne installiert werden. Dadurch wird die Ausbeute der Antenne wesentlich verbessert, die gewöhnlich -zig bis Tausende Phasenschieber aufweist.
Die koplanaren Phasenschieber gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden auf den spannungsabgestimmten Verbundschichten auf Bariumtitanat-(BST-)Basis gefertigt. Die BST-Verbundschichten weisen einen hervorragend niedrigen dielektrischen ^Verlust ^und angemessene Abstimmbarkeit auf. Diese koplanaren Wellenleiterphasenschieber für K- und Ka-Bänder bieten die Vorteile hohen Leistungsvermögens, niedriger Einfügungsdämpfung, schneller Abstimmung, niedriger Kosten und guter Strahlungsschutzeigenschaften im Vergleich zu Phasenschiebern auf Halbleiterbasis. Sehr häufig steigen dielektrische Verluste von Materialien mit der Frequenz an. Herkömmliche abstimmbare Materialien sind stark verlustbehaftet, besonders in K- und Ka-Bändern. Koplanare Phasenschieber, die aus herkömmlichen abstimmbaren Materialien hergestellt werden, weisen extrem hohe Verluste auf und sind für phasengesteuerte Gruppenantennen in K- und Ka-Bändern unbrauchbar. Zu beachten ist, daß die Phasenschieberstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung für beliebige abstimmbare Materialien geeignet sind. Gute, brauchbare Phasenschieber können jedoch nur mit verlustarmen abstimmbaren Materialien erzielt werden. Die Verwendung von Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante für Mikrostreifenleiter-Phasenschieber ist wünschenswert, da Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante in diesen Frequenzbereichen für Mikrostreifenleiter-Phasenschieber leicht starke EM-Wellenformen erzeugen. Es sind jedoch keine derartigen herkömmlichen Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (< 100) verfügbar.
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten koplanare Wellenleiterphasenschieber, die eine dicke Verbundschicht auf BST-Basis mit abstimmbarer Permittivität bzw. Dielektrizitätskonstante enthalten. Diese koplanaren Wellenleiterphasenschieber verwenden keine massiven keramischen Materialien wie in den obigen ferroelektrischen Mikrostreifenphasenschiebern. Die Vorspannung des koplanaren Wellenleiterphasenschiebers auf der Schicht ist niedriger als die des Mikrostreifenphasenschiebers auf massivem Material. Die abstimmbare dielektrische Dickschicht kann durch ein normales Dickschichtverfahren auf Substrate mit niedrigem dielektrischem Verlust und hoher chemischer Beständigkeit aufgebracht werden, wie z. B. MgO, LaAlO₃, Saphir, Al₂O₃ und eine Vielzahl keramischer Substrate.
Die vorliegende Erfindung umfasst reflektierende koplanare Wellenleiterphasenschieber. Erfindungsgemäß aufgebaute reflektierende koplanare Wellenleiterphasenschieber können bei 20 GHz arbeiten. Koplanare Durchstrahlungswellenleiterphasenschieber können bei 20 GHz und 30 GHz arbeiten. Beide Phasenschiebertypen können unter Verwendung des gleichen Substrats mit einer abstimmbaren dielektrischen Schicht auf dem Substrat mit niedrigem dielektrischem Verlust hergestellt werden. Es werden eine Masseebenen-Gleichstromvorspannung und -Gleichstromsperre verwendet. Die Vorspannungskonfiguration ist leicht herstellbar und nicht empfindlich gegen kleine Abmessungsänderungen. Die Phasenschieber können Anschlüsse entweder mit koplanarem Wellenleiter oder mit Mikrostreifenleitern aufweisen. Für Mikrostreifenanschlüsse ist eine direkte Transformation des koplanaren Wellenleiters in einen Mikrostreifen möglich. Die Bandbreite von Phasenschiebern gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Anpassungsabschnitte (Impedanzwandlungsabschnitte) festgelegt. Die Verwendung von mehr Anpassungsabschnitten oder längeren, sich verjüngenden Anpassungsabschnitten lässt den Betrieb über ein breites Band zu. Sie führt jedoch zu einer höheren Einfügungsdämpfung der Phasenschieber.
Die bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet Verbundstoffe, die BST und andere Materialien und zwei oder mehrere Phasen enthalten. Diese Verbundstoffe weisen im Vergleich zu herkömmlichen ST- oder BST-Schichten einen viel niedrigeren dielektrischen Verlust und eine angemessene Abstimmung auf. Diese Verbundstoffe haben viel niedrigere Dielektrizitätskonstanten als herkömmliche ST- oder BST-Schichten. Die niedrigen Dielektrizitätskonstanten erleichtern die Konstruktion und Herstellung von Phasenschiebern. Gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute Phasenschieber können bei Raumtemperatur (~300 K) arbeiten. Der Betrieb bei Raumtemperatur ist viel leichter und weniger kostenaufwendig als Phasenschieber nach dem Stand der Technik, die bei 100 K arbeiten.
Die erfindungsgemäßen Phasenschieber enthalten außerdem eine einzigartige Gleichstromvorspannungsanordnung, die einen langen Zwischenraum in der Masseebene als Gleichstromsperre nutzt. Sie ermöglichen außerdem ein einziges Verfahren zur Umwandlung des koplanaren Wellenleiters in einen Mikrostreifen.
Die Erfindung ist zwar anhand ihrer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden, aber für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß verschiedene Änderrungen an den bevorzugten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die Patentansprüche definiert ist.

Claims

Koplanarer Wellenleiterphasenschieber (10) mit reflektierendem Abschluß, der ein Substrat (22) aufweist und gekennzeichnet ist durch: eine auf einer Oberfläche des Substrats angeordnete abstimmbare dielektrische Schicht (46); erste und zweite am Ende offene koplanare Wellenleiter (24, 26), die auf einer Oberfläche der abstimmbaren dielektrischen Schicht gegenüber dem Substrat angeordnet sind; einen auf dem Substrat angeordneten Mikrostreifenleiter (14) zum Ein- und Auskoppeln eines Hochfrequenzsignals in die und aus den ersten und zweiten koplanaren Wellenleitern; und einen Anschluß zum Anlegen einer Steuerspannung an die abstimmbare dielektrische Schicht.
Koplanarer Wellenleiterphasenschieber mit reflektierendem Abschluß nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch: einen Mikrostreifenteiler (16, 18, 20), der den Mikrostreifenleiter an die ersten und zweiten koplanaren Wellenleiter ankoppelt.
Koplanarer Wellenleiterphasenschieber mit reflektierendem Abschluß nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten koplanaren Wellenleiter unterschiedliche Eigenimpedanzen aufweisen.
Koplanarer Wellenleiterphasenschieber mit reflektierendem Abschluß nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der erste koplanare Wellenleiter einen ersten Streifenleiter aufweist und der zweite koplanare Wellenleiter einen zweiten Streifenleiter aufweist, wobei der erste und der zweite Streifenleiter unterschiedliche Breiten aufweisen.
Koplanarer Wellenleiterphasenschieber mit reflektierendem Abschluß nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat einen Barium-Strontiumtitanat-Verbundstoff aufweist.
Koplanarer Wellenleiterphasenschieber mit reflektierendem Abschluß nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Barium-Strontiumtitanat-Verbundstoff einen Verbundstoff aus der folgenden Gruppe aufweist: BSTO-MgO, BSTO-MgAl₂O₄, BSTO-CaTiO₃, BSTO-MgTiO₃, BSTO-MgSrZrTiO₆ und Kombinationen davon.