DE102007028799A1

DE102007028799A1 - Impedanzkontrolliertes koplanares Wellenleitersystem zur dreidimensionalen Verteilung von Signalen hoher Bandbreite

Info

Publication number: DE102007028799A1
Application number: DE102007028799A
Authority: DE
Inventors: Matthias A. Prof. Dr.rer.nat.habil Hein; Johannes Dipl.-Ing. Trabert
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-12-24
Also published as: WO2008155340A1; US20100182105A1; EP2158636A1; CA2689154A1; JP2010530690A

Abstract

Impedanzkontrolliertes, koplanares Wellenleitersystem zur dreidimensionalen Verteilung von Signalen hoher Bandbreite, bestehend aus mindestens einem koplanaren Wellenleiter und welches in mehrlagigen Schaltungsträgern integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der koplanare Wellenleiter (2) mit seinen dazugehörigen Masseleitern (3, 4) zwischen mindestens zwei durchgehende oder unterbrochene Isolationsschichten (5, 6), bei denen die Zwischenräume mit Gasen, Flüssigkeiten oder Vakuum gefüllt sind, des mehrlagigen Schaltungsträgers symmetrisch oder unsymmetrisch angeordnet ist und die Ober- und Unterseite des mehrlagigen Schaltungsträgers mit vollflächigen oder teilgeschlossenen (perforierten/gitterartigen) elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) versehen ist und an den beiden anderen gegenüberliegenden Seiten des mehrlagigen Schaltungsträgers elektrisch leitende Durchkontaktierungen (9, 10) als elektrische Wandungen vorgesehen sind, wobei die Masseleitungen (3, 4), die elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) und Durchkontaktierungen (9, 10) umlaufend elektrisch verbunden sind und die Wellenleiterimpedanz über die Leiterbreite, die Leiterhöhe bzw. Leiterform, den Abstand zwischen diesen leitenden koplanaren Schichten (2, 3, 4), sowie über die Dielektrizitätszahlen der isolierenden Substratschichten...

Description

Die Erfindung betrifft ein impedanzkontrolliertes, koplanares Wellenleitersystem zur dreidimensionalen, verlustarmen und abgeschirmten Verteilung von sehr breitbandigen elektromagnetischen Wellen (Gleichstrom bis Mikrowellensignale über 100 GHz, digitale Signale mit sehr hohen Datenraten) in mehrlagigen (mindestens zwei Lagen) Schaltungsträgern. Die Isolationsschichten bzw. Dielektrika des erfindungsgemäßen Wellenleitersystems in mehrlagigen Schaltungsträgern können aus polymeren/organischen und/oder keramischen/anorganischen Substratmaterialien und/oder aus isolierenden Verbundmaterialien und/oder Schäumen daraus und/oder Leiterstützen daraus sowie aus Vakuum, Luft und/oder anderen Gasen bestehen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten und häufig verwendeten elementaren Hochfrequenzwellenleiter sind in 11 dargestellt. Die vorliegende erfindungsgemäße Lösung weist eine Reihe von Vorteilen dazu auf:
Der durch geringe Verluste und Modenreinheit gekennzeichnete sinnvoll nutzbare Frequenzbereich wird durch die Erfindung gegenüber beispielsweise vergrabenen Streifenleitungen (Triplate^®) gleicher Querschnittsfläche erheblich vergrößert (vorher wenige zehn GHz – nunmehr deutlich mehr als 100 GHz, bei geringer Reflexionsdämpfung). Gleichzeitig muss die Signalverteilung nicht wie bisher für hohe Signalfrequenzen bzw. Signalbandbreiten üblich, planar, d. h. in einer Ebene mit einlagigen und meist nur in eine Richtung abgeschirmten Leitungsstrukturen realisiert werden, sondern wird zweckmäßigerweise in einem Mehrschichtaufbau auch in der dritten Dimension (die Höhe) für eine miniaturisierte Integration ausgeführt. Außerdem sind mit der erfindungsgemäßen Lösung und deren Ausführungsformen sehr gut von einander entkoppelte benachbarte und gekreuzte Leitungen zu realisieren.
Verglichen mit vergrabenen Streifenleitungen ergeben sich darüber hinaus Vorteile bezüglich einer geringeren Abhängigkeit der Reflexionsdämpfung (Anpassung) des Wellenleiters gegenüber Schwankungen der Höhe der Isolationsschichten (Lagenhöhe) und der Platzierung (Versatz) der die mittleren Signalleitungen umgebenden masseseitigen Durchkontaktierungen.
In 1 ist der Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzwellenleiters, bestehend aus einem impedanzkontrollierten koplanaren Wellenleiter (2) mit den dazugehörigen Masseleitern (3, 4) zwischen zwei dielektrischen (isolierenden) Substratschichten (5, 6) und der umgebenden elektromagnetischen Abschirmung (3, 4, 7, 8, 9, 10) dargestellt. Ausgehend von diesem Grundaufbau sind in den folgenden Figuren weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen vorgestellt, mit denen eine 3-dimensionale Signalverteilung innerhalb eines mehrlagigen Schaltungsträgers (Modul) realisiert werden kann.
Die Leiterhöhen, Leiterformen und Leiterabstände der koplanaren Wellenleiter (2, 3, 4) selbst und der Abstand zu den umgebenden elektrisch leitfähigen Schichten der elektromagnetischen Abschirmung müssen zum Zweck einer konstanten Impedanz und minimalen Dispersion entlang der Leitung konstant sein. Für Impedanzveränderungen (Anpassschaltung) müssen daher diese Geometrien (Abstände, Breiten und Höhen) der Leitungselemente und/oder die Dielektrizitätszahlen der isolierenden Substratschichten entlang der Ausbreitungsrichtung verändert werden. Durch diese große Anzahl einstellbarer Parameter ergeben sich gegenüber den herkömmlichen Wellenleitern viel mehr Variations- und damit Gestaltungsmöglichkeiten für die Impedanztransformationen und komplexere Anspaßschaltungen.
In den 2, 3, 4 und 5 sind verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung gezeigt. So zeigt z. B. die 2 die symmetrische bzw. unsymmetrische Anordnung der koplanaren Wellenleiter und/oder der isolierenden Substratschichten. In 3 ist eine zweireihige bzw. eine versetzte Anordnung der Durchkontaktierungen vorgestellt. 4 zeigt über- und nebeneinander parallel angeordnete koplanare Wellenleiter, wogegen in 5 die Kreuzung von übereinanderliegenden koplanaren Wellenleitern dargestellt ist.
In 6 sind horizontale Drehungen bzw. Leitungsknicke zur Änderung der Signalausbreitungsrichtung dargestellt. Integrierte Kompensationsanordnungen wie geometrisch definierte Verjüngung und/oder Verbreiterung des Signalleiters (11) zum Abbau der lokalen Kapazitätsüberhöhung, sowie definiertes nach Außen- und/oder nach Innenschieben der koplanaren Masseschichten (12, 13) gleichen lokale Impedanzunterschiede (bezogen auf den Nominal-Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitung) so aus, dass nur minimale Reflexionen der übertragenen Signale an dieser Stelle auftreten.
Mit der in 7 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform können beliebige Höhenunterschiede und Ein- bzw. Austrittswinkel mit Hilfe einer senkrecht zur Signalausbreitungsrichtung angeschlossenen koaxialen Wellenleiterstruktur realisiert werden.
Die in den 8 bis 10 dargestellten Wellenleiterübergänge sorgen für die Kompatibilität zu bisher üblichen Wellenleitern.
8 zeigt z. B. eine vergrabene Leitungsanordnung eines ein- oder mehrstufigen (horizontal zur Ausbreitungsrichtung versetzten) Wellenleiterübergangs (a), z. B. vom Inneren eines Mikrowellenmoduls, vertikal nach Außen (b) zu beispielsweise integrierten Nacktchips (engl. „dices")/„First-Level-Interconnection" oder vice-versa in eine Masse-Signalleiter-Masse-Kontaktierungsstruktur. Integrierte Kompensationsanordnungen (14) definieren in Länge und Breite geometrisch definierte Verjüngungen und/oder Verbreiterungen der mittleren Signalleitung und/oder der koplanaren umgebenden Masseflächen und Einrückungen oder Überlappungen der über der mittleren Signallage liegenden Massefläche. Die Öffnungen (15) der stirnseitigen Masseflächen dienen der definierten Reduzierung der Kapazitätsüberhöhung an den Stirnseiten der Durchkontaktierungen des mittleren Signalleiters und können beliebige Formen haben (hier rechteckig). Sie gleichen lokale Impedanzunterschiede (bezogen auf den Nominal-Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitung) so aus, dass nur minimale Reflexionen der zu übertragenden Signale an dieser Stelle auftreten.
In 9 ist ein Wellenleiterübergang (z. B. vom Inneren eines Mikrowellenmoduls (a) lateral nach Außen (b) zur peripheren Elekronik/„Second-Level-Interconnection” oder vice-versa in eine Masse-Signalleiter-Masse-Struktur dargestellt. Integrierte Kompensationsanordnungen (16) definieren in Länge und Breite geometrisch definierte Verjüngungen und/oder Verbreiterungen der mittleren Signalleitung und/oder der koplanar umgebenden Masseflächen (17). Einrückungen oder Überlappungen der über der mittleren Signallage liegenden Massefläche (17) und Überlappungen der isolierenden Substratschichten (18) im Inneren des Moduls gleichen lokale Impedanzunterschiede, bezogen auf den Nominal-Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitung, so aus, dass nur minimale Reflexionen der übertragenen Signale an dieser Stelle auftreten.
In 10 sind anstelle eines einzelnen Signalleiters zwei parallele und miteinander gekoppelte koplanare Wellenleiter für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen dargestellt. Auch für diese Ausführungsform sind die für die in 1 gezeigte Grundstruktur des erfindungsgemäßen koplanaren Wellenleitersystems anwendbar.

Claims

Impedanzkontrolliertes, koplanares Wellenleitersystem zur dreidimensionalen Verteilung von Signalen hoher Bandbreite, bestehend aus mindestens einem koplanaren Wellenleiter und welches in mehrlagigen Schaltungsträgern integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der koplanare Wellenleiter (2) mit seinen dazugehörigen Masseleitern (3, 4) zwischen mindestens zwei durchgehende oder unterbrochene Isolationsschichten (5, 6), bei denen die Zwischenräume mit Gasen, Flüssigkeiten oder Vakuum gefüllt sind, des mehrlagigen Schaltungsträgers symmetrisch oder unsymmetrisch angeordnet ist und die Ober- und Unterseite des mehrlagigen Schaltungsträgers mit vollflächigen oder teilgeschlossenen (perforierten/gitterartigen) elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) versehen ist und an den beiden anderen gegenüberliegenden Seiten des mehrlagigen Schaltungsträgers elektrisch leitende Durchkontaktierungen (9, 10) als elektrische Wandungen vorgesehen sind, wobei die Masseleitungen (3, 4), die elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) und Durchkontaktierungen (9, 10) umlaufend elektrisch verbunden sind und die Wellenleiterimpedanz über die Leiterbreite, die Leiterhöhe bzw. Leiterform, den Abstand zwischen diesen leitenden koplanaren Schichten (2, 3, 4), sowie über die Dielektrizitätszahlen der isolierenden Substratschichten (5, 6) und/oder durch den Abstand zu den elektrisch leitfähigen Schichten (7, 8) und den Durchkontaktierungen (9, 10) einstellbar ist.
Wellenleitersystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass es zwei parallele und miteinander gekoppelte koplanare Wellenleiter für die Übertragung von elektromagnetischen Wellen aufweist.
Wellenleitersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere koplanare Wellenleiter (2) und ihre dazugehörigen Massenleiter (3, 4) übereinander und/oder nebeneinander parallel versetzt oder im beliebigen Winkel gekreuzt angeordnet sind, wobei eine möglichst geringe gegenseitige Beeinflussung der in jeder Leitung übertragenen Signale gewährleistet ist.
Wellenleitersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungen (9, 10) einen beliebigen Querschnitt (z. B. rund, rechteckig) aufweisen und in einfach oder mehrfach parallelen Reihen angeordnet sind.
Wellenleitersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass ein äußeres Kontaktfeld des mehrlagigen Schaltungsträgers als Mikrostreifen-Wellenleiter ausgeführt sein kann.
Verwendung eines Wellenleitersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Realisierung einer Änderung der Signalausbreitungsrichtung mit beliebigen Winkeln mit Hilfe horizontaler Drehungen bzw. Wellenleiterknicke.
Verwendung eines Wellenleitersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Realisierung beliebiger Höhenunterschiede und/oder Ein- bzw. Austrittswinkel des Wellenleitersystems.
Verwendung eines Wellenleitersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Realisierung eines ein- oder mehrstufigen Wellenleiterübergangs vertikal nach Außen.
Verwendung eines Wellenleitersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Realisierung eines Wellenleiterübergangs lateral nach Außen.