DE10345218B3

DE10345218B3 - Vorrichtung zur Verbindung einer Koaxialleitung mit einer Koplanarleitung

Info

Publication number: DE10345218B3
Application number: DE10345218A
Authority: DE
Inventors: Claus-Jörg Weiske
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: EP1668746A1; WO2005034299A1; CN1860650A; US20060284699A1

Abstract

Die Koaxialleitung (1) weist einen Koaxialinnenleiter (2) und eine den Koaxialinnenleiter (1) umschließende erste dielektrische Schicht (3) auf, die ihrerseits von einem Koaxialaußenleiter (4) umschlossen ist. Die Koplanarleitung (5) weist eine zweite dielektrische Schicht (9) auf, auf deren Vorderseite ein Koplanarinnenleiter (6) und ein erster und zweiter Koplanaraußenleiter (7, 8) aufgetragen sind und deren Rückseite eine Metallisierungsschicht (10), gefolgt von einer Substratträgerschicht (11), aufweist. Der erste und zweite Koplanaraußenleiter (7, 8) sind über die zweite dielektrische Schicht (9) vom Koplanarinnenleiter (6) getrennt und der Koaxialinnenleiter (2) ist mit dem Koplanarinnenleiter (6) und der Koaxialaußenleiter (4) ist mit dem ersten und zweiten Koplanaraußenleiter (7, 8) verbunden. Bei der Übertragung von hochbitratigen Datensignalen über die Verbindungsstelle der Koaxialleitung (1) und der Koplanarleitung (5) tritt eine Vergrößerung des kapazitiven Leitungsbelags und damit unerwünschte Reflexionen auf. Diese werden dadurch vermieden, dass in der Metallisierungsschicht (10) eine an der Verbindungsstelle zwischen der Koaxialleitung (1) und der Koplanarleitung (5) beginnende und eine nahezu symmetrisch zum Koplanarinnenleiter (6) verlaufende Aussparung (12) vorgesehen wird, die sich in Richtung des Koplanarinnenleiters (6) mit zunehmender Entfernung von der Verbindungsstelle verjüngt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbindung einer Koaxialleitung mit einer Koplanarleitung zur Übertragung von hochbitratigen Datensignalen, bei der die Koaxialleitung einen Koaxialinnenleiter und einen den Koaxialinnenleiter umschließende erste dielektrische Schicht aufweist, die ihrerseits von einem Koaxialaußenleiter umschlossen ist. Die Koplanarleitung weist eine zweite dielektrische Schicht auf, auf deren Vorderseite ein Koplanarinnenleiter und ein erster und zweiter Koplanaraußenleiter aufgetragen sind und deren Rückseite eine Metallisierungsschicht gefolgt von einer Substratträgerschicht aufweist. Der erste und zweite Koplanaraußenleiter sind über die zweite dielektrische Schicht vom Koplanarinnenleiter getrennt und der Koaxialinnenleiter ist mit dem Koplanarinnenleiter und der Koaxialaußenleiter ist mit dem ersten und zweiten Koplanaraußenleiter verbunden.
Eine einfache Ausführungsform für eine Verbindung einer Koaxialleitung, beispielsweise eines Koaxialsteckers, mit einer geerdeten Koplanarleitung („Grounded CoPlanar Waveguide", GCPW) ist beispielhaft in 1 dargestellt. Der Koaxialstecker 1 weist einen Koaxialinnenleiter 2, eine erste dielektrische Schicht 3 und einen Koaxialaußenleiter 4 auf. Die Koplanarleitung 5 besteht aus einer Leitungsschicht (6,7,8) gefolgt von einer zweiten dielektrischen Schicht 9, einer Metallisierungsschicht 10 und einer Substratträgerschicht 11. Die Leitungsschicht (6,7,8) besteht aus einem Koplanarinnenleiter 6 und einem ersten und zweiten Koplanaraußenleiter 6,7, die über die zweite dielektrische Schicht 9 vom Koplanarinnenleiter 6 getrennt sind. Der Koaxialinnenleiter 2 des Koaxialsteckers 1 ist mit dem Koplanarinnenleiter 6 der Koplanarleitung 5 und der Koaxialaußenleiter 4 Koaxialsteckers 1 mit dem ersten und zweiten Koplanaraußenleiter 7,8 der Koplanarleitung 5 („Massepotential") sowie mit der auf der Rückseite der zweiten dielektrischen Schicht 9 befindlichen Metallisierungsschicht 10 (ebenfalls „Massepotential") verbunden. Die zweite dielektrische Schicht 9 der Koplanarleitung 5 ist üblicherweise über die Metallisierungsschicht 10 auf einer metallischen Substratträgerschicht 11 angebracht, die sowohl als mechanische Stabilisierung als auch zur Wärmeableitung und Wärmeverteilung von auf der zweiten dielektrischen Schicht 9 vorgesehenen Bauelementen dient.
Bei der Übertragung von hochbitratige Datensignalen, beispielsweise mit einer Datenrate von größer 40 Gbit/s über die geerdete Koplanarleitung ist die Dispersion im Wellenleiter so gering wie möglich zu halten. Dies wird durch eine enge Kopplung des ersten und zweiten Koplanaraußenleiters 7,8 mit dem Koplanarinnenleiter 6 erreicht: geringe Breite des Koplanarinnenleiters 6, geringer Abstand zwischen Koplanarinnenleiter 6 und Koplanaraußenleitern 7,8 sowie geringe Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 9.
Die Geometrie des Koaxialsteckers 1 erfordert an der Verbindungsstelle des Koaxialinnenleiters 2 mit der Koplanarleitung 5 eine Mindestbreite im Umfang des Koplanarinnenleiters 6. Dies wird durch eine kontinuierliche Verbreiterung des Koplanarinnenleiters 6 sowie der Abstände zwischen Koplanarinnenleiter 6 und dem ersten und zweiten Koplanaraußenleitern 7,8 in der Nähe der Kontaktstelle erreicht. Eine mögliche Realisierungsform der beschriebenen Geometrie ist in 2 beispielhaft dargestellt.
Diese Verbreiterung kann zu einer unerwünschten Vergrößerung des kapazitiven Leitungsbelags und damit zu einer unerwünschten lokalen Reflexion führen, was eine Beeinträchtigung des Übertragungs- und Reflexionsverhaltens an der Verbindungsstelle bei Frequenzen größer 40 GHz zur Folge hat.
Eine weitere Vergrößerung des Kapazitätsbelags und damit eine Vergrößerung der lokalen Reflexion tritt an der Verbindungsstelle zwischen Koaxialleitung und Koplanarleitung bei unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstanten der ersten und zweiten dielektrischen Schicht 3,9 auf. In Kommunikationsgeräten für die Übertragung von hochbitratigen Datensignalen werden üblicherweise Koaxialstecker 1 mit einer ersten dielektrischen Schicht 3 mit niedriger relativer Dielektrizitätskonstante, z.B. Luft (ε_r=1), hingegen für die Koplanarleitung 5 eine zweite dielektrische Schicht 9 mit relativ großer relativer Dielektrizitätskonstante, z.B. Keramik (ε_r=10), verwendet.
Somit ist zur Übertragung von hochbitratigen Datensignalen eine Kompensation dieser kapazitiven Leitungsbelastung unmittelbar am Ort ihres Auftretens erforderlich. Eine Kompensation durch Schaltungsmaßnahmen an anderer Stelle entlang der Übertragungsstrecke, wie bei Schmalbandanwendungen üblich, liefert nicht den erwünschten Effekt.

Hierzu ist aus der US-Patentschrift 5,404,117 eine Vorrichtung zur Verbindung eine Koaxialsteckers mit einer Koplanarleitung bekannt, bei der die kapazitive Belastung durch eine induktive Komponente kompensiert wird. Diese wird durch eine freischwebende Anordnung des Koaxialinnenleiters und durch eine spezielle Ausformung des Koaxialaußenleiters bzw. eines evtl. vorhandenen Dielektrikums an der Übergangsstelle gebildet. Diese Ausformungen sind an das verwendete Substratmaterial der Koplanarleitung angepasst, erfordern jedoch einen relativ hohen mechanischen Aufwand und sind bei Verwendung von kommerziell erhältlichen Koaxialsteckverbindern (z.B. Anritsu V115FCPW) nicht anwendbar.

Darüber hinaus ist aus der US-Patentschrift 5,570,068 ein „Coaxial-to-Coplanar-Waveguide Transmission Line" Verbindungsstecker bekannt, bei dem innerhalb der Koaxialleitung eine Formung des elektrischen Feldes von koaxial in Richtung auf koplanar durch eine gesonderte Fräsung des Koaxialaußenleiters in der Nähe der Übergangsstelle vorgenommen wird. Die Form dieser Fräsung ist an das verwendete Substratmaterial der Koplanarleitung angepasst. Auch hier ist der mechanische Aufwand relativ hoch, und die Anordnung ist bei der Verwendung von kommerziell erhältlichen Koaxialsteckverbindern nur schwer einsetzbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verbindung einer Koaxialleitung mit einer Koplanarleitung anzugeben, mit deren Hilfe der bei der Übertragung von hochbitratigen Datensignalen an der Verbindungsstelle zwischen Koaxialleitung und Koplanarleitung auftretende kapazitive Leitungsbelag mit geringen technischen Aufwand kompensiert werden kann. Die Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Der wesentliche Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass die Metallisierungsschicht eine an der Verbindungsstelle zwischen dem Koaxialstecker und der Koplanarleitung beginnende und entlang des Koplanarinnenleiters verlaufende Aussparung aufweist, die sich in Richtung des Koplanarinnenleiters mit zunehmender Entfernung von der Verbindungsstelle verjüngt. Vorteilhaft wird die kapazitive Leitungsbelastung durch eine Aussparung in der Rückseitenmetallisierung des Koplanarleitung in der Nähe der Übergangsstelle zur Koaxialleitung kompensiert. Zur Vermeidung von Resonanzen verlaufen bei der erfindungsgemäßen Realisierung die Kanten der Aussparung entlang des Koplanarinnenleiters und die Aussparung verjüngt sich in Richtung des Koplanarinnenleiters mit zunehmender Entfernung von der Verbindungsstelle, d.h. zueinander parallel verlaufende Kanten der Aussparung werden hierdurch vermieden. Besonders gute Resonanzeigenschaften werden beispielsweise durch die Verwendung einer dreieckförmigen Aussparung erzielt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird bei Verwendung einer metallischen Substratträgerschicht eine deckungsgleich mit der Aussparung in der Metallisierungsschicht verlaufende oder größere Ausfräsung in der Substratträgerschicht vorgesehen. Hierdurch wird vorteilhaft ein Kurzschluss der Aussparung vermieden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der beanspruchten Vorrichtung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Hierbei zeigen:

1 eine Vorrichtung zur Verbindung eines Koaxialsteckers mit einer Koplanarleitung gemäß dem Stand der Technik;

2 beispielhaft in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf die in 1 dargestellte Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik;

3 eine Vorrichtung zur Verbindung eines Koaxialsteckers mit Koplanarleitung der beanspruchten Art.

4 einen Ausschnitt der Koplanarleitung, die die Geometrie der Aussparung in der Metallisierungsschicht näher beschreibt;

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der beanspruchten Vorrichtung anhand einer Seitenansicht der in 3 dargestellten Vorrichtung bei Verwendung einer metallischen Substratträgerschicht;

6 anhand eines ersten und zweiten Diagramms das Reflexions- und Übertragungsverhalten an der Übergangsstelle zwischen Koaxialstecker und Koplanarleitung.

3 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Verbindung einer Koaxialleitung, insbesondere eines Koaxialsteckers 1 mit einer Koplanarleitung 5 zur Übertragung von hochbitratigen Datensignalen. Die Koaxialleitung wird in 3 beispielhaft durch den Koaxialstecker 1 repräsentiert und weist analog zu der in 1 dargestellten Ausführungsform einen Koaxialinnenleiter 2, eine erste dielektrische Schicht 3 und einen Koaxialaußenleiter 4 auf. Die Koplanarleitung 5 besteht aus einer Leitungsschicht (6,7,8) gefolgt von einer zweiten dielektrischen Schicht 9, einer Metallisierungsschicht 10 und einer Substratträgerschicht 11. Die Leitungsschicht (6,7,8) besteht aus einem Koplanarinnenleiter 6 und einem ersten und zweiten Koplanaraußenleiter 7, 8, wobei der erste und zweite Koplanaraußenleiter 7, 8, beispielhaft über die zweite dielektrische Schicht 9 vom Koplanarinnenleiter 6 getrennt sind. Der Koaxialinnenleiter 2 des Koaxialsteckers 1 ist mit dem Koplanarannenleiter 6 der Koplanarleitung 5 und der Koaxialaußenleiter 4 Koaxialsteckers 1 mit dem ersten und zweiten Koplanaraußenleiter 7,8 der Koplanarleitung 5 sowie mit der auf der Rückseite der zweiten dielektrischen Schicht 9 befindlichen Metallisierungsschicht 10 verbunden. Hierbei können die Metallisierungsschicht 10 und der erste und zweite Koplanaraußenleiter 7,8 geerdet sein. Die zweite dielektrische Schicht 9 der Koplanarleitung 5 ist analog zu 1 über die Metallisierungsschicht 10 auf einer metallischen Substratträgerschicht 11 angebracht.
Zur Kompensation des bei der Übertragung von hochbitratigen Datensignalen an der Verbindungsstelle zwischen Koaxialleitung bzw. Koaxialstecker 1 und Koplanarleitung 5 auftretenden kapazitiven Leitungsbelages ist in der Metallisierungsschicht 10 eine Aussparung 12 vorgesehen. Die Aussparung verläuft nahezu symmetrisch zum Koplanarinnenleiter und verjüngt sich in Richtung des Koplanarinnenleiters mit zunehmender Entfernung von der Verbindungsstelle. Die Dicke der Aussparung entspricht der Dicke der Metallisierungs schicht 10 oder größer. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Aussparung dreieckförmig ausgestaltet, wodurch eine sehr gute Kompensationswirkung erzielt werden kann. Die Breite der Aussparung 12 an der Verbindungsstelle zwischen der Koaxialleitung bzw. des Koaxialstreckers 1 und der geerdeten Koplanarleitung 5 entspricht hierbei nahezu dem Durchmesser der den Koaxialinnenleiter 2 beispielhaft kreisförmig umschließenden ersten dielektrischen Schicht 3. Ferner ist die Länge der Aussparung 12 an der Verbindungsstelle zwischen dem Koaxialstecker 1 und der geerdeten Koplanarleitung 5 entlang des Koplanarinnenleiters 6 größer als der Überlappungsbereich des Koaxialinnenleiters 2 mit dem Koplanarinnenleiter 6.
In 4 ist zur Verdeutlichung der Geometrie der Aussparung 12 die Unterseite der Metallisierungsschicht 10 getrennt von der Substratträgerschicht 11 als strichliert gezeichnete Fläche dargestellt. Zusätzlich ist der Verlauf des Koplanarinnenleiters 6 und des ersten und zweiten Koplanaraußenleiters 7,8, die nach der Metallisierungsschicht 10 angeordnet sind, mit Hilfe von strichliert gezeichneten Linien angedeutet. Die Aussparung 12 weist die Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf, wobei die Spitze des gleichschenkligen Dreiecks auf der Mittellinie 13 des Koplanarinnenleiters 6 in der Draufsicht zu liegen kommt.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht der in 3 dargestellten Vorrichtung zur Verbindung eines Koaxialsteckers 1 mit einem Koplanarleitung 5. Im Unterschied zu der in 3 dargestellten Ausführungsform weist die Substratträgerschicht 11 an der Kontaktstelle zu Aussparung 12 in der Metallisierungsschicht 10 eine beispielsweise rechteckförmige Ausfräsung 14 auf. Die Fläche der Ausfräsung 14 ist mindestens deckungsgleich mit der von der Aussparung 12 eingeschlossenen Fläche oder größer, um bei Verwendung einer metallischen Substratträgerschicht 11 einen Kurzschluß am Ort der Aussparung 12 zu vermeiden. Die geometrische Form der Ausfräsung 14 ist hierbei beliebig, sie dient lediglich der Isolierung an der Aussparung 12. Bevorzugt sind jedoch Ausfräsungen 14 zu verwenden, deren Kanten nicht parallel zueinander verlaufen, d.h. die Breite und/oder Höhe der Ausfräsung 14 in der Substratträgerschicht 11 verjüngt sich in Richtung entlang des Koplanarinnenleiters 6 mit zunehmender Entfernung von der Verbindungsstelle.
6 zeigt anhand eines ersten und zweiten Diagramms 6a/b das gemessene Reflexionsverhalten und Übertragungsverhalten an der in 3 dargestellten Vorrichtung bzw. an dem Übergang Koaxialstecker 1/Koplanarleitung 5 jeweils mit und ohne Aussparung 12. Die durch die Verwendung der Aussparung 12 in der Metallisierungsschicht 10 erzielte Verbesserung zeigt sich deutlich bei Frequenzen oberhalb 40 GHz. Beispielsweise ist im ersten Diagramm 6a eine Verbesserung des Reflexionsverhalten von bis zu 10 dB bei Frequenzen über 40 GHz erkennbar. Das im zweiten Diagramm 6b dargestellte Übertragungsverhalten verbessert sich bei Frequenzen über 40 GHz um 1 dB und mehr.
Ein weiterer Vorteil der beanspruchten Vorrichtung ist, dass für die Implementierung handelsübliche Koaxial-Steckverbinder verwendet werden können, unabhängig von der Substratträgerschicht 11, der Koplanarleitung 5 sowie von der Leitungsgeometrie der Koplanarleitung 5.

Claims

Vorrichtung zur Verbindung einer Koaxialleitung (1) mit einer Koplanarleitung (5) zur Übertragung von hochbitratigen Datensignalen, – bei der die Koaxialleitung (1) einen Koaxialinnenleiter (2) und eine den Koaxialinnenleiter (2) umschließende erste dielektrische Schicht (3) aufweist, die ihrerseits von einem Koaxialaußenleiter (4) umschlossen wird, – bei der die Koplanarleitung (5) eine zweite dielektrische Schicht (9) aufweist, auf deren Vorderseite ein Koplanarinnenleiter (6) und ein erster und zweiter Koplanaraußenleiter (7,8) aufgetragen sind und deren Rückseite eine Metallisierungsschicht (10) gefolgt von einer Substratträgerschicht (11) aufweist, – bei der der erste und zweite Koplanaraußenleiter (7,8) über die zweite dielektrische Schicht (9) vom Koplanarinnenleiter (6) getrennt sind, – bei der der Koaxialinnenleiter (2) mit dem Koplanarinnenleiter (6) und der Koaxialaußenleiter (4) mit dem ersten und zweiten Koplanaraußenleiter (7,8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierungsschicht (10) eine an der Verbindungsstelle zwischen der Koaxialleitung (1) und der Koplanarleitung (5) beginnende und entlang des Koplanarinnenleiters (6) verlaufende Aussparung (12) aufweist, die sich in Richtung des Koplanarinnenleiters (6) mit zunehmender Entfernung von der Verbindungsstelle verjüngt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (12) symmetrisch zum Koplanarinnenleiter (6) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer metallischen Substratträgerschicht (11) eine deckungsgleich mit der Aussparung (12) in der Metallisierungsschicht (10) verlaufende oder eine größere Fläche aufweisende Ausfräsung (14) in der Substratträgerschicht (11) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite und Höhe der Ausfräsung (14) in der Substratträgerschicht (11) sich in Richtung entlang des Koplanarinnenleiters (6) mit zunehmender Entfernung von der Verbindungsstelle verjüngen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Aussparung (12) an der Verbindungsstelle zwischen der Koaxialleitung (1) und der Koplanarleitung (5) dem Durchmesser der den Koaxialinnenleiter (2) kreisförmig umschließenden ersten dielektrischen Schicht (3) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (12) dreieckförmig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Aussparung (12) an der Verbindungsstelle zwischen der Koaxialleitung (1) und der Koplanarleitung (5) entlang des Koplanarinnenleiters (6) größer ist als der Überlappungsbereich des Koaxialinnenleiter (2) mit dem Koplanarinnenleiter (6).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste dielektrische Schicht (3) die Umgebungsluft und die zweite dielektrische Schicht (9) ein keramisches Material ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Koplanaraußenleiter (7,8) der Koplanarleitung (5) mit dem Massepotential verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Koaxialleitung (1) als Koaxialstecker (1) realisisert ist und an die Koplanarleitung (5) angeschlossen ist.