DE69801505T2

DE69801505T2 - Auf einem substrat mit hohem dielektrischen verlust in planartechnologie eingesetzter spannungsgesteuerter oszillator für mikrowellen

Info

Publication number: DE69801505T2
Application number: DE69801505T
Authority: DE
Inventors: Carlo Buoli; Giovanni Mora
Original assignee: Siemens Information and Communication Networks SpA; Siemens Information and Communication Networks Inc
Current assignee: Siemens Communications Inc
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2018-06-25
Also published as: US6326857B1; EP0992107A1; ITMI971522A0; JP2002510448A; NO319669B1; IT1292213B1; NO996430D0; ITMI971522A1; WO1999000892A1; NO996430L; DE69801505D1; EP0992107B1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der Mikrowellenoszillatoren, konkret auf einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) für Mikrowellen, der auf einem Substrat mit hohem dielektrischen Verlust in Planartechnologie implementiert ist.
Mikrowellenoszillatoren sind in professionellen Telekommunikationsgeräten als lokale Oszillatoren weit verbreitet, z. B. für Funkverbindungen oder Satellitentransponder. Bekanntlich bestimmt die Frequenz des lokalen Oszillators beim Senden die Umwandlung des IF-Signals im mittleren Frequenzband des zu übertragenden Kanals. Beim Empfang bestimmt die Frequenz die IF-Umwandlung des Kanals, der empfangen werden soll. Daher ist es wichtig, dass mit Hilfe des lokalen Oszillators auch während des normalen Betriebs die Kanalauswahl problemlos vorgenommen werden kann. Spannungsgesteuerte Oszillatoren, oder VCOs, bieten diese Möglichkeit, da die Oszillationsfrequenz durch eine an einen Varaktor angelegte Steuerspannung gesteuert werden kann.

Technischer Hintergrund

Mikrowellenoszillatoren werden im Allgemeinen in Planartechnologie hergestellt. Dabei werden in bestimmten Bereichen eines dielektrischen Substrats leitende Schichten aufgebracht, die eine Mikroleiterbahnschaltung bilden. Zur Vervollständigung der Oszillatorschaltung wird diese mit diskreten aktiven und/oder passiven Bauelementen bestückt. Für diesen Zweck werden im Allgemeinen Substrate mit geringen dielektrischen Verlusten bei den höchsten Nutzfrequenzen eingesetzt, z. B. Aluminiumoxid, Quarz, Glas usw. Diese Stoffe zeichnen sich durch eine sehr geringe Dämpfung der Signale durch die Mikroleiterbahnen aus. Dadurch wird die Herstellung der Schaltungen weniger problematisch.
Als Parameter für dielektrische Verluste in einem Substrat ist der tan δ definiert. Weiterhin gilt:
Q = 1/tanδ
Substrate mit hohem dielektrischen Verlust, z.B. Vetronit-Substrate (dünnes epoxidharzgetränktes Glasfaserlaminat auf einer oder auf beiden Seiten kupferkaschiert, die Standardbezeichnung ist glasverstärktes FR4), werden dagegen für die Herstellung von elektronischen Schaltungen verwendet, die bei im Vergleich zu Mikrowellen erheblich niedrigeren Frequenzen arbeiten, z.B. für die Herstellung der herkömmlichen gedruckten Schaltungen.
Für Vetronit gilt tan δ = 0,025 - 0,05, für Aluminiumoxid tan δ = 0,0001.
Die Anwendungsgrenzen der zwei Substratarten wird deutlich, wenn man bedenkt, dass z.B. standardmäßige glasverstärkte FR4-Substrate in einer Mikrowellenumgebung die Signale so sehr dämpfen, dass sie in derartigen Schaltungen nicht eingesetzt werden können. Andererseits bieten Aluminiumoxidsubstrate bei niedrigen Frequenzen, auch wenn ihre Verwendung im Prinzip möglich wäre, nicht dieselben Vorteile bezüglich leichter Produkthandhabung und einfacher Herstellungsprozesse wie standardmäßige glasfaserverstärkte FR4- Substrate. Allerdings gibt es eine Ausnahme: Es gibt einen Frequenzbereich, der bis in den unteren Mikrowellenbereich hineinreicht, bei dem keine definitive Aussage getroffen werden kann, welches Substrat gewählt werden sollte.
Allgemein kann festgestellt werden, dass mit zunehmender Frequenz der Herstellungsprozess schwieriger wird, da die Breite der Leiterbahnen bzw. der Abstand zwischen den Leiterbahnen unter 100 um liegen muss. Auf die Qualität der Leiterbahnenkanten muss höherer Wert gelegt werden, und die Gleichmäßigkeit muss besser sein.
Eine weitere Beschränkung ergibt sich aus der Befestigung der Bauteile, die bei höheren Frequenzen genauer positioniert werden müssen, um die erforderliche Wiederholbarkeit beim Prüfungsvorgang zu gewährleisten.
Nach alldem ist festzuhalten, dass ein als lokaler Oszillator verwendeter Mikrowellen- VCO im Allgemeinen in einer Phase Locked Loop (PLL) verwendet wird, um die für die Kanalauswahl erforderliche Frequenzsynthese implementieren zu können. Wie ein PLL arbeitet ist bekannt, erwähnenswert ist jedoch die Tatsache, dass er Frequenzteiler für die VCO-Frequenz sowie Bauteile enthält, die mit Frequenzen unterhalb des Mikrowellenbereichs betrieben werden.
Die Parameter, die einen VCO charakterisieren, werden während der Entwurfsphase ausgewählt, da sie von der Anwendung des VCOs abhängen. Ganz allgemein ist bekannt, dass bei großem Q das Phasenrauschen in der Nähe des Trägers sehr gut, also niedrig ist. Auf der anderen Seite ist die Betriebsbandbreite gering (100 MHz). Wenn dagegen Q niedrig ist, verschlechtert sich das Phasenrauschen bei gleichzeitig größerer Betriebsbandbreite. Für Aluminiumoxid ist jedoch Q = 200 (fast ausschließlich vom Leiterbahnenmetall abhängig), während für FR4 gilt Q = 20-40, wobei das Phasenrauschen etwa 10 dB schlechter ist.
In der technischen Praxis erfordert die Integration von Mikrowellenschaltungen mit Schaltungen niedrigerer Frequenz die Verwendung von metallischen Gehäusen zur Abschirmung der Mikrowellenschaltungen, um elektromagnetische Energieabstrahlung in die Umgebung und entsprechende Fehlfunktionen der anderen Schaltungen zu vermeiden. Das bringt aus folgenden Gründen erhebliche Produktionsmehrkosten mit sich:
- Hohe Anforderungen an die mechanische Genauigkeit der Metallgehäuse
- Befestigung der Metallgehäuse am Substrat, das auch die Schaltungen für die niedrigeren Frequenzen aufnimmt
- Es sind Koaxialkabel mit Anschlussverbindern für die Zuführung und/oder Ableitung von Funkfrequenzsignalen in die bzw. aus den Mikrowellenmodulen erforderlich
- Für die oben erwähnten Signale müssen geeignete Übergänge für die Leiter/Mikroleiterbahnen zur Verfügung stehen
- und schließlich werden Anschlüsse für die Spannungsversorgung der Mikrowellenmodule benötigt.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass nach dem heutigen Stand der Technik im Bereich der oben genannten Erfindung zwei verschiedene Technologien für den Herstellungsprozess erforderlich sind:
- die Mikrowellenstruktur (normalerweise der VCO, dessen Oszillationsfrequenz bis zu 18 GHz reichen kann) wird durch Aufbringen von leitenden Schichten auf ein Aluminiumoxidsubstrat hergestellt
- die Struktur für die niedrigeren Frequenzen, die in der Regel aus Verriegelungsschaltungen für den VCO und die Beschaltung aller Bauelemente besteht (einschließlich der Bauelemente, aus denen der VCO selbst besteht). Der VCO wird aus Kostengründen aus einem standardmäßigen glasverstärkten FR4-Substrat hergestellt.
In der folgenden Beschreibung wird diese Struktur für die niedrigen Frequenzen, die aus den oben erwähnten Verriegelungsschaltungen und Beschaltungen besteht, kurz als "Steuerschaltungen" bezeichnet.
In der US-amerikanischen Patentanmeldung US 5,187,451 ist ein Mikrowellenoszillator bekannten Typs beschrieben, d. h. ein VCO, bei dem in bestimmten Bereichen eines dielektrischen Substrats leitende Schichten aufgebracht sind, die bei den höchsten verwendeten Frequenzen geringe dielektrische Verluste aufweisen. Die anderen Teile der Schaltung sind auf einem Glasepoxidharzsubstrat untergebracht.
In dieser Referenz wird eine spannungsgesteuerte Schaltung (VCO) mit Schwingkreis beschrieben, deren Mikroleiterbahnen in Breite und Länge minimiert sind.
Der VCO arbeitet mit einer Schwingfrequenz von 900 MHz, wobei der Schwingkreis aus einem Leiter mit hoher Leitfähigkeit auf einem Substrat mit geringem dielektrischen Verlust besteht (z. B. Aluminiumoxidkeramik) und die anderen Schaltungsteile auf einem Glasepoxidharzsubstrat untergebracht sind.
Insbesondere Abb. 2(a) dieses Patents zeigt eine Mikroleiterbahn 1 des Schwingkreises b, die aus einem Leiter über einem Substrat mit geringer dielektrischer Konstante, z.B. Aluminiumoxidsubstrat 2 besteht (siehe Spalte 4, Zeilen 50 bis 54).

Ziele der Erfindung

Die vorliegende Erfindung soll die hohen Produktionskosten und die Komplexität der Schaltungsmodule verringern, die mit einem Mikrowellen-VGO in Planartechnologie nach dem aktuellen Stand der Technik verbunden sind.

Übersicht über die Erfindung

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen VCO für Mikrowellen mit den in Patentanspruch 1 beschriebenen Merkmalen.
Die durch den VCO erzeugte Schwingfrequenz kann in der vorliegenden Erfindung bis zu 18 GHz betragen, ohne dass sich das Betriebsverhalten wesentlich verschlechtert. Dadurch können erhebliche Produktionskosten für die Abschirmung des VCO und der entsprechenden Steuerschaltungen eingespart werden. Für die Herstellung der oben erwähnten Module sind nun keine zwei verschiedenen technologischen Prozesse mehr erforderlich, wie beim bisherigen Stand der Technik üblich. Durch die neuen Erkenntnisse kann jetzt eine globale Schaltung in einem einzigen Prozess auf ein spezielles dielektrisches Substrat aufgebracht werden. Dadurch wird die Anwendung von automatischen Bestückungstechniken mit diskreten Bauelementen (Surface Mounting Technology) sehr erleichtert.
Die Schaltung wird also in demselben Herstellungsprozess und auf demselben standardmäßigen glasverstärkten FR4-Substrat erstellt wie die Schaltung für die niedrigeren Frequenzen zur Steuerung des VCO.
Der Vorteil, der sich daraus ableiten lässt, ist ein Produkt, das sich leicht handhaben lässt und sich durch hohe Wiederholbarkeit, geringe Kosten und erhebliche Arbeitszeiteinsparungen auszeichnet.
Natürlich ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den VCO auf einem glasverstärkten FR4-Substrat bester Güte und die Steuerschaltungen auf einem glasverstärkten FR4-Substrat geringerer Güte zu implementieren und diese dann zu verbinden.
Der Vergleich zwischen dem aktuellen Stand der Technik und der vorliegenden Erfindung macht deutlich, dass hier mit dem technischen Vorurteil gegenüber der Verwendung von standardmäßigen glasverstärkten FR4-Substraten bei der Implementierung von Mikrowellenschaltungen bis 18 GHz aufgeräumt wird. Dazu war erheblicher Aufwand bei Konzeption und Konstruktion seitens des Antragstellers erforderlich, um eine kontinuierliche Verbesserung der Produkte und die Verringerung der Produktionskosten zu erreichen. Dabei wurde mit der Hochfrequenzschaltungsanordnung bewusst bis an die Grenze des mit dem Substratmaterial sowohl beim Betrieb der Schaltung als auch beim Implementierungsprozess physikalisch Machbaren gegangen. Problematisch sind dabei die hohen Verluste und das Einschneiden von Leitungsbahnen mit gleichmäßiger Dicke auf sehr kleinem Raum. Das große Problem der hohen Verluste wurde in der vorliegenden Erfindung durch eine ungewöhnlich starke Verringerung der räumlichen Ausdehnung des VCOs gelöst, wie weiter unten am Vergleich zwischen einem VCO entsprechend der vorliegenden Erfindung mit einem konventionellen VCO deutlich gemacht wird.
Eine zusätzliche erhebliche Vereinfachung für das Modul, in dem der Mikrowellen- VCO und die entsprechenden Steuerschaltkreise untergebracht sind, brachte die experimentelle Erkenntnis, dass es bei den Schaltkreisen, die mit geringeren Frequenzen arbeiten, zu keinen wesentlichen elektromagnetischen Störungen durch die Mikrowellenschaltkreise kommt. Dadurch wurde das bei konventionellen Lösungen übliche metallische Gehäuse für den VCO hinfällig.
Wie die Versuche des Antragstellers zeigten, dämpft ein Substrat mit hohem dielektrischem Verlust mögliche Mehrfachreflexionen bzw. Resonanzen im Betriebsfrequenzband durch Luftkopplungen, die durch die Art und die mechanischen Abmessungen des Stahlgehäuses entstehen, in dem das Substrat untergebracht ist. Kurz gesagt: Zur Minimierung dieser im Zusammenhang mit Aluminiumoxidsubstraten auftretenden unerwünschten Effekte muss das Stahlgehäuse, in dem die Schaltung untergebracht ist, vergleichsweise klein gegenüber der Wellenfänge der Betriebsfrequenz sein. Bei standardmäßigen glasverstärkten FR4-Substraten ist dies nicht erforderlich, da hier das Dielektrikum selbst für die Dämpfung der oben erwähnten unerwünschten Resonanzen sorgt.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen aus den weiter unten aufgeführten Patentansprüchen hervor.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung und der begleitenden Zeichnungen soll zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Ziele und Vorteile dienen.
- In Abb. 1 ist ein VCO mit einer Nennfrequenz von 9 GHz dargestellt, der entsprechend dem gegenwärtigen Stand der Technik auf einem Aluminiumoxidsubstrat implementiert ist.
- In Abb. 2 ist ein VCO mit einer Nennfrequenz von 15 GHz dargestellt, der auf einem Vetronitsubstrat entsprechend der vorliegenden Erfindung implementiert ist.
- Abb. 3 zeigt eine alternative Implementierung des VCOs aus Abb. 2. In Abb. 1 ist die Vorderseite eines Aluminiumoxidsubstrats SUB1 mit der Mikroleiterbahnschaltungsanordnung eines konventionellen VCOs dargestellt. Das Substrat enthält zwei metallisierte Bohrungen 1 und 2, deren Metallisierung mit der durchgehenden Metallisierung der Rückseite verbunden ist, die als Erdungsfläche für die Schaltung auf der Vorderseite dient. Zur leichteren Beschreibung soll im Folgenden für Abb. 1 gelten, dass die Richtung parallel zur vorgestellten Verbindungslinie der Bohrungen 1 und 2 vertikal und die Richtung senkrecht dazu horizontal genannt wird. Zwischen den Bohrungen 1 und 2 ist ein GaAsFET TS1 angeordnet, dessen Source-Elektrode S zwei entgegengesetzte Anschlüsse hat, die jeweils an die Stahlkanten der Bohrungen 1 und 2 angeschweißt sind. Die Elektroden von Gate G und Drain D von TS1 sind an zwei entsprechende Mikroleiterbahnen 8 und 5 geschweißt, die anfangs ein kurzes Stück horizontal verlaufen. Anschließend läuft Mikroleiterbahn 5 vertikal weiter, während Mikroleiterbahn 8 stark verbreitert wird. Die Kanten der Bohrungen 1 und 2 sind außerdem mit zwei gleichlangen vertikalen Leiterbahnen 3 und 4 verbunden. Die Beschaltung von GaAsFET TS1 erfolgt durch die Schaltung BIAS, die mit dem Spannungsversorgungsanschluss AL1 und den Mikroleiterbahnen 6 und 7 und diese wiederum über die Mikroleiterbahnen 5 und 8 mit dem Drain D und dem Gate G von TS1 verbunden sind. Der breite Teil von Mikroleiterbahn 8 ist mit einer kurzen horizontalen Mikroleiterbahn 9 verbunden, der aus Teilstücken mit verschiedenen Breiten besteht und mit einem Ende eines Gleichstromblocks DC-BLOCK1 verbunden ist, der aus zwei gekoppelten, horizontal angeordneten, schmalen Leiterbahnen besteht. Das andere Ende von DC-BLOCK1 ist mit einem Ende von Leiterbahn 10 verbunden, der die Form eines umgekehrten U hat. Das andere Ende von Leiterbahn 10 ist mit einem Kondensator 12 mit ineinandergreifenden Teilflächen verbunden, der gemeinsam mit einem Varaktor DV1 und einer fast kreisförmig angeordneten Mikroleiterbahn CAVRIS den Resonanzraum des VCOs bildet. Der Varaktor DV1 befindet sich außerhalb der Mikroleiterbahn CAVRIS und ist mit diesem und dem Anschluss AL2 verbunden, der die Vorspannung für den Varaktor DV1 liefert. Die Mikroleiterbahn 12 ist mit Leiterbahn 10 über ein kurzes horizontales Teilstück verbunden und wird danach vertikal und anschließend wieder horizontal weitergeführt. Dabei wird die Leiterbahn stark verbreitert und anschließend wieder auf die ursprüngliche Breite zurückgeführt. Der VCO in Abb. 1 ist in einem metallischen Gehäuse untergebracht und ist mit entsprechenden in der Einleitung beschriebenen Steuer- und Versorgungsschaltungen verbunden (angeordnet auf einem glasfaserverstärkten Plastsubstrat und nicht in Abb. 1 dargestellt).
Die Funktionsprinzipien des VCOs in Abb. 1 sind den entsprechenden Fachleuten bekannt.
Es fällt auf, dass die Form der Schaltungsanordnung bereits für minimalen Platzbedarf auf dem Substrat optimiert zu sein scheint. Hierbei ist zu bedenken, dass die bekannten Varianten von VCOs auf Aluminiumoxidsubstrat immer einen Resonanzraum enthalten, um die Selektivität des Oszillators zu verbessern und das Phasenrauschen der generierten Schwingungen zu verringern.
Die Laborversuche des Antragsteller zeigten, dass bei der Übertragung der Schaltungsanordnung von Abb. 1 auf standardmäßiges glasverstärktes FR4 die Funktion wegen der Abmessungen nicht gegeben ist. Obwohl die Abmessungen bei Aluminiumoxid am geringsten sind, sind sie wegen der Verluste des neuen Substrattyps bei den verwendeten VCO-Frequenzen immer noch zu groß.
In Abb. 2 fällt auf, dass das technische Vorurteil gegenüber der Verwendung von standardmäßigem glasverstärktem FR4 durch Weglassen des Resonanzraums und des dielektrischen Resonators und allen damit verbundenen Mikroleiterbahnen und durch entsprechende Gestaltung des verbleibenden Schaltungsteils nicht mehr standhält.
Zum fehlenden Resonanzraum ist zu bemerken, dass bei den vorliegenden Anwendungen breite Betriebsfrequenzbänder erforderlich sind (1,5 GHz), was niedriges Q und hohes Phasenrauschen bedeutet. Da der Mikrowellen-VCO jedoch mit einer VCO-UHF mit großem Q verriegelt ist, konnten wir eine erhebliche Reduzierung des Phasenrauschens erzielen.
Das Ergebnis ist eine neue Schaltungsanordnung auf einem standardmäßigen glasverstärkten FR4-Substrat mit im Vergleich zur Schaltung in Abb. 1 erheblich geringeren Ausmaßen bei gleicher Nennfrequenz. Die neue Schaltung bringt im Betrieb fast die gleiche Leistung, was auf jeden Fall mehr als beachtlich ist. Praktikern erscheint diese drastische Vereinfachung bisher unlogisch, der technische Hintergrund geht auf einen Mikrowellen-VCO vom selben Antragsteller zurück.
Abb. 2 zeigt die Vorderseite des standardmäßigen glasverstärkten FR4- Substrats SUB2 (Mehrfachschichten) mit Mikroleiterbahnschaltungsanordnung für einen Mikrowellen-VCO entsprechend der vorliegenden Erfindung. In Abb. 2 ist nur ein Teil des Gesamtsubstrats SUB2 dargestellt, zu dem eine weitere Schaltungsanordnung für VCO-Schaltkreise für niedrigere Frequenzen gehört. Das Substrat enthält acht metallisierte Bohrungen 13 und 14, deren Metallisierung mit der als Erdungsfläche für die Schaltung auf der Vorderseite dienenden durchgehenden Metallisierung der Rückseite der ersten Schicht verbunden ist. Zwischen den Bohrungen 13 und 14 ist ein GaAsFET TS2 angeordnet, dessen Source-Elektrode S zwei entgegengesetzte Anschlüsse hat, die jeweils an die Stahlkanten der Bohrungen 13 und 14 angeschweißt sind. Die Elektroden von Gate G und Drain D von TS2 sind an zwei darunter liegende Anschlussflächen angeschlossen, die senkrecht zur vorgestellten Verbindungslinie zwischen den Bohrungen 13 und 14 angeordnet sind. An der Gate-Anschlussfläche ist außerdem die erste Elektrode von Varaktor DV2 angeschweißt. Die zweite Elektrode des Varaktors ist über eine schmale Leiterbahn L3 mit einer metallisierten Bohrung 20 verbunden, an die ein Schaltkreis angeschlossen ist, der den VCO mit einer Steuerspannung versorgt (in Abb. 2 nicht dargestellt). Die Stichleitung 15 an Leiterbahn L3 sperrt Funkfrequenzschwingungen. Die Leiterbahn L3 und die Stichleitung 15 ermöglichen also das Anlegen der Versorgungsspannung an den Varaktor DV2 und sperren gleichzeitig Funkfrequenzsignale, die nicht an die Spannungsversorgung gelangen dürfen.
Die Beschaltung des GaAsFET TS2 (in Abb. 2 nicht dargestellt) wird über zwei metallisierte Bohrungen 19 und 21 und zwei schmale Leiterbahnen L1 und L2 an die Anschlussflächen für Gate bzw. Drain von TS2 angeschlossen. Die zwei Stichleitungen 16 und 17 sind nicht weiter als λ/4 (wobei λ die Wellenlänge der vom VCO erzeugten Schwingung ist) von den Elektroden von Gate G und Drain D entfernt an den Leiterbahnen L1 bzw. L2 angebracht. Die Anschlussfläche des Drains ist mit einem Ende des Gleichstromblocks DC-BLOCK2 verbunden, der aus zwei gekoppelten schmalen Leiterbahnen besteht, die kürzer als λ/4 sind. Das andere Ende von DC-BLOCK2 ist mit der Leiterbahn 18 verbunden, an der ein vom VCO generiertes 15 GHz-Sinussignal anliegt.
Zur Funktion muss hervorgehoben werden, dass der Varaktor DV2 bei den hier verwendeten hohen Frequenzen selbst Resonanzverhalten zeigt, was zusätzlich durch die Induktivitäten und parasitären Kapazitäten des GaAsFET verstärkt und in die Schaltung eingebracht wird. Da es sich bei der Schaltung um eine typische Oszillatorschaltung handelt, genügt es, TS2 durchzusteuern, um einen genügend großen Gewinn sicherzustellen und am Varaktor eine geeignete Steuerspannung anzulegen, um die 15 GHz-Schwingung in Gang zu bringen. TS2 hält die Schwingung dann von selbst in Gang. Zwischen der Elektrode des Varaktors DV2 und dem Gate G von GaAsFET TS2 ist kein Abstand. Das gleiche gilt für Drain D und die kurzen gekoppelten Leiterbahnen von DC-BLOCK2. Weiterhin sind die Leiterbahnen L1, L2 und L3, die die Verbindung mit Steuerschaltungen niedrigerer Frequenz herstellen und auf demselben Substrat untergebracht sind, durch dicht an TS2 und DV2 platzierte Stichleitungen geschützt, um Leistungsverlust durch Reflexion und Abstrahlung durch eventuelle Impedanzfehlanpassungen zu vermeiden. Wenn diese Maßnahmen eingehalten werden, entstehen durch die Leiterbahnen und die Stichleitungen in Richtung der metallisierten Bohrungen unabhängig von ihrer Länge keine Betriebsprobleme, auch bei kontinuierlicher oder fast kontinuierlicher Spannung. Im Gegenteil, die Impedanz der Mikroleiterbahn 18 muss mit der Impedanz der nach dem VCO angeordneten Schaltungen abgeglichen werden, da beide Teile mit der 15 GHz-Schwingung beaufschlagt werden und diese bei Fehlanpassung auf dem Weg über das Substrat zu stark gedämpft werden kann.
Insgesamt ist die Schaltungsanordnung die für einen VCO in Planartechnologie minimal mögliche. Wie schon erwähnt, ist die Verwendung einer Metallabschirmung nur für den VCO allein bei einem VCO entsprechend dieser Erfindung nicht erforderlich. Es kann jedoch erforderlich sein, den VCO und seine Steuer- und Polarisationsschaltkreise und zusätzliche für die Implementierung auf demselben Substrat vorgesehene Schaltkreise aus Gründen der Kompaktheit und zum Schutz vor anderen Einflüssen mit einem Metallgehäuse abzuschirmen.
Abb. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für den Betrieb mit einer anderen Frequenz als bei der Schaltungsanordnung von Abb. 2. Dabei sind dieselben Elemente wie in Abb. 2 mit denselben Symbolen gekennzeichnet. Als Unterschied fällt auf, dass hier der Varaktor DV2 über eine kurze Leiterbahn 22, die senkrecht zur theoretischen Verbindungslinie zischen den Stahlbohrungen 13 und 14 verläuft, mit der Gate-Elektrode von TS2 verbunden ist.
Zwischen den beiden Schaltungsanordnungen bestehen also Unterschiede, wobei immer das Prinzip der kürzestmöglichen Leiterbahnen gilt, um den vollen Gewinn der aktiven Elemente nutzen zu können. Die leicht abweichende Schaltungsanordnung ist durch die unterschiedlichen Frequenzen begründet.
Insbesondere ist bei dieser Variante der Varaktor nicht direkt an dieselbe Anschlussfläche angeschweißt, an die die Gate-Elektrode des FETs angeschweißt ist. Die Leiterbahn 22 wurde von vornherein eingeplant. Sie darf nicht länger als 3 λ/4 sein und verfügt im Anschlussbereich von DV2 über eine Verbreiterung 22'. Die zweite Elektrode von Varaktor DV2 ist direkt mit der Stichleitung 23 verbünden, die parallel zur Leiterbahn 22 verläuft, in der Länge mit dieser vergleichbar ist und zum Peripheriebereich des Substrats zeigt. Dieselbe Elektrode von DV2 ist auch über eine schmale Leiterbahn L4, an die die parallel zur Stichleitung 23 verlaufende Stichleitung 24 angesetzt ist, mit der metallisierten Bohrung 20 verbunden. In diesem Fall wird die Sperre von Funkfrequenzschwingungen durch die Leiterbahn L4 und die Stichleitung 24 sichergestellt.
Obwohl bei der Beschreibung der Erfindung Bezug auf zwei Implementierungen genommen wird, wird deutlich, dass Varianten und Modifikationen durch entsprechende Fachleute vorgenommen werden können, wobei der Umfang der folgenden Patentansprüche dennoch zutrifft.

Claims

1. Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) für Mikrowellen mit:

- einer ersten Schaltungsstruktur mit metallisierten Bereichen, die eine Mikrowellenstruktur für den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) bilden,

- einer auf einem dielektrischen Substrat mit bei der Betriebsfrequenz hohem dielektrischen Verlust ausgebildeten, mit deutlich niedrigeren Frequenzen als Mikrowellen arbeitenden zweiten Schaltungsstruktur für die Steuerschaltungen des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO),

daurch gekennzeichnet, dass

- der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) eine Betriebsfrequenz im Bereich von mehreren zehn Gigahertz hat und

- die erste Schaltungsstruktur auf demselben Substrät ausgebildet ist, der bei der Betriebsfrequenz des spannungsgesteuerten Mikrowellerioszillators (VCO) hohe Verluste hat.

2. Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) für Mikrowellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Substrat aus standardmäßigem glasverstärktem FR4 besteht und dass die Betriebsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) bis 18 GHz reicht.

3. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach den Ansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch

- ein aktives Element (TS2) zur Erzeugung der Schwingungen und

- ein Steuerelement (DV2), das direkt mit der Gate-Elektrode des aktiven Elements verbunden ist, wobei der Abstand 3 λ/4 nicht übersteigt, wobei λ die Wellenlänge der vom spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) erzeugten Schwingung ist.

4. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach Anspruch 3, dadurch gekennnzeichnet, dass das aktive Element (TS2) ein GaAsFET mit invertiertem Kanal ist.

5. Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) für Mikrowellen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drain-Elektrode des GaAsFET an einen metallisierten Bereich angeschweißt ist, der mit einem Gleichstromblock (DC-BLOCK) verbunden ist, welcher durch zwei gekoppelte schmale Leitungsbahnen mit einer Länge von weniger als λ/4 gebildet wird.

6. Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) für Mikrowellen nach den vorgenannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus dielektrischem Material auf der Gegenseite zusätzlich eine Massefläche aufweist, die der eine Mikrostreifenschaltungsstruktur für den spannungsgesteuerten Oszillator bildenden Materialseite gegenüber liegt, und dass die Source-Elektrode des GaAsFET an mindestens eine metallisierte Anschlussfläche angeschweißt ist, die über mindestens eine metallisierte Bohrung und in jedem Fall über mindestens eine dritte Leiterbahn mit einer Länge von weniger als λ/4 mit der oben erwähnten Massefläche elektrisch leitend verbunden ist.

7. Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) für Mikrowellen nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch je eine zusätzliche vierte und fünfte Leiterbahn (L1, L2) mit einer Länge von weniger als λ/4, welche die Drain-Elektrode und die Gate-Elektrode des GaAs-FET mit einem Mikrostreifen verbinden, der die Schwingungen der Steuerschaltung des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) zuführt.

8. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die vierte und fünfte Leiterbahn (L1, L2) eine erste und zweite Stichleitung (16, 17) angebracht ist

9. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach Anspruch 3, dadurch gekennnzeichnet, dass die zweite Elektrode des Steuerelements (DV2) über eine sechste Leiterbahn (L3, L4) mit einer Länge von weniger als λ/4 mit einer Schaltung verbunden ist, welche die Oszillatorsteuerspannung liefert.

10. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach Anspruch 9, dadurch gekennnzeichnet, dass an die sechste Leiterbahn (L3, L4), deren Länge geringer als λ/4 ist, eine zusätzliche Stichleitung (15, 24) angeschlossen ist.

11. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am anderen Ende des oben erwähnten Gleichstromblocks (DC-BLOCK) eine siebte Leiterbahn angeschlossen ist, über welche die vom Oszillator erzeugte Mikrowellenchwingung übertragen wird.

12. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (DV2) an dieselbe Anschlussfläche wie die Gate-Elektrode des aktiven Elements angeschweißt ist.

13. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Stichleitung (23) mit der sechsten Leiterbahn (L4) verbunden ist.

14. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Mehrschichtsubstrat ist.

15. Spannungsgesteuerter Oszillator für Mikrowellen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einschließlich der Steuerschaltung mechanisch in einem Abschirmgehäuse untergebracht ist.