Verwendung von dielektrischen Resonatoren für Millimeterwellen-on-chip-Filtern und für Verbindungen mit Hohlleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Hesselbarth
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253223135

Eine wachsende Zahl von Anwendungen in Funkkommunikation und Radar verwendet Millimeterwellen. Aus diesem Trend ergibt sich das Bedürfnis nach Innovationen für passive Schaltungskomponenten wie beispielsweise neue Verbindungsmöglichkeiten für integrierte Schaltungen oder auch besonders verlustarme chip-integrierte Bandpassfilter. Integrierte Schaltungen im Millimeterwellenbereich werden üblicherweise mittels der Flipchip- oder der Drahtbond-Technologie auf Leiterplatten verbunden. Dann existieren vielfältige Methoden, um das Signal von der Leiterplatte in verschiedene Wellenleiter zu koppeln. Von geringerer Komplexität sind vorgeschlagene Lösungen, die mittels einer on-chip-Antenne direkt vom Chip in einen Rechteckhohlleiter oder einen dielektrischen Wellenleiter koppeln. Im Vorgängerprojekt wurde die Kopplung von einer Mikrostreifenleitung auf dem Chip in einen Rechteckhohlleiter mittels eines kugelförmigen dielektrischen Resonators realisiert. Experimentell wurde eine Transmissionsdämpfung von 2.6 dB bei 64 GHz nachgewiesen. Diese Methode hat damit geringere Verluste als andere Verfahren und ist zudem vorteilhaft in Bezug auf Verbrauch von Chipfläche, ist montagefreundlich und einfach elektrisch testbar. Auf einem Chip integrierte planare Bandpassfilter, meist in den obersten Schichten des Chips aufgebaut, weisen im Millimeterwellenbereich hohe Verluste und geringe Frequenzselektivität auf. Alternativ wurde vorgeschlagen, die frequenzstabilisierenden Resonatoren für Oszillatoren als dielektrische Resonatoren auf dem Chip zu platzieren, um geringere Resonanzverluste (höheren Q-Faktor) zu ermöglichen. Die verwendeten zylinderförmigen Resonatoren benötigen selbst bei Resonanzfrequenzen bis zu 60 GHz eine signifikant grosse Chipfläche und auch die Platzierungsgenauigkeit des Resonators kann nur aufwändig gewährleistet werden. Im Vorgängerprojekt wurden einige Untersuchungen an verlustarmen on-chip sphärischen dielektrischen Resonatoren durchgeführt. Durch geeignete Wahl eines höheren Resonanzmode wurden sehr geringe Abstrahlung und damit sehr geringe Verluste (hoher Q-Faktor) erreicht. Das ermöglicht die Realisierung von hoch frequenzselektiven Resonatoren und Filtern auf dem Chip. Messungen der on-chip sphärischen dielektrischen Resonatoren ergaben unbelastete Q-Faktoren von 1400 bei 64 GHz und von 2200 bei 103 GHz. Das hier vorgeschlagene Fortsetzungsprojekt zielt auf die Verwendung des on-chip sphärischen dielektrischen Resonators für on-chip Bandpassfilter mit mehreren Resonatoren bei Frequenzen um 100 GHz. Da es im Vorgängerprojekt einige Probleme mit der Fertigungstechnologie des Testwafers gab, wird dieses Fortsetzungsprojekt auch die Wiederholung und Verbesserung einiger Koppelstrukturen aus dem Vorgängerprojekt erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen