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Die vorliegende Erfindung betrifft
im allgemeinen Schaltbauelemente. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung die verbesserte Verkappung und Schaltungsintegration für elektromagnetische Bauelemente
wie z. B. Schutzrohr-Schalter
und elektromagnetische Bauelemente wie z. B. Schutzrohr-Relais.
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Elektromagnetische Relais waren in
der Elektronikindustrie für
viele Jahre bekannt. Solche elektromagnetischen Relais umfassen
das Schutzrohr-Relais, das einen Schutzrohr-Schalter beinhaltet.
Ein Schutzrohr-Schalter ist ein magnetisch aktiviertes Bauelement,
das typischerweise zwei ebene Kontaktzungen umfaßt, die in einem hermetisch
abgedichteten Glasrohr, das mit einem inerten Schutzgas oder Vakuum
gefüllt
ist, vereinigt sind. Der Schalter wird durch ein extern erzeugtes
Magnetfeld entweder von einer Spule oder einem Permanentmagneten
betätigt.
Wenn das externe Magnetfeld aktiviert wird, ziehen sich die überlappenden
Kontaktzungenenden gegenseitig an und kommen schließlich in Kontakt,
um den Schalter zu schließen:
Wenn das Magnetfeld entfernt wird, entmagnetisieren sich die Kontaktzungen
und federn zurück,
um in ihre Ruhestellungen zurückzukehren,
wobei somit der Schalter geöffnet
wird.
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Schutzrohr-Schalter, die durch eine
Magnetspule betätigt
werden, sind typischerweise innerhalb einer Spule oder eines spulenartigen
Elements untergebracht. Eine Drahtwicklung ist um die Außenseite der
Spule gewickelt und mit einer Quelle für elektrischen Strom verbunden.
Der durch die Spulenwicklung fließende Strom erzeugt das gewünschte Magnetfeld,
um den Schutzrohr-Schalter innerhalb des Spulengehäuses zu
betätigen.
Einige Anwendungen von Schutzrohr-Bauelementen erfordern, daß der Schalter
Signale mit Frequenzen oberhalb 500 MHz überträgt. Für diese Anwendungen ist ein
Erdungsabschirmungsleiter, der üblicherweise
aus Kupfer oder Messing besteht, um den Körper des Schutzrohr-Schalters angeordnet.
Der Erdungsabschirmungsleiter befindet sich üblicherweise in einer zylindrischen
Gestalt. Der Abschirmungsleiter befindet sich zwischen dem Schutzrohr-Schalter
und dem Spulengehäuse,
um ein koaxiales Hochfrequenz- Übertragungssystem
zu bilden. Dieses koaxiale System umfaßt den äußeren Abschirmungsleiter und
den Schalteranschlußsignalleiter
koaxial durch die Mitte des Schutzrohr-Schalters. Der Erdungsabschirmungsleiter
wird verwendet, um das Signal durch den Schalterleiter zu enthalten,
um die gewünschte
Impedanz des Signalwegs aufrechtzuerhalten.
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EP 0 805 471 A offenbart eine Anordnung, die
zur Herstellung eines Schutzrohr-Relais
verwendet werden könnte
und einen magnetisch betätigten Schalter
und eine Spule umfaßt.
Der Schalter definiert eine Außenfläche und
umfaßt
zwei Anschlüsse und
der Schalter sieht einen Weg mit relativ niedrigem elektrischen
Widerstand zwischen den zwei Anschlüssen vor, wenn er geschlossen
ist, und sieht einen Weg mit relativ hohem elektrischen Widerstand zwischen
den zwei Anschlüssen
vor, wenn er offen ist. Die Spule definiert eine Innenfläche und
eine Außenfläche und
die Spule ist um den Schalter angeordnet, so daß die Spuleninnenfläche im wesentlichen
alles eines vorbestimmten Teils der Schalteraußenfläche berührt.
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Derzeit erhältliche Schutzrohr-Bauelemente werden
dann durch Benutzer in eine gegebene Schaltungsumgebung integriert.
Zur Anwendung bei höheren
Frequenzen muß ein
Schutzrohr-Schalterbauelement idealerweise ausgelegt sein, um so
eng wie möglich
den gewünschten
Impedanzanforderungen der Schaltung zu entsprechen, in der es installiert
wird.
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Innerhalb einer Schaltungsumgebung
ist eine koaxiale Anordnung in der gesamten Umgebung bevorzugt,
um die Schaltungsintegrität
und die gewünschte
abgeglichene Impedanz aufrechtzuerhalten. Wie vorstehend angegeben,
umfaßt
der Körper eines
Schutzrohr-Schalters die erforderliche koaxiale Umgebung. Außerdem umfaßt die Signalleiterbahn auf
der Leiterplatte des Benutzers üblicherweise
einen "Wellenleiter", wobei zwei Erdungszuleitungen auf
entgegengesetzten Seiten der Signalzuleitung und in derselben Ebene
liegen, oder einen "Streifenleiter", wobei eine Erdungsebene
unterhalb der Ebene des Signalleiters liegt. Diese Verfahren sehen zweckmäßig verwendet
eine zweidimensionale koaxialartige Umge bung vor, die zum Aufrechterhalten der
gewünschten
Impedanz für
eine korrekte Schaltungsfunktion annermbar ist.
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Das Schutzrohr-Schalterbauelement
muß jedoch
physikalisch verkappt und elektrisch mit einer Leiterplatte verbunden
werden, die eine gegebene Schaltungskonfiguration trägt. Es ist üblich, die
Abschirmungs- und Signalanschlüsse
an einer Leiterrahmenarchitektur abzuschließen und die gesamte Anordnung
für eine
leichte Fertigung und Verkappung in einem dielektrischen Material
wie Kunststoff einzuschließen.
Diese Zuleitungen können
in einer L-Form oder "J"-Form für Oberflächenmontagefähigkeit
ausgebildet werden. Die Signalzuleitungen oder -anschlüsse treten
aus dem Schutzrohr-Schalterkörper
und in die Luft aus, um die elektrische Verbindung mit der Leiterplatte
herzustellen. Dieser Übergang der
Signalzuleitungen von einem Kunststoffdielektrikum in die Luft erzeugt
eine unerwünschte
Diskontinuität
der koaxialen Schutzumgebung, die innerhalb des Körpers des
Schalters selbst zu finden ist. Eine solche Diskontinuität erzeugt
eine Ungenauigkeit und Unsicherheit in der Impedanz des Schutzrohr-Schalterbauelements.
Folglich müssen
Schaltungskonstrukteure dieses Problem durch spezielles Auslegen ihrer
Schaltungen kompensieren, um den innewohnenden Problemen, die mit
der Diskontinuität
der koaxialen Schutzumgebung und der Verschlechterung der Nennimpedanz
des Schutzrohr-Schalterbauelements verbunden sind, gerecht zu werden
und zuvorzukommen. Die Schaltung kann beispielsweise abgestimmt
werden, um die Diskontinuität
zu kompensieren, indem eine parasitäre Induktivität und Kapazität hinzugefügt wird.
Dieses Verfahren der Diskontinuitätskompensation ist nicht bevorzugt,
da es den Konstruktionsprozeß kompliziert
macht und verlangsamt und die Integrität der Schaltung verschlechtern kann.
Es besteht ein Bedarf, die Notwendigkeit zu verringern, die Schaltung
wie vorstehend beschrieben abzustimmen. Keiner der Versuche des
Standes der Technik geht das Problem der koaxialen Diskontinuität und der
Impedanzabgleichsintegrität
an.
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Angesichts des vorangehenden besteht
ein Bedarf für
ein Schutzrohr-Schalterbauelement,
das eine gesteuerte Impedanzumgebung durch den gesamten Körper des
Gehäuses
bis zur Verbindung mit einer Schaltung umfaßt. Es be steht ferner ein Bedarf für Schutzrohr-Schalterbauelemente,
die von einer Oberflächenmontagekonfiguration
sind, um die hohe Frequenz der Leistung des Systems zu optimieren. Ferner
besteht ein Bedarf für
ein Schutzrohr-Schalterbauelement,
das den Bedarf verringern kann, eine Schaltung abzustimmen, um eine
unkontrollierte Impedanzumgebung zu kompensieren. Es besteht auch
ein Bedarf für
ein Schutzrohr-Schalterbauelement, das für eine vereinfachte Installation
eine kleine Anschlußstiftkonfiguration
aufweist und eine Standardform und -konfiguration aufweist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen gleichmäßig abgeschirmten
Schutzrohr-Schalter bereitzustellen, der eine Impedanz aufweist,
die den typischen Werten, die in Hochfrequenzschaltungen verwendet
werden, entspricht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Schutzrohr-Bauelementgehäuse gemäß den Merkmalen von
Anspruch 1 erfüllt.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den
Unteransprüchen
beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung bewahrt
die Vorteile von elektromagnetischen Schalterbauelementen des Standes
der Technik, wie z. B. Schutzrohr-Relais. Außerdem stellt sie neue Vorteile
bereit, die in derzeit erhältlichen
Schaltbauelementen nicht zu finden sind, und beseitigt viele Nachteile
solcher derzeit erhältlichen
Bauelemente.
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Die Erfindung richtet sich im allgemeinen
auf das neue und einzigartige Schutzrohr-Schalterbauelement mit
spezieller Anwendung beim wirksamen Verbinden eines Schutzrohr-Schalteerbauelements mit
einer Schaltung auf einer Leiterplatte. Das Schutzrohr-Schaltergehäuse der
vorliegenden Erfindung ermöglicht
die effiziente und wirksame Verbindung mit einer Leiterplatte, während es
sich in einer kostengünstigen
Konstruktion befindet.
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Ein Schutzrohr-Schalterbauelement
wird offenbart, das einen Schutzrohr-Schalter mit mindestens einem
elektrischen Signalweg umfaßt.
Eine zylindrische Erdungsabschirmung ist um den Schutzrohr-Schalter
bereitgestellt. Endungsanschlüsse
sind mit entgegengesetzten Seiten der Erdungsabschirmung verbunden,
so daß sich
die Erdungsanschlüsse
auf entgegengesetzten Seiten des Signalanschlusses befinden und
in derselben Ebene liegen. Der Schutzrohr-Schalter befindet sich
auf einem Trägersubstrat.
Ein elektrisch leitendes Signalkontaktloch erstreckt sich durch
den Hauptkörper
und verbindet mit dem Signalanschluß. Erdungskontaktlöcher erstrecken
sich durch den Hauptkörper
und verbinden jeweils mit den Erdungsanschlüssen. Die Erdungskontaktlöcher befinden
sich auf entgegengesetzten Seiten des Signalkontaktlochs und liegen
in derselben Ebene wie das Signalkontaktloch. Das Signal- und das
Erdungskontaktloch treten an der Unterseite des Hauptkörpers aus
und sind mit einer Schaltung über
Lötkugeln
verbunden, um ein kompaktes Oberflächenmontagegehäuse mit
einer kontrollierten Impedanzumgebung bereitzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die neuen Merkmale, die für die vorliegende Erfindung
charakteristisch sind, sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die bevorzugten
Ausführungsbeispiele
der Erfindung zusammen mit weiteren Aufgaben und zugehörigen Vorteilen
werden jedoch am besten durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen verstanden,
in denen gilt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Schutzrohr-Schalterkonfiguration
des Standes der Technik;
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2A ist
eine perspektivische Ansicht eines Schutzrohr-Schalterbauelements
gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2B ist
eine perspektivische Ansicht eines in 2A gezeigten
Schutzrohr-Schalterbauelements
gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung in auseinandergezogener Anordnung;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht des Schutzrohr-Schaltergehäuses, wobei
ein Teil für
Erläuterungszwecke
weggebrochen ist;
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4 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 4-4 von 3, die die Montage des Schutzrohr-Schalterbauelements
innerhalb des Gehäuses gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 4-4 von 4;
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6 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 5-5 von 4;
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7 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 6-6 von 4;
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8 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 7-7 von 4;
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9 ist
eine perspektivische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels
des Schutzrohr-Schaltergehäuses
der vorliegenden Erfindung, wobei ein Teil für Erläuterungszwecke weggebrochen ist;
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10 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 10-10 von 9;
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11 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 11-11 von 10;
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12 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 12-12 von 10;
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13 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 13-13 von 10;
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14 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 14-14 von 10;
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15 ist
eine Querschnittsansicht durch die Linie 15-15 von 10;
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16 ist
ein Diagramm einer Schaltung, die die vorliegende Erfindung verwendet;
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17 ist
eine Querschnittsansicht durch ein Schutzrohr-Schalterbauelement
der vorliegenden Erfindung, die die in 16 gezeigte Schaltung ausführt; und
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18 ist
eine Unteransicht eines Schutzrohr-Schalterbauelements der vorliegenden
Erfindung, das in 17 gezeigt
ist.
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ARTEN ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Wenn man sich zunächst 1 zuwendet, ist eine perspektivische
Ansicht einer Schutzrohr-Schalterkonfiguration 10 des Standes
der Technik gezeigt. Ein bekannter Schutzrohr-Schalter 11 umfaßt eine
Glasumhüllung 12 sowie
zwei Signalzuleitungen 14, die von entgegengesetzten Enden
des Schutzrohr-Schalters 11 ausgehen. Die Konstruktion eines
Schutzrohr-Schalters 11 ist auf dem Fachgebiet so gut bekannt,
daß deren
Einzelheiten nicht erörtert
werden müssen.
Ein Abschirmungsleiter 16, der üblicherwreise aus Messing oder
Kupfer besteht, ist in Form einer zylindrischen Hülse bereitgestellt, die
den Schutzrohr-Schalter 11 aufnimmt und unterbringt. Der
Schutzrohr-Schalter 11 und die Abschirmung 16 sind
innerhalb der zentralen Bohrung 18 einer Spule oder eines
Spulenkörpers 20 untergebracht.
Um die Spule 20 ist ein leitender Draht 22 gewickelt.
Folglich wird eine koaxiale Anordnung ausgebildet, um das Bauelement
des Schutzrohr-Schalters 11 zu
schützen
und die Impedanz der Umgebung zu steuern und die Gesamtübertragung
des Signals zu verbessern. Der Schutzrohr-Schalter 11,
der Abschirmungsleiter 16 und die Spule 20 sind
allgemein als mit zylindrischer Gestalt dargestellt. Es sollte selbstverständlich sein,
daß verschiedene
andere Gestalten, wie z. B. jene, die einen ovalen Querschnitt aufweisen,
verwendet werden können
und dennoch innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
liegen.
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Wie im Stand der Technik zu verstehen
und bekannt ist, sind die freien Enden der Spulenwicklung des Drahts 22,
der Abschirmung 16 und der Signalanschlüsse 14 des Schutzrohr-Schalters 11 nach Wunsch
elektrisch mit einer Schaltung verbunden. Die jeweiligen Komponenten
der Konfiguration des Schutzrohr-Schalters 11 sind durch
einen Leiterrahmen oder eine andere elektrische Verbindung (nicht gezeigt)
mit einer Schaltung verbunden. Der Leiterrahmen oder die andere
elektrische Verbindung führt eine
Diskontinuität
der erwünschten
koaxialen Umgebung ein.
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Wie vorstehend beschrieben, muß das gesamte
Schutzrohr-Schalterbauelement 10 dazu ausgelegt werden,
leicht innerhalb der Schaltung eines Benutzers untergebracht zu
werden. Eine Schaltung, die beispielsweise zum Arbeiten bei hoher
Frequenz verwendet wird, ist mit einer definierten charakteristischen
Impedanzumgebung ausgelegt. Das Ziel der Konstruktion und Herstellung
eines Schutzrohr-Bauelements 10 gemäß den Spezifikationen
eines Schaltungskunden besteht darin, die gewünschte Impedanz des Bauelements 10 so
nahe wie möglich
auf die Schaltungsumgebung abzustimmen. Es ist bevorzugt, daß vom Schutzrohr-Bauelement 10 selbst zu
einer Leiterplatten-Leiterbahn der Schaltung, die das Bauelement 10 aufnimmt,
keine Impedanzdiskontinuität
besteht. Die charakteristische Impedanz Z1 ist
im allgemeinen eine Funktion des Außendurchmessers des Signalleiters 14,
des Innendurchmessers der Abschirmung 16 und der Dielektrizitätskonstante
der Isolation (nicht dargestellt) zwischen dem Signalleiter 14 und
der Abschirmung 16.
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Wenn man sich nun 2-8 zuwendet, ist das bevorzugte
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Mit Bezug auf 2A wird ein modifiziertes Schutzrohr-Bauelement 103 so
bereitgestellt, daß es
eine äußere Spule 102 mit
einer Spulenwicklung 109, die um diese gewickelt ist, zum
Einführen
des erforderlichen Magnetfelds zum Betätigen des Schutzrohr-Schalters 111 umfaßt. Die
Enden des Drahts 109 können
mit Pfosten 113 der Spule 102 verbunden sein.
Vom Schutzrohr-Schalter 111 gehen zwei Signalzuleitungen 106 aus,
die entgegengesetzten Seiten des Schutzrohr-Schalters 111 entsprechen.
Vom Spulenkörper 102 gehen
auch ein Paar von Abschirmungs- oder Erdungskontaktfahnen 108 auf
je der Seite des Spulenkörhers 102 aus,
die elektrisch mit den Enden der inneren Abschirmungshülse 110 verbunden
sind, wie in 6 gezeigt.
Wie in 2B gezeigt, sind
diese Erdungskontaktfahnen 108 Verlängerungen von der Abschirmungshülse 110 selbst
auf entgegengesetzten Seiten derselben.
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Mit Bezug auf 3 ist
eine perspektivische Ansicht des Schutzrohr-Schaltergehäuses 100 mit Gehäuse gezeigt.
Dieses vollständige
Schutzrohr-Schaltergehäuse 100 umfaßt eine
Substratbasis 112 zusammen mit einer Anzahl von Kontaktstellen 114 zum
Empfangen der Signalzuleitung 106 und der Erdungszuleitungen 108 vom
Schutzrohr-Schalter 111. Ein Metall- oder Nicht-Metall-Mantel 116 ist
an der Substratbasis 112 beispielsweise mit einem Epoxywulst
(nicht dargestellt) um den Umfang befestigt, um eine flüssigkeitsdichte
Abdichtung vorzusehen. Die gesamte Anordnung kann ansonsten mit
Kunststoff überformt
werden.
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Wenn man sich nun 4 zuwendet, ist eine Querschnittsansicht
durch die Linie 4-4 von 3 gezeigt.
Insbesondere stellt 4 im
einzelnen die Positionierung des Schutzrohr-Bauelements 103 auf der
Substratbasis 112 dar. Die Substratbasis 112 umfaßt einen
vertieften zentralen Teil 118 zur Aufnahme des Spulenteils 102 des
Schutzrohr-Bauelements 103, um einen kurzen, geraden Signalweg
bereitzustellen und die Gesamtgröße des Gehäuses 100 zu verringern.
Kontaktstellen 120 sind an einem Sitzteil 122 der
Substratbasis 112 bereitgestellt, um die Signalzuleitungen 106 und
die Erdungszuleitungen 108 zu verbinden. Das Schutzrohr-Bauelement 103 ist
relativ leichtgewichtig, damit es vollständig durch die Signalzuleitung 106 und
die Erdungszuleitungen 108 abgestützt wird. Andere Basissubstratgehäuse können jedoch
verwendet werden (nicht dargestellt), wobei die Spule 102 auf
ihrem eigenen Sitz sitzt oder wobei zusätzliche mit Kontur versehene
Teile des Substrats 112 bereitgestellt sind, um das Schutzrohr-Bauelement 103 abzustützen.
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Wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird,
sind die Signalzuleitungen 106 und die Endungszuleitungen 108 mit
Lötkugeln 124 für eine weitere
elektrische Verbindung mit einer Schaltung auf einer Leiterplatte
(nicht dargestellt) elektrisch verbunden. Zusammen mit dem Schutzmantel 116 (oder festem
Verkappungsmaterial) wird ein kompaktes Schutzrohr-Schaltergehäuse 100 bereitgestellt,
das eine Oberflächenmontage-Konfiguration
aufweist, um Hochfrequenz-Schutzrohr-Schaltern 111 in einer gesteuerten
Impedanzumgebung gerecht zu werden.
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4 und 5 stellen ferner die Einzelheiten der
Konstruktion des Schutzrohr-Schalters 111 selbst dar.
Insbesondere umfaßt
der Schutzrohr-Schalter 111 einen Signalleiter 106 innerhalb
einer Glaskapsel 126 mit einem Inertgas oder Vakuum 128 dazwischen.
Um die Glaskapsel 126 ist eine Erdungsabschirmung 130 angeordnet,
die vorzugsweise eine zylindrische oder röhrenförmige Gestalt aufweist, aber
einen ovalen Querschnitt aufweisen kann, um bestimmte Schutzrohr-Schalter 111 oder
mehrere Schutzrohr-Schalter in einer Mehrkanalumgebung unterzubringen.
Die vorangehende Anordnung ist innerhalb der Spule 102 untergebracht,
die um diese herum eine Erregungsspulenwicklung 109 umfaßt. Die
freien Enden der Erregungsspulenwicklung 109 sind mit Pfosten 113 verbunden,
die mit entsprechenden Lötkugeln 124 auf
der unteren Oberfläche 132 der
Substratbasis 112 elektrisch verbunden sind.
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Wie in 6-8 gezeigt, sind außerdem die Kontaktstellen 120 mit
entsprechenden Lötkugeln 124 an
der unteren Oberfläche 132 der
Substratbasis 112 elektrisch verbunden. Mit Bezug auf 6, einen Querschnitt durch
die Linie 6-6 von 4,
sind Einzelheiten der wichtigen Verbindung der Signalzuleitungen 106 und
der Endungszuleitungen 108 über die Kontaktstellen 120 mit
den Lötkugeln 124 gezeigt. Insbesondere
stelle: 6 eine Seite
des Schutzrohr-Schaltergehäuses 100 dar.
Es sollte selbstverständlich
sein, daß die
Konstruktion und die Einzelheiten der entgegengesetzten Seite des
Schutzrohr-Schaltergehäuses 100 identisch
sind. Der einfachen und leichten Darstellung halber wird nur eine Seite
des Schutzrohr-Schaltergehäuses 100 erörtert.
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Die Signalzuleitungen 106 und
die Erdungszuleitungen 108 sind mit Lötkugeln 124 auf der
unteren Oberfläche 132 der
Substratbasis 112 durch elektrisch leitende Kontaktlöcher durch
die Ebene der Substratbasis 112 elektrisch verbunden. In
diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein leitendes Kontaktloch für
die Sig nalzuleitung 106 und jede der Erdungszuleitungen 108 vorgesehen.
Wie in 8, einem Querschnitt
durch die Linie 8-8 von 4,
gezeigt, sind vorzugsweise drei elektrische Leitungen oder Kontaktlöcher, die
im allgemeinen als 134 bezeichnet sind, durch die Ebene
der Substratbasis 112 bereitgestellt. Ein Signalkontaktloch 134s und
Erdungskontaktlöcher 134a und 134e sind
bereitgestellt. Wie vorstehend angegeben, wird das Signal durch
den Schutzrohr-Schalter 111 optimiert, wenn die koaxiale
Konfiguration so weit wie möglich
durch den gesamten Körper
des Schutzrohr-Schaltergehäuses 100 aufrechterhalten
wird. Der Wellenleiter der vorliegenden Erfindung durch die Ebene
hindurch verbindet mit Lötkugeln 124 auf
der unteren Oberfläche 132 der
Substratbasis 112. Wie in 7 gezeigt,
ist die mittlere Reihe von Lötkugeln
(124a, 124s und 124e) direkt mit jeweiligen
leitenden Kontaktlöchern
(134a, 134s und 134e) verbunden, wie
in 6 gezeigt.
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Die Impedanz Z2 durch
die Ebene der Substratbasis 112 ist eine Funktion der Dicke
des dielektrischen Materials der Substratbasis 112, der
Breite des Signalkontaktlochs 134s, des Abstands zwischen dem
Signalkontaktloch 134s und benachbarten Erdungskontaktlöchern 134a und 134e und
der Dielektrizitätskonstante
des dielektrischen Materials der Substratbasis 112.
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An der unteren Oberfläche 132 der
Substratbasis 112 ist eine echte koaxiale Anordnung durch Bereitstellung
von zusätzlichen
Lötkugeln 124b, 124c, 124d, 124f, 124g und 124h um
die Lötkugeln, die
direkt ein leitendes Kontaktloch empfangen, ausgebildet. Diese Lötkugeln
sind durch eine elektrisch leitende Leiterbahn 136 elektrisch
verbunden, und eine vollständige
leitende Schleife um das Signalzuleitungs-Kontaktloch 134s entsprechend
dem zentralen Lötkugelkontakt 124s auszubilden.
Diese Erdnungsschleife bildet einen tatsächlichen koaxialen Abschirmungsleiter
in ähnlicher
Weise zu jener, die im zylindrischen Abschirmungsleiter 130 um
den Schutzrohr-Schalter 111 selbst zu finden ist, wie in 2B gezeigt. Die Abschirmung
dient nicht ausdrücklich
zur EMI-Abschirmung und zum Schutz von benachbarten Komponenten,
sondern zum Einhalten und Verbessern der Getreue des Signals des
Schutzrohr-Schalters 111. An der koaxialen Erdnungsschleife
ist die Impedanz Z3 eine Funktion des Durchmessers
des Signalkontaktlochs
134s, des Durchmessers der Erdnungsschleife
und der Dielektrizitätskonstante
der isolierenden Substratbasis 112.
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6-8 stellen die Verwendung
eines Wellenleiters dar, um eine echte koaxiale Umgebung zu simulieren.
Dieser einzigartige Wellenleiter erstreckt sich durch die eigentliche
Ebene der Substratbasis 112 zu den Lötkugelverbindungen 124 an
der Unterseite des Gehäuses 100.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Wellenleiter oder die
simulierte koaxiale Anordnung vom Schutzrohr-Schalter 111 selbst
bis zu den Lötkugelverbindungen 124 durchgehend,
wo ein Mikrostreifen oder Wellenleiter typischerweise auf der Leiterplatte
(nicht dargestellt) vorhanden ist. Folglich wird das Signal vor
unkontrollierten Diskontinuitäten
geschützt.
Der Abschirmungsschutz für
die Signalzuleitung 106 wird vom tatsächlichen Körper des Schutzrohr-Schalters 111 zur
tatsächlichen
elektrischen Schnittstelle mit der Leiterplatte verlängert und
gesteuert. Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die Impedanzen Z1, Z2 und Z3 im wesentlichen
einander gleich, so daß die
Gesamtimpedanz des Signalübertragungswegs
konsistent und auf den gewünschten
Gesamtimpedanzwert abgeglichen ist, wobei somit der Bedarf für eine beträchtliche
Schaltungsabstimmung durch den Benutzer vermieden wird.
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Wenn man sich nun 9-14 zuwendet,
ist ein alternatives Ausführungsbeispiel
200 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel
gezeigt, verlaufen drei leitende Kontaktlöcher (134a, 134s und 134e)
durch die Ebene der Substratbasis 112, um einen Wellenleiter
oder eine simulierte koaxiale Umgebung durch die Ebene der Substratbasis 112 aufrechtzuerhalten,
um eine Diskontinuität
im Schutz der Signalzuleitung 106 zu vermeiden und eine
Signalverschlechterung zu verhindern. Das alternative Ausführungsbeispiel 200 von 9-14 stellt zusätzliche leitende Kontaktlöcher 234 durch
die Ebene bereit, um eine koaxiale Umgebung durch die Ebene der
Substratbasis 212 genauer zu simulieren.
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Mit Bezug zunächst auf 9-11 verwendet das
alternative Ausführungsbeispiel
200 dieselben Grundkomponenten wie das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 9 zeigt
das gesamte Schutzrohr-Schaltergehäuse
200 mit einer
Substratbasis 212 und einem Schutzmantel 216.
Vom Schutzrohr-Schalter 211 gehen
eine Signalzuleitung 206 und zwei Erdnungszuleitungen 208 auf
entgegengesetzten Seiten desselben aus. Der Querschnitt des Schutzrohr-Schalters 211,
wie in 11 zu sehen,
ist identisch zum Schutzrohr-Schalter 111 des bevorzugten
Ausführungsbeispiels 100. Ein
vertiefter Teil 218 ist vorgesehen, um den Körper des
Schutzrohr-Schalters 211 aufzunehmen, während ein Sitz 222 die
Signalzuleitung 206 und zwei Erdnungszuleitungen 208 aufnimmt
und abstützt. Ähnlich dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel 100 der
vorliegenden Erfindung sind Kontaktstellen 220 auf der
oberen Oberfläche 223 der
Substratbasis 212 vorgesehen, um die Signalzuleitung 206 und
die zwei Erdnungszuleitungen 208 auf jeder Seite aufzunehmen.
Diese Kontaktstellen 220 sind in der Mitte des Sitzes 222 der
Substratbasis 212 angeordnet. Im Gegensatz zum bevorzugten
Ausführungsbeispiel 100 der
vorliegenden Erfindung sind zusätzliche
Kontaktstellen 220a-h und 220s an der oberen Oberfläche 223 der
Substratbasis 212 vorgesehen und mit einer elektrisch leitenden
Schaltungsleiterbahn 236 verbunden, um eine tatsächliche
koaxiale Anordnung zu bilden.
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Wie in 12 zu
sehen ist, wird die Signalzuleitung 206 durch die Ebene
der Substratbasis 212 verlängert ebenso wie die Erdnungszuleitungen 208 auf
entgegengesetzten Seiten davon. Wie in 14, einem Querschnitt durch die Linie
14-14 von 10, gezeigt, ist außerdem jede
der zusätzlichen
Kontaktstellen 220 auf der oberen Oberfläche 223 der
Substratbasis 212 ebenfalls durch die Ebene der Substratbasis 212 zu
Lötkugeln 224 verlängert, um
einen umschließenden
Wellenleiter um das leitende Kontaktloch 234s entsprechend
dem Signalzuleitungsleiter 206 des Schutzrohr-Schalters 211 bereitzustellen.
In diesem alternativen Ausführungsbeispiel
wird der zylindrische Abschirmungsleiter um den Schutzrohr-Schalter 211 durch
die Ebene der Substratbasis 212 genauer simuliert.
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Es sollte beachtet werden, daß 14 eine U-förmige Umgebung
des Signalzuleitungsleiter-Kontaktlochs 234s in der Mitte
darstellt. Das fehlende leitende Kontaktloch 234c (in einem
Schatten in gestrichelten Linien dargestellt) direkt unterhalb des
leitenden Signalkontaktlochs 234s liegt an der fehlenden
Kontaktstelle auf der oberen Oberfläche 223 der Substratbasis 212,
wie in 9 gezeigt. Die Signalzu leitung 206 verläßt den Schutzrohr-Schalterkörper 211 und
muß mit
der Kontaktstelle 220s in der Mitte der Kontaktstellenmatrix
verbinden. Bei dieser Anordnung, bei der die Signalzuleitung 206 und
die Erdnungszuleitungen 208 mit den Kontaktstellen 220 parallel
zur oberen Oberfläche 223 der
Substratbasis 212 in Kontakt stehen, ist es nicht möglich, mit
einer mittleren Kontaktstelle 220s ohne Kontaktierung 220c zu
verbinden. Es ist annehmbar, daß die
Erdnungszuleitungen 208 mit mehreren Kontaktstellen 220 in
Kontakt stehen, da sie schließlich über eine Leiterbahn 236 verbunden
werden. Die Signalzuleitung 206 darf jedoch keine Kontaktstelle 220 entsprechend
einer Erdnungszuleitung 208 berühren, da dies das Signal kurzschließt, was
es unbrauchbar macht. Daher ist keine Kontaktstelle 220c zwischen der
Signalkontaktstelle und dem Schutzrohr-Schalter 211 selbst
vorgesehen. Natürlich
ist es möglich,
tatsächlich
eine Kontaktstelle für
den Erdungskontakt 208 zwischen der Signalkontaktstelle
und dem Schutzrohr-Schalter 211 vorzusehen, um eine vollständige Erdnungsschleife
bereitzustellen, die Signalzuleitung 206 muß jedoch
angehoben und dann nach unten gebogen werden, damit sie nur die
mittlere Kontaktstelle entsprechend der Signalzuleitung 206 berührt. Unter
dieser Bedingung wird ein zusätzliches
Durchgangskontaktloch verwendet. Ferner kann in diesem alternativen
Ausführungsbeispiel eine
Verbindungsleiterbahn auf der unteren Oberfläche 232 des Substratbasis 212 bereitgestellt
werden, um eine zusätzliche
tatsächliche
koaxiale Struktur vorzusehen.
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Wie in 15,
einer Querschnittsansicht durch die Linie 15-15 von 10, gezeigt wird eine echte
koaxiale Anordnung an der unteren Oberfläche 232 der Substratbasis 212 durch
Bereitstellen von zusätzlichen
Lötkugeln 224b, 224c, 224d, 224f, 224g und 224h um
die Lötkugeln,
die direkt ein leitendes Kontaktloch empfangen, ausgebildet und
wieder aufgenommen. Diese Lötkugeln
sind durch eine elektrisch leitende Leiterbahn 236 elektrisch
verbunden, um eine vollständige
leitende Schleife um das Signalzuleitungs-Kontaktloch 234s entsprechend dem
zentralen Lötkugelkontakt 224s auszubilden. Diese
Erdungsschleife bildet einen tatsächlichen koaxialen Abschirmungsleiter
in ähnlicher
Weise zu jener, die im zylindrischen Abschirmungsleiter 230 um den
Schutzrohr-Schalter 111 zu finden ist. In diesem zweiten
Ausführungsbeispiel
ist vorzugsweise eine tatsächliche
ko axiale Schleife sowohl an der oberen Oberfläche 223 als auch der
unteren Oberfläche 232 der
Substratbasis 212 vorgesehen.
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Wie zu verstehen ist, stellt die
vorliegende Erfindung entweder eine tatsächliche oder simulierte koaxiale
Umgebung für
einen überlegenen
Schutz der Signalzuleitung eines Schutzrohr-Schalters bereit. Dieser
kontinuierliche koaxiale Schutz ist in Gehäusen des Standes der Technik
nicht zu finden. Die leitenden Kontaktlöcher durch die Ebene ermöglichen,
daß eine
kontinuierliche koaxiale Umgebung vom Schutzrohr-Schalter direkt
nach unten zur elektrischen Verbindung mit der Leiterplatte bereitgestellt wird.
In den meisten Anwendungen ist aufgrund der Frequenz des übertragenen
Signals durch den Schutzrohr-Schalter keine vollständige kontinuierliche
Erdnungsschleife erforderlich, um eine koaxiale Anordnung für den Signalzuleitungsschutz
vorzusehen. In der vorliegenden Erfindung befinden sich die Erdungsleiterkontaktlöcher vorzugsweise
auf einem Gitter von 1,27 mm oder 1,00 mm. Übliche Frequenzen für den Schutzrohr-Schalter
liegen im Bereich von 1,0 bis 8,0 GHz. Bei diesen Frequenzen liegen die
Wellenlängen
im Bereich von 300 mm bis 40 mm. Die Wellenlängen sind zu lang, um irgendwelche
Diskontinuitäten
der "simulierten" koaxialen Anordnung festzustellen.
Daher ist die simulierte koaxiale Anordnung im wesentlichen in der
Wirksamkeit identisch im Vergleich zu einer echten vollständigen koaxialen Anordnung.
Folglich stellt diese Topologie eine wirksame Abschirmung bereit,
bis die Wellenlänge
so klein wird, daß das
Leiterkontaktlochgitter als diskontinuierlich gesehen wird. Für die vorstehend
erörterten
Gitter kann eine wirksame Abschirmung mit der vorliegenden Erfindung
bei Wellenlängen
von nicht höher
als 8 mm mit einer Frequenz von 37 GHz realisiert werden. Mehr oder
weniger leitende Kontaktlöcher
durch die Ebene der Substratbasis können in Abhängigkeit von dem Bauelement
innerhalb des Gehäuses
und der vorliegenden Anwendung verwendet werden.
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Das Gehäuse der vorliegenden Erfindung kann
leicht modifiziert werden, um mehr als einen Schutzrohr-Schalter
gleichzeitig unterzubringen, um mehrere Kanäle bereitzustellen. Bei dieser
Anordnung werden die entsprechenden Lötkugelverbindungen für jeden
Schutzrohr-Schalter entsprechend einem gegebenen Kanal verwendet.
Ferner können verschiedene
Arten von Verbindungen vom Gehäuse der
vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es sollte selbstverständlich sein,
daß das
Gehäuse
der vorliegenden Erfindung eine breite Anordnung von elektronischen
Bauelementen unterbringen kann, die eine Signalzuleitungsabschirmung
mit einer gesteuerten Impedanzumgebung benötigen.
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Das Gehäuse der vorliegenden Erfindung kann
verwendet werden, um viele verschiedene Arten von Schaltungsanordnungen
unter Verwendung von Schutzrohr-Schaltern
mit der hinzugefügten
einzigartigen Fähigkeit
eines überlegenen
Schutzes der Signalzuleitung eines Schutzrohr-Schalters durch Simulieren
der koaxialen Umgebung gemäß der vorliegenden
Erfindung auszuführen. 16-18 stellen eine spezielle Anwendung des
Gehäuses
der vorliegenden Erfindung dar. Das Diagramm von 16 stellt eine Schaltung 300 dar,
die üblicherweise
in einer ATE (Automatische Testanlage) für den Zweck des Testens von
Leiterplatten und dergleichen verwendet wird. Diese Schaltung 300 legt
ein Bauelement mit drei Anschlüssen
dar, das in Abhängigkeit von
der Anwendung in Reihe, Ende an Ende "stapelbar" sein kann. Ein Bauelement 306 mit
drei Anschlüssen
mit einem ersten Schutzrohr-Schalter 302 und einem zweiten
Schutzrohr-Schalter 304 ist in 16 als im allgemeinen durch die gestrichelten
Linien angegeben gezeigt. Das erste Schutzrohr-Schalterbauelement 302 stellt
beispielsweise eine Verbindung für
ein Hochfrequenz-Wechselspannungssignal bereit, während der
zweite Schutzrohr-Schalter 304 eine Verbindung für ein Gleichspannungssignal
oder ein Niederfrequenz-Wechselspannungssignal bereitstellt.
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Insbesondere ist ein Signalgenerator 308 mit dem
ersten Anschluß 310 des
ersten Schutzrohr-Schalters 302 verbunden. Ein zweiter
Schutzrohr-Schalter 304 ist mit einem ersten Anschluß 312 und
einem zweiten Anschluß 314 versehen.
Ein zweiter Anschluß 316 des
ersten Schutzrohr-Schalters 302 ist mit dem zweiten Anschluß 314 des
zweiten Schutzrohr-Schalters 304 am Knoten 318 verbunden.
Dieser Knoten 318 wird zum Ausgangsanschluß 326 für das Bauelement 306.
Ein zweites Paar von Schutzrohr-Schaltern 320, 322 kann
verwendet werden, um eine andere Testoperation vorzusehen als die
Operation, die vom ersten Paar von Schutzrohr-Schaltern 302, 304 durchgeführt wird,
und so weiter. Die serielle Art des Paars von Schaltern ermöglicht,
daß eine
Schaltung mit einer Anzahl von verschiedenen Testoperationen entworfen
wird, die unabhängig
auswählbar
sind.
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Um diese Schaltung im Stand der Technik auszuführen, werden
zwei einzelne Schutzrohr-Schalter mit einer Leiterplatte (nicht
dargestellt) mit der geeigneten Verbindung 324 verbunden,
die aus den Zuleitungen der Schalter und der Leiterbahn auf der
Leiterplatte dazwischen besteht. Dies führt zu einer langen, ungeschützten und
anfälligen
Verbindung zwischen den Anschlüssen
der Schutzrohr-Schalter
und der Leiterplatte, die als "Stichverbindung" bezeichnet wird.
Infolge dieser langen, ungeschützten
Stichverbindung 324 liegt eine signifikante parasitäre Kapazität C zur
Erdung vor. Diese wird als "Stichkapazität" bezeichnet und wirkt
zum Laden des Hochfrequenzweges, wobei somit die Frequenz der Schaltung
auf einen Wert im Bereich von beispielsweise etwa 5,0 GHz begrenzt
wird. Um jedoch sehr schnelle getestete Bauelemente (DUT), wie z.
B. Hochgeschwindigkeits-Mikroprozessoren, zweckmäßig zu testen,
muß die
Frequenz der Testschaltung den Bereich von 7 GHz und höher in der Zukunft
erreichen. Mit einer Montage der Schutzrohr-Schalter 302, 304 des
Standes der Technik und der Stichverbindung 324 auf der
Leiterplatte ist folglich diese Schaltungsanordnung 300 außerstande, Hochgeschwindigkeitsbauelemente
zu testen.
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Unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung kann jedoch die Schaltung .300 leicht bei Frequenzen im
Bereich von 7 GHz und oberhalb arbeiten, um dem Testen von Hochgeschwindigkeitsbauelementen
gerecht zu werden. In 17 und 18 ist das Bauelement 306 zu
einem einzelnen Bauelement, das die vorliegende Erfindung verwendet,
ausgebildet. Der Hochfrequenzweg ist unter Verwendung der simulierten
koaxialen Signalschutzumgebung geschützt, wie vorstehend im einzelnen
erörtert.
Die Stichverbindung liegt innerhalb des Bauelements, wobei somit
ihre Länge
minimiert wird, was von Natur aus die kapazitive parasitäre Last
minimiert. Die Tatsache, daß sich
die Stichleitung im Bauelement befindet, ermöglicht überdies die Verwendung von
anderen Verfahren zur Kapazitätssteuerung
und -kompensation. Eine schematische Querschnittsansicht, die das
Bauelement, das als 306 gekennzeichnet ist, verkörpert, ist
gezeigt. 17 zeigt eine
Querschnittsansicht durch das Bauelement, während 18 eine Draufsicht von unten zeigt, die die
Leiterbahnanordnung darstellt. Der erste Schutzrohr-Schalter 302 ist
mit einem ersten Anschluß 310 und
einem zweiten Anschluß 316 versehen,
wobei der erste Anschluß 310 als "EINGANG 1" für das gesamte
Bauelement 306 dient. Ein zweiter Schutzrohr-Schalter 304 ist
mit einem ersten Anschluß 312 und
einem zweiten Anschluß 314 versehen,
wobei der erste Anschluß 312 des
zweiten Schutzrohr-Schalters 304 als "EINGANG 2" für das gesamte Bauelement 306 dient.
Der zweite Anschluß 314 des
zweiten Schutzrohr-Schalters 304 ist mit dem zweiten Anschluß 316 des
ersten Schutzrohr-Schalters 302 über die Stichleitung 324 am
Knoten 318 verbunden, der mit dem Bauelementanschluß 326 verbindet.
Eine Anzahl von leitenden Kontaktlöchern 326 sind um
den Anschluß 316 des
ersten Schutzrohr-Schalters 302 vorgesehen, der als "AUSGANG" für das Bauelement 306 mit
drei Anschlüssen
dient. 18 zeigt die
Stichleiterbahn 324 an der unteren Oberfläche des
Bauelements 306, wo der AUSGANG des Bauelements 306 geschützt ist.
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Am bedeutendsten und gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das AUSGANGS-Signal
der Schaltung 300 durch die simulierte koaxiale Umgebung
geschützt,
um die Impedanz zu steuern, wie vorstehend im einzelnen erörtert. Der
Hochfrequenzanschluß 310 EINGANG
1 ist auch durch leitende Kontaktlöcher 326 geschützt. In
dieser Schaltung 300 ist der Anschluß 314 in diesem Fall
nicht von leitenden Kontaktlöchern 326 umgeben,
da dies unerwünschte
Kapazität
zur Erdung hinzufügt.
Andere Schaltungskonstruktionen können jedoch den Schutz aller
Schutzrohr-Schalteranschlüsse
erfordern oder davon profitieren. Da der Stichleitungsübergang 324 vom
Schutzrohr-Schalter 302 zum Schutzrohr-Schalter 304 auf
der Platine ausgeführt
ist, wird ferner seine Länge
auf einem Minimum gehalten. Dies verringert die parasitäre kapazitive
Belastung auf dem Hochfrequenzweg, was ermöglicht, daß die Schaltung 300 bei
höheren
Frequenzen arbeitet, um schnelleren Bauelementen als vorher möglich gerecht
zu werden und diese zu testen.
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Obwohl gezeigt ist, daß das Gehäuse der vorliegenden
Erfindung Lötkugeln
in einem BGA-Gehäuse
zur elektrischen Verbindung mit einer Leiterplatte verwendet, können andere
Arten von Verbindungen verwendet werden, wie z. B. Stiftmatrix,
Kontaktfleckmatrix. Ferner kann eine Kugelgittermatrix-Sockelanordnung
ver wendet werden, um die Entfernung oder den Austausch des Gehäuses auf Wunsch
zu erleichtern. Der Substratbasiskörper ist vorzugsweise ein dielektrisches
Material wie z. B. Kunststoff, kann jedoch aus einem beliebigen
anderen Material hergestellt werden, das sich für Gehäuse für elektronische Bauelemente
eignet. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Kontaktlöcher können aus
bekannten leitenden Materialien wie z. B. Kupfer, Aluminium, Zinn
und anderen bekannten Legierungen in der Industrie hergestellt werden.
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Es wäre für Fachleute zu erkennen, daß verschiedene Änderungen
und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsbeispielen vorgenommen werden
können,
ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Alle
solchen Modifikationen und Änderungen
sollen von den beigefügten
Ansprüchen
erfaßt
werden.