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Neue Wechselspannungs-Gleichspannungs-Transfernormale für den Frequenzbereich bis 100 MHz

07.12.2006

Neu entwickelte berechenbare Dünnschicht-Thermokonverter auf Quarzsubstrat trugen beim Wechselspannungs-Gleichspannungs-Transfer im Frequenzbereich bis 1 MHz zu einer erheblich verringerten Messunsicherheit bei. Wegen ihres kapazitäts- und verlustarmen Aufbaues eignen sie sich grundsätzlich auch für höhere Frequenzen bis über 100 MHz.
Zum Wechselspannungs-Gleichspannungs-Transfer im Hochfrequenzbereich werden bislang Einzelthermokonverter eingesetzt. Die damit erreichbaren Messunsicherheiten für Frequenzen bis 100 MHz liegen im Promille- bis Prozent-Bereich. In der PTB im Rahmen einer Doktorarbeit entwickelte planare Vielfachthermokonverter auf Quarzsubstrat zeichnen sich durch exakt definierte Parameter aus und erreichen auch bei hohen Frequenzen geringe Transferdifferenzen, die sich auch für Frequenzen bis über 100 MHz mit geringer Unsicherheit berechnen lassen. Somit sollten sich durch den Einsatz von Quarz-Thermokonvertern die Messunsicherheiten deutlich verringern.
Für den Einsatz im Niederfrequenzbereich wird der eigentliche Konverter-Chip auf einen keramischen Träger gebondet, welcher dann mit Drähten an eine Koaxialsteckverbindung gelötet wird. Dieser Aufbau ist für hohe Frequenzen ungeeignet, da durch Kapazitäten des Chipträgers und Induktivitäten der Verbindungsdrähte zusätzliche Wechselspannungs-Gleichspannungs-Transferdifferenzen hinzukommen, die die guten Eigenschaften des Konverter-Chips zunichte machen.
Daher wurde eine neue Anschlusstechnik entwickelt, die auf einer im Gehäuse integrierten planaren T-Verzweigung auf einer Leiterplatte beruht. Dabei wird der Konverter-Chips in eine Aussparung der Leiterplatte geklebt und direkt auf die Leiterplatte gebondet. Die Koaxial-Steckverbinder für die Spannungszuführung und für den Anschluss des Vergleichsnormals sind über entsprechende planare Übergänge ebenfalls direkt mit der Leiterplatte verlötet. Die Leitungslängen auf der Leiterplatte sind so gewählt, dass der Abstand des Konverter-Chips vom Vergleichsnormal-Anschluss genau so groß ist wie der Abstand der Referenzebene vom Vergleichsnormal-Anschluss in einer üblichen T-Verzweigung vom Typ N. Damit befindet sich der Chip praktisch in der Referenzebene und es sind keine Korrekturen für seinen Anschluss mehr nötig. Bild 1 zeigt den sich ergebenden kompakten Aufbau.


Bild 1: Aufbau der Quarz-Thermokonverter für hohe Frequenzen: 
  1. Anschluss zur Spannungszuführung 
  2. Anschluss für Vergleichsnormal 
  3. Konverter-Chip 
  4. Anschlüsse zur Messung der Thermospannung der Konverters.

Erste Messungen zeigen, dass bei 3 V und 100 MHz Messunsicherheiten von unter 1•10-3 zu erwarten sind.