DE102010051095A1

DE102010051095A1 - Phasenschieber für Hochfrequenzsignale

Info

Publication number: DE102010051095A1
Application number: DE201010051095
Authority: DE
Inventors: Simon Otto; Andreas Rennings
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Es wird ein Phasenschieber für Hochfrequenzsignale mit mehrere Leitungsabschnitten und diesen zugeordneten Masseflächen sowie mit mehreren in ihrer kapazitiven oder induktiven Wirkung einstellbaren Verbindungseinrichtungen vorgeschlagen. Die Leitungsabschnitte werden endseitig elektrisch durch Verbindungseinrichtungen miteinander verbunden. Zudem sind alle Leitungsabschnitte unter Verwendung der Verbindungseinrichtungen in Serie geschaltet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise ermöglicht ein vorschlagsgemäßer Phasenschieber durch seine geringe Komplexität und gute Skalierbarkeit sowohl die Erzeugung unterschiedlicher Phasenlagen mit nur einem Phasenschieber als auch einen robusten und/oder wenig fehleranfälligen Entwurf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Phasenschieber für Hochfrequenzsignale gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Phasenschieber werden in elektrischen Schaltungen verwendet, um die Phasenlage eines Signals zu verändern. Phasenschieber weisen hierbei möglichst geringe Verluste bzw. dieselbe Amplitude am Eingang und am Ausgang auf und sind in der Regel elektrisch, magnetisch oder mechanisch in Bezug auf die durch sie hervorgerufene Phasenverschiebung einstellbar.
Phasenschieber kommen in unterschiedlichsten Bereichen zur Anwendung, insbesondere wenn Phasenlagen von zwei oder mehr Signalen gegeneinander verschoben werden sollen. Beispielsweise werden Phasenschieber bei der Modulation in Funkübertragungssystemen oder in der Ansteuerung von Elementen in Antennen-Arrays verwendet.
Eine Phasenverschiebung durch Hochpass- oder Tiefpassfilter ist seit Jahrzehnten bekannt. Diese Filter sind in der Regel mit konzentrierten Bauelementen realisiert, was bei niedrigen Frequenzen einen kompakten Aufbau zulässt. Bei hohen Frequenzen resultieren jedoch unerwünschte Eigenschaften der Bauelemente mit einhergehenden Verlusten, Reflexionen oder dergleichen.
Für hohe Frequenzen geeigneter sind Phasenschieber, die unter Verwendung von Wellenleitungen eine Phasenverschiebung insbesondere durch Laufzeit-Effekte erzeugen. Bekannt sind bisher Konzepte für Phasenschieber mit geschalteten Wellenleitungen einerseits und mit belasteten Wellenleitungen andererseits.
Im Folgenden bezeichnet der Begriff ”Arbeitsfrequenz” eine bevorzugte Betriebsfrequenz, Mittenfrequenz o. dgl. Dieser Arbeitsfrequenz ist eine effektive Wellenlänge zugeordnet, die typisch von den geometrischen und/oder materialtechnischen Eigenschaften des Ausbreitungsmediums abhängen. Eine Leitungslänge, die bezugnehmend auf die Wellenlänge angegeben ist, entspricht bevorzugt einer geometrischen Länge, die der jeweiligen effektiven Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz entspricht. Vorzugsweise hat also eine Lambda/4-Leitung eine geometrische Länge, die einem Viertel der Wellenlänge entspricht, die sich bei einem Signal bei der Arbeitsfrequenz bei Ausbreitung auf einer entsprechenden Leitung ergibt oder ergeben würde.
Bei einem bekannten Phasenschieber ( EP 1 845 585 A1 ), von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird eine veränderliche Phasenverschiebung durch eine belastete erste Wellenleitung realisiert. Eine niederohmige Belastung kann neben einer Phasenverschiebung auch zu einem wesentlichen Signalverlust führen. Daher müssen die Lasten für die Wellenleitung einen möglichst hohen Reflexionsfaktor aufweisen, um Verluste dieses Phasenschieber-Typs zu minimieren. Zur Belastung werden an den Enden der ersten Wellenleitung zweite Wellenleitungen angeschlossen, deren Enden durch PIN-Dioden schaltbar entweder mit Masse verbunden werden oder offen bleiben. Abhängig vom jeweiligen Schaltzustand ergeben sich unterschiedliche Eingangsimpedanzen der zweiten weiteren Wellenleitungen, was zu der gewünschten Änderung in der Phasenverschiebung durch die erste Wellenleitung führt.
Die WO 2005/060041 A1 offenbart einen Phasenschieber mit geschalteten, signalführenden Wellenleitungen. Von einer kürzeren kann auf eine längere Wellenleitung umgeschaltet werden, was zu unterschiedlichen Phasenverschiebungen führt. An beiden Enden der jeweiligen Wellenleitung werden hierzu hochfrequenztaugliche Schalter, wie PIN-Dioden, verwendet. Um die Anzahl der Schalter von vier auf bis zu zwei zu reduzieren, wird vorgeschlagen, den Abstand zwischen den Enden des längeren Wellenleiters auf ein Minimum zu reduzieren, um den kürzeren Wellenleiter auf eine vernachlässigbare Länge zu verkürzen bzw. durch nur einen Schalter zu ersetzen. Weiter wird vorgeschlagen, für die längere Wellenleitung eine Länge von 180° einzusetzen, da bei dieser besonderen Leitungslänge auch mit Schaltern nur an einem Ende dieser Wellenleitungen keine nachteiligen Effekte wie durch Reflexionen an dieser entstehen.
Beide bekannten Phasenschieber sind zwar für den Einsatz bei hohen Frequenzen geeignet, ermöglichen jedoch nur diskrete Phasenstufen. Für mehrere unterschiedliche Phasenlagen müssen daher auch mehrere Phasenschieber in Serie geschaltet werden. Im letzteren Fall sind die Phasenschritte sogar auf 0° oder 180°, also nur zwei einstellbare Phasenlagen festgelegt. Zudem werden im Stand der Technik zusätzliche signalführende Wellenleitungen abseits des direkten Signalpfads benötigt, was mit einer größeren Komplexität und einem entsprechenden Platz- und Materialaufwand einhergeht. Um unterschiedliche Phasenverschiebungen miteinander zu kombinieren, müssen mehrere Phasenschieber mit unterschiedlichen Leitungslängen in Serie geschaltet werden. Mit zunehmender Einstellbarkeit der Phase steigen der Platzbedarf sowie die Anzahl benötigter Bauelemente.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Phasenschieber für Hochfrequenzsignale anzugeben, der auf möglichst einfache und kostengünstige Weise eine kontinuierlich einstellbare Phasenverschiebung ermöglicht.
Die obige Aufgabe wird durch einen Phasenschieber gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorschlagsgemäß weist ein Phasenschieber für Hochfrequenzsignale mehrere, elektrisch leitfähige, längliche Leitungsabschnitte mit einer diesen zugeordneten Massefläche auf. Weiter weist der Phasenschieber mehrere in ihrer kapazitiven oder induktiven Wirkung einstellbare Verbindungseinrichtungen auf. Benachbarte Leitungsabschnitte sind jeweils endseitig elektrisch durch eine Verbindungseinrichtung verbunden, und alle Leitungsabschnitte sind unter Verwendung der Verbindungseinrichtungen in Serie geschaltet.
Vorzugsweise bilden die länglichen Leitungsabschnitte gemeinsam mit der ihnen zugeordneten Massefläche Wellenleitungen oder Wellenleitungsabschnitte. Der Begriff ”Massefläche” umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung vorzugsweise flächige, metallisch leitende Strukturen. Diese sind jedoch nicht auf ebene oder plattenartige Gebilde beschränkt, sondern es kann sich auch um gebogene, gewölbte oder stegartige Formen handeln. Insbesondere bilden die länglichen Leitungsabschnitte gemeinsam mit der ihnen zugeordneten Massefläche Mikrostreifenleitungen, Koplanarleitungen, symmetrische Streifenleitungen, Schlitzleitungen, Koaxialleitungen o. dgl.
Vorschlagsgemäß werden benachbarte Leitungsabschnitte jeweils endseitig durch oder unter Verwendung von in ihrer kapazitiven oder induktiven Wirkung einstellbaren Verbindungseinrichtungen verbunden.
Wesentlich ist die Erkenntnis, dass durch Verändern der kapazitiven oder induktiven Wirkung der Verbindungseinrichtungen eine Variation der Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang des vorschlagsgemäßen Phasenschiebers ermöglicht wird. Insbesondere können durch Veränderung der kapazitiven oder induktiven Wirkung einer Verbindungseinrichtung die Eigenschaften der durch angrenzende Leitungsabschnitte gebildeten Wellenleitungen verändert werden. Hierdurch kann die elektrische Länge der Leitungsabschnitte bzw. die durch die Leitungsabschnitte hervorgerufene Phasenverschiebung beeinflusst und insbesondere kontinuierlich verstellt werden.
Vorschlagsgemäß werden alle Leitungsabschnitte unter Verwendung der Verbindungseinrichtungen in Serie geschaltet. In vorteilhafter Weise ist es also nicht mehr nötig, zusätzliche, alternative und/oder parallele Wellenleitungen zur Signalführung einzusetzen, um eine verstellbare Phasenverschiebung zu realisieren. Dies ermöglicht eine Platzersparnis gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Phasenschiebern.
Die Serienschaltung ermöglicht in vorteilhafter Weise das Abgreifen des Signals in unterschiedlichen Phasenlagen an den verschiedenen Leitungsabschnitten.
Bei dem vorschlagsgemäßen Phasenschieber können Phasendifferenzen zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten einstellbar und/oder zumindest im Wesentlichen gleich sein. Hierdurch kann auf eine einfache, effektive und platzsparende Weise nicht nur eine Phasenverschiebung, sondern auch eine Aufspaltung eines Signals in mehrere Phasenlagen mit nur einem Phasenschieber erreicht werden.
Insbesondere ist es in vorteilhafter Weise mit einem vorschlagsgemäßen Phasenschieber möglich, unterschiedliche Phasenlagen kontinuierlich und/oder mit nur einem vorschlagsgemäßen Phasenschieber zu erzeugen und damit Modulatoren für die Funkübertragung oder Antennenelemente eines Antennen-Arrays anzusteuern.
Der vorschlagsgemäße Phasenschieber weist eine erstaunlich geringe Komplexität auf und ermöglicht hierdurch einen robusten und wenig fehleranfälligen Entwurfsprozess. In vorteilhafter Weise ist es möglich, den vorschlagsgemäßen Phasenschieber durch die Wahl einer geeigneten Anzahl von Leitungsabschnitten für verschiedenste Anwendungen, Größenordnungen von Phasenverschiebungen und/oder für eine variable Anzahl unterschiedlicher Phasenlagen auszulegen oder anzupassen.
Weiter erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Verbindungseinrichtungen zumindest im Wesentlichen gleich oder gleichwirkend sind und/oder diskrete oder integrierte Bauelemente, insbesondere einstellbare Kapazitäten, vorzugsweise Varaktoren und/oder Dioden sind oder aufweisen. Der Einsatz gleicher oder gleichwirkender Verbindungseinrichtungen führt insbesondere dazu, dass eine ungleichmäßige und/oder gegenläufige Wirkung in Bezug auf die Phasenverschiebung vermieden wird.
Vorzugsweise werden in einem Phasenschieber entweder Kapazitäten oder Induktivitäten eingesetzt. Diskrete Bauelemente, insbesondere SMD-Bauelemente haben sich in Versuchen für den Einsatz als Verbindungseinrichtung für vorschlagsgemäße Phasenschieber – insbesondere auf Standard-Hochfrequenz-Substraten – bewährt. Integrierte Bauelemente haben den Vorteil einer besseren Skalierbarkeit und werden vorzugsweise eingesetzt, wenn ein vorschlagsgemäßer Phasenschieber als integrierte Schaltung realisiert oder einer solchen zugeordnet ist.
Besonders bevorzugt werden einstellbare Kapazitäten, also insbesondere Varaktoren und/oder Dioden eingesetzt. Diese bieten Vorteile in Bezug auf ihre Verstimmbarkeit, die hiermit einhergehende maximal erreichbare Phasenverschiebung und die einfache Einstellbarkeit, insbesondere durch Anlegen einer Gleichspannung. Optional können die Verbindungselemente eine resistive Wirkung aufweisen, vorzugsweise durch Einsatz eines Widerstands, insbesondere durch Parallelschaltung des Widerstands mit der oben genannten einstellbaren Kapazität. Dies ermöglicht eine zuverlässige, individuell konfigurierbare Einstellung des Phasenschiebers, insbesondere durch Einstellung der jeweiligen kapazitiven Wirkung der Verbindungselemente durch Erzeugen einer korrespondierenden Vorspannung über dem jeweiligen Verbindungselement. Bevorzugt wird ein zumindest im Wesentlichen konstanter Strom eingeprägt, der durch die jeweiligen Widerstände jeweils zu einem Spannungsabfall bzw. zu einer Vorspannung führt, der bzw. die bevorzugt zur Steuerung der kapazitiven Wirkung des jeweiligen Verbindungselements verwendet wird. Zum Einprägen des Stroms kann eine Stromquelle verwendet werden, die einen gleichbleibenden Strom durch die Widerstände fließen lässt. an kann vorsehen, dass die Verbindungseinrichtungen vorzugsweise gemeinschaftlich elektrisch einstellbar sind. Die elektrische Einstellbarkeit ermöglicht eine unkomplizierte und schnelle Beeinflussung der jeweiligen kapazitiven oder induktiven Wirkung. In vorteilhafter Weise ermöglicht die gemeinschaftliche elektrische Einstellbarkeit der Verbindungseinrichtungen eine Steuerung dieser mit einem sehr geringen Aufwand.
Die Verbindungseinrichtungen können eine Polarität aufweisen, insbesondere wobei benachbarte Verbindungseinrichtungen gegensätzliche Polaritäten aufweisen. Dies ermöglicht eine einfache Steuerung der Verbindungseinrichtungen durch, insbesondere alternierend in die Leitungsabschnitte eingeprägte Spannungen. Bevorzugt weisen die Verbindungseinrichtungen jeweils eine Varaktordiode und/oder einen Widerstand, insbesondere in Parallelschaltung, auf.
Vorzugsweise sind zumindest zwei Vorspannungseinrichtungen mit unterschiedlichen Leitungsabschnitten leitend verbunden. Hierdurch können unterschiedliche Leitungsabschnitte insbesondere in ihrem Potential derart beeinflusst werden, dass hierdurch die Verbindungseinrichtungen steuerbar sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zwischen zwei benachbarten Leitungselementen eine Spannungsdifferenz einstellbar ist.
Weiter sind die Vorspannungseinrichtungen vorzugsweise für Hochfrequenzsignale zumindest im Wesentlichen nicht-leitend oder hochohmig ausgestaltet und weisen, vorzugsweise, eine Lambda/4-Leitung und/oder einen Sumpf auf. Durch hochohmige Vorspannungseinrichtungen kann vermieden werden, dass die in ihrer Phase zu verschiebenden Hochfrequenzsignale durch eine Vorspannungseinrichtung zumindest teilweise abgeleitet werden, was zu Leistungsverlusten führen könnte. Zur Bildung einer vorschlagsgemäßen Vorspannungseinrichtung kann eine Lambda/4-Leitung vorzugsweise endseitig insbesondere gegen Masse kurzgeschlossen werden. Sie weist hierdurch die gewünschte hochohmige Eigenschaft auf. Ein Sumpf kann eingesetzt werden, um den beschriebenen Kurzschluss insbesondere bei hohen Frequenzen zu verbessern.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weisen die Leitungselemente eine zumindest im Wesentlichen gleiche Länge bzw. Längserstreckung bzw. (elektrische) Leitungslänge bei einer Nenn- oder Arbeitsfrequenz auf, die insbesondere zumindest im Wesentlichen Lambda/4 in Bezug auf die Arbeitsfrequenz entspricht. Hierdurch, und insbesondere in Kombination mit zumindest im Wesentlichen gleichwirkenden Verbindungseinrichtungen, kann ein symmetrisches Verhalten und/oder können gleiche Phasendifferenzen zwischen benachbarten Leitungselementen erreicht werden.
Weiter können die Leitungselemente zwischen ihren Querseiten zumindest ein Abstand aufweisen, der dem 5-fachen ihrer Breite entspricht. Ein seitlicher Abstand von zumindest einer 5-fachen ihrer Breite verhindert zumindest im Wesentlichen eine, insbesondere unerwünschte Leitungskopplung zwischen den Leitungselementen.
Die Leitungsabschnitte können auch eine Längserstreckung zumindest im Wesentlichen in dieselbe Richtung aufweisen. Hierdurch ist es möglich, potentielle Kopplungen zwischen den Leitungselementen zu vermeiden. Die Längserstreckung der Leitungsabschnitte ist vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gleich und/oder entspricht einer Leitungslänge von zumindest im Wesentlichen Lambda/4.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Phasenschieber eine gefaltete Struktur bildet. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Leitungsabschnitte zumindest im Wesentlichen in ihrer Längserstreckung parallel zueinander angeordnet sind, vorzugsweise wobei ein mäanderförmiger Verlauf resultiert. Die Leitungsabschnitte können hierbei einen Abstand aufweisen, der dem ein- bis zehnfachen ihrer Breite, insbesondere mindestens dem 5-fachen ihrer Breite, entspricht. Weiter ist es bevorzugt, dass der Stromfluss, insbesondere bezogen auf einen niederfrequenten oder gleichförmigen Strom, durch benachbarte Leitungsabschnitte zumindest im Wesentlichen gegensätzlich verläuft. In Bezug auf höhere Frequenzen, beispielsweise bei denen die Längserstreckung eines Leitungsabschnitts einem Viertel der Wellenlänge entspricht, ist alternativ oder zusätzlich auch ein paralleler Stromfluss möglich. Hierdurch kann eine ausgesprochen kompakte Struktur für den Phasenschieber erreicht werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die beschriebenen Aspekte sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination realisiert werden. Weitere Einzelheiten, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasenschiebers.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische, ausschnittsweise Draufsicht eines vorschlagsgemäßen Phasenschiebers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 einen schematischen, ausschnittsweisen Querschnitt eines vorschlagsgemäßen Phasenschiebers, im Wesentlichen gemäß 1 entlang Schnittlinie II-II, jedoch gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
3 eine schematische Darstellung eines vorschlagsgemäßen Phasenschiebers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt einen Phasenschieber 1 mit Leitungsabschnitten 2, die endseitig über Verbindungseinrichtungen 4A, 4B verbunden sind. Den Leitungsabschnitten 2 sind eine Massefläche 3 (vgl. 2) sowie vorzugsweise optionale Vorspannungseinrichtungen 5 zugeordnet, die insbesondere eine Lambda/4-Leitung 6 und einen Sumpf 7, insbesondere einen ”Radial Stub”, aufweisen.
Ferner können den Vorspannungseinrichtungen 5 Kontakte 8 zugeordnet sein, die vorzugsweise mit dem jeweils zugeordneten Leitungsabschnitt 2, vorzugsweise niederohmig für niedrige Frequenzen, insbesondere Gleichstrom, elektrisch leitend verbunden sind. Über den jeweiligen Kontakt 8A bis 8C kann in den jeweils zugeordneten Leitungsabschnitt 2 ein Strom, eine Spannung oder ein Potential, insbesondere eine Vorspannung U_V, eingeprägt werden.
Die Leitungsabschnitte 2 sind vorzugsweise mit einem Dielektrikum D von der Massefläche 3 isoliert und bilden gemeinsam mit diesen Wellenleitungen, insbesondere Mikrosteifenleitungen. Auf diesen Wellenleitungen sind Hochfrequenzsignale S, insbesondere wie durch den Pfeil in 1 angedeutet, ausbreitungsfähig und erfahren in Abhängigkeit von der Leitungslänge eine Phasenverschiebung.
Vorschlagsgemäß kann die Phasenverschiebung, also insbesondere die Phasendifferenz eines durch den Phasenschieber 1 geleiteten Signals zwischen einem Eingang E und einem Ausgang A durch Steuerung der Verbindungseinrichtungen 4A, 4B beeinflusst werden. Insbesondere kann mit dem vorschlagsgemäßen Phasenschieber 1 die Phasenverschiebung beeinflusst werden, indem eine kapazitive oder induktive Wirkung der einstellbaren Verbindungseinrichtungen 4A, 4B verändert wird. Insbesondere wird ein verzögerndes Verhalten der Leitungsabschnitte 2 derart beeinflusst, dass deren elektrisch wirksame Leitungslänge in Abhängigkeit von der kapazitiven oder induktiven Wirkung der einstellbaren Verbindungseinrichtungen 4A, 4B verändert werden kann.
Im Folgenden soll anhand der Leitungsabschnitte 2A und 2B sowie der Verbindungseinrichtung 4A näher erläutert werden, wie im abgebildeten Ausführungsbeispiel eine Phasenverschiebung eingestellt oder geändert werden kann. Der Kontakt 8A ist vorzugsweise über die Lambda/4-Leitung 6 und den Sumpf 7 mit dem Leitungsabschnitt 2A elektrisch verbunden. Entsprechendes gilt für den Kontakt 8B, der vorzugsweise leitend mit dem Leitungsabschnitt 2B verbunden ist. Über die Kontakte 8A und 8B können an die Leitungsabschnitte 2A und 2B Spannungen angelegt, Ströme in diese eingeprägt werden o. dgl. Vorzugsweise sind die Verbindungseinrichtungen 4A, 4B elektrisch, insbesondere durch eine Spannung und/oder einen Strom, in ihrer kapazitiven oder induktiven Wirkung einstellbar. Die kapazitive oder induktive Wirkung der Verbindungseinrichtung 4A kann also in Abhängigkeit von der an oder zwischen den Kontakten 8A und 8B angelegten Spannung bzw. Vorspannung U_V oder von dem eingeprägten Strömen eingestellt werden. Entsprechend lassen sich die einem Phasenschieber 1 zugeordneten, unterschiedlichen Verbindungseinrichtungen 4A, 4B insbesondere gezielt in ihrer kapazitiven oder induktiven Wirkung beeinflussen.
Die Verbindungseinrichtungen 4A, 4B können Polaritäten aufweisen, insbesondere wenn es sich um Varaktoren, Dioden o. dgl. handelt. Beispielsweise kann es sich bei den benachbarten Verbindungseinrichtungen 4A und 4B um solche handeln, die eine Polarität aufweisen. Vorzugsweise können die benachbarten Verbindungseinrichtungen 4A und 4B gegensätzliche Polaritäten aufweisen bzw. die Polaritäten der Verbindungseinrichtungen 4A und 4B sind dem gemeinsamen Leitungsabschnitt 2B zu- oder abgewandt. Mit anderen Worten bedeutet gegensätzliche Polaritäten der Verbindungseinrichtungen 4A und 4B, dass ein in die mit Pfeil in 1 angedeutete Signalflussrichtung gerichteter Strom die Verbindungselemente 4A und 4B in unterschiedliche Polaritätsrichtungen durchfließt.
Für die Verbindungseinrichtungen 4A und 4B können ähnliche Betriebszustände erreicht werden, indem die Kontakte 8A und 8C mit derselben Spannung oder demselben Strom betrieben werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass die Verbindungseinrichtungen 4A und 4B dieselbe Polarität oder Richtung in Bezug auf die mit dem Pfeil in 1 angedeutete Signalflussrichtung aufweisen. Um bei gleichartigen Verbindungseinrichtungen 4A und 4B ähnliche Betriebszustände zu erreichen, kann zwischen den Kontakten 8A und 8B sowie zwischen den Kontakten 8B und 8C zumindest im Wesentlichen dieselbe Spannung oder Vorspannung U_V angelegt werden. Alternativ oder zusätzlich kann in die Verbindungseinrichtung 4A und 4B zumindest im Wesentlichen der gleiche Strom eingeprägt werden.
In der alternativen Ausführungsform ist es weiterhin möglich, auf die dem Kontakt 8B zugeordnete Vorspannungseinrichtung 5 zu verzichten. In diesem Fall werden die Verbindungseinrichtungen 4A und 4B gemeinsam über die Kontakte 8A und 8C versorgt.
Bevorzugst ist jedoch die Anordnung von Verbindungseinrichtungen 4A und 4B mit gegensätzlichen Polaritäten wie zuvor beschrieben, was sich insbesondere bei Fortsetzung der im Darstellungsbeispiel abgebildeten Struktur als vorteilhaft herausstellt. Letzteres wird im Folgenden näher beschrieben.
Ein vorschlagsgemäßer Phasenschieber 1 kann mehrere Leitungsabschnitte 2 aufweisen, also insbesondere auch mehr als drei oder vier Leitungsabschnitte 2. In Bezug auf das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel kann an den Leitungsabschnitt 2C durch eine weitere Verbindungseinrichtung 4A, 4B ein zusätzlicher Leitungsabschnitt 2A bis 2C angeschlossen werden. Auch diesem Leitungsabschnitt kann eine Versorgungseinrichtung 5 zugeordnet sein. Je nach Bedarf, also insbesondere abhängig von der Größenordnung der zu realisierenden Phasenverschiebung und/oder der Anzahl zu realisierender Phasenlagen kann ein vorschlagsgemäßer Phasenschieber 1 auf diese Weise nahezu beliebig skaliert werden. Die zuvor beschriebene Steuerung und/oder Versorgung der Verbindungseinrichtungen 4A, 4B kann entsprechend erfolgen.
Eine Skalierung des Phasenschiebers 1 durch insbesondere abwechselndes Hinzufügen zusätzlicher Leitungsabschnitte 2A bis 2C und zusätzlicher Verbindungseinrichtungen 4A, 4B erfolgt vorzugsweise derart, dass benachbarte Verbindungseinrichtungen 4A, 4B gegensätzliche Polaritäten aufweisen. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine gleichartige Ansteuerung der Verbindungseinrichtungen 4A, 4B, insbesondere durch Anlegen zumindest im Wesentlichen derselben Spannung an jedem zweiten Leitungsabschnitt. Bezogen auf das Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann also an den Kontakten 8A, 8C und jedem weiteren, zweiten Kontakt dieselbe Spannung angelegt werden, insbesondere können die zu diesen korrespondierende Versorgungseinrichtungen 5 elektrisch leitend miteinander verbunden werden. Entsprechendes gilt auch für den Kontakt 8B und die diesem jeweils folgenden zweiten Nachbarn. In vorteilhafter Weise ist es so möglich, mit nur zwei Spannungen bzw. einer Spannungsdifferenz alle Verbindungseinrichtungen 4A, 4B eines Phasenschiebers 1 gleichzeitig und gleichartig, insbesondere durch die gleiche Vorspannung U_V, zu steuern.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein skalierter Phasenschieber 1 mit mehr als drei Leitungsabschnitten 2A bis 2C und jeweils in dieselbe Richtung polarisierte Verbindungseinrichtungen 4A, 4B gesteuert und/oder versorgt werden, auch wenn nur dem Eingang E und dem Ausgang A zugeordneten Leitungsabschnitte 2 jeweils eine Versorgungseinrichtung 5 zugeordnet ist. In diesem Fall ist es möglich, dass mit nur zwei Versorgungseinrichtungen 5 alle Verbindungseinrichtungen 4A, 4B des Phasenschiebers 1 mit demselben Strom durchflossen werden und/oder mit derselben Spannung versorgt werden, was den Aufbau des Phasenschiebers 1 vereinfacht. In vorteilhafter Weise lässt sich also die Komplexität des Phasenschiebers 1 und der Platzbedarf weiter reduzieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können die Verbindungselemente 4A, 4B resistiv wirkende Komponenten aufweisen. Wie in 3 gezeigt, kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Verbindungselemente 4A, 4B eine Parallelschaltung aus einer Diode, einem Varaktor V oder einem sonstigen Bauelement mit veränderbarer Kapazität und einem Widerstand R1 bis R5 aufweisen. Vorzugsweise ist der Widerstand R1 bis R5 als separates, insbesondere vom Varaktor V unterschiedliches Bauelement ausgebildet. Beispielsweise kann der Widerstand R1 bis R5 einen Widerstandswert größer als 500 Ω und/oder kleiner als 10 kΩ aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann am Anfang und/oder am Ende des Phasenschiebers 1 eine Drossel L, insbesondere eine Spule, eine Drosselspule bzw. Choke-Induktivität oder ein hochohmiger Widerstand zur Versorgung vorgesehenen sein, um insbesondere einen Verlust von Signalleistung bei der Arbeitsfrequenz zu verhindern. Ein Aufbau unter Einsatz von Lambda/4-Leitungen wie bei den Versorgungseinrichtungen 5 gemäß 2 ist alternativ oder zusätzlich möglich. Bei Verbindung der Verbindungselemente 4A, 4B durch die Leitungsabschnitte 2A bis 2C kann mit den beschriebenen Widerständen in R1 bis R5 eine Spannungsteiler-Kette erzeugt werden. Ein Koppelkondensator bzw. Kopplungsglied K kann zur Ein- und/oder Auskopplung des Signals S vorgesehen sein. Es kann ein (optionaler) Abschluss T vorgesehen sein, der alternativ durch eine folgende Komponente bzw. Schaltung ersetzt oder mit dieser verbunden sein kann.
Bevorzugt weisen benachbarte Verbindungselemente 4A, 4B jeweils eine Polarität in dieselbe Richtung auf. Dies ermöglicht eine gezielte und/oder für das jeweilige Verbindungselement 4A, 4B separat beeinflussbare Vorspannung U_V. Von dieser Vorspannung U_V hängt vorzugsweise das kapazitive Verhalten des jeweiligen Verbindungselements 4A, 4B ab. Somit lässt sich das Verhalten des Phasenschiebers in besonders effektiver Weise steuern.
Insbesondere kann eine Kette mit einer Vielzahl von Leitungsabschnitten 2A bis 2C als Phasenschieber 1 verwendet werden, wobei die Leitungsabschnitte 2A bis 2B jeweils mit den beschriebenen, auch resistiv wirkenden Verbindungselementen 4A, 4B verbunden sind, was zu einer fortgesetzten Spannungsteiler-Kette führt. Wird nun über Versorgungseinrichtungen 5 und/oder durch eine oder mehrere Quellen Q, insbesondere eine (Gleich-)Stromquelle und/oder (Gleich-)Spannungsquelle, zwischen einem dem Eingang E zugeordneten Leitungsabschnitt 2A bis 2C und einem dem Ausgang A zugeordneten Leitungsabschnitt 2A bis 2C eine Spannung angelegt oder ein Strom I eingeprägt, ergibt sich dem resistiven Verhalten der Verbindungselemente 4A, 4B entsprechend eine Spannungsverteilung bzw. eine zu dem Widerstandswert der Verbindungselemente 4A, 4B korrespondierende Verteilung der Vorspannungen V über diesen. Weisen die Verbindungselemente 4A, 4B zumindest im Wesentlichen dieselben resistiven Eigenschaften auf, führt dies zu einer zumindest im Wesentlichen gleichen Spannung U_V über dem jeweiligen Verbindungselement 4A, 4B. In vorteilhafter Weise ist es jedoch auch möglich, durch Wahl von Verbindungselementen 4A, 4B mit unterschiedlichen resistiven Eigenschaften, insbesondere durch Einsatz von Widerständen R1 bis R5 unterschiedlicher Werte in den Verbindungselementen 4A, 4B, unterschiedliche Spannungsteilerverhältnisse bzw. Vorspannungen V einzustellen. Zudem ermöglicht der Einsatz von resistiv wirkenden Verbindungselementen 4A, 4B eine zuverlässige Einstellung der Arbeitspunkte für die Verbindungselemente 4A, 4B.
In einem Beispiel kann es vorgesehen sein, dass die Verbindungselemente 4A, 4B aus einer Parallelschaltung einer Varaktordiode V und einem Widerstand R1 bis R5 besteht. Eine Verwendung dieser Verbindungselemente in einem vorschlagsgemäßen Phasenschieber 1 führt dazu, dass eine Spannungsteilerkette erzeugt wird, über die die Varaktordioden V mit einer bestimmten, insbesondere im Verhältnis zueinander bestimmten, Vorspannung U_V versorgt werden können.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 bzw. bei Verwendung von Widerständen R1 bis R5 ist eine gleiche Polarität von benachbarten Verbindungseinrichtungen 4A, 4B, insbesondere bezüglich des Pfeils bzw. des Signals S, bevorzugt. Ein Aufbau des Phasenschiebers 1 mit entgegen gesetzten Polaritäten benachbarter Verbindungseinrichtungen 4A, 4B ist jedoch bevorzugt, insbesondere wenn zur Ansteuerung eine geringere Spannungsdifferenz sowie ein geringerer Spannungshub oder zu erzeugende Spannungsänderung zur Steuerung der Varaktorkapazitäten ausreichend ist bzw. sein soll.
Die in 1 lediglich schematisch dargestellten Verbindungseinrichtungen 4 sind in dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 als SMD-Bauelemente ausgeführt. Die Realisierung mit SMD-Bauelementen ist bevorzugt, da in dieser Bauform insbesondere Dioden und/oder Varaktoren V auch für höhere Frequenzen kommerziell erhältlich sind. Bei Einsatz von SMD-Bauelementen als Verbindungseinrichtungen 4A, 4B weisen diese insbesondere Anschlusskappen 9 auf, die durch Verbindungen 10, insbesondere durch Löten oder Kleben, mit den Leitungsabschnitten 2A bis 2C leitend verbunden werden können.
Gemäß der Ausführungsbeispiele wurde ein vorschlagsgemäßer Phasenschieber 1 anhand von Leitungsabschnitten 2A bis 2C beschrieben, die mit einer Massefläche 3 Wellenleitungen, insbesondere Mikrostreifenleitungen bilden. Vorschlagsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass diese Welleinleitungen als Koaxialleitungen, symmetrische Streifenleitungen, Schlitzleitungen oder dergleichen ausgeführt sind. Weiter sind die Verbindungselemente 4A, 4B im Ausführungsbeispiel gemäß 2 als SMD-Bauelemente ausgeführt. Vorschlagsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass diese auch sonstige Bauformen aufweisen. Weiter ist die körperliche Ausgestaltung der Verbindungseinrichtungen 4A, 4B nicht auf Dioden oder Varaktoren V beschränkt, sondern es kann sich auch um beliebige andere, in ihrem kapazitiven oder induktiven Verhalten steuerbare Elemente handeln.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 liegen die Leitungsabschnitte 2A bis 2C zumindest im Wesentlichen auf einer Geraden oder bilden eine solche. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Leitungsabschnitte 2A bis 2C eine gefaltene, gewundene oder mäanderförmige Struktur bilden. Insbesondere ist es möglich, dass die Leitungsabschnitte 2A bis 2C eine zumindest im Wesentlichen parallel verlaufende Längserstreckung aufweisen. Vorzugsweise weisen die Verbindungselemente 4A bis 4C zumindest im Wesentlichen gleiche Längserstreckungen und/oder Querschnitte auf. Es kann daher vorgesehen sein, dass die Leitungsabschnitte 2A bis 2C in Bezug auf ihre Längserstreckung nebeneinander derart angeordnet sind, dass durch jeweilig endseitige Verbindung benachbarter Abschnitte eine mäanderförmige Struktur gebildet wird. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Realisierung des vorschlagsgemäßen Phasenschiebers 1.
In einem speziellen Beispiel kann ein vorschlagsgemäßer Phasenschieber eine Vielzahl von Leitungsabschnitten 2A bis 2C aufweisen, beispielsweise mindestens 5 oder 10, die jeweils unter Verwendung von Verbindungselementen 4A, 4B in Serie geschaltet sind. In diesem speziellen Beispiel können die Verbindungselemente 4A, 4B eine Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Varaktor aufweisen. Eingangsseitg und ausgangsseitig sind Versorgungseinrichtungen 5 vorgesehen, die für Hochfrequenzsignale S hochohmig und gleichzeitig zum Anlegen einer Gleichspannung geeignet sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch im Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Versorgungseinrichtung 5 aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 eingesetzt werden, oder umgekehrt. Beispielsweise kann die Drossel L durch eine Lambda/4-Leitung, optional mit Radial Stub, ersetzt oder ergänzt werden. Für Gleichspannungen wirken die Leitungsabschnitte 2A bis 2C vorzugsweise zumindest im Wesentlichen als Kurzschluss, wodurch die Widerstände in den Verbindungselementen 4A, 4B direkt miteinander verbunden sind und eine Widerstandskette bzw. eine Spannungsteiler-Kette bilden. Anlegen einer Spannung mittels der Versorgungseinrichtungen 5 über diese Spanungsteiler-Kette oder Einprägen eines Stroms I führt dazu, dass sich die angelegte Spannung den bekannten Regeln entsprechend über die Verbindungselemente in einzelne Vorspannungen U_V aufteilt. Diese Spannungen können dazu verwendet werden, die wirksame Kapazität der den Verbindungselementen 4A, 4B zugeordneten Varaktoren V zu steuern.
Es ist bevorzugt, dass die Leitungsabschnitte 2A bis 2C zumindest im Wesentlichen die gleiche Längserstreckung aufweisen, insbesondere eine Längserstreckung von zumindest im Wesentlichen Lambda/4 oder einem ungeraden Vielfachen.
Es kann vorsehen sein, dass die Leitungsabschnitte 2A bis 2C parallel in Bezug auf ihre Längserstreckung nebeneinander angeordnet werden mit einem Abstand, der beispielsweise im Bereich zwischen dem ein- und zehnfachen der Breite oder dem Querschnitt der Leitungsabschnitte 2A bis 2C entspricht. Eine mit dieser Nachbarschaft einhergehende Verkopplung der benachbarten Leitungsabschnitte 2A bis 2C kann bei Auslegung des Phasenschiebers 1, also insbesondere bei Bestimmung der Länge und Breite der Leitungsabschnitte 2A bis 2C und/oder bei Bestimmung der zu verwenden Verbindungselemente 4A, 4B zu berücksichtigt werden.
Bevorzugt kann ein vorschlagsgemäßer Phasenschieber 1 jeweils mit einem Verbindungselement 4A, 4B beginnen bzw. enden, wobei es besonders bevorzugt ist, dass das dem Eingang E und/oder Ausgang A zugeordnete Verbindungselement 4A, 4B im Vergleich zum Durchschnitt weiterer, anderer Verbindungselemente 4A, 4B, die zwischen den dem Eingang E und/oder Ausgang A zugeordneten Verbindungselemente 4A, 4B angeordnet sind, eine vergrößerte, vorzugsweise eine zumindest im Wesentlichen doppelte Kapazität aufweist. Dies ist vorteilhaft in Bezug auf eine möglichst verlustarme Signaleinkopplung in den Eingang E bzw. Signalauskopplung aus dem Ausgang A.
In einem konkreten Anwendungsbeispiel werden Leitungsabschnitte 2A bis 2C verwendet, die eine Länge größer als 1 mm und/oder kleiner als 50 mm, bevorzugt von 19,8 mm, eine Breite größer als 100 μm und/oder kleiner als 5 mm, bevorzugt von 1100 μm sowie eine Leiterbahndicke größer als 3,5 μm und/oder kleiner als 275 μm, bevorzugt von 35 μm aufweisen. Zwischen den Leitungsabschnitten 2A bis 2C und der Massefläche 3 befindet sich vorzugsweise ein Dielektrikum D einer Dicke größer als 50 μm und/oder kleiner 2500 μm, bevorzugt von 508 μm mit einer Dielektrizitätskonstante größer als 1,5 und/oder kleiner als 8, bevorzugt von 3,55. Die Leistungsabschnitte 2A bis 2C und/oder die Massefläche 3 können aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen, vorzugsweise hochleitfähigen Material bestehen. Beispielsweise kann für den Aufbau eines vorschlagsgemäßen Phasenschiebers als Rohmaterial ein Substrat der Rogers Corporation, One Technology Drive, Rogers, CT 06263, USA, beispielsweise ein RO 4003, verwendet werden.
Für einen Betrieb, beispielsweise bei einer Frequenz von 2,4 GHz, können die Leitungsabschnitte 2A bis 2C durch Varaktordioden V mit einer Kapazität zwischen 1 pF und 7 pF, beispielsweise Varaktordioden V des Typs BB143 der Firma NXP/Philips verwendet werden.
Bei der Mittenfrequenz der Anordnung von 2,46 GHz kann eine Lambda/4-Leitung 6 eine Breite von zumindest im Wesentlichen 100 μm und eine Länge von zumindest im Wesentlichen 20 mm aufweisen. Zudem kann der Sumpf 7 als Radial Stub mit einem zugeordneten Radius von zumindest im Wesentlichen 6 mm ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Phasenschieber
2A bis 2C: Leitungsabschnitt
3: Massefläche
4A, 4B Verbindungselement
5: Versorgungseinrichtung
6: Lambda/4-Leitung
7: Sumpf
8A bis 8C: Kontakt
9: Anschlusskappe
10: Verbindung
A: Ausgang
E: Eingang
GND: Masse
I: Strom
K: Kopplungsglied
L: Drossel
Q: Quelle
R1 bis R5: Widerstand
S: Hochfrequenzsignal
T: Abschluss
U_V: Vorspannung
V: Varaktor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1845585 A1 [0007]
WO 2005/060041 A1 [0008]

Claims

Phasenschieber für Hochfrequenzsignale mit mehreren, elektrisch leitfähigen, länglichen Leitungsabschnitten (2A bis 2C), mit einer den Leitungsabschnitten (2) zugeordneten Massefläche (3) und mit mehreren in ihrer kapazitiven oder induktiven Wirkung einstellbaren Verbindungseinrichtungen (4A, 4B), dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Leitungsabschnitte (2A bis 2C) jeweils endseitig elektrisch durch eine Verbindungseinrichtung (4A, 4B) verbunden und alle Leitungsabschnitte (2A bis 2C) unter Verwendung der Verbindungseinrichtungen (4A, 4B) in Serie geschaltet sind.
Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtungen (4A, 4B) zumindest im Wesentlichen gleich oder gleichwirkend sind und/oder diskrete oder integrierte Bauelemente, insbesondere einstellbare Kapazitäten, vorzugsweise Varaktoren (V) und/oder Dioden, sind oder aufweisen.
Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtungen (4A, 4B) vorzugsweise gemeinschaftlich elektrisch einstellbar sind.
Phasenschieber nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtungen (4A, 4B) eine Polarität aufweisen und dass benachbarte Verbindungseinrichtungen (4A, 4B) gegensätzliche Polaritäten aufweisen, vorzugsweise wobei die Verbindungseinrichtungen (4A, 4B) jeweils einen Vakator V und/oder einen Widerstand (R1 bis R5), insbesondere in Parallelschaltung, aufweisen.
Phasenschieber nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (1) mindestens zwei Vorspannungseinrichtungen (5) aufweist, die mit unterschiedlichen Leitungsabschnitten (2A bis 2C) leitend verbunden sind.
Phasenschieber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vorspannungseinrichtungen (5) zwischen zwei benachbarten Leitungsabschnitten (2A bis 2C) eine Spannungsdifferenz oder Vorspannung (U_V) einstellbar ist.
Phasenschieber nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannungseinrichtungen (5) für Hochfrequenzsignale (S) zumindest im Wesentlichen nicht-leitend oder hochohmig ausgebildet sind und, vorzugsweise, eine Lambda/4-Leitung (6) und/oder einen Sumpf (7) aufweisen.
Phasenschieber nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (2A bis 2C) eine zumindest im Wesentlichen gleiche Längserstreckung und/oder eine Längserstreckung bzw. Leitungslänge aufweisen, die zumindest im Wesentlichen Lambda/4 in Bezug auf die Arbeitsfrequenz entspricht.
Phasenschieber nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (2A bis 2C) in Bezug auf ihre Längserstreckung zumindest im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, vorzugsweise wobei eine mäanderförmige Struktur resultiert, insbesondere wobei benachbarte Leitungsabschnitte (2A bis 2C) zwischen ihren Kanten in Längsrichtung einen Abstand aufweisen, der dem ein- bis zehnfachen ihrer Breite, insbesondere mindestens dem 5-fachen ihrer Breite entspricht.
Phasenschieber nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (2A bis 2C) eine Längserstreckung zumindest im Wesentlichen in dieselbe Richtung aufweisen.