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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Phasenschieber-Anordnung sowie ein Antennensystem und ein Radarsystem mit einer solchen Phasenschieber-Anordnung.
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Stand der Technik
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Zahlreiche moderne Geräte, wie beispielsweise Radarsysteme oder drahtlose Kommunikationseinrichtungen, nutzen hochfrequente Signale, insbesondere im Bereich zwischen 3 und 300 GHz. Hierbei werden in vielen Fällen sogenannte Phasenschieber genutzt, um die elektrische Phase eines Hochfrequenzsignals anzupassen. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift
DE 103 51 506 A1 eine Vorrichtungen und ein Verfahren zur Phasenverschiebung.
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Darüber hinaus sind Phasenschieber auf Basis eines Vektormodulators bekannt. Hierbei werden der In-Phase-Anteil und der Quadratur-Anteil unterschiedlich verstärkt und daraufhin die verstärkten Komponenten zu einem gemeinsamen Signal zusammengefügt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Phasenschieber-Anordnung, ein Antennensystem und ein Radarsystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Eine Phasenschieber-Anordnung, mit einem I-Q-Teiler, einer ersten Inverterstufe, einer zweiten Inverterstufe, einer ersten Verstärkerstufe, einer zweiten Verstärkerstufe und einem Summierglied. Der I-Q-Teiler ist dazu ausgelegt, ein hochfrequentes Eingangssignal zu empfangen und ausgangsseitig einen In-Phase-Anteil des empfangenen Eingangssignals und einen Quadratur-Anteil des empfangenen Eingangssignals bereitzustellen. Die erste Inverterstufe ist dazu ausgelegt, den In-Phase-Anteil von dem I-Q-Teiler zu empfangen und ein Signal auszugeben, das wahlweise entweder dem invertierten oder dem nicht-invertierten In-Phase-Anteil von dem I-Q-Teiler entspricht. Die erste Verstärkerstufe ist dazu ausgelegt, das von der ersten Inverterstufe ausgegebene Signal mit einer einstellbaren ersten Verstärkung zu verstärken. Die zweite Inverterstufe ist dazu ausgelegt, den Quadratur-Anteil von dem I-Q-Teiler zu empfangen und ein Signal auszugeben, das wahlweise entweder dem invertierten oder dem nicht-invertierten Quadratur-Anteil von dem I-Q-Teiler entspricht. Die zweite Verstärkerstufe ist dazu ausgelegt, das von der zweiten Inverterstufe ausgegebene Signal mit einer einstellbaren zweiten Verstärkung zu verstärken. Das Summierglied ist dazu ausgelegt, das verstärkte Signal von der ersten Verstärkerstufe und das verstärkte Signal von der zweiten Verstärkerstufe zu kombinierten und das kombinierte Signal auszugeben.
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Weiterhin ist vorgesehen:
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Ein Antennensystem mit mehreren Antennenelementen und mehreren erfindungsgemäßen Phasenschieber-Anordnungen, wobei jedem Antennenelement eine Phasenschieber-Anordnung zugeordnet ist.
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Schließlich ist vorgesehen:
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Ein Radarsystem mit mindestens einer erfindungsgemäßen Phasenschieber Anordnung.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Aufbau von Phasenschieber für hochfrequente Signale, insbesondere für hohe Frequenzen im Bereich von Millimeterwellen (30 bis 300 GHz), hohe Ansprüche an den Schaltungsaufbau und die Fertigung stellt. So kann beispielsweise bei einer Frequenz von 60 GHz eine elektrische Länge von ca. 5 µm bereits zu einer Phasenabweichung von 1 Grad führen.
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Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Phasenschieber-Anordnung zu schaffen, welche insbesondere auch für hohe Frequenzen im Bereich von Millimeterwellen (30 bis 300 GHz) einen einfach und zuverlässig zu realisierenden Aufbau ermöglicht; insbesondere ist es wünschenswert, die Signalverläufe möglichst einfach zu gestalten.
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Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, eine Phasenschieber-Anordnung auf Basis eines Vektormodulators zu schaffen, bei welchem die Vorzeichenauswahl bzw. Umkehr der Signale und eine Verstärkung der Signale separat voneinander, insbesondere in separaten Einheiten erfolgt. Hierdurch kann - im Gegensatz zu einer Schaltung, bei welcher die Vorzeichenauswahl zusammen mit der Verstärkung erfolgt - ein einfacherer Aufbau der Verstärkereinheit erreicht werden. Somit ist es auch möglich, Laufzeitunterschiede und damit verbundene Phasenverschiebungen aufgrund unterschiedlicher Längen der Signalpfade weitestgehend zu vermeiden.
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Bei dem I-Q-Teiler kann es sich um eine beliebige geeignete Baugruppe handeln, welche ein eingangsseitig bereitgestelltes hochfrequenten Signal in einen In-Phase-Anteil und einen Quadratur-Anteil aufspalten kann, und den In-Phase-Anteil und den Quadratur-Anteil ausgangsseitig bereitstellen kann. Beispielsweise kann das Eingangssignal zwischen zwei eingangsseitigen Anschlusspunkten bereitgestellt werden, und die Ausgangssignale können ebenfalls jeweils zwischen zwei Anschlusspunkten bereitgestellt werden.
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Der In-Phase-Anteil und der Quadratur-Anteil von dem I-Q-Teiler werden daraufhin jeweils den beiden Inverterstufen zugeführt. Die Inverterstufen können die eingangsseitig bereitgestellten Signale ausgangsseitig entweder nichtinvertiert oder invertiert bereitstellen. Für eine invertierte Ausgabe der Signale können beispielsweise durch eine geeignete Schaltungsanordnung die internen Signalpfade gekreuzt werden. Somit steht ausgangsseitig ein Signal bereit, welches gegenüber dem Eingangssignal um 180° phasenverschoben, also invertiert, ist.
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Die beiden Verstärkerstufen können daraufhin die von den jeweiligen Inverterstufen bereitgestellten Signale jeweils gemäß vorgegebener Verstärkungsfaktoren verstärken. Grundsätzlich sind hierzu beliebige geeignete Schaltungen zur Verstärkung von hochfrequenten Signalen möglich. Insbesondere kann die variable, vorgegebene Verstärkung mittels eines Transistorarrays eingestellt werden, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Die von den beiden Verstärkerstufen ausgegebenen verstärkten Signale des In-Phase-Anteils und des Quadratur-Anteils werden daraufhin dem Summierglied zugeführt, welches die beiden Signale kombiniert und die Summe der beiden Eingangssignale als Ausgangssignal ausgibt. Je nach den eingestellten Verstärkungen in der ersten und zweiten Verstärkerstufe, sowie der gegebenenfalls vorherigen Invertierung der Signalanteile, ergibt sich somit ein Ausgangssignal, welches gegenüber dem Eingangssignal eine bestimmte Phasenverschiebung aufweist.
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Aufgrund der separaten Inverterstufe können die Verstärkerstufen einer derartigen Phasenschieber-Anordnung im Vergleich zu konventionellen Phasenschiebern auf Grundlage einer Vektormodulation einfacher realisiert werden. Hierbei ergeben sich einfachere und bessere konfigurierbare Signalpfade, sodass die Schwierigkeiten aufgrund von Laufzeitunterschieden in den unterschiedlichen Signalpfaden vermieden werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die erste Inverterstufe und die erste Verstärkerstufe jeweils als separate Baugruppen ausgeführt. Ebenso sind die zweite Inverterstufe und die zweite Verstärkerstufe jeweils als separate Baugruppen ausgeführt. Durch die Trennung der Vorzeichenwahl in den Inverterstufe von der nachgeschalteten Verstärkerstufe können die einzelnen Baugruppen einfacher realisiert werden. Hierdurch können auch die erforderlichen Signalpfade einfacher gestaltet werden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf eventuelle Laufzeitunterschiede in den Signalpfaden aus.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die erste Verstärkerstufe und die zweite Verstärkerstufe jeweils ein Transistorarray. Die Transistorarrays der Verstärkerstufen sind dabei jeweils dazu ausgelegt, die Verstärkung in der jeweiligen Verstärkerstufe einzustellen. Beispielsweise können je nach gewünschter Verstärkung die einzelnen Transistoren der Transistorarrays angesteuert und somit geöffnet bzw. geschlossen werden. Diese Weise kann eine einfache und effiziente variable Verstärkung in den Verstärkerstufe realisiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die erste Inverterstufe und die zweite Inverterstufe jeweils eine Eingangsschaltung. Die Eingangsschaltungen sind hierbei dazu ausgelegt, einen Eingangsanschluss der Inverterstufe von einer internen Inverterschaltung galvanisch zu trennen. Ferner sind die Eingangsschaltungen dazu ausgelegt, jeweils an der internen Inverterschaltung der jeweiligen Inverterstufe ein Signal mit einem vorbestimmten Bias-Strom bereitzustellen. Gleichzeitig kann durch die Eingangsschaltung eine Anpassung an den Ausgang des vorgeschalteten I-Q-Teiler erfolgen. Somit stehen in den Inverterstufe jeweils Signale mit konstantem Bias-Strom zur Verfügung.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die erste Verstärkerstufe und die zweite Verstärkerstufe jeweils eine Eingangsschaltung. Die Eingangsschaltungen der Verstärkerstufen sind hierbei dazu ausgelegt, einen Eingangsanschluss der Verstärkerstufe von einer internen Verstärkerschaltung galvanisch zu trennen . Ferner sind die Eingangsschaltungen der Verstärkerstufen dazu ausgelegt, an den jeweiligen internen Verstärkerschaltung ein Signal mit einem vorbestimmten Bias-Strom bereitzustellen. Die Eingangsschaltung der Verstärkerstufe können dabei auch eine Anpassung an die Ausgänge der vorgeschalteten Inverterstufen vornehmen. Somit steht in den jeweiligen Verstärkerstufe ein Signal mit einem konstanten Bias-Strom zur Verfügung.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Summierglied eine Ausgangsschaltung. Die Ausgangsschaltung des Summierglieds ist dazu ausgelegt, eine interne Summierschaltung des Summierglieds von einem Ausgangsanschluss galvanisch zu trennen. Dabei kann durch die Ausgangsschaltung auch eine Anpassung des Ausgangssignals an eine an den Ausgangsanschluss angeschlossene Leitung erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der I-Q-Teiler, die erste Inverterstufe, die erste Verstärkerstufe, die zweite Inverterstufe, die zweite Verstärkerstufe und das Summierglied in einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis angeordnet sind. Somit kann die Phasenschieber-Anordnung als Bauelement in einfacher Weise bereitgestellt werden. Gegebenenfalls können die Komponenten der Phasenschieber-Anordnung auch gemeinsam mit weiteren Bauelementen bzw. Baugruppen in einem integrierten Schaltkreis kombiniert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Phasenschieberanordnung für einen Frequenzbereich zwischen 30 und 300 GHz ausgelegt. Insbesondere für Millimeterwellen im Bereich zwischen 30 und 300 GHz stellt die Realisierung von Phasenschiebern beispielsweise aufgrund der hohen Sensitivität bezüglich Laufzeitunterschiede in den Signalpfaden eine große Herausforderung dar. Durch den erfindungsgemäßen Ansatz können derartige Herausforderungen zuverlässig gelöst werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds für eine Phasenschieber-Anordnung gemäß einer Ausführungsform;
- 2: eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für eine Phasenschieber-Anordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 3: eine schematische Darstellung eines Transistorarrays für eine Phasenschieber-Anordnung gemäß einer Ausführungsform; und
- 4: eine schematische Darstellung eines Antennenarray gemäß einer Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds für eine Phasenschieber-Anordnung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Phasenschieber-Anordnung 1 umfasst einen I-Q-Teiler 10. Dieser I-Q-Teiler 10 kann ein Eingangssignal, das zwischen den Anschlusspunkten I_p und I_n eines Eingangsanschlusses bereitgestellt wird, in einen In-Phase-Anteil I und einen Quadratur-Anteil Q aufteilen. Die Grundlagen für derartige I-Q-Teiler werden als bekannt vorausgesetzt und daher hier nicht weiter erläutert.
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Der I-Anteil wird zwischen den mit 0° und 180° bezeichneten Anschlüssen des I-Q-Teilers 10 bereitgestellt. Der Q-Anteil wird zwischen den mit 90° und 270° bezeichneten Anschlüssen des I-Q-Teilers 10 bereitgestellt.
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Der I-Anteil des Signals von dem I-Q-Teiler 10 wird einer ersten Inverterstufe 21 zugeführt. Diese erste Inverterstufe 21 kann ein Signal ausgeben, das wahlweise entweder dem nicht-invertierten Eingangssignal, also dem I-Anteil, entspricht, oder alternativ dem invertierten Eingangssignal.
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Das von der ersten Inverterstufe 21 ausgegebene Signal wird einer ersten Verstärkerstufe 31 zugeführt. Die erste Verstärkerstufe 31 kann das eingangsseitig bereitgestellte Signal gemäß einem vorgegebenen ersten Verstärkungsfaktor verstärken und das verstärkte Signal ausgangsseitig bereitstellen.
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Der Q-Anteil des Signals von dem I-Q-Teiler 10 wird einer zweiten Inverterstufe 22 zugeführt. Diese zweite Inverterstufe 22 kann ein Signal ausgeben, das wahlweise entweder dem nicht-invertierten Eingangssignal, also dem Q-Anteil, entspricht, oder alternativ dem invertierten Eingangssignal.
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Das von der zweiten Inverterstufe 22 ausgegebene Signal wird einer zweiten Verstärkerstufe 32 zugeführt. Die zweite Verstärkerstufe 32 kann das eingangsseitig bereitgestellte Signal gemäß einem vorgegebenen zweiten Verstärkungsfaktor verstärken und das verstärkte Signal ausgangsseitig bereitstellen.
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Das Ausgangssignal der ersten Verstärkerstufe 31 und das Ausgangssignal der zweiten Verstärkerstufe 32 wird einem Summierglied 40 zugeführt. Dieses Summierglied 40 kombiniert die beiden Ausgangssignale der ersten und zweiten Verstärkerstufe 31, 32 und gibt ein Ausgangssignal aus, dass der Summe der beiden eingangsseitig an dem Summierglied 40 bereitgestellten Signale entspricht. Hierdurch wird ausgangsseitig durch das Summierglied 40 zwischen den beiden Anschlusspunkten O_p und O_n ein Ausgangssignal bereitgestellt, dessen Phase bezüglich dem am Eingang des I-Q-Teilers 10 bereitgestellten Eingangssignals in Abhängigkeit des ersten Verstärkungsfaktors der ersten Verstärkerstufe 31 und des zweiten Verstärkungsfaktor der zweiten Verstärkungsstufe 32 variiert.
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Die einzelnen Komponenten, wie I-Q-Teiler 10, erster Inverterstufe 21, erster Verstärkerstufe 31, zweiter Inverterstufe 22, zweiter Verstärkerstufe 32 und Summierglied 40 können dabei als separate Baugruppen ausgeführt sein. Dabei können die einzelnen Komponenten auf einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis implementiert werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Prinzipschaltbilds für eine Phasenschieber-Anordnung 1 gemäß einer Ausführungsform. Hierbei gelten grundsätzlich, soweit anwendbar, alle bereits in Zusammenhang mit 1 gemachten Ausführungen.
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Wie in 2 dargestellt, ist am Eingang der ersten Inverterstufe 21 eine Eingangsschaltung 210 vorgesehen. Diese Eingangsschaltung 210 umfasst einen Übertrager 212 zur galvanischen Trennung zwischen dem I-Q-Teiler 10 und den weiteren Bauelementen in der ersten Inverterstufe 210. Ferner kann eine Stromquelle 211 vorgesehen sein, über welche ein Bias-Strom in den Übertrager 213 eingespeist werden kann. Somit fließt innerhalb der ersten Inverterstufe 21 stets dieser konstante Bias-Strom.
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Ferner kann für die beiden Signalpfade innerhalb der ersten Inverterstufe 21 jeweils ein Transistorpaar 213 und 214 vorgesehen sein. In einem ersten Schaltzustand können die Transistoren der beiden Transistorpaare 213 und 214 derart angesteuert werden, dass das ausgangsseitig bereitgestellte Signal dem eingangsseitig bereitgestellten Signale entspricht. Hierbei werden über die beiden Transistorpaare 213 und 214 die eingangsseitigen Anschlüsse mit korrespondierenden ausgangsseitigen Anschlüssen verbunden. In einer alternativen Schaltungskonfiguration können die beiden Transistorpaare 213 und 214 die Signalpfade zwischen Eingang und Ausgang kreuzen, sodass ausgangsseitig ein invertierten Signal bereitgestellt wird, welches gegenüber dem eingangsseitig bereitgestellten Signal um 180 Grad phasenverschoben ist.
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Die zweite Inverterstufe 22 ist analog zu der oben beschriebenen ersten Inverterstufe 21 aufgebaut. Die zweite Inverterstufe 22 umfasst entsprechend ebenfalls eine Eingangsschaltung 220 mit einem Übertrager 222 und einer Stromquelle 221, sowie zwei Transistorpaare 223 und 224.
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Die erste Verstärkerstufe 31 gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform umfasst eine Eingangsschaltung 310. Wie auch die Eingangsschaltungen 210, 220 der Inverterstufen 21 und 31 kann auch die Eingangsschaltung 310 der ersten Verstärkerstufe 31 einen Übertrager 312 sowie gegebenenfalls eine Stromquelle 311 aufweisen. Somit kann durch die Stromquelle 311 auch in der ersten Verstärkerstufe 31 ein konstanter Bias-Strom eingeprägt werden.
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Zur Einstellung eines variablen Verstärkungsfaktors in der ersten Verstärkerstufe 31 können beispielsweise Transistorarrays 313 bis 316 vorgesehen sein. Der detaillierte Aufbau dieser Transistorarrays 313 bis 316 wird nachfolgend noch näher erläutert. Insbesondere können hierbei in den beiden Pfaden der ersten Verstärkerstufe 31 jeweils zwei Transistorarrays 313 und 314 sowie 315 und 316 vorgesehen sein, wobei die Transistoren in den zwei Transistorarrays 313 und 314 bzw. 315 und 316 jeweils derart komplementär angesteuert werden, dass stets ein konstanter Strom fließen kann. Beispielsweise kann jeweils in Summe eine konstante Anzahl von Transistoren geöffnet bzw. geschlossen sein.
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Die zweite Verstärkerstufe 32 ist analog zu der oben beschriebenen ersten Verstärkerstufe 31 aufgebaut. Die zweite Verstärkerstufe 32 umfasst entsprechend ebenfalls eine Eingangsschaltung 320 mit einem Übertrager 322 und einer Stromquelle 321, sowie Transistorarrays 323 bis 326.
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Die Ausgangssignale der beiden Verstärkerstufen 31 und 32 werden dem Summierglied 40 zugeführt. Das Summierglied kombiniert die beiden Signale von den Verstärkerstufe 31 und 32 und gibt als Ausgangssignal ein Signal aus, welches der Summe der beiden Signale von den jeweiligen Verstärkerstufe 31 und 32 entspricht. Wie in 2 dargestellt, kann das Summierglied 40 einen Übertrager 400 umfassen. Hierdurch wird eine galvanische Trennung auf der Ausgangsseite des Summierglied 40 und somit der Phasenschieber-Anordnung 1 möglich.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Transistorarrays , wie es beispielsweise in den Verstärkerstufen 31 und 32 eingesetzt werden kann. Wie in 3 zu erkennen ist, kann ein solches Transistorarray mehrere parallel angeordnete Transistoren T1 bis Tn umfassen. Die einzelnen Transistoren Ti können dabei alle gleich ausgeführt sein. Grundsätzlich sind jedoch auch Transistorarrays mit mehreren unterschiedlich ausgestalteten Transistoren Ti möglich. Je nachdem welche bzw. wie viele der Transistoren Ti angesteuert werden kann somit der Gesamtstrom durch das Transistorarray und somit die resultierende Verstärkung der Verstärkerstufe 31 bzw. 32 eingestellt werden. Wie oben bereits ausgeführt, können hierbei zwei Transistorarrays jeweils derart miteinander kombiniert werden, dass der Ausgang eines Transistorarrays mit einem Eingang des Summierglied 40 verbunden ist, während der Ausgang des anderen Transistorarrays mit einer Spannungsversorgung vdd verbunden ist. Dabei können die Transistoren dieser beiden Transistorarrays jeweils derart angesteuert werden, dass die Summe des elektrischen Stroms durch die beiden Transistorarrays stets konstant ist. Beispielsweise kann hierzu stets eine konstante Anzahl von Transistoren geöffnet bzw. geschlossen werden.
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Die Phasenschieber-Anordnung 1 kann beispielsweise in einem beliebigen hochfrequenten System, insbesondere in hochfrequenten Systemen mit Signalen im Millimeterbereich zwischen 30 und 300 GHz eingesetzt werden. Beispielsweise können mittels derartiger Phasenschieber-Anordnungen die Phasen von Hochfrequenzsignalen von bzw. zu Antennenelementen eines Antennenarrays angepasst werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Richtcharakteristik eines derartigen Antennenarrays eingestellt werden.
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4 zeigt exemplarisch eine möglichen Ausführungsform eines solchen Antennensystems. Hierbei ist jedem Antennenelement 2-i eine Phasenschieber-Anordnung 1 zugeordnet. Somit können die Phasen der Signale zu bzw. von den Antennenelementen 2-i individuell angepasst werden, um hierdurch die Richtcharakteristik des Antennensystems anzupassen.
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Ein solches Antennensystem kann beispielsweise für ein Radarsystem mit elektrisch schwenkbaren Antennen genutzt werden. Insbesondere können solche Antennensysteme für Radarsystem in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
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Darüber hinaus ist selbstverständlich auch der Einsatz in beliebigen anderen Hochfrequenzanwendungen, beispielsweise im Bereich der Kommunikationstechnik wie zum Beispiel Mobilfunk o. ä., möglich.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Phasenschieber-Anordnung. Die Phasenschieber-Anordnung umfasst einen I-Q-Teiler welcher ein Eingangssignal in einen In-Phase-Anteil und einen Quadratur-Anteil aufspaltet. Die beiden Signalanteile werden einzeln mit individuellen Verstärkungsfaktoren verstärkt und anschließend wieder zusammengefügt. Vor der Verstärkung ist eine separate Einheit vorgesehen, welche die Signale entweder invertiert oder nicht invertiert den jeweiligen Verstärker zuführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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