-
Die Erfindung betrifft einen planaren
Hohlleiterschalter mit mindestens einer PIN-Diode gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw
2.
-
Der Erfindungsgegenstand dient als
Sperr- und Durchlaßorgan
für die
in einem Hohlleiter geführte
HF-Energie zwischen einem speisenden und einem weitertührenden
Abschnitt des Hohlleiters.
-
Aus
DE 39 38 726 C2 ist ein Phasendrehglied für Hohlleiter
mit Dioden und einer resonanzfähigen
Anordnung in Form von Schlitzleitungsresonatoren bekannt, bei welchem
die Dioden und die Schlitzleitungsresonatoren auf einem Substrat
angeordnet sind, welches in der Querschnittsebene eines Hohlleiters
angeordnet ist.
-
Aus
DE 37 27 110 A1 ist ein Hohlleiterschalter
bekannt, der in der Querschnittsebene eines rechteckförmigen,
länglichen
Hohlleiters lotrecht zur Hohlleiterachse angeordnet ist und dessen
Schaltwirkung auf dem Resonanz prinzip beruht. Der Schalter weist
auf einem einseitig metallisierten, dielektrischen Substrat eine
Leiterstruktur auf, in die zwei PIN-Dioden integriert sind. Bei
durchgeschalteten Dioden bildet ein Teil der Leiterstruktur eine
Hohlleiterblende, die durchlässig
für die
HF-Energie des Hohlleiters ist. Bei gesperrten Dioden bildet die
Leiterstruktur ein für
die HF-Energie sperrendes System, bestehend aus Stich- und Ringleitern.
Das Durchlaß- und
Sperrverhalten dieses bekannten Hohleiterschalters ist von der geometrischen
Ausbildung der Leiterstrukur bestimmt. Es lassen sich mit diesem Schalter
Sperrwerte zwischen 20 dB und 30 dB erreichen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das
Sperr- und das Durchlaßverhalten
eines derartigen planaren Hohlleiterschalters, dem das Resonanzprinzip
zugrundeliegt und der in der Querschnittsebene eines Hohlleiters
angeordnet ist, zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
in den Patentansprüchen
1 bzw. 2 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
angegeben.
-
Die Erfindung hat den Vorteil, daß mit ihr
eine Verbesserung der Durchlaß-
und der Sperrwirkung erreicht wird, ohne dafür Nachteile, wie z.B. die größere Einbaulänge und
schlechte Reproduzierbarkeit eines FIN-Leitungsschalters oder die
größeren Schaltleistungsverluste
und die Einbaulänge
eines Dioden-Array-Schalters, akzeptieren zu müssen. Die erfindungsgemäße Lösung kann
auch in Hohlleitern eingesetzt werden, die keinen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen
und läßt sich
mit einer oder mehreren PIN-Dioden verwirklichen. In den Unteransprüchen ist
der vorteilhafte Einsatz einer parallelgeschalteten zentralen Schlitzleitung
aufgezeigt, mit der sich die Sperreigenschaften des erfindungsgemäßen Hohlleiterschalters
zusätzlich
positiv beeinflussen lassen.
-
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
-
1 zeigt
das Prinzip der Leiterstruktur eines erfindungsgemäßen Hohlleiterschalters
mit zwei PIN-Dioden,
-
2a und 2b zeigen für einen
Hohlleiterschalter gemäß 1 das in die Leiterstruktur
eingekoppelte E-Feld
für den
Durchlaßzustand
des Hohlleiterschalters,
-
3a bis 3c zeigen das eingekoppelte E-Feld
für den
Sperrzustand,
-
4 zeigt
eine praktische Ausführung
eines derartigen Hohlleiterschalters für einen rechteckförmigen Hohlleiter,
-
5 zeigt
eine derartige Ausführung
für einen
kreisförmigen
Hohlleiter,
-
6 zeigt
das Prinzip einer Leiterstruktur eine erfindungsgemäßen Hohlleiterschalters
mit einer PIN-Diode,
-
7a und 7b zeigen für einen
Hohlleiterschalter gemäß 6 das in die Leiterstruktur
eingekoppelte E-Feld
für den
Durchlaßzustand
des Hohlleiterschalters und
-
8a bis 8c zeigt das eingekoppelte E-Feld
für den
Sperrzustand.
-
1 zeigt
die Leiterstruktur 2 eines Hohlleiterschalters, die auf
die Querschnittsfläche
eines speisenden Abschnittes eines rechteckförmigen Hohlleiters 1 aufgesetzt
ist. Die Fläche
der Leiterstruktur 2 überragt
allseitig die Umrandung 16 des Hohlleiterinnenraumes. In
die Leiterstruktur 2 ist ein durchgehender Schlitzleiter 3 und
ein zentraler Schlitzleiter 13 integriert. Der durchgehende
Schlitzleiter 3 umschließt eine bis auf den zentralen
Schlitzleiter 13 durchgehende innere Leiterfläche 17 und
ist von einer äußeren Leiterfläche 18 umgeben.
Der Schlitzleiter 3 ist auf der Leiterstruktur 2 so
angeordnet, daß sich
seine Außenkante
auf gesamter Länge bei
eingesetztem Hohlleiterschalter in etwa mit der Umrandung 16 des
Hohlleiterinnenraumes deckt. Zwei parallelgeschaltete PIN-Dioden 4 überbrücken den
Schlitzleiter 3 und teilen ihn in zwei gleichlange Abschnitte 4 und 5.
Die Schaltspannung U(ind S) ist den PIN-Dioden 4 über die
innere Leiterfläche 17 und äußere Leiterfläche 18 zugeführt.
-
Erfindungsgemäß entspricht die elektrisch wirksame
Länge der
beiden Abschnitte 5 und 6 jeweils etwa der Wellänge der
Mittenfrequenz des Hohlleiterschalters. Die elektrisch wirksame
Länge eines
Schlitzleiters ist durch die geometrische Länge und durch die dielektrischen
Eigenschaften des Schlitzes bestimmt. Die Dioden 4 sind
an den Orten angeordnet, an denen auf sie die maximale Feldstärke des
im angrenzenden, speisenden Abschnitt des Hohleiters 1 herrschenden
elektrischen Feldes einwirkt.
-
Der zentrale Schlitzleiter 13 ist
aus zwei Abschnitten 14 und 15 zusammengesetzt.
Diese Abschnitte sind in ihrer elektrischen Wirkung einseitig offene
Schlitzleiter und weisen jeweils ein Kurzschlußende auf. Mit den offenen
Enden grenzen sie im hier gezeigten Ausführungsprinzip aneinander. Die
Erfindung ist nicht auf dieses direkte Aneinandergrenzen der offenen
Enden und auf die in 1 gezeigte "T-Form" der Abschnitte 14 und 15 begrenzt.
Wichtig ist, daß die
Abschnitte in der inneren Leiterfläche 17 angeordnet
sind und daß ihre
elektrische Länge
jeweils 1/4 der Wellenlänge
der Mittenfrequenz des Hohlleiterschalters beträgt und daß die Abschnitte lotrecht zum
Vektor des angrenzenden E-Feldes ausgerichtet sind.
-
In 2a ist
für den
Durchlaßzustand
des Hohlleiterschalters, der bei durchgeschalteten PIN-Dioden 4 vorliegt,
das in den Schlitzleiter 3 eingekoppelte elektrische Feld
anhand von Maximum-Pfeilen, die mit ihrer Pfeilrichtung auch die
Polaritätsrichtungen
des eingekoppelten Feldes zeigen, dargestellt.
-
2b zeigt
den entsprechenden Intensitätsverlauf
des eingekoppelten elektrischen Feldes auf dem zeichnerisch abgewickelten
Schlitzleiter 3.
-
Mit den Bezugszeichen A bis H sind
in den 2a und 2b charakteristische Stellen
auf dem Schlitzleiter 3 gekennzeichnet. Das in dem angrenzenden
rechteckförmigen
Hohlleiter 1 herrschende elektrische Feld hat bekannterweise
in der Mitte der Breitseiten sein Maximum und nimmt zu den Ecken hin
auf den Wert Null ab. Seine Polarität ist von der oberen zur unteren
Breitseite hin gerichtet.
-
Im Durchlaßzustand des Hohlleiterschalters sind
die beiden PIN-Dioden 4 durchgeschaltet. Die durchgeschalteten
PIN-Dioden 4 bilden
für die
Abschnitte 5 und 6 an den Enden jeweils einen
Kurzschluß,
so daß an
den Stellen A und E das eingekoppelte elktrische Feld Nullstellen
aufweist. Weitere Nullstellen entstehen aufgrund der vorangehend
beschriebenen Feldverteilung des angrenzenden Hohlleiterfeldes an
den Stellen C und G und Maxima entstehen aufgrund dieser Feldverteilungan
den Stellen B,D,F und H.
-
Die Polarität des eingekoppelten elektrischen
Feldes ändert
sich zwar auf dem Schlitzleiter 3, wie das Diagramm in 2b zwischen den Stellen C
und G zeigt, bleibt aber auch in diesen Bereichen zwischen den Stellen
C und G übereinstimmend
mit der Polarität
eines angrenzenden Hohlleiterfeldes, wie aus 2a erkenntlich ist. Von dem angeregten Schlitzleiter 3 wird
deshalb elektrisches Feld in einen angrenzenden weiterführenden
Abschnitt des Hohlleiters 1 eingekoppelt. Wegen der übereinstimmenden
Feldpolaritäten
des angeregten Schlitzleiters und des weiterführenden Abschnittes in vier
Bereichen (B,D,F und H), welche symmetrisch im Hohlleiterquerschnitt
angeordnet sind und alle den gleichen Koppelfaktor besitzen, ist
zwischen dem Schlitzleiter 3 und dem weiterführenden
Abschnitt des Hohlleiters eine gute HF-Kopplung im Durchlaßzustand
des Hohlleiterschalters gegeben.
-
Der zentrale Schlitzleiter 13 führt im Durchlaßzustand
des Hohlleiterschalters kein elektrisches Feld. Dieser Zustand ist
durch die zentrale Anordnungseiner offenen Enden im Wirkungsbereich
der Kurzschlüsse
des Schlitzleiters 3 an den Stellen A und E bedingt.
-
In 3a ist
für den
Sperrzustand des Hohlleiterschalters, der bei gesperrten PIN-Dioden 4 vorliegt,
das in den Schlitzleiter 3 eingekoppelte Feld anhand von
Maxiumum-Pfeilen,
die auch die Polaritätsrichtungen
des Feldes zeigen, dargestellt.
-
3b zeigt
den Sperrzustand den entsprechenden Intensitätsverlauf des eingekoppelten
elektrischen Feldes auf dem zeichnerisch abgewickelten Schlitzleiter 3 und 3c den Intensitätsverlauf
auf dem zentralen Schlitzleiter 13.
-
Die Bezugszeichen A bis K kennzeichnen charakteristische
Stellen auf den Schlitzleitern. Bei gesperrten PIN-Dioden 4 entstehen
offene Enden an den beiden Abschnitten 5 und 6 des
Schlitzleiters 3. Das angrenzende E-Feld des speisenden
Abschnittes des rechteckförmigen
Hohlleiters 1 koppelt deshalb in den Schlitzleiter 3 ein
E-Feld ein, daß an
den Stellen A und E jeweils ein Intensitätsmaximum aufweist. Aufgrund
der elektrischen Länge
der Abschnitte 5 und 6 sind die Polaritätsrichtungen
dieser Maxima auf dem Schlitzleiter gleich, wie der 3a entnehmbar ist. Weitere, in der Polarittät gleichgerichtete
Maxima entstehen an den Stellen C und G. Da die Breitseitenanteile
des in den Schlitzleiter 3 eingekoppelten E-Feldes eine
entgegengesetzte Polarität
bezüglich
eines angrenzenden rechteckförmigen
Hohlleiterfeldes aufweisen, kann bei gesperrten PIN-Dioden 4 wegen
der gegenphasigen Anregung des Hohlleiters kein E-Feld aus dem Schlitzleiter 3 in
den weiterfüh renden
Abschnitt des Hohlleiters 1 ausgekoppelt werden. Der Hohlleiterschalter
wirkt in diesem Zustand als Sperrorgan.
-
Bei vorliegenden Unsymmetrien zwischen den
Abschnitten 5 und 6 des Schlitzleiters 3 und
zwischen den PIN-Dioden 4 kann sich im Sperrzustand die
gegenphasige Anregung in dem angrenzenden Hohlleiter nicht vollständig aufheben
und es entsteht dort eine geringes E-Feld, das in den zentralen Schlitzleiter 13 einkoppelt.
Der angeregte Schlitzleiter 13 (3c) koppelt wiederum in den weiterführenden
Abschnitt des Hohleiters 1 ein. Durch Optimierung der Länge und
Breite des Schlitzleiters 13 können die Amplitude und die
Phase des abgestrahlten E-Feldes so beeinflußt werden, daß sich die
in den weiterführenden
Abschnitt des Hohlleiters 1 eingekoppelten E-Feldanteile
trotz der Unsymmetrien nahezu vollständig kompensieren, wodurch
eine hohe Sperrdämpfung
erreicht wird.
-
4 zeigt
die Draufsicht auf eine praktische Ausführung eines erfindungsgemäßen Hohlleiterschalters
für Hohlleiter
mit rechteckförmigem
Querschnitt. Der Hohlleiterschalter besteht aus einem Substrat 19,
einer darauf befindlichen Leiterstruktur 2 mit zwei Schlitzleitern 3 und 13,
zwei PIN-Dioden 4 die in die Leiterstruktur 2 integriert
sind, und einem Mikrostreifen-Tiefpaß 20.
-
Der Schlitzleiter 3 ist
erfindungsgemäß von den
beiden PIN-Dioden 4 in zwei gleichlange Abschnitte 5 und 6 aufgeteilt
und teilt die Leiterstruktur 2 in eine innere Leiterfläche 17 und
in eine äußere Leiterfläche 18.
Die äußere Leiterfläche 18 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
als schmaler Streifen ausgebildet, so daß die Leiterstruktur 2 platzsparend
in eine ausgefräste
Vertiefung der Hohlleiterwände
einsetzbar ist. An einer Schmalseite des Hohlleiters ist die äußere Leiterfläche 18 in
der Mitte der Seite geöffnet,
um so eine Zuführung
des Mikrostreifen-Tiefpasses 20 an die innere Leiterfläche 17 zu
ermöglichen. Über den
Mirrostreifen-Tiefpaß 20 werden
die elektrisch parallelgeschalteten PIN-Dioden 4 mit der Schaltspannung
U(ind S) versorgt.
-
In 5 ist
eine gleichartige Ausführung
eines Hohlleiterschalters für
einen Hohlleiter mit kreisförmigem
Querschnitt gezeigt, die der vorangehenden Ausführung bis auf Formänderungen
in der Leiterstruktur, die auf die Kreisform zurückzuführen sind, entspricht. Der
zentrale Schlitzleiter 13 ist so ausgerichtet, daß er lotrecht
zum E-Feld-Vektor des angrenzenden kreisförmigen Hohlleiters steht.
-
6 zeigt
eine andere Ausführungsform der
Erfindung. Wesentlicher Unterschied zum Hohlleiterschalter gemäß 1 ist das Vorhandensein von
nur einer PIN-Diode 4, ein Schlitzleiter 7, der nicht
durchgehend ist und Kurzschlußenden 8 und 9 aufweist,
und ein zusätzlicher,
die Kurzschlußenden 8 und 9 überbrückender
Schlitzleiter 12.
-
Der Schlitzleiter 7 ist
von der PIN-Diode 4 in zwei gleichlange Abschnitte 10 und 11 aufgeteilt,
deren elektrische Länge
jeweils der Wellenlänge
der Mittenfrequenz des Hohlleiterschalters entspricht.
-
Von dem Schlitzleiter 7 ist
die Leiterstruktur 2 in eine innere Leiterfläche 17 und
eine äußere Leiterfläche 18 aufgeteilt.
Die innere Leiterfläche 17 weist einen
zentralen Schlitzleiter 13 auf. Durch den überbrückenden
Schlitzleiter 12 entsteht bei anliegender Schaltspannung
U(ind S) in der inneren Leiterfläche 17 eine
Gleichstromtrennung.
-
Der Durchlaßzustand dieses Hohlleiterschalters
ist aufgrund der Kurzschlüsse
an den Stellen A und E elektrisch identisch mit dem vorangehenden Ausführungsbeispiel,
wie das aus 7a und 7b entnehmbar ist.
-
Im Sperrzustand stellt die Schlitzleitung 7 nicht,
wie beim Ausführungsbeispiel
mit zwei PIN-Dioden 4, an den Stellen A und E eine offene
Schlitzleitung dar, sondern ist nur an der Stelle A offen, während sie
an der Stelle E kurzgeschlossen ist. Der Kurzschluß an der
Stelle E wird auf den Abschnitten 10 und 11 an
die Stelle A transformiert, welches die Einspeisungsstelle des angrenzenden
Hohlleiter-E-Feldes ist, so daß der
Koppelfaktor an der Stelle A Null wird. Die Abschnitte 10 und 11 bleiben
dadurch feldfrei, siehe 8b,
und können
somit kein Feld in den weiterführenden
Abschnitt des Hohlleiters 1 einkoppeln. Nur die Kopplung
am Punkt E ist, eingeschränkt
wegen des fehlenden Kurzschlusses am Punkt A, wirksam.
-
Parasitäre Reaktanzen der PIN-Diode 4 und des überbrückenden
Schlitzleiters 12 können
einem idealen Sperrzustand entgegenstehen. Die parasitären Reaktanzen
des Schlitzleiters 12 entstehen im Sperrzustand an den
Stellen D und E, siehe 8a und 8d. Wie beim vorangehenden
Ausführungsbeispiel
mit zwei PIN-Dioden 4 lassen sich die resul tierenden Felder
mit dem Feld eines zentralen Schlitzleiters 13, das von 8c gezeigt ist, kompensieren.
-
Die Gleichstromtrennung in Form des überbrückenden
Schlitzleiters 12 ist so dimensioniert, daß der Einfluß dieses
Schlitzleiters auf das Durchlaß- und
Sperrverhalten des Hohlleiterschalters gering bleibt. Deshalb beträgt der Abstand
zwischen den Einmündungsstellen
des Schlitzleiters 12 in die Abschnitte 10 und 11 und
den Enden dieser Abschnitte an der Stelle E ein Viertel der Wellenlänge der
Mittenfrequenz des Hohlleiterschalters, denn der Gradient des elektrischen
Feldes ist auf den Abschnitten 10 und 11 im Durchlaßzustand
an diesen Stellen minimal, siehe 7b,
und somit ist auch der Koppelfaktor zwischen der Schlitzleitung 12 und
den Abschnitten 10 und 11 minimal. Eine minimale
Breite des Schlitzleiters 12 trägt ebenfalls zu einem niedrigen Koppelfaktor
bei. Die ideale elektrische Länge
des Schlitzleiters 12 beträgt 1/2 der Wellenlänge der
Mittenfrequenz des Hohlleiterschalters. Aus Konstruktionsgründen lägt sich
diese Länge
wegen der 1/4-Wellenlängenabstände der
Einmündungsstellen nicht
genau verwirklichen. Sich daraus ergebende Verschlechterungen des
Durchlaß-
und Sperrverhaltens lassen sich durch eine geeignete Ausbildung des
zentralen Schlitzleiters 13 kompensieren.