DE19654901C2 - Rückspeiseschutz-Schaltung - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Schaltungen und Vorrichtun­ gen zum Schützen von Hochfrequenzgeräten ("HF") vor einer unbeabsichtigten Einspeisung von HF-Signalen hoher Leistung. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung eine Rückspeise­ schutz-Schaltung mit einem Relais. Das Relais ist ohne wei­ teres auf einer gedruckten Schaltungsplatine montierbar und arbeitet zuverlässig bis zu näherungsweise 5 GHz. Die Rückspeiseschutz-Schaltung arbeitet gut bis zu 4 GHz.

HF-Geräte, wie z. B. Signalgeneratoren, Spektrumanalysatoren, Netzwerkanalysatoren und Meßempfänger, können HF-Signale mit Leistungen von 50 Watt oder mehr ausgesetzt sein, wenn der­ artige Signale unbeabsichtigt an ein externes Signaltor der Geräte angelegt werden. Der empfindliche innere Schaltungs­ aufbau dieser Geräte kann beschädigt werden, wenn er solchen Signalen ausgesetzt wird. Um den inneren Schaltungsaufbau zu schützen, werden Rückspeiseschutz-Schaltung und Relais ver­ wendet.

Typischerweise haben Begrenzungsdioden mit einer vorbe­ stimmten Vorspannung, die parallel zu dem externen Signaltor gekoppelt sind, vorbestimmte Signalpegel, wenn diese in Durchlaßrichtung geschaltet sind, begrenzen jedoch jeden Si­ gnalrückfluß auf einen vorbestimmten Spannungspegel. Die Größe der Dioden ist durch die Notwendigkeit begrenzt, Impe­ danzen entlang des Signalwegs anzupassen, wodurch eine Si­ gnalreflexion und eine resultierende Signalverschlechterung über den Betriebsfrequenzbereich minimiert wird. Kleine Dio­ den weisen nur eine kleine Kapazität auf und beeinflussen daher die Gesamtimpedanz der Schaltung wenig. Aufgrund ihrer geringen Größe können diese Dioden den inneren Schaltungs­ aufbau nur für eine kurze Zeit vor Hochleistungssignalen schützen. Nach dieser kurzen Zeit fallen die Dioden aus, was das Gerät dem Hochleistungs-HF-Signal aussetzt.

Um den Schutz des inneren Schaltungsaufbaus des HF-Geräts zu erhöhen, wird ein Relais in den Signalweg zwischen dem HF- Ausgangsverbinder und den Begrenzungsdioden plaziert. Norma­ lerweise ist das Relais geschlossen, so daß Signale in jede Richtung fließen. Als Reaktion auf die Einspeisung eines Rückspeisesignals oberhalb einer vorbestimmten Schwelle wird das Relais durch eine Rückspeiseschutz-Schaltung geöffnet. Das offene Relais bewahrt die Begrenzungsdioden und den inneren Schaltungsaufbau vor einer Beschädigung.

Die Begrenzungsdioden schützen den inneren Schaltungsaufbau bis das Rückspeisesignal durch die Rückspeiseschutz-Schaltung erfaßt wird und das Relais geöffnet wird. Die Dioden, das Relais und die Koppelkondensatoren desselben, sowie die Rückspeiseschutz-Schaltung müssen zusammen die Impedanz des HF-Geräts exakt anpassen, um eine Signalreflexion und eine zugeordnete Signalverschlechterung während des normalen Be­ triebs zu vermeiden.

Bekannte Rückspeiseschutz-Schaltungen und Relais verwenden Mikrostreifen-Übertragungsleitungen sowohl für die Dioden als auch die Übertragungsleitungsstrukturen. Die Reihenin­ duktivität, die durch die längliche Verbindung zwischen den Oberflächen-montierten Dioden und der Masseebene erzeugt werden, legen die obere Frequenzgrenze dieser Mikrostreifen­ entwürfe aus gedruckten Schaltungen auf näherungsweise 3,5 GHz fest. Um Rückspeiseschutz-Schaltungen herzustellen, die bei Frequenzen über 4 GHz funktionsfähig sind, muß die Weg­ länge auf Masse reduziert sein. Dies wurde früher erreicht, indem ein dünnes Schaltungsmaterial und ein Mikroschaltungs­ entwurf verwendet wurden, bei dem der Diodenchip auf den Mikrostreifen gebondet wurde. Derartige Mikroschaltungen sind typischerweise aufwendiger als gedruckte Schaltungspla­ tinen und werden nur verwendet, wenn das gewünschte Verhal­ ten nicht auf eine andere Art erreicht werden kann. Selbst die besten bekannten Rückspeiseschutz-Schaltungen und Relais, die Dickfilm-Mikroschaltungen und Drahtverbindungen verwenden, arbeiten über 2 GHz relativ schlecht, wobei die­ selben einen reduzierten Leistungsschutz bei diesen höheren Frequenzen liefern und dies bei relativ hohen Kosten.

Die US-A-5,258,731 beschreibt ein koaxiales Relais zum Schutz gegen den Rückfluß einer Leistung und ist in einem Ausgangssignalpfad eines HF-Signalgenerators vorgesehen. Eine Erfassungs- und Steuerungsschaltung innerhalb des Sig­ nalpfades zwischen dem Relais und einem HF-Gerät umfaßt Be­ grenzerdioden, welche sich einschalten, wenn eine Spitzen­ spannung einen vorbestimmten Wert überschreitet, der durch eine Spannung, die an einer Zenerdiode und an der Begrenzer­ diode anliegt, bestimmt ist. Die Erfassungsschaltung erfaßt ferner einen Leistungsüberschuß und betätigt das Relais, be­ vor die Begrenzerdioden durchbrechen und bevor die empfind­ liche interne Schaltung beschädigt wird, um so das HF-Gerät zu schützen.

Die US-A-5,198,697 beschreibt eine Vorrichtung zum Steuern einer elektrischen Leistung, welche elektrischen Geräten von einer Gleichstromquelle bereitgestellt wird. Die Vorrichtung umfaßt einen bistabilen Schalter, der zwischen einem An­ schluß der Quelle und die entsprechenden Anschlüsse des mit der Spannung zu beaufschlagenden Geräts geschaltet ist. Der Schalter wird unter der Steuerung eines Flip-Flops betätigt, welches ein Aktivierungssignal empfängt, welches von einem Komparator bereitgestellt wird, der die Spannung mit einer Bezugsspannung, die bereitgestellt wird, vergleicht. Das Flip-Flop wird über einen Rücksetz-Eingang zurückgesetzt. Um einen Abschaltvorgang zu beschleunigen, ist eine Hochspan­ nungs-Zenerdiode vorgesehen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rückspeiseschutz-Schaltung zu schaffen, die einen guten Schutz von internen Schaltungen eines HF-Geräts in Frequenz­ bereichen über 2 GHz bei relativ geringen Kosten liefern.

Diese Aufgabe wird durch eine Rückspeiseschutz-Schaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine sehr schnelle Rückspeiseschutz-Schal­ tung auf. Die Rückspeiseschutz-Schaltung mit der das Relais gekoppelt ist, kann ein Rückspeisesignal sehr schnell er­ fassen und kann das Koaxialrelais innerhalb von 8 bis 10 Mi­ krosekunden (µs) bezüglich der Zuführung des Rückspeisesi­ gnals öffnen. Die Verwendung einer Hochspannungs-Zenerdiode und von Hochspannungstransistoren in der Rückspeiseschutz- Schaltung ermöglichen diese schnelle Ansprechzeit.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht einer bekannten koplanaren Wellenleiter-Übertragungsleitung;

Fig. 2 eine Draufsicht des Koplanar-Wellenleiters und der gedruckten Schaltungsplatine, die bei der vorliegen­ den Erfindung verwendet ist; und

Fig. 3a und 3b schematische Darstellungen der Rückspeise­ schutz-Schaltung, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet ist.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Koplanarwellenleiter- Übertragungsleitung 70, die mit einem Mittelleiter 71, der von zwei Masseebenen 73 umgeben ist, aufgebaut ist. Die Ko­ planarwellenleiter-Übertragungsleitung, die in Fig. 1 ge­ zeigt ist, ist bekannt und gleichartig zu der, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet ist.

Fig. 2 zeigt die Koplanarwellenleiter-Übertragungsleitung und Abschnitte der Rückspeiseschutz-Schaltung gemäß der vor­ liegenden Erfindung. Bei bekannten Herstellungsverfahren für gedruckte Schaltungsplatinen wird das leitfähige Material geätzt und dann aufplattiert. Um das gewünschte Verhalten bei der vorliegenden Erfindung zu erreichen, werden vorzugs­ weise Verfahren mit engeren Toleranzen bei der Herstellung der gedruckten Schaltungsplatine verwendet. Dies ermöglicht viel engere Toleranzen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel können die Breite des Leiters und der Masseebenen auf ±12,7 µm (±1/2 mil) gesteuert werden. Die Leiterdicke und die Abstände zwischen den Masseebenen und den Leitern kann innerhalb ±7,62 µm (±3/10 mil) gesteuert werden. Der Lei­ ter 81 weist HF-Verbinder 87 und 89 an seinen jeweiligen En­ den auf. Der Abstand zwischen den Masseebenen 83 und dem Leiter 81 ändert sich entlang seiner Länge. Zwischen dem Verbinder 87 und dem Relais 10 verändert sich der Abstand von 482,6 µm (19 mil) an dem Verbinder 87 auf 304,8 µm (12 mil) an dem Relais 10. Das Relais ist ein Koaxialrelais 10, welches ein kostengünstiges Relais ist mit einer Anpassung einer Rückflußdämpfung von 20 dB und einem VSWR von 1,22 : 1 (VSWR = voltage standing wave ratio = Spannungsstehwellen­ verhältnis) bis zu 4 GHz und darüber hinaus. Das Relais 10 behält die Charakteristika einer 50 Ω-Übertragungsleitung bis zu 4 GHz und darüber hinaus, wenn dasselbe auf einer gedruckten Schaltungsplatine oberflächenmontiert ist. Wenn das Relais 10 mit einer Rückspeiseschutz-Schaltung 100 (siehe Fig. 3a und 3b) gekoppelt ist, kann dasselbe inner­ halb von 6 Mikrosekunden ("µs") geöffnet werden. Der Abstand zwischen den Masseteilflächen 82 und dem Leiter 81 beträgt 292,10 µm (11,5 mil).

Die Dioden 85 sind in Sperrichtung vorgespannt und zwischen den Leiter 81 und die Teilflächen 82 geschaltet, so daß die­ selben unter normalen Bedingungen nicht leiten und die Si­ gnalausgabe nicht beeinflussen. Die Kapazität der Dioden 85 muß derart angepaßt sein, daß die Übertragungsleitung die ordnungsgemäße Impedanzanpassung beibehält. Indem die Diodenkapazität einem Teil einer Tiefpaßfilterstruktur zugeord­ net wird, kann dieser Anpassungsprozeß erleichtert werden. Ferner muß die Länge der Verbindung zwischen dem Leiter und der Masse einschließlich der Diodenweglänge so kurz wie mög­ lich gehalten sein, um parasitäre Impedanzen zu minimieren. Unter der Voraussetzung dieser Beschränkungen müssen die Dioden 85 wechselsignalmäßig mit den Masseebenen 83 gekop­ pelt sein. Die Verbindung muß eine gute Masseverbindung bis zu mindestens 4 GHz und vorzugsweise bis zu 5 GHz liefern.

Die Teilflächen 82 auf beiden Seiten des Leiters 81 sind isoliert von dem Rest der Masseebenen 83. Die Teilflä­ chen 82 müssen so klein wie möglich gehalten sein, um die Ausbreitung unerwünschter Moden zu vermeiden. Eine Mehrzahl von Kondensatoren 86, die unterschiedliche Kapazitäts-Werte aufweisen, sind zwischen die Teilflächen 82 und die Masseebenen 83 geschaltet. Der Wert der Kondensatoren 86 va­ riiert von 51 Pikofarad ("pF") bis 680 pF. Die Teil­ flächen haben etwas unterschiedliche Gesamtkapazitätswerte, mit denen dieselben gegen die Masseebenen 83 koppelt sind, um alle Resonanzen, die den Kondensatoren zugeordnet sind, und die Ausbreitung unerwünschter Moden zu minimieren. Die Kondensatoren mit kleinerem Wert schaffen eine Hochfrequenz­ erdung, während die Kondensatoren mit größerem Wert eine Niederfrequenzerdung schaffen. Die exakten Werte der Konden­ satoren können nach Bedarf für unterschiedliche Frequenzbe­ reiche variiert werden. Die Teilflächen 82 liegen ein­ ander ferner nicht direkt gegenüber. Bekannte Verfahren wer­ den verwendet, um den notwendigen lateralen Abstand zu berechnen. Da die Teilflächen selbst ebenfalls eine Resonanz zu der Rückspeiseschutz- Schaltung hinzufügen, sind die Teilflächen 82 so klein wie möglich gehalten.

Eine zusätzliche Kopplung zwischen den Teilflächen 82 und den Masseebenen 83 ist durch das Hinzufügen von Masse­ schichten (nicht dargestellt) in weiteren inneren Ebenen der gedruckten Schaltungsplatine vorgesehen. Viele Durchgangs­ löcher werden hinzugefügt, um alle zusätzlichen Masseschich­ ten und die Masseebenen 83 miteinander zu verbinden. Nach dem Durchführen dieser Verbindung bilden die Teilflä­ chen 82 einen parallelen Plattenkondensator mit den Masse­ ebenen 83 auf der zweiten Schicht der gedruckten Schaltungs­ platine. Diese Kombination der Masseebenen und Durchgangslö­ cher liefert eine exzellente Erdung bei Frequenzen bis zu 4 GHz.

Die Massekontakte 14 (siehe Fig. 2) des Relais 10 sind di­ rekt ohne die Verwendung von Durchgangslöchern an den Masse­ ebenen 83 befestigt. Bei bekannten Rückspeiseschutz-Schal­ tungen koppeln schmale Kontaktstreifen die Masseverbindungen des Relais mit der Mikrostreifenübertragungsleitung. Diese Kontaktstreifen bewirken eine Induktivität und begrenzten das Hochfrequenzverhalten der Schaltung. Bei der vorliegen­ den Erfindung bewirkt die direkte Kopplung des Relais mit den Masseebenen eine geringere Induktivität und verbessert das Hochfrequenzverhalten.

Um eine Asymmetrie zwischen den Masseebenen der Koplanar­ wellenleiter-Übertragungsleitung zu verhindern, koppeln schmale Leitungen auf der Rückseite der Schaltungsplatine die Masseebenen miteinander.

Die Verbindung zwischen den SMA-Koaxialverbindern 87 und 89 und der gedruckten Schaltungsplatine der vorliegenden Erfin­ dung reduziert die Induktivität verglichen mit dem Stand der Technik weiter, da der äußere Leiter des Koaxialverbinders direkt mit den Masseebenen gekoppelt ist. Wie in den Fig. 2 und 3a und 3b gezeigt ist, verbinden Kondensatoren 91 die Abschnitte des Leiters 81 zwischen dem Relais 10 und den Dioden 85 miteinander und wirken als Gleichstrom-Sperrkon­ densatoren wodurch eine höhere Gleichsignal-Spannung an den Eingang der Rückspeiseschutz-Schaltung angelegt werden kann, ohne daß die Schaltung auslöst. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel sind die Kondensatoren 91 auf ihren Seiten für eine ordnungsgemäße Impedanzanpassung angebracht.

Während des normalen Betriebs ist das Relais 10 geschlossen und ein Ausgangssignal bewegt sich von RF_IN zu RF_OUT (sie­ he Fig. 3a und 3b). Bei einer Rückspeisesituation beginnen, wenn der Signalpegel auf der RF_OUT-Leitung 6,2 Volt er­ reicht, die Spitzendioden 85 zu leiten, was die Spannung über Überspannungsbegrenzer 92 und 93 erhöht. Die Überspan­ nungsbegrenzer 92 und 93 und die Dioden 85 begrenzen das an­ kommende Rückspeisesignal auf ±7,7 Volt. Dieselben können für eine Millisekunde bis zu 600 Watt absorbieren. Der Vor­ spannungspunkt der Überspannungsbegrenzer 92 und 93 ist so hoch wie möglich eingestellt. Dies beschleunigt die Schal­ tung und erhöht den Schutzpegel durch das Vorladen der Kapa­ zität der Überspannungsbegrenzer 92 und 93.

Während die Spannung über den Überspannungsbegrenzern 92 und 93 zunimmt, erzeugt ein Spannungsteiler 101, der aus Wider­ ständen 103, 104 und 105 besteht, ein Ausgangssignal, das an den negativen Eingang eines Komparators 110 angelegt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird nur die positive Seite des Rückspeisesignals verwendet, um ein Eingangssignal zu der Rückspeiseschutz-Schaltung zu liefern. Bei anderen Aus­ führungsbeispielen könnte ein ähnlicher Spitzendetektor ver­ wendet werden, um ausschließlich die negative Seite des Rückspeisesignals zu erfassen. Alternativ könnten beide Seiten des Rückspeisesignals erfaßt werden, indem sowohl ein Positiv- als auch ein Negativ-Spitzendetektor vorgesehen wird. Die Schaltung 120 liefert ein Temperaturkompensier­ tes, sehr stabiles Spannungsschwellensignal zu dem positiven Eingang des Komparators 110. Wenn das Ausgangssignal von dem Spannungsteiler 101 die Schwellenspannung, die durch die Schaltung 120 geliefert wird, übersteigt, erfaßt dies der Komparator 110 und erzeugt ein Ausgangssignal mit einem niedrigen Pegel. Die Schwellenspannung des Komparators 110 ist oberhalb der Vorspannung für die Überspannungsbegrenzer 92 und 93 eingestellt. Je höher die Vorspannung für die Überspannungsbegrenzer 92 und 93 ist, desto stärker können dieselben vorgeladen werden, was einen besseren Schutz vor elektrostatischen Entladungen ("ESD"-Schutz; ESD = electro­ static discharge) liefert. Das Ausgangssignal des Kompara­ tors 110 wird einem Setzen-Rücksetzen-Flip-Flop zugeführt, das aus NAND-Gattern 130 und 140 besteht. Wenn das Ausgangs­ signal des Flip-Flops einen hohen Pegel annimmt, nimmt das Ausgangssignal des NAND-Gatters 141 einen niedrigen Pegel an. Dies wiederum schaltet einen Transistor 151 an, der einen Transistor 153 ausschaltet. Das Ausschalten des Transistors 153 beendet einen Stromfluß durch die Spule des Relais 10, so daß dasselbe öffnet. Eine Zenerdiode 171, die eine sehr hohe Schwellenspannung von 160 Volt aufweist, ermöglicht, daß das Relais 10 sehr schnell öffnet. Je mehr Energie in dem elektrischen Feld der Diode 171 absorbiert wird, desto weniger Strom ist für einen Fluß in die magnetische Spule des Relais 10 verfügbar. Da der Strom reduziert ist, ist das magnetische Feld abgeschwächt, so daß die Kontakte schneller öffnen. Der gesamte Prozeß von der Zeit, zu der der Signal­ pegel ansteigt, zu der Zeit, zu der die Relaiskontakte öff­ nen, dauert 8 bis 10 µs. Während der Zeit, die benötigt wird, damit das Relais öffnet, begrenzen die Überspannungs­ begrenzer 92 und 93 die Amplitude des Rückspeisesignals. Eine Einimpuls-Rücksetzschaltung 160 (one-shot reset circuit) besteht aus Komparatoren 161 und 163. Sobald das Relais 10 geöffnet hat, muß die Rückspeiseschutz-Schaltung ein Rücksetzsignal auf einer Rücksetzleitung 170 empfangen, um das Relais wieder zu schließen. Wenn das Rückspeisesi­ gnal, das bewirkt hat, daß das Relais 10 öffnet, noch vor­ liegt, ermöglicht die Einimpuls-Rücksetzschaltung 160, daß die Rückspeiseschutz-Schaltung das Relais 10 wieder öffnet, selbst wenn das Rücksetzsignal fortlaufend aktiviert ist. Die Einimpuls-Rücksetzschaltung leitet nur einen schmalen Puls zu dem Setzen-Rücksetzen-Flip-Flop der Rückspeise­ schutz-Schaltung, jedesmal, wenn das Rücksetzsignal akti­ viert wird.

Die vorliegende Erfindung zeigte eine geringere Einfügedämp­ fung, eine höhere Frequenzantwort und eine bessere Impedanzanpassung gegenüber bekannten gedruckten Schaltungsentwürfen mit Mikrostreifenübertragungsleitungen. Die vorliegende Er­ findung schützt ferner gegen höhere Pegel einer Rückleistung als bekannte Schaltungen. Die vorliegende Erfindung zeigte eine bessere Rückflußdämpfung als 20 dB (1,22 : 1 VSWR) bei Frequenzen bis zu 4 GHz.

Claims (3)

1. Rückspeiseschutzschaltung für eine Signalleitung, umfassend:
eine erste und eine zweite in Sperrichtung vorgespannte Diode (85), die jeweils zwischen die Signalleitung (81) und eine erste und eine zweite Teilfläche (82) ge­ schaltet sind, wobei die erste und die zweite Teilfläche (82) über eine erste und eine zweite Mehr­ zahl von Kondensatoren (86) mit einer ersten und einer zweiten Masseebene (83) gekoppelt sind;
einen ersten und einen zweiten Überspannungsbegrenzer (92, 93), der jeweils zwischen die erste und die zweite Teilfläche (82) und die erste und die zweite Masseebene (83) geschaltet ist;
ein resistiver Spannungsteiler (101), der mit zumindest einer der Teilflächen (82) und einem Komparator (110) gekoppelt ist, wobei der Komparator (110) eine vordefinierte Auslöserschwellenspannung aufweist und ein Rückspeisesignal liefert, wenn die Auslöserschwel­ lenspannung des Komparators überschritten wird;
eine Flip-Flop-Schaltung (130, 140) zum Speichern des von dem Komparator (110) gelieferten Rückspeisesignals;
einen ersten Transistor (151), der über einen Inverter mit der Flip-Flop-Schaltung gekoppelt ist, wobei der erste Transistor als ein Schalter wirkt und seinen zu­ stand als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangssi­ gnals der Flip-Flop-Schaltung ändert;
einen zweiten Transistor (153), der mit dem erster Transistor (151) gekoppelt ist, wobei der zweite Transistor (153) als ein Schalter wirkt und seinen Zustand als Reaktion auf eine Zustandsänderung des ersten Tran­ sistors ändert; und
einen Relaiskontakt (10), der in der Signalleitung an­ geordnet ist, um die Signalleitung bei Vorliegen eines Rückspeisesignals zu unterbrechen, wobei der Relais­ kontakt durch das von dem zweiten Transistor gesteuerte Entregen und Erregen einer elektromagnetischen Spule geöffnet und geschlossen wird.

2. Rückspeiseschutzschaltung gemäß Anspruch 1, bei der eine Einimpuls-Rücksetzschaltung (160) mit der Flip- Flop-Schaltung gekoppelt ist, wobei die Einimpuls- Rücksetzschaltung verhindert, daß die Flip-Flop-Schal­ tung (130, 140) oszilliert, wenn während des Vorliegens eines Rücksetzsignal ein Rückspeisesignal empfangen wird.

3. Rückspeiseschutzschaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der zweite Transistor (153) ein Hochspannungstran­ sistor ist und eine Hochspannungs-Zenerdiode (171) vor­ gesehen ist, die parallel zu dem Hochspannungstransis­ tor geschaltet ist, um die Zeit zu verringern, die er­ forderlich ist, um den Relaiskontakt zu öffnen.