DE2216849B2

DE2216849B2 - Passiver Halbleiterdiodenbegrenzer

Info

Publication number: DE2216849B2
Application number: DE2216849A
Authority: DE
Inventors: Pierre Verrieres-Le-Buisson Blanchard; Raymond Fontenay-Aux-Roses Henry; Gilles Villepreux Sillard
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-04-09
Filing date: 1972-04-07
Publication date: 1974-06-27
Also published as: GB1382334A; US3768044A; DE2216849A1; FR2133169A5; DE2216849C3; SE378158B

Description

Die Erfindung betrifft einen passiven Halbleiterdiodenbegrenzer für sich in Höchstfrequenzanordnungen ausbreitende Wellen hoher Leistung.

Derartige Begrenzer werden vor allem in der Radartechnik benötigt, wo sie die Sendeenergie entweder des eigenen Senders oder eines nahe benachbarten Senders vom Radarempfänger fernhalten sollen, um dessen Zerstörung zu vermeiden. Gleichzeitig soll aber auch die gesamte von der Antenne aufgenommene Empfangsenergie ohne Verluste in dem Begrenzer an den Empfänger weitergegeben werden. Bis vor kurzem waren zum Schutz des Empfängers sogenannte Sende/Empfangs-Röhren (TK) üblich. Diese im Empfangskanal liegenden Röhren haben den Aufbau eines Bandpaßfilters und sind durchlässig, wenn die ankommende Höchstfrequenzenergie schwach ist, während sie sperren, wenn diese Energie einige Watt Spitzenleistung übersteigt. Dabei bilden zwei Sende/Empfangs-Röhren zwischen zwei 3-dB-Kopplern einen Duplexer. Die Sende/Empfangs-Röhren zünden, wenn der empfangene Energiepegel einige Watt überschreitet. Die ankommende Energie wird dadurch reflektiert, so daß der Empfängereingang geschützt ist. Nachteilig an den bekannten Sende/Empfangs-Röhren ist jedoch ihre begrenzte Lebensdauer sowie die Zündverzögerung, die dazu führt, daß ein Teil der Leistung dennoch den Empfängereingang erreicht, der dadurch im Laufe der Zeit zerstört wird.

Dieser letztere Mangel kann durch Verwendung von Varaktoren oder Kapazitätsdioden vermieden werden. Deren Sperrschichtkapazität hängt bekanntlich von der anliegenden Spannung ab. Die Vaiaktordiode wird hinter der Sende/Empfangs-Röhre angeordnet und hat die Aufgabe, diejenige Energie zu

ίο absorbieren, die unerwünschtermaßen über die Sende/Empfangs-Röhre fließt. Ungeachtet dessen muß die Sende/Empfangs-Röhre auf einwandfreien Zustand überwacht werden, da die Varaktordiode eine nur verhältnismäßig geringe Leistung aufzunehmen vermag.

Seit dem Bekanntwerden der PIN-Dioden können jedoch an Stelle derartiger Sende/Empfangs-Röhren enthaltender Schalter Dioden-Schalter verwende! werden, deren Lebensdauer wesentlich höhere Werte erreicht. Die PIN-Dioden müssen jedoch kurz vor Beginn des Sendeimpulses durch eine zusätzliche Vorspannungsquelle leitend gemacht werden und zur Verringerung der Verluste im Empfangszeitpunkt durch eine Gegenspannung sicher gesperrt werden.

Die erforderliche Steuerschaltung bedeutet eine nachteilige Erhöhung des Aufwandes füV solche Diodenschalter. Ein weiterer Nachteil der Dioden-Schalter besteht darin, daß sie keinerlei Schutz gegenüber nahe benachbarten Radaranlagen bieten, da deren Sendezyklus normalerweise nicht bekannt ist und die Steuerschaltungen hierfür nicht ausgelegt werden können. Demnach ist hinter den PIN-Dioden ein Begrenzer vorzusehen, der wiederum ein Varaktorbegrenzer ist, der ab einem bestimmten Eingangspegel in der Größenordnung von einigen zehn Milliwatt anspricht. Die Dynamik dieses Begrenzers, die im Regelfall bei etwa 15 Dezibel liegt, erweist sich jedoch als unzureichend zur Begrenzung der von nahe gelegenen Radaranlagen empfangenen bzw. einfallenden Leistung.

Aus der deutschen Patentschrift 1 268 699 ist bereits ein Hohlleiterschalter zum Schutz fur Radarempfänger bekannt, der aus einem Hohlleiterabschnitt mit einer darin befindlichen Resonanzanordnung besteht, die eine Halbleiterdiode enthält, deren Durchlaßwiderstand einen sehr kleinen Wert annimmt, wenn die Vorspannung einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Es handelt sich dabei also um einen passiven Halbleiteidiodenbegrenzer der einleitend angegebenen Gattung. Eine Weiterbildung dieses Halbleiterdiodenbegrenzers arbeitet mit zwei Resonanzanordnungen, deren Dioden antiparallel geschaltet sind. Diese Resonanzanordnungen sind in dem Hohlleiterabschnitt um λ 4 verschoben angeordnet, so daß eine Halbwelle von der einen Resonanzanordnung und die andere Halbwelle von der anderen Resonanzanordnung reflektiert wird, sofern die Wellenenergie so hoch ist, daß die Spannung an den Dioden deren Schwellwert überschreitet. Damit wird jedoch eine grundsätzliche Schwierigkeit nicht vermieden: Eine einzige Diode ist bekanntlich für eine Halbwelle durchlässig, für die folgende gesperrt. Mit wachsender Leistung muß die Diode für immer höhere Sperrspannungen ausgelegt werden. Bei den üherwiegend verwendeten PIN-Dioden muß zur Erzielung einer hohen Sperrspannung die I-Zone, also die Zone ohne Ladungsträger, dicker gemacht werden. Dadurch ergeben sich aber Verluste im Durchlaßzusland.

Die Verwendung von antiparallel geschalteten Dioden bei dem bekannten Halbleiterdiodenbegrenzer hilft diesem Mangel jedoch nicht ab. Da die Dioden jp einen gegenseitigen Abstand angeordnet sind, erieicht die sich fortpflanzende Welle die Dioden zu verschiedenen Zeitpunkter. Anders gesagt besteht eine gewisse Phasenverschiebung zwischen der den Halbwellen entsprechenden Aufeinanderfolge von durchlässigem und gesperrtem Zustand der beiden Dioden. Ein wechselseitiger Schutz der Dioden geeen das Auftreten hoher Sperrspannungen wird demnach picht erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterdiodenbegrenzer der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, der mit Spitzenleistungen in der Größenordnung von mehreren Kilowatt und mittleren Leistungen von über hundert Watt belastbar ist und diese Leistungen zuverlässig von seinem Ausgang fernhält.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er aus zumindest zwei antiparallel geschalteten und in der gleichen Ebene senkrecht zur Fortpflanlungsrichtung der Wellen in der Höchstfrequenzan-Oidnung liegenden Dioden besteht, deren Halbleiterschicht sich über das jeweilige Diodengehäuse in gut wärmeleitender Verbindung mit dem Masse darstellenden Leiter der Höchstfrequenzanordnung befindet.

Durch die Antiparallelschaltung der beiden Dioden in der gleichen senkrecht zur Fortpflaazungsrichtung der Wellen liegenden Ebene wird dabei erreicht, daß die elektromagnetische Energie an den beiden Dioden gleichzeitig anliegt, so daß zwangläufig die eine Diode leitet, wahrend die andere sperrt und umgekehrt, wodurch sich die Dioden wechselseitig gegen das Auftreten hoher Sperrspannungen schützen. Es können daher Dioden niedriger Sperrspannung verwendet werden, die demnach auch eine niedrige Durchlaßspannung und entsprechend kleine Verluste im Durchlaßzustand aufweisen, so daß am Ausgang des Begrenzers bzw. eines mit solchen Begrenzern ausgestatteten Duplexers keine unerwünscht hohen Leistungen auftreten können. Gleichzeitig wird bei dem Halbleiterdiodenbegrenzer nach der Erfindung aber auch einer thermischen Überlastung und Zerstörung der Dioden durch die gut wärmeleitende Verbindung der Halbleiterschicht mit dem Masse darstellenden Leiter großer Wärmekapazität der Höchstfrequenz- ;>nordnung vorgebeugt.

Vorteilhafte Ausführungsformen des Halbleiterdiodenbegren/ers bilden den Gegenstand von I 'nteransprüchen.

In der Zeichnung ist der Halbleiterdiodenbegrenzei nach der Erfindung an Hand mehrerer beispielsweise gewählter Ausführungsformen schematisch veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Diode, die einen Begrenzer bildet,

Fig. 2 und 3 mögliche Schaltungen einer Diode in einem Gehäuse,

Fig. 4 eine schcinatischc Darstellung eines durch zwei Dioden gebildeten Begrenzers.

Fig. 5 ein Diagramm, aus dem der zeitabhängige Stromfluß einer Diode hervorgeht.

Fig. 6 das Ersatzschaltbild einer F.mpfangs-Bejirenzerdiode,

Fig. 7 eine Diagrammdarstellüiig. aus der in Ab hiingigkeit von der Zeit die Ströme hervorgehen, die die Dioden des in F i g 4 gezeigten Aufbaus durchfließen,

Fig. 8 eine detaillierte Darstellung des in Fig. 4 gezeigten Aufbaus,

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Be- »renzerzelle, die zwei Diodenpaare umfaßt,

Fig. 10 das Ersatzschaltbild einer Diode gegenüber hierauf wirkenden Signalen schwacher Amplitude, F i g. 11 das Ersatzschaltbild einer Diode gegenüber

ίο hierauf wirkenden Signalen starker Amplitude,

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Begrenzerzelle in einem Wellenleiter,

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer aus mehreren Dioden bestehenden Begrenzerzelle.

'5 Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Duplexers,

Fig. 15 eine schematische Darstellung eines Duplexers mit zwei Begrenzerzellen aus jeweils zwei Dioden,

Fig. 16 eine schematische Darstellung eines Duplexers mit zwei Begrenzerzellen, von denen jede jeweils aus 4 paarweise geschalteten Dioden besteht. Wie bereits am Anfang der Beschreibung erwähnt, liegt es in der Zielsetzung der Erfindung, passive Begrenzer starker Leistung zu schaffen und diese anschließend einzeln oder in Gruppen zusammenzufassen, um Duplexer zu bilden.

Ein erfindungsgemäß aufgebauter Begrenzer besteht aus zumindest zwei Dioden, die in der Form bemessen sind, daß ihre Durchschlagsspannung nicht zu hoch ist. was mit guten Einfügungsverlusten unvereinbar wäre.

Bei den gewählten Dioden handelt es sich um Silizium-Dioden mit einem P"NN ⁺ -Aufbau, wobei das Symbol » 4-« stark dotierte Zonen bezeichnet und die Blättchen beispielsweise in einem Gehäuse vom Typ des Varaktors montiert sind. Silizium-Werkstoff wurde gewählt, da es unter den Betriebsbedingungen der Dioden erforderlich ist. eine starke Injektion von Minoritätsträgern zu erreichen. Diese Träger müssen gegenüber der Periode der eingesetzten Höchstfrequenzwelle eine sehr hohe Lebensdauer vor der Rekombination aufweisen. Die Untersuchung der zu verwendenden Dioden basiert daher auf bestimmten feststehenden Daten, die mit dem zu lösenden Problem unmittelbar im Zusammenhang stehen. Da beispielsweise der Begrenzer unter einer bestimmten Leistung arbeiten muß, ist die höchstzulässige Spitzenleistung und aus diesem Werte die höchstzulässige

Spannung zu ermitteln, die unter dem Wert der Durchschlagsspannung liegen muß. Die einer Diode zu vermittelnde Struktur hängt von diesen Erwägungen ab, wobei die Fig. 1 die Form aufzeigt, nach der die Diode aufgebaut wird. Die Kupferkatode 1 trägt eine Schicht 2 aus halbleitendem Material vom Typ N' mit starker Dotierung und einer geringen Stärke in der Größenordnung von (SO Mikron, auf der siel· eine Schicht 3 einer wesentlich geringeren Stärke gegenüber der vorgenannten befindet und die durch eir Halbleitermaterial vom Typ N gebildet wird; diese wiederum wird von einer dritten Schicht 4 sehr gerin ger Stärke aus stark dotiertem Material vom Typ P¹ überlagert. Diese Anordnungen werden in hierfür ge eigneten Gehäusen untergebracht, wobei die Diodi die in Fig. 2 gezeigte Form aufweist.

In diesem Gehäuse besteht die Katode 1 aus Kup fer. wobei bei 5 die in F i g. 1 dargestellten Halbleiter schichten (hierdetailliert) angedeutet sind. Auf diese

Schicht 5 führen die Anschlußdrälite 9 zu einer Kupferscheibe 7, die die Anode bildet. An den Seiten kann es sich bei der Keramik um Berylliumoxyd 8 handeln, das einen guten Wärmeleiter bildet. Was die Wärmeabgabe über die Elemente der Diode anlangt, beginnt diese an der Trennlinie /'.wischen Katode und den Halbleiterschichten und wird über die von der Katode gebildete Kupfermasse zur unteren Gehäusewandung LO (wie in Fig. 2 dargestellt) abgeleitet, wobei diese Wandung mit der Masse verbunden ist.

Das Problem der Wärmeabgabe dieser Dioden ist insbesondere in dem Fall von großer Bedeutung, wenn erfindungsgemäß der Begrenzer durch zwei parallelgeschaltete Dioden gebildet wird. Erfindungsgemäß sowie im Zusammenhang mit später beschriebenen Anwendungsfällen wird der Diodenaufbau im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeugten Anordnung in umgekehrter Form in das Gehäuse montiert. Diese Schaltung wird in Fig. 3 aufgezeigt. In diesem Falle befindet sich die Anode 7 im unteren Teil des Gehäuses und die Katode 1 im oberen Teil. Unter diesen Voraussetzungen leitet die untere Wandung 10. die ständig mit der Masse verbunden ist, die an der Verbindungsstelle zwischen Katode und Halbleiter entstehende Wärme über den Keramikteil aus Berylliumoxyd ab.

Soll demgegenüber innerhalb eines Begrenzeraufbaus ein Einsatz von zwei Dioden in Gegenschaltung innerhalb des Gehäuses vermieden werden, so kann eine Diode verwendet werden, deren Plättchen in der Form des bereits erwähnten aus drei Schichten P ⁺ NN¹ besteht, sowie eine andere Diode, deren Plättchen den umgekehrten Aufbau aufwciM. d.h. in PP*. In diesem Falle kann es sich jedoch als schwierig erweisen, zwei Dioden zu finden, deren Leistungswerte übereinstimmen.

Die soeben beschriebenen Dioden bilden ihrerseits Begrenzer. Erfindungsgcmäßsind in jedem Falle und besonders im Hinblick auf die ihnen zugedachten Anwendungsfälle und den von den Begrenzern erwarteten Leistungen ^letztere schließen die Dioden ein) diese Dioden paarweise zusammengefaßt und der somit gebildete Aufbau in einer Schaltungsebene zusammengefaßt, und zwar im Wellenleiter bzw·, in der Leitung, in der sich die Höchstfrequenzenergie ausbreitet.

Auf Grund dieser Anordnung kann eine verhältnismäßig hohe Leistung aufgenommen werden.

Fig. 4 zeigt die paarweise und parallelgeschaltete Anordnung dieser Dioden 11 bis 12 in einer Ebene, so beispielsweise auf dem Innenleiter 13 einer aus drei Schichten bestehenden Leitung. Unter Berücksichtigung der Dioden-Leistungswerte wird deutlich, daß durch die eine oder die andere der Dioden innerhalb dieses Aufbaus die positiven und negativen Halbwellen des Höchstfrequenzsignals begrenzt werden und demzufolge keine stärkere Spannung an ihren Klemmen anliegt.

F ι g. 5 zeigt in schematischer Form den Verlauf des Stromes, der eine Diode während einer Halbwolle durchfließt, und zwar unter den eingangs erwähnten Voraussetzungen, d. h. bei einer Diode, die für eine Leistungsaufnahme in der Größenordnung von 1.3 kW Spitzenleistung ausgelegt ist, die wiederum einer angelegten Spitzenspannung von etwa 720 Volt entspricht. Fig. 6 zeigt in schematischer Form das Ersatzschaltbild einer solchen Diode während des Sendebetriebs.

Die Diode 14 wird durch einen Ersatzwiderstand Rs dargestellt, dessen Wert nach Kompensation von Suirelemenlen gewählt wurde, die durch die Gehäuse kapazität und die Drossel wirkung der Kontakte gcbildet werden. Der Generator 15 liefert eine Spannung 1', sin cot an einen Widerstand 16. der eine 50-Öhm-Leitung darstellt.

Unter Berücksichtigung der normalen Impulsanstiegszeit kann davon ausgegangen werden, daß die

ίο erste Halbwelle in jedem Falle eine Spitzenspannung aufweist, die unter dem Wert der Durchschlagsspannung der Diode liegt. Ab der ersten Halbwelle in Vorwärtsrichtung werden sowohl Minontäts- als auch Majoritätsträger injiziert; bei der entgegengerichteten, folgenden Halbwelle werden diese Träger wieder aufgenommen.

Unter Berücksichtigung ihrer hohen Lebensdauer, d. h. wenn man im Dauerbetrieb von der durchschnittlich zur Rekombination benötigten Zeit ausgeht, findel während einer Zeit von beispielsweise etwa 0.33 ns praktisch keine Rekombination bei einer Lebensdauer von über 100 Nanosekunden sta't.

Überschreitet demgegenüber in Direktrichtung die Spannung V₍ sin iot einige Volt, so findet an den Klemmen des N-Bereiches außer dem Abfall der ohmschen Spannung ein Spannungsabfall statt, der praktisch dem Sperrbercich des Siliziums entspricht, und der in der Größenordnung von V_n = 1 Volt angenommen werden kann. Dieser Spannungsabfall hält in Gegenrichtung praktisch so lange an, wie hier Ladungen freizusetzen sind, während in Direktrichtung dieser Spannungsabfall der angelegten Spannung entgegenwirkt und in Gegenrichtung sich dieser 7v liieser Spannung zuschlagt.

Der die Diode zwischen dem Zeitpunkt 0 und dem Zeitpunkt r,. zu dem die Diode sperrt, durchfließende Strom ist hierbei gleich Null (Gesamtstrom).

Dieser Strom / stellt die Summe aus Direktstrom /_?; und Gegenstrom /, dar.

Zum Zeitpunkt Z₁ sperrt die Diode bei einer Spannung V, sin f.·'.',, die zu ermitteln ist. wenn man davon ausgeht, daß V₁ gegenüber I_n groß ist und indem man von 0 auf 772 und anschließend von 772 auf T integriert. Nimmt man darüber hinaus den Sperr-Zeitpunkt r, in Nahe der Periode Γ an. so erhält man eine Gegenspannung /um Zeitpunkt r,, die bei etwa 95 V liegt. Unter diesen Voraussetzungen wird die in Fi g. 4 dargestellte Schaltung insofern verständlich, da zum Zeitpunkt /, die obengenannte Gegenspannung nicht an den Klemmen einer der Dioden auftreten kann, weil die andere Diode in Direktrichtung beim Wert V₁, -I- R₁/ in den Zustand des Spannungsbegrenzers kippt. Der Dauerbetrieb wird nach einigen zehn Perioden erreicht, d. h. lange bevor die Leistung auf ihrem Spitzenwert steht. Die diese Diode durchfließenden Ströme zeigen den in Fig. 7 erkennbaren Verlauf.

Auf die Berechnung der Dioden wie auf die vorgeschlagene Schaltung ist zurückzuführen, daß während der Begrenzung keine schädliche Spannungsspitze auftritt, da die zur Ableitung der in eine Diode injizierten Träger erforderliche Zeit gleich dem Intervall ist. das zu deren Injektion in die andere Diode benötigt wird. außerdem liegt zu diesem Zeitwert praktisch nur die Spannung V_n an den Klemmen und darüber hinaus ist die Λ'-Zone der Diode in Direktrichtunji bereits von Trägern gesättigt, d.h. weist einen sehr geringen Reihenwiderstand auf.

Erfindungsgemäß sowie unter Berücksichtigung des bereits vorher Erläuterten wird ein für gängige Anwendungsfälle bestimmter und für hohe Leistungen ausgelegter Begrenzer durch eine bzw. mehrere Begrenzerzellen gebildet, deren Typ in Fi g. 4 dargcstellt ist. Fi g. 8 zeigt in einer etwas weniger schematischen Form eine erfindungsgemäß aufgebaute Begrenzerzclle. die entsprechend der Darstellung der F i g. 4 durch ein Paar in der gleichen Ebene montierte Dioden gebildet wird.

Die beiden Dioden 11 und 12 liegen in Neben- »chlußverbindung auf dem InnenleHer 13 in Form ei-■es Metallstreifens einer abgeschirmten und aus drei Schichten bestehenden Leitung, deren Außenleiter durch die Masseschichten 17 und 18 gebildet werden.

Zwischen diesen Leitern ist ein Dielektrikum angeordnet. Die beiden Dioden sind innerhalb der Auflafen 19 und 20 befestigt, die in die Außenleiter eingeührt %verden.

An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, daß bei diesem Aufbau die Dioden 11 und 12, einmal entsprechend den Anordnungen der Fig. 2 und 3 und zum inderen aus den vorher genannten Erwägungen berüglich der Wärmeableitung, innerhalb ihres Gehäuses in Gegenrichtung angeordnet sind, wobei das elek-Irische Feld E eine entgegengesetzte Ausrichtung zu beiden Seiten des Zentralleiters 13 aufweist. In gleicher Weise können jedoch auch Dioden eines entgegengesetzten Aufbaus, d.h. N"NP" und P PN". vorgesehen werden.

In einer Begrenzerzelle in der Art der in Fig. 8 dargestellten erfolgt die untere Pegelanpassung über ein Drosselglicd .ST in der Ebene der beiden Dioden 11 und 12. das die Dioden-Gesamtkapazität kompensiert. In Abhängigkeit von der zu erfassenden Bandbreite, die innerhalb eines Betriebsbeispieles sehr bzw. verhältnismäßig klein ist. ermöglicht diese Anpassung f-inc Verwendung von Dioden (ohne Einstellung), deren Cber>>angskapa/ität bei 0 Volt zwischen 0.4 und 0.5^s; Pikofarad schwankt. Bei einem Frequen!'bereich /wischen 2450 und 2550 MHz liegt das Stehwellenverhältnis unter 1.20. Bei geringem Pegel liegen die f.'bemauurms- b/v/. Beerenzungsverluste bei geringen Werten von etwa 0.25 bis 0.30 dB. Gegenüber einem hohen Pcyel erreicht die Begrenzung den Wert von 25 <lFi. wobei die Verluste der reflektierten Welle s-'ejiennber der einfallenden Welle bei etwa 0.2* dB heuen

F-.ine erfir.dur.ji'^emaß aufgebaute Begrenzerzelle beschrankt uch nicht nur auf ein einziges Diodenpaar innerhalb einer hbene. fm ') /eiet m schematischer Form esnc Bri'ren/er/eiie. die aus zwei Zellen 23 und 24 Λ?.- .n f-1 i< 4 b/w in J- 1 v. H gezetpien 1 yps besteht Bei Ά--.; i;berir»^'irit'.''-iti!iini; Handel? es sich um eine ahfevchirmti·. I->reiv.hi<.h!enieituni!. wobei die Dioden ;?, jeder Z/;IIe in N'er/eri'vchlui.'ivcrbinduriji auf der f yjitunj; liefen I-im: Seife der ::v· Masse hegenden Diode 'Wd' f'.r iziTH. ;^;·ϊ"; WarmeaUcifurii!. »m McherAJStelten. «'aß dicv- Würrneahlcituriy. unter allen Fielrichsberlin- £ υ ;i {.'cd 'kr DiffU-Ti t^!cv.;ihrJcr-,:et i«.J, wird, sofern e- 6s die '■yJihV'itti' <:ri'iT'irri und in dic'-.em F alle in der be-TCii'-i \*ysA:i\^l'<i':ii< -Ti I iirrri. «;ntv/i:der dir: :n F 1 a. 2
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Die Betriebsweise einer solchen Begrenzerzelle kann in zwei Hauptfällen beschrieben werden, wobei sich der erste Fall auf Höchstfrequenzsignale schwacher und der zweite Fall auf solche starker Amplitude bezieht.

Der erste Fall baut auf einem Ersatzschaltbild einer Diode in der in Fig. 10 dargestellten Art auf.

Auf der Leitung wird in Höhe der Dioden parallel ein Drosselelement (ST) eingeschleift, das teilweise die kapazitive Admittanz des Diodenpaares kompensiert. Das zweite Diodenpaar 24, das sich um etwa λ/4 vom ersten dieser Diodenpaare entfernt befindet, übernimmt die Tiefpegel-Feinanpassung, vergrößert die Bandbreite und ermöglicht somit Dioden (ohne Regelung) zu verwenden, deren Leistungswerte unterschiedlich sind. Bei erfolgter Anpassung ergeben sich unter Betriebsbedingungen des genannten Beispiels nur schwache Tiefpegel-Verluste in der Größenordnung von 0,6 Dezibel.

Im zweiten Fall, bei dem es sich um Höchstfrequenzsignale starker Amplitude handelt, gilt als Ersatzschaltbild der Diode das in Fig. 11 gezeigte. Der Wert des Widerstands Rs der Diode weicht von dem Ro des \orherigen Falles ab. Die der Diode zugeordnete Hochfrequenzschaltung hat zur Folge, daß die Storeiemente der Diode, d. h. die Drosselwirkung der Kontakte und die Kapazität des Gehäuses, die nur geringe Werte aufweisen, teilweise kompensiert werden, wobei unter diesen Voraussetzungen lediglich der Wert Rs zu beachten ist. Die Verluste auf der reflektierten Welle sind in der Hauptsache auf das erste Diodenpaar zurückzuführen, d. h. 23. wobei diese eine Begrenzung von etwa 25 dB bewirken. Unter den beispielhaft eenannten Bedinaunsicri liegen diese bc; 0.3 dB.

Auf Grund dieser somit bekannten Daten von Dioden wurden Versuche an einem Begrenzer der in Fig. 9gezeigten An durchgeführt. Somit hai sich beispielsweise bei einem Frequenzbereich zwischen 24^ςί. und 255t' MHz ein Stehwellenverhältnis von unter brw. gleich 1.2(1 ergeben, wobei die Ubertragungsverluste unter (1.5 dB und die Verluste auf der rcf'eklicrten Weile unter 0.3 dB lagen Die Begrenzung, die bei einer Eingangsieist ung\on durchschnittlich 1 Mi! liwait 20 mW Spitze einsetzte, erreichte 43 dB be einer Leistung von durchschnittlich HO W1.6 V;V> Spitze, um sich im weiteren Verlauf /u stabilisieren

Zu Beginn der Beschreibung wurde bereits er wihnT. daß die eigentliche Begrenzung im wesenth chen auf die mit ihren Besonderheiten beschriebene: Dioden zurückzuführen war. durch die sich diese aus zeichnen und die den Begrenzer/eilen interessant« feigenschafien verleihen, die wiederum selbst aus ei üer Gruppierung von zwei bzw. mehreren Dioden 11 der beschriebenen Anordnung bestehen und /v.a insbesondere, wenn >ich die zu hearen/ende finergi· meiner Leitung fortpflanzt, die au- einem irnenleitei einer Dreischichtenleituns (Hr* . Mikro^rip-') ode au¹ einem Koaxialkabel bes'th" Derniregenubc -chiießt diese Besonderheit jedoch mchi den Linear Jt-r hieraus entstehenden Dioden und Begrenzer 1 V>el;-. ;■ !crem au- In die-em Falle wird eine FJegren /cr/die. die ruminde<'- /wei Dioden umfaßt, in de

Wellenleiter in der Form eingeschleift, daß einerseits die Dioden in der gleichen Ebene liegen, jedoch andererseits vom gleichen Typ sind (beispielsweise von dem in Fig. 2 gezeigten), wobei die Probleme der Wärmeableitung nicht in der gleichen Form wie bei einer Leitung mit Zentralleiter auftreten. Fig. 12 zeigt den Aufbau einer solchen Zelle in einem Wellenleiter 25. bei dem die beiden Dioden 26 bis 27 mit ihrer Anode an einem Messingstab 28 befestigt sind, der wiederum selbst an den Seitenwandungen des Wellenleiters über zwei 'Leiter 29 und 30 befestigt ist.

Im vorhergehenden Teil wurden Begrenzer beschrieben, die aus zumindest einem Diodenpaar gebildet werden, das sich in der gleichen Ebene befindet, und darüber hinaus Begrenzer mit mehreren Begrenzerzellen, die durch ein Diodenpaar gebildet werden.

Erfindungsgemäß kann ebenfalls eine Begrenzerzelle einbezogen werden, die aus einer Übereinanderanordnung von Dioden gebildet wird, die den bereits beschiiebenen entsprechen. Eine Schaltung ist in dieser Form in der Lage, noch größere Leistungen gegenüber denen aufzunehmen, die eine Zelle mi; nur zwei Dioden umfassen. Fig. 13 zeigt in schematischer Form eine Zelle, die eine Übereinanderanordnung von Dioden umfaßt, die beispielsweise in Nebenschlußverbindung einer abgeschirmten Dreischichtenleitung auf dem Mittelleiter 13 zugeordnet sind.

Es gilt als selbstverständlich, daß sämtliche Aussagen hinsichtlich der Begrenzerzellen der Fig. 4 und 9 in gleicher Weise für die in F ig. 13 dargestellte Zelle gilt. Insbesondere, was die Probleme der Wärmeableitung anlangt, die im Beispiel der Fi g. 13 noch stärker in Erscheinung treten, handelt es sich bei den oberen Dioden beispielsweise um den in Fig. 2 dargestellten Typ. während die unteren Dioden vom Typ der in Fig. 3 dargestellten sind. Unter der Voraussetzung, verschiedene Werkstoffe zu verwenden, könnte der Aufbau der Dioden in übereinstimmender Form erfolgen. In gleicher Weise können auch mehrere Zellen in der Art der in Fig. 13 dargestellten verwendet werden.

Erfindungsgemäß sind die beschriebenen Begrenzer gleichermaßen zur Herstellung von Duplexern verwendbar, deren Aufgabe und Bedeutung bereits im vorhergehenden Teil im Zusammenhang mit Einrichtungen zur elektromagnetischen Erfassung oder Radaranlagen, bei denen der Radarempfänger gleichzeitig vor Sendungen hoher Leistung seines eigenen Senders sowie vor Sendungen benachbarter Sender geschützt werden muß. beschrieben wurde.

Im allgemeinen besteht ein Duplexer aus einer Einheit zweier ihrem Aufbau nach gleicher Begrenzerzellen. die zwischen zwei 3-dB-Koppler eingeschleift werden.

Fi e. 14 zeigt in schematischer Form einen Duplexer. der die beiden 3-dB-Koppler 31 und 32 umfaßt. Der erste Koppler 31 ist einerseits mit der Sende- und Empfancsantenne 33 und andererseits mit dem Sender 34 verbunden. Der zweite Koppler 32 ist einerseits mit einem Absorptionselement 35 und andererseits mit dem Empfänger 36 verbunden. Zwischen den bei den Kopplern sind die Begrenzerzellen 37 und 38 ein- «eschleift. Da die Betriebsweise eines solchen Duplexers für den Fachmann als bekannt vorausgesetzt werden kann, wird hierauf nur in sehr kurzer Form eingegangen. Während des Sendevorgangs durchläuft die vom Sender 34 abgegebene Energie hoher Leistung den ersten 3-dB-Koppler 31. wird von den Begrenzern 37 und 38 reflektiert, die hierbei ihre Aufgabe erfüllen, und wird über den Koppler 31 zur Antenne 33 weitergeleitet, von wo aus diese abgestrahlt wird. Der Empfänger 36 wurde auf diese Weise gegenüber der bei der Sendung abgegebenen Leistung geschützt. Beim Empfang durchläuft die von der Antenne 33 aufgenommene und wesentlich schwächere

ίο Leistung den ersten 3-dB-Koppler 31 und fließt ebenfalls durch die Begrenzer, die gegenüber niederfrequenter Energie in Durchlaßrichtung arbeiten. Der zweite 3-dB-Koppler bewirkt anschließend eine Konzentration der somit von der Antenne zum Empfänger

>5 36 übertragenen Energie.

Das Absorptionselement 35 bildet den vierten Kanal der Schaltung. Erfindungsgemäß kann es sich je nach den aufzunehmenden Leistungen bei den Begrenzern 37 und 38 entweder um eine Begrenzerzelle mit zwei Dioden oder um eine Begrenzerzelle mit vier Dioden handeln.

Fig. 15 zeigt in schematischer Form einen Duplexer. der mit zwei Bcgrenzerzellen von dem in Fig. 4 bzw. von dem in Fig. 8 gezeigten Typ ausgerüstet ist.

Die Betriebsweise eines solchen Duplexers weicht gegenüber der eines herkömmlichen Duplexers nicht sonderlich ab. Seine Leistungen sind als gut zu werten und konnten bei einem hierzu vorgenommenen Vcrsuch wertemäßig erfaßt werden. So wurde dieser beispielsweise bei einer durchschnittlichen Leistung von 120 Watt 2.5 kW Spitze in einem Frequenzbereich zwischen 2450 und 2550 MHz geprüft. Unter diesen Voraussetzungen liegt das Stehwellenverhältnis untei 1.20. Die Empfangsverluste hegen unter 0.4 dB uivl die Sendeverluste ebenfalls unter 0.4 dB. Die Ent kopplung zwischen Sender und Empfanger liegt über 43 dB und hält sich unverändert, wenn beispielsweise die Eingangsleistung zwischen durchschnittlich 20 Watt bis 400 Watt Spitze und durchschnittlich 1 _'^! Watt bis 2.5 kW Spitze schwankt.

Fig. 11> zeigt in schematischer Form einen weiterer Duplexer, der durch zwei Bcgrenzerzellen von dem in Fig. ^ gezeigten Typ gebildet wird, die zwischen

« zwei 3-dB-Koppler eingeschleift sind. In diesem Falle weicht die Betriebsweise des Duplexers nicht grundlegend von der eines Duplexers ab. den man als herkömmlich bezeichnet. Hierbei weichen lediglich die Leistungen von denen ab. die mit dem in Fi g. 15 gczeigten Duplexer erzielt werden, der unter den gleichen vorgenannten Bedingungen geprüft wurde. Dieser Duplexer weist ein Stehwellenverhältnis von unter 1.20 auf. wobei die Empfangsverluste unter 0.6 dB und die Sendeverluste unter 0.4 dB liegen. Die Emkopplung zwischen Sender und Empfänger liegt hier über 4⁷ dB.

In den beiden mit Zahlen belegten Beispielen wird ersichtlich, daß bei den beiden Duplexer-Typen der Schutz des Radarempfängers gegenüber seinem eigcnen Sender vergleichbare Ergebnisse liefert. Während jedoch der in Fig. 15 gezeigte Duplexer den Empfänger, dem er zugeordnet ist, nur dadurch schützt, daß er die Leistung eines benachbarten Senders um etwa 25 dB begrenzt, bildet der in Fig. 16 gezeigte

Schutz-Duplexer einmal eine Sicherheit gegenüber dem eigenen Sender und zum anderen einen Schutr gegenüber einem benachbarten Sender.

Demgegenüber kann jedoch der Schutz gegenüber

einem benachbarten Sender durch einen Duplexer vom Typ des in Fig. 15 gezeigten entsprechend dem jeweiligen Fall dadurch verbessert werden, daß beispielsweise im HF-Kopf der Radaranlage ein passiver Begrenzer mit niedrigem Pegelwert vorgesehen wird. der die Schutzwirkung um etwa 15 dB innerhalb der vorher genannten Bedingungen erhöht. Ein Duplexer

kann darüber hinaus auch aus Begrenzerzellen des in Fig. 13 gezeigten Typs aufgebaut werden, deren Betriebswerte und Leistungsverhalten gegenüber denen der Schaltungen der Fig. 15 und 16 günstiger ausfallen. Die Beschreibung bezog sich somit auf passive Begrenzer und Duplexer, die mit solchen Begrenzern ausgerüstet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Passiver Halbleiterdiodenbegrenzer für sich in Höchstfrequenzanordnungen ausbreitende Wellen hoher Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zumindest zwei antiparallel geschalteten und in der gleichen Ebene senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Wellen in der Höchstfrequenzanordnung liegenden Dioden (11, 12) besteht, deren Halbleiterschicht sich über das jeweilige Diodengehäuse in gut wärmeleitender Verbindung mit dem Masse darstellenden Leiter der Höchstfrequenzanordnung befindet.

2. Begrenzer nach Anspruch 1, wobei die Höchstfrequenzanordnung einen Zentralleiter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschichten der beiden Dioden elektrisch gegensinnig in ihr jeweiliges Gehäuse eingebaut sind und je ein Anschluß der Dioden (11, 12) an dem Zentralleiter (13) liegt (Fig. 2, 3, 4).

3. Begrenzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Diode, deren Kathode mit dem Zentralleiter (13) verbunden ist, in ihrem Gehäuse einen Keramikabschnitt (8) aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus Berylliumoxyd (BeO), aufweist.

4. Begrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer der Dioden die Halbleiterschicht invers gegenüber der Halbleiterschicht der anderen Diode aufgebaut ist.

5. Begrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er im Abstand von λ/4 von den antiparallel geschalteten Dioden zwei weitere, antiparallel geschaltete und in der gleichen Ebene senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Welle liegende Dioden umfaßt (Fig. 9).