DE2230390C3 - Planarer Ferritphasenschieber mit mäanderförmigen Mikrostreifenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen planaren Ferritphasenschieber mit mäanderförmigem Mikrostreifenleiter.

Solche Phasenschieber, die entweder stetig (analog) oder digital steuerbar sind, finden in der Mikrowellentechnik häufig Anwendung. Insbesondere zum Aufbau der phasengesteuerten Antennen, bei denen der gebündelte Mikrowellenstrahl elektrisch abgelenkt wird, wird eine Vielzahl von Phasenschiebern benötigt. Wesentlich für die Verwendbarkeit der Phasenschieber in solchen Systemen sind unter anderem kleine Baugröße und niedrige Verluste.

Bekannt sind Halbleiterphasenschieber, die mit PIN Dioden oder Varaktoren arbeiten (Skolnik, Radar Handbook, McGraw-Hill 1970. Chap. 12). Sie lassen sich in planarer oder Hohlleiterbauweise darstellen. Nachteile dieser Phasenschieber sind insbesondere die hohen Verluste bei hoher« Frequenzen und der hohe Preis der Halbleiter-Bauelemente.

Die aus dieser Literalurstelle weiterhin bekannten Hohlleiterferritphasenschieber haben sehr niedrige Verluste, sind jedoch relativ groß und teuer in der Herstellung.

Der erfindungsgemäße Phasenschieber basiert auf dem planaren Phasenschieber (G. T. R ο 0 m e et al., IEEE Transactions, Vol. MTT-16, S. 411 -420, 1968 und G. R. Harrison et al., IEEE Transactions, Vol. MTT-19, S. 577-587, 1971). Diese Phasenschieber verwenden als Wellenleiter bevorzugt Mikrostreifenleitungen.

Besonders bewährt hat sich dabei die sogenannte Mäanderleitung auf einem Ferritsubstrat. Dabei wird das durch Verkopplung der Felder auf benachbarten Leitungsstücken entstehende zirkulär polarisierte HF-Feld der Mikrowelle zur Veränderung der Phasendrehung herangezogen. Durch dieses zirkuläre Feld ist nämlich die Mikrowelle an das als Substrat verwendete Ferritmaterial gekoppelt, dessen wirksame Permeabilität von der Stärke der Magnetisierung des Substrates und der Richtung der Magnetisierung bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Mikrowelle abhängt.

Durch stetige Veränderung der Magnetisierung z. B. eines weichmagnetischen Ferritmaterials läßt sich so eine stetige Phasenschiebung (Analog-Phasenschieber) oder durch Umschalten der remanenten Magnetisie· rung hartmagnetischer Ferrite eine unstetige Phasenschiebung (Latching-Phasenscbieber) erreichen. Zur Erzielung des zirkulären Feldes wird die Breite der Mäanderleitung so gewählt, daß der Umweg der Welle zwischen zwei benachbarten Punkten ¹Ai Wellenlänge = 90° beträgt. Da die Mäanderleitung Filtereigenschaften besitzt, besteht unter anderem eine obere Grenzfrequenz ig, oberhalb der die Dämpfung der Leitung stark ansteigt.

Bei gegebener Geometrie der Mäanderleitung hängt die erzielbare differentielle Phasendrehung pro Längeneinheit, d. h. die Phasendrehung zwischen zwei Schaltzuständen der Magnetisierung stark von der Frequenz ab. Insbesondere steigt die differentielle Phasenschiebung stark an im Bereich des Grenzfrequenz f_g. Diese für Mäanderleitungen typische Eigenschaft beschränkt entscheidend die nutzbare Bandbreite und den Bereich der Arbeitstemperatur.

Der erfindungsgemäße Phasenschieber vermeidet diese Nachteile dadurch, daß der Abstand der parallelen Leiter des mäanderförmigen Wellenleiters im Bereiche des geschlossenen Endes eines jeden Mäanders größer gewählt ist als im Bereiche seines offenen Endes und daß sich in dem Übergangsbereich /wischen den beiden Endbereichen der Abstand zwischen den beiden Leitern linear und in entgegengesetzt gleichem Maße für beide Leiter von dem einen auf den anderen Abstandswert verändert.

Anstelle der üblichen Mäanderleitung wird eine Leitungsführung gewählt, durch die eine wesentliche Erniedrigung der Frequenzabhängigkeit der differentiellen Phasenschiebung erreicht wird. Im X-Band kann sowohl mit Ferritsubstrat als auch mit nichtmagnetischem Substrat und aufgelegten Ferritblöcken aus weich- oder hartmagnetischem Material eine praktisch konstante Phasendrehung in einem relativ großen Frequenzbereich (ca. 2 G Hz) erzielt werden.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Mäanderleitung und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Ausführung nach der Erfindung.

Wesentlicher Bestandteil der besonderen Leitungsführung ist, wie Fig.2 zeigt, die Aufweitung des Abstandes benachbaiter Leitungen. Diese besondere Formgebung ist das Ergebnis von grundlegenden Untersuchungen über die physikalischen Eigenschaften einer Mäanderleitung.

Diese anhand der F i g. 1 erläuterten Untersuchungen haben unter anderem ergeben:

1) Rei vorgegebener Breite feder Mäanderleitung ist die Phasendrehung pro Mäander stark abhängig von dem Abstand s zweier Leiter. Da die Leiterbreite w durch die Impedanz der Mikrostreifenleitung bestimmt wird, kann die Größe s/w als entscheidender Parameter betrachtet werden.

2) Der Polarisationszustand der Felder zwischen den Leitern kann durch die Elliptizität e gekennzeichnet werden.

(k=±1: zirkulär polarisiert, ε = 0: linear polarisiert) Messungen der Werte ε entlang der Strecke ß-ß'haben gezeigt, daß sich der Punkt zirkularer Polarisation (ε = 1) mit der Frequenz entlang der Strecke ß-ß'verschiebt.

Diese beiden Effekte werden in dem erfindungsgemäßen Phasenschieber folgendermaßen benutzt, um eine Kompensation des Frequenzganges der Mäanderleitung und damit eine Vergrößerung der Bandbreite zu

erreichen: Eine Erhöhung der Frequenz /führt zu einer Vergrößerung der Phasendrehung pro Mäander. Gleichzeitig verschiebt sich der Punkt ε= I, bei dem die stärkste Kopplung mit dem Ferrit stattfindet in Richtung B'. Durch geeignete Aufweitung der Struktur, d. h. Vergrößerung des Parameters s/w kann die frequenzbedingte Erhöhung der Phasendrehung kompensiert werden. Daraus resultiert die in Fig."? dargestellte Ü-Struktur. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von polykristallinen YIG (Yttrium-Eisen-Granat 4πΜ₄ = 1800 Gauss) als Substrat.

Die erfindungsgemäße Leiterstruktur kann jedoch auch bei einem Phasenschieber Verwendung finden, der — wie in der DT-OS 22 29 668 beschrieben — mit einem Substrat aus nichtmagnetischem Material und mit aufgelegten Ferritblöcken aus weich- oder hartmagnetischem Material aufgebaut ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Planerer Ferritphasenschieber mit mäanderförmigem Mikrostreifenleiter, dadurch gekenn- s zeichnet, daß der Abstand der parallelen Leiter des mäanderförmigen Wellenleiters im Bereiche des geschlossenen Endes eines jeden Mäanders größer gewählt ist als im Bereich seines offenen Endes und daß sich in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Endbereichen der Abstand zwischen den beiden Leitern linear und in entgegengesetzt gleichem Maße für beide Leiter von dem einen auf den anderen Abstandswert verändert.

2. Verwendung der Leiterstruktur nach dem Patentanspruch 1 bei einem planaren Ferrit-Phasenschieber, bei dem der mäanderförmige Wellenleiter auf ein nichtmagnetisches Substrat aufgebracht und der Ferrit in Form von Blöcken oder Ringkernen auf den Wellenleiter aufgelegt ist.