DE2400059A1

DE2400059A1 - Integrierter zirkulator mit drei anschluessen und aktiven schaltungen fuer hoechstfrequenzen

Info

Publication number: DE2400059A1
Application number: DE2400059A
Authority: DE
Inventors: Jean-Yves Herve; Raymond Ropars
Original assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Current assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Priority date: 1973-01-02
Filing date: 1974-01-02
Publication date: 1974-08-15
Also published as: GB1453751A; US3860893A; FR2212653A1; FR2212653B1

Description

LIGNES TEKEGRAPHIQUES ET TEtEFHONIGUES 89, Rue de la Faisanderie

75762 Paris Cedex 16 , Frankreich

Integrierter Zirkulator mit drei Anschlüssen und aktiven Schaltungen für Höchstfrequenzen

Die Erfindung betrifft eixien Zirkulator für einen Frequenzbereich zwischen 100 Megahertz und einigen Gigahertz. Unter Zirkulator versteht man des öfteren eine im Mikrowellenbereich benutzte Anordnung; hier wird der Ausdruck Zirkulator entsprechend der folgenden Definition angewandt:

"^ ■*■"'* —

Ein „Zirkulator mil; η-Anschlüssen ist eine-Schaltungsanordnung mit folgenden Eigenschaften: Wenn die Anschlüsse mit ihrem ¥ellenwiderstand abgeschlösset! und aufeinanderfolgend von 1 bis η numeriert sind, erscheint beim Anlegen eines Signals an einem beliebigen Anschluß k ein Ausgangssignal nur am Anschluß k+1, wenn k kleiner als η ist, und am Anschluß 1 , wenn k = η ist.

Lei/Ba

409833/0666

■ - 2 -

Fig.1 zeigt einen Zirkulator mit drei Anschlüssen, der. beispielsweise eine direkte Übertragungsrichtung 1-2-3 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn aufweist.

Zirkulatoren beruhen meistens auf den Eigenschaften von ferromagnetisehen Materialien im Mikrowellenbereich. Die Erfindung betrifft einen Zirkulator mit aktiven Vierpolen, die für den Betrieb im unteren Mikrowellenbereich, d.h. zwischen 0,1 GHz und einigen GH? besser geeignet sind. In einem Aufsatz von Maria Prudhon "Gyrateurs et systömes ä sens unique" in der Zeitschrift "Cables et Transmission", Heft 1, 1957, Seiten 66 bis 73, ist die allgemeine Beziehung zwischen Impedanzen eines passiven und verlustfreien Vierpols angegeben und anschließend wird gezeigt, daß für den besonderen Fall eines linearen passiven und verlustfreien Vierpols, genannt Gyrator, diese Beziehung dem Ausdruck Zp* = ""Z-jo ^{= S en}'^fcsP^r:i-^cn'^t» wobei S ein reeller Wert ist. Der Gyrator ist "ideal", wenn die eigenen Impedanzen gleich Null sind und die Spannungen in Abhängigkeit von den Strömen den Ausdrücken ILj = -Sl£ und U2 = SI^ entsprechen.. Weiterhin wird gezeigt, daß ein Vierpol mit nur "idealen" Gyratoren und passiven Elementen unterschiedliche Dämpfungswerte in beiden Üborträgungsrichtungen aufweisen kann, wenn nicht alle Elemente mit Ausnahme der Gyratoren reine Reaktanzen sind.

In der FR-PS 1 196 139 ist ein Vierpol beschrieben, der im Frequenzbereich zwischen 2,5 und 5 Megahertz als Isolator (Richtungsleitung) verwendbar ist, wobei der Vierpol eine Entkopplung von über 40 Dezibel und eine Einfügungsdämpfung zwischen 9 und 15 Dezibel je nach Frequenz aufweist. Seit dieser Zeit wurde die Anwendung von aktiven

409833/0666

Schaltungen als Gyratoren sowie die Zusammenschaltung von mehreren Gyratoren zur Herstellung von Zirkulatoren wiederholt beschrieben«, B.Rembold beschreibt in der "Nachrichtentechnischen Zeitschrift" vom März 1971' auf den Seiten 121 bis 176 einen Zirkulator mit sechs Transistoren und drei Zenerdioden₉ der jedoch folgende Einschränkungen aufwe ist:

- die höchste Frequenz des Durchlaßbandes liegt bei 30 MHz,

- die zulässige Eingangsleitung an den Anschlüssen des Zikuilators ohne Verringerung der Bandbreite bewegt sich in der Größenordnung von einem Zehntel Milliwatt;

- wegen des Verstärkungsfaktors der Spannungsverstärker besteht die Neigung zum Auftreten von parasitären Schwingungen in der Schaltung, wodurch jede Anwendung im Mikrowellenb^reich unmöglich gemacht wird;

- es sind zwei stabilisierte Stromquellen notwendig;

- die Abgleichung zur Erzielung der besten Leistungen und der Gleichspannung Null an den Anschlüssen des Zirkulators im Ruhezustand ist kritisch.

Die Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, einen Zirkulator zu schaffen, der im Frequenzbereich über 100 MHz verwendbar ist und imstande ist, eine Leistung von der Größenordnung eines Milliwatts bei einer sehr geringen Einfügungsdämpfung und mit einer Entkopplungsdämpfung von wenigstens 20 Dezibel zu übertragen.

409833/0666

Ein Zirkulator mit drei Anschlüsssen, der aus drei gleichen Gyratoren mit aktiven Schaltungen gebildet ist, wobei jeder Gyrator aus einem transistorisierten Spannungsverstärker und einem transistorisierten Stromverstärker besteht, ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder der in Form ■integrierter Mikrowellen- Hybridschaltungen auf demselben Träger hergestellten Gyratoren eine impedanzmässig an einen der Anschlüsse des Zirkulators angepasste Eingangsyerbindung und eine kapazitive Verbindung zwischen dem Spannungsverstärker und dem Stromverstärker, sowie eine kapazitive Verbindung zwischen dea Eingang des Spannungsverstärkers und dem Ausgang des Stromverstärkers des vorhergehenden Gyrators aufweist.

Die Zirkulatoren gemäß der Erfindung haben folgenden Vorteile:

- Da ihre Abmessungen für denselben Frequenzbereich kleiner als diejenigen der Ferritzirkulatoren sind, können sie vorteilhafter in Schaltungen eingefügt werden, die nach der Technik der Mikroelektronik ausgeführt sind. So kann man zum Beispiel einen Zirkulator mit einem Durchlaßbereich von 0,55 bis 1 GHz mit den Abmessungen 35x35x14 mm oder 28x39x14 mm herstellen. Bei der Verwendung von Koaxialsteckern in Miniaturbauweise können die zuvor angegebenen Abmessungen auf 35x35x6 mm verringert werden, wobei der Zirkulator dann nur noch einige Gramm schwer ist. Ein von der Anmelderin unter der Bezeichnung R 2947 B in den Handel gebrachter Ferritzirkulator mit demselben Durchlaßbereich und vergleichbarer Entkopplungs- und Einfügungsdämpfung wiegt 1,3 kg und hat den Rauminhalt eines Zylinders mit 160 mm Durchmesser und einer Höhe von 40 mm; ein solcher

409833/0666

Zirkulator kann also nicht ohne weiteres in einer integrierten Schaltung verwendet werden.

- Bei gleichen Abmessungen ist die Bandbreite der-Zirkulator en mit.aktiven Schaltungen wesentlich größer als der- · jenige von Ferritzirkulatoren. So ist es beabsichtigt, zwei Zirkulatoren unter den Bezeichnungen F 58 100 A und F 58 .101 A auf den Markt zu bringen, deren Abmessungen denen eines Zylinders mit 50 mm Durchmesser und 20 mm Dicke entsprechen. Der erste Zirkulator weist einen Durchlaßbereich zwischen 70 und 360 MHz und der zweite einen Durchlaßbereich von 200 bis 500 MHz auf«, Um diese beiden Bandbreiten mit Ferritzirkulatoren zu erfassen, müsste man vier Zirkulatoren verwenden, von denen jeder die Abmessungen eines Zirkulators mit aktiven Schaltungen hätte.

·· Der Zirkulator gemäß der Erfindung weist eine einzige Stromversorgung auf, deren einer Pol an Masse liegt, wodurch Probleme bezüglich des Potentialabgleichs entfallen.

- Der Zirkulator gemäß der Erfindung ist für einen Betrieb im Bereich sehr hoher und höchster Frequenzen anwendbar. Wenn infolge des technischen Fortschritts Transistoren mit noch höheren Grenzfrequenzen auf den Markt kommen werden, können diese Transistoren ohne Änderung des Aufbauprinzips in den Zirkulator nach der Erfindung eingebaut werden, so daß die höchste Betriebsfrequenz des Zirkulators dann dementsprechend höher wird.

409833/0666

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand des folgenden, in den Fig.2 bis 10 dargestellten Beispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig.2 das Funktionsschema des Zirkulators gemäß der Erfindung,

Fig.3 das elektrische Schaltschema eines der Gyratoren des Zirkulators,

Fig.4 die Anordnung der einzelnen Elemente des Zirkulators,

Fig. 5 den Stehwellengrad eines Zirkulators des ersten Typs von außen her gesehen,

Fig.6 eine Ausführungsvariante der Anpassungsschaltung der Anschlüsse des Zirkulators,

Fig.7a die Einfügungsdämpfung eines Zirkulators des ersten Typs,

Fig.7b d:.e Einfügungsdämpfung eines Zirkulators des !.weiten Typs,

Fig.8a die Entkopplungsdämpfung eines Zirkulators des ersten Typs,

"Fig.8b die Einfügungsdämpfung eines Zirkulators des zweiten

Typs ,

Fig.9 denGütefaktor eines Zirkulators des ersten Typs und

Fig.10 ein Beispiel einer Kennlinie der Einfügungs- und Entkopplungsdämpfung eines Zirkulators in Abhängigkeit von der Amplitude der einfallenden Welle.

409833/0686

Fig.2 zeigt einen Zirkulator mit den Anschlüssen 1,2, 3; dieser Zirkulator enthält- Spannungsverstärker 30, die über Kondensatoren 32 mit Stromverstärkern 31 verbunden sind. Kondensatoren 33 verbinden ihrerseits den Ausgang Qedes Stromverstärkers 31 mit dem darauffolgenden Spannungsverstärker Jeder Anschluß des Zirkulators ist über einen Kondensator 34 mit dem Eingang eines Spannungsverstärkers verbunden. Die Stromversorgung der Verstärker ist nicht dargestellt.

In Fig.3 ist teilweise das elektrische Schaltschema des Zirkulators gezeigt; einer der drei gleichen Gyratoren ist von einer gestrichelten Linie 4 umschlossen. Jeder Gyrator besteht aus zwei Transistoren: Der als Spannungsverstärker geschaltete Transistor 5 entspricht dem Teil 30, von Fig.2 und der als Stromverstärker geschaltete Transistor 6 entspricht dem Teil 31 von Fig,2. Der Transistor 5 ist über einen Kondensator 7 mit dem davorliegenden Aaschluß , in Fig.3 beispielsweise mit dem Anschluß 2, und über den Kondensator 8 mit dem davorliegenden Stromverstärker verbunden.

Die Widerstände 9 und 10 bilden zwischen Masse und einer allgemeinen Spannungsversorgungsleitung einen Spannungsteiler, wobei die Spannungsversorgungsleitung an den Verbindungspunkt zwischen einem Widerstand 21 und einem Kondensator 22 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 5 ist mit dem Abgriff dieses Spannungsteilers verbunden; außerdem ist die Basis des Transistors 5 über einen Kondensator 7 in Reihe mit einer Induktivität 14 von geringem Wert mit dem Anschluß und über einen auf einen Wert von etwa 50Ώ eingestellten Widerstand 12 in Reihe mit einem Kondensator 8 mit dem Emitter des Ausgangstransistors des davorliegenden Gyrators verbunden, wobei der Widerstand 12

409833/0666

2A00059

in Abhängigkeit von dem gewünschten Frequenzband optimal eingestellt wird. Ein Widerstand 13 von 50Ω verbindet den Emitter dieses Ausgangstransistors mit dem Emitter des Tranaistors 5. Ein "Widerstand 11 von 50 Ω verbindet den Emitter des Transistors 5 mit Masse. Die Kondensatoren und 8 weisen dieselbe Kapazität von z.B. § 700 Picofarad auf.

Ein Kondensator 15 verbindet den Lastwiderstand 16 des Transistors 5 mit der Basis des Transistors 6. Die Basis des Transistors 6 ist außerdem mit den Widerständen 17 und 18 verbunden.Ein niederohmigej? Widerstand ist zwischen dem Kollektor des Transistors 6 und der mit dem Entkopplungskondensator 22 verbundenen Klemme des Widerstands 21 angeschlossen. Ein Kondensator 23 mit gutemFrequenzverhalten und geringer Kapazität ist' zu dem Kondensator 22 parallel geschaltet. Ein zwischen dem Emitter des Transistors 6 und Masse vorgesehener Widerstand 20 von 100 Ω bildet den Ausgang des Stromverstärkers·

Fig.4 zeigt den Zirkulator gemäß der Erfindung, dessen Endform in Gestalt einer integrierten Mikrowellen-Hybridschaltung ausgeführt ist. Die als Anschlüsse dienenden , in der 50 Ω -Mikrowellennorm ausgeführten Buchsen 41, 42, 43 sind an dem Gehäuse 45 befestigt. Die Spannungsverstärker 30 von Fig.2 bestehen aus den Transistoren 40, während die Stromverstärker 31 durch die Transistoren 44 gebildet sind. Von den mit Erfolg angewandten Transistoren kann man die von der Firma Hewlett-Packard in den Handel gebrachten Transistoren 35 821 E, die von der Firma Texas Instruments auf den Markt gebrachten Transistoren MS 175 und die von der Anmelderin in den Handel gebrachten Transistoren BS-T14 nennen.

409833/0666

Folgende Kenngrößen dieser Transistoren sind besonders bemerkenswert ί

Maximale Betriebsfrequenz 6 bis 7 GHz, Transitfrequenz 4,5 GHz, Rauschfaktor bei 1 GHz gleich 2 Dezibel, maximale Leistung 100 Milliwatt.

Die Stromversorgung des Zirkulators, die außerhalb des geschlossenen Metallgehäuses 45 liegt, ist über eine Koaxialleitung 46 angeschlossen, deren Außenleiter mit der Masse des Gehäuses verbunden ist»

Der Zirkulator arbeitet in folgender Weises

Der Transistor 5 von Fig.3 liegt in der Diagonale einer Wheatstone»Brücke₉ bestehend aus den Widerständen 11, 12, 13 und der rein ohmschen Impedanz der über den Anschluß 2 gesehenen Last_s wobei die Brücke abgeglichen ist₉ wenn die Last entsprechend gexfählt ist, da sich die Kapazitäten 7 und 8 kompensieren. Jedes Signal, das von dem in der einen Diagonale der Brücke liegenden Widerstand 20 herrührt, ergibt die Resultierende Null in der anderen Diagonale, in der der Transistor 5 liegt. Das von dem Anschluß 1 stammende Signal kann also nicht zu dem Anschluß 3 übertragen werden.Hingegen erscheint im Zweig, in dem der Anschluß 2 liegt, ein Signal, das über diesen Anschluß nach außen geleitet wird, da der Reflexionsfaktor in dieser Richtung gleich Null ist. Es ist erforderlich, daß diese Bedingung im ganzen Arbeits-Frequenzband des Zirkulators erfüllt wird. Dies führte dazu, die Anschlüsse in Form von Koaxialbuchsen der 50Ω -Mikroweilennorm auszuführen, an die Koaxialstecker und Koaxialkabel der gleichen Norm angeschlossen v/erden können. Von außen

40 9 833/0666

her über jeden Anschluß gesehen, ist der Zirkulator ebenfalls angepaßt. Dieses Ergebnis wird in einem meist als ausreichend angesehenen Frequenzbereich durch Verwendung einer Induktivität erzielt, die aus zwei Windungen eines Drahtes von 1,6 mm Durchmesser besteht, die mit einem Durchmesser von 20 mm gewickelt sind; dies ist in Fig.3 durch die Induktivität 14 dargestellt. ¥enn jedoch der Frequenzbereich des Zirkulators in das Mikrowellengebiet übergeht, wird die Vorspannung jedes Transistors 5 experimentell so eingestellt, daß die maximale Grenzfrequenz des Transistors erhalten wird. Die Anpassung jedes Anschlusses des Zirkulators in einem breiten Frequenzbereich erfolgt dann mit Hilfe eines komplizierteren Netzwerks von komplexen Impedanzen.

Fig.5 zeigt den Stehwellengrad eines ersten Zirkulatortyps von außen her über einen beliebigen der drei Anschlüsse gesehen. Diese Figur zeigt, daß der Betriebsfrequenzbereich eines Zirkulators dieses Typs zwischen 150 und 500 MHz liegt.Zur Veranschaulichung dessen, was weiter oben beschrieben wurde, zeigt Fig.6 in dem gestrichelten Viereck eine Anpassungsschaltung für die Anschlüsse eines zweiten Zirkulatortyps, bestehend aus den Transistoren BST für den Frequenzbereich zwischen 300 und 1000 MHs. Diese Schaltung enthält eine Serieninduktivität 62, deren Kenngrößen in etwa mit denjenigen der Induktivität 14 übereinstimmen, und eine Kapazität 63 von beispielsweise 12 Picofarad, die mit einem Widerstand 64 von beispielsweise 220 Ω in Reihe geschaltet ist. Die beiden letzten Elemente sind zwischen Masse und dem Verbindungspunkt zwisehen der Induktivität 62 und dem Kondensator 15 angeschlossen.

Fig.7a zeigt die in Dezibel ausgedrückte Einfügungsdämpfung eines Zirkulators des ersten Typs in Abhängigkeit von der Frequenz. DieseKurve zeigt, daß der Zirkulator bei Frequenzen

409833/0666

unterhalb 350 MHz eine über einen beliebigen Anschluß ankommende Welle verstärkt und daß diese Welle aus dem in der direkten Ausbreitungsrichtung des Zirkulators folgenden Anschluß austritt, während oberhalb 35OMHz der Zirkulator " dämpfend wirkt.

Fig.7b zeigt die Einfügungsdämpfung eines Zirkulators des zweiten Typs.

Fig.8a zeigt die Entkopplungsdämpfung in Dezibel eines Zirkulators des ersten Typs und Fig.8b zeigt die Entkopplungsdämpfung eines Zirkulators des zweiten Typs.

Die von den Figuren 7a und 8a abgeleitete Fig.9 zeigt den Verlauf des Gütefaktors eines Zirkulators des ersten Typs in Abhängigkeit von der Frequenz.Die Kurve drückt das Verhältnis der Leistung einer in direkter Ausbreitungs- ' richtung laufenden Welle zu der Leistung einer sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitenden Welle in Dezibel aus.

In Fig.10 zeigt die Kurve 101 die Einfügungsdämpfung und die Kurve 102 die Entkopplungsdämpfung eines Zirkulators des ersten Typs bei 200 MHz in Abhängigkeit von der Amplitude der Spannung der ankommenden Höchstfrequenzwelle.

Messungen der Bandbreite des Zirkulators des ersten Typs in Abhängigkeit von der Eingangsleistung haben bei einer Einfügungsdämpfung von 1 db und einer Entkopplungsdämpfung von 16 db folgende Werte ergeben:

409833/0666

Eingangsleistung * Bandbreite

0,5 mW . 150 bis 500 MHz

1 mW 200 bis 500 MHz

2 mW 220 bis 350 MHz

5 mW 220 MHz + einige MHz

Diese Bandbreite kann dadurch geändert werden, daß die Abgleichsfrequenz der Wheatstone-Brücke am Eingang jedes Gyrators geändert wird. Dies erzielt man praktisch dadurch, daß man die Vorspannung des Transistors 5 ein wenig ändert. Man kann beispielsweise mit demselben Zirkulator folgende Ergebnisse erhalten:

Eingangsleistung Bandbreite

0,5 mW 60 bis 370 MHz

1 mW 70 bis 360 MHz

2 mW 70 bis 280 MHz 5 mW 90 bis 160 MHz

7 mW 100 MHz + einige MHz

Rauschmessungen wurden mit unterschiedlichen Ausführungsformen des Zirkulators durchgeführt. Als charakteristisches Ergebnis wurde z.B. mit den Transistoren 35821 E ein Rauschfaktor von 8,5 db bei 60 MHz und von 11 db bei 250 14Hz ermittelt.

Patentansprüche

409833/0666

Claims

Patentansprüche

Zirkulator mit einer Bandbreite vor. mehr als einer Oktave für Höchstfrequenzen, bestehend aus drei in Reihe geschalteten gleichen Gyratoren mit aktiven Schaltungselementen, wobei der Ausgang des dritten Gyrators mit dem Eingang des ersten Gyrators verbunden ist und jeder Gyrator einen als Spannungsverstärker g'eschalteten Transistor enthält, der über einen Kondensator mit einem als Stromverstärker geschalteten Transistor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung »ischen jedem Spannungsverstärkertransistor und dem zugeordneten Anschluß des Zirkulators mindestens einen Eingangskondensator enthält, der mit der Basis des Transistors verbunden ist, daß die Ausgangsverbindung zwischen jedem Stromverstärkertransistor und dem zugeordneten Anschluß des Zirkulators mindestens einen Ausgangskondensator enthält, der zwischen dem Emitter des Stromverstärkertransistors und der Basis des Spannungsverstärker-

transistors in Reihe geschaltet ist, und daß jeder der Verstärker mit der gemeinsamen Masse des Zirkulators verbunden ist.

Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieKapazitäten der Eingangskondensatoren und der Ausgangskondensatoren gleich sind.

Zirkulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen jedem Spannungsverstärkertransistor und dem zugeordneten Anschluß des Zirkulators außer dem Eingangskondensator ein Impedanznetzwerk aufweist, das am Anschluß eine reelle Impedanz ergibt, deren V/ert in einem mindestens einer Oktave entsprechenden Frequenzband mit dem Wellenwiderstand des Anschlusses übereinstimmt.

409833/0666

4. Zirkulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungs-Impedanznetzwerk aus einer mit dem Eingangskondensator in Reihe geschalteten Induktivität und einem" in Reihe mit einem Widerstand geschalteten Kondensator von geringer Kapazität besteht, wobei der Kondensator und der Widerstand zwischen der Masse- des Zirkulators und dem Verbindungspunkt zwischen der Induktivität und dem Eingangskondensator angeschlossen sind.

5. Zirkulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Stromquelle zur Versorgung der Transistoren eine Klemme aufweist, die die gemeinsame Masse des Zirkulators darstellt.

6. Zirkulator nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulator in Form.einer integrierten Mikrowellen-Hybridschaltung ausgeführt ist.

409833/0666