DE2458477B2

DE2458477B2 - Mechanischer Mehrkanal-Phasenschieber

Info

Publication number: DE2458477B2
Application number: DE19742458477
Authority: DE
Inventors: Werner Dr.Phil. 8034 Neugermering Fogy; Hans 8031 Gilching Forster
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1974-12-10
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1978-05-11
Also published as: DE2458477A1; DE2458477C3

Description

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Die Erfindung betrifft einen mechanischen Mehrkalal-Phasenschieber nach dem Prinzip veränderbarer .eitungslängen zur Speisung von Phased-Array-Antenien.

Die einzelnen Kanäle derartiger Phasenschieber sind mi η die Speiseleitungen der zugehörigen Elemente der krray-Antenne eingefügt. Durch geeignete Verändeungen der elektrischen Länge der Phasenschieberkanäe läßt sich dann die Phasenbelegung des Arrays so linsteilen, daß die gewünschte Antennen-Charakteristik f, intsteht.

Mechanische Phasenschieber für Phased-Array-Anennen sind heute weitgehend durch Dioden- oder Ferrit-Phasenschieber verdrängt. Bei Anwendungen, bei denen die geringe Einstellgeschwindigkeit und der Verschleiß mechanischer Bauteile keine Rolle spielt, besitzt jedoch ein mechanischer Phasenschieber die Vorteile großer Robustheit und hoher Zuverlässigkeit.

Die bisher bekannten Phasenschieber nach dem Prinzip veränderbarer Leitungslängen (Posaunen) sind in Koaxialtechnik aufgebaut und daher mechanisch relativ aufwendig (M. I. S k ο I η i k, Radar Systems, McGraw-Hill, 1962, Seite 307).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Konstruktion zu finden, die sich in Streifenleitungstechnik realisieren läßt.

Diese Aufgabe wird bei einem Phasenschieber der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Wciteibildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Koppelung von Rotor- und Statorkomponente jeder Leitung kann durch galvanischen Kontakt oder kapazitiv erfolgen. Bei kapazitiver Koppelung ist in den meisten Fällen zur Verhinderung einer Wellenwiderstandsänderung der Leitung eine Stufung der Außenleiter erforderlich.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann zur Erzielung einer vollkommenen Leitungssymmetrie, insbesondere bei kapazitiver Koppelung, der Statorteil jeder Leitung so geteilt sein, daß der geschaffene Zwischenraum den überlappenden Teil des Rotorteils der Leitung aufnimmt.

Alternativ kann bei kapazitiver Koppelung gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung durch Stufung der Außenleiter nach F i g. 3d jede Posaunenleitung aus vier unsymmetrischen und zwei symmetrischen Abschnitten zusammengesetzt werden. Die Abmessungen sind so zu wählen, daß alle Leitungsabschnitte den gleichen Wellenwiderstand besitzen.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher beschrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 ein Konstruktionsschema eines 2-Kanal-Phasensrhiebers gemäß der Erfindung mit galvanischer Koppelung, in auseinandergezogener Darstellung,

F i g. 2 das geometrische Prinzip der Speisung eines Antennenarrays über den Phasenschieber,

Fig.3 abgewickelte Längsschnitte durch die Dreiplattenleitungen im Bereich der Überlappung von Stator- und Rotorleitungen, bei verschiedenen Streifenleitungsanordnungen, und

F i g. 4 Längsschnitte entsprechend F i g. 3b, 3d mit zusätzlichen Vorrichtungen zur Dämpfung störender Resonanzen im Koppelungsbereich von Stator- und Rotorleitungen.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Stator-Platine 7 vorgesehen, die auf ihrer Oberseite die geätzten Innenleiter der beiden Posaunenleitungen trägt. Eine Rotorplatine 4 ist mit den entsprechenden Posaunenleitungen auf der Unterseite versehen. Ein Statorring 5 setzt die Rotorplatine nach außen fort. Ein Leistungsverteiler besteht aus zwei Platinen 6 mit einem geäzten Verteilerinnenleiter 8. Zwischen einer Moosgummiplatte 2 und dem Rotor 4 ist eine Metallfolie 3 angeordnet, die zur elektrischen Überbrückung des Spalts zwischen Rotor und Statorring dient. Ein Rotorantrieb 1 dient zur manuellen Einstellung. Die Oberseite der Rotorplatine und des Statorrings und der Unterseite der Statorplatine sind metallisiert, ebenso die Unterseite der unteren Verteilerplatine.

Alle Teile werden durch eine nicht dargestellte Feder zusammengedrückt, so daß ein ausreichender Kontakt zwischen den Posaunen-Leiterbahnen von Rotor und Stator gewährleistet ist.

Die drei unteren Platinen und der Statcrring sind am i Rand zusätzlich verschraubt. Die Ausgänge des Verteilers sind mit den entsprechenden Eingängen der Posaunen z. B. durch eingelötete Stifte leitend verbunden.

Das Prinzipschaltbild in F i g. 2 zeigt Umwegleitun- in gen U_n zur Kompensation der Nullpunkt-Phasenverschiebungen bei ganz eingefahrenem Rotor, einen Leistungsverteiler V, ein Antennen-Array E, sowie den Schwenkwinkel ψ dec Antennenkeule.

F i g. 3 zeigt abgewickelte Längsschnitte durch die ι ί Dreiplattenleitungen im Bereich der Überlappung von Stator- und Ro'.orleitungen bei verschiedenen Streifenleitungsanordnungen, nämlich

a): Dreiplattenleitung, einfacher Stator, galvanischer

Kontakt,
b): Dreiplattenleitung, geteilter Stator, kapazitive Koppelung,

c): Version mit geteiltem Rotor-Leiter,
d): unsymmetrische Dreiplattenleitung, kapazitive Koppelung.

Fig.4 zeigt Längsschnitte entsprechend Fig.3b, 3d mit zusätzlichen Dämpfungsbelägen 40, 4t zur Dämpfung störender Resonanzen im Koppelungsbereich von Stator- und Rotorleitungen. ;o

Der in Fig. 1 dargestellte Vielfachphasenschivber weist deshalb voneinander unabhängige Leitungen veränderlicher Länge (Posaunen) in Streifenleitungstechnik auf, die auf einem Rotor und einem Stator konzentrisch so angeordnet sind, daß die Änderung der si elektrischen Länge jeder Posaune dem Drehwinkei des Rotors und dem Abstand der Posaune von der Drehachse proportional ist.

Wenn die Eingänge der Posaunen über einen Verteiler, der zweckmäßigerweise auch in Streifen- to ieitertechnik ausgeführt ist, mit geeigneten Phasen und Amplituden gespeist werden, dann lassen sich die Ausgänge der Posaunen unmittelbar mit den entsprechenden Elementen des Antennen-Arrays verbinden. Die Beziehung zwischen Drehwinkel λ des Phasenschie- -i > berrotors und dem Sinus des Schwenkwinkels ψ der Antennenhauptstrahlrichtung ist streng linear (siehe F ig. 2):

sin ψ =■- 2 I ;/(r„, r„₄ ,. r)

¹ η t I ^rn

"d.

\ίε Verhältnis zwischen elektrischer und geometrischer Länge der äußersten Posaune

f Korrekturfaktor (Y= 1) η

r„ Abstand der /Men Posaune von der Drehachse
d„ Distanz des n-tenund(n+1)-ten Arrayelements
ν Frequenz

Der Korrekturfaktor f nimmt abhängig von der wi Geometrie der verwendeten Streifenleitung insbesondere bei hohen Frequenzen mit der Krümmung der Leiterbahnen etwas zu.

Die Koppelung zwischen Rotor- und Stator-Leiterbahnen kann galvanisch (Schleifkontakte) oder kapazi- to tiv erfolgen. F-¹Ig. 3 zeigt einige der verschiedenen Möglichkeiten. Es sind auf die Papierebene abgewickelte, nicht maßstäbliche Längsschnitte durch eine Streifenleitung im Bereich der Überlappung von Rotor- und Statorleiterbahnen dargestellt. Die Dielektrika von Rotor bzw. Stator sind jeweils kreuzschraffiert bzw. einfach schraffiert. Leiterbahnen und Schirme dick ausgezogen gezeichnet.

Fig. 3a zeigt die herstellungstechnisch einfachste Lösung. Nach diesem Prinzip wurde einlOfach-Phasenschieber für eine ^-Band-Antenne hergestellt.

Bei kapazitiver Koppelung zwischen Stator- und Rotorleitungen ist im allgemeinen eine Stufung der Außenleiter zur Vermeidung von Wellenwiderstandsänderungen erforderlich. Dies läßt sich durch Zusammensetzen der Platinen aus Sektoren unterschiedlicher Dicke bewerkstelligen. Meist dürfte auch eine Unterdrückung von Störmoden, die sich im Überlappungsbereich der Leitungen ausbilden, notwendig sein. Bei schmalbandiger Auslegung des Phasenschiebers genügt dazu ein λ/4 langes Leitungsstück A mit nachfolgender bedampfter Leitung B am Beginn der Überlappungsstrecke (F i g. 4b). Der Wellenwiderstand Z_A der Leitung A — als Leitung seien hier die beiden die Störmoden führenden Teile der Posauneninnenleiter betrachtet — soll klein sein gegen den Wellenwiderstand Zn der folgenden Leitung B. S sei z. B. durch ein Graphitbelag so stark bedämpft, daß unabhängig von der Phasenschieberstellung am Eingang von B nur Impedanzen /?»Zö auftreten. Dann wird in die Stoßstelle lediglich die sehr kleine Serienimpedanz Z.\²/R< 1 transformiert. Durch Einfügen einer weiteren λ/4-langen Leitung Z gem. F i g. 4a 'aßt sich der Stoß weiter vermindern.

Oberer und unterer Schirm der Posaunenplatinen bilden zusammen mit den im allgemeinen vorhandenen seitlichen Abschirmungen einen zylindrischen Hohlraum. Dieser kann insbesondere bei kapazitiver Koppelung der Posaunen zu £_mno-Schwingungen angeregt werden, die durch besondere Maßnahmen gedämpft werden müssen, da sonst störende Verkoppelungen der Leitungen auftreten. Da der Hohlraumresonator durch Verstellen des Rotors etwas verstimmt wird, können ^„,„„-Resonanzen meist nicht durch Auswahl geeigneter Topfabmessungen vermieden werden.

Die Feidverteilung in Randnähe des zylindrischen Resonatortopfs kann, wenn man die Umgebung von Knotenlinien nicht betrachtet, durch radial nach außen laufende und am Rand reflektierte TEM-Wellen beschrieben werden. Eine sehr gute Dämpfung der Hohlraumschwingungen erreicht man daher durch Absorption der nach außen laufenden Wellen mittels Widerständen oder anderen Absorbern am Rand der Platinen. Bei dem hergestellten Musterstück eines L-Band-Phasenschiebers wurde zu diesem Zweck vom gemeinsamen Schirm der Phasenschieber- und Verteiler-Dreiplattenleitung durch einen Schlitz ein 5 mm breiter Rand abgetrennt. Der abgetrennte Rand, der sich über etwa drei Viertel des Umfangs der Platine erstreckt, ist mit dem oberen Schirm der Phasenschieber-Leitungen und dem unteren Schirm der Verteiler-Leitungen lediglich kapazitiv gekoppelt. Der Schlitz wird durch zahlreiche Kohleschichtwiderstände überbrückt, die in Atisfräsungen der Phasenschieberplatine untergebracht und mit Schirm und abgetrenntem Sch:-mrand verlötet sind. Die Widerstände sind im gegenseitigen Abstand a<X angeordnet. Ihr Widerstandswert wird gleich dem Wellenwiderstand einer Bandleitung der Breite a gewählt, deren Leiterabstand und Dielektrikum dem zu bedämpfenden Topf entsprechen.

Die günstigste Leitungsanordnung bei kapazitiver Koppelung dürfte in den meisten Fällen die nach F i g. 3b oder 3d sein. Der Rotor in F i g. 3b läßt sich ζ. Β aus einer gedruckten Schaltung auf kommerziell erhältlichem 0,13 mm starkem Glasfascr-PTFE-Trägeimaterial herstellen, die mit einer zweiten gleichen Folie abgedeckt wird.

Bei der Anordnung nach F i g. 3d muß zur Konstanthaltung des Wellenwiderstands die Symmetrie der Dreiplattenleitung aufgegeben werden. Zur Überleitung der infolge der Leitungsunsymmetrie ungleichen Schirmströme müssen im Überlappungsbereich besondere Schirmstromkoppelelemente vorgesehen werden, die infolge ihres Platzbedarfs und des konstruktiven Aufwands einen gewissen Nachteil dieser Konfiguration bilden. Andererseits wird durch die Schirmkoppler eine besonders gute Entkoppelung der einzelnen Posaunen erzielt. Als Schirmstromkoppler eignen sich bei der üblichen Herstellungsmethode der Platinen aus kupferbeschichteten Kunststoffplatten Leiterbahnen zu beiden Seiten der Posaunenleitungen, die durch zahlreiche galvanisch durchkontaktierte Bohrungen mit dem jeweiligen Schirm verbunden sind.

Ein Musterstück eines L-Band-Phasenschiebers mit galvanischer Koppelung wurde nach dem Konstruktionsprinzip F i g. 1 bzw. F i g. 3a gebaut.

Dieser lO-Kanal-Phasenschieber liefert bei einem maximalen Drehhub von 115° eine Phasendifferenz zwischen benachbarten Kanälen von 150° (Frequenz 1,6 GHz). Der Wellenwiderstand aller Posaunen beträgt 50 Ohm. Die Platinen haben einen Durchmesser von 32 cm und sind aus 1,6 mm starkem kupferkaschiertem Glasfaser-PFTE-Materia! mittels Fotoätzverfahren hergestellt. Der Rotor, ein kreisförmiger Ausschnitt der obersten Platine, wird mittels Sehaumsiliconplattc und Druckleller mit einer Kraft von 30 kp angedrückt. Bei einer Schmierung mit flüssigem Paraffin ist zur Drehung des Rotors unter diesen Bedingungen ein Drehmoment von maximal 0,8 mkp notwendig. Bei einem Dauerversuch konnte nach 1000 Drehzyklen noch keine sichtbare Abnutzung festgestellt werden.

Die Vermessung des Musters ergab kanalunabhängige mittlere absolute Phasenfehler von ca. ±5", die auf Stoßstellen in den Leitungen, Ungleichmäßigkeiten der Platinen usw. zurückzuführen sind, und die noch verringert werden könnten.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile, verglichen mit konventionellen mechanischen Phasenschiebern bestehen in einem wesentlich billigeren Herstellungsverfahren, da alle Platinen als »gedruckte Schaltungen«, hergestellt werden können. Die Prototypherstellun^ und -Optimierung wird besonders einfach, da sich die gezeichneten Vorlagen für das Foto-Ätzverfahren leichi mittels rechnergesteuertem Plotter erzeugen lassen Schließlich ist noch der Gewichts- und Größenvortei von Bedeutung: In Streifenleitungstechnologie lasser sich die Leitungen dichter Packen und mit geringeren Gewicht herstellen als in Koaxtechnik.

Hier/u 4 Blatt /.cidimiimen

Claims

Patentansprüche:

1. Mechanischer Mehrkanal-Phasenschieber mit veränderbaren Leitungslängen zur Speisung von Phased-Array-Antennen, dadurch gekennzeichnet, daß die in Dreiplattenleitungstechnik aufgebauten Posaunen teils auf einem Rotor, teils auf einem Stator konzentrisch so angeordnet sind, daß sich die Innenleiter des Rotor- und des Statorteils jeder Posaunenleitung in einem Bereich überlappen, dessen Länge jeweils proportional dem Drthwinkel des Rotors ist.

2. Mehrkanal-Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorplatine so geteilt ist, daß der Zwischenraum zwischen den beiden Teilen des Statorteils den überlappenden Teil des Rotorteils der Posaunen aufnimmt (Fig. 3b, Jc).

3. Mehrkanal-Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorplatine und die Statorplatine derart gestuft ausgebildet sind, daß sich sechs Leitungsabschnitte mit gleichem Wellenwiderstand ergeben und daß vier der sechs Leitungsabschnitte unsymmetrisch ausgelegt sind (F ig. 3d).

4. Mehrkanal-Phasenschieber nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Rotor und dem Statorring eine Metallfolie (3) zur Überbrückung des Spalts zwischen Rotor und Statorring vorgesehen ist.

5. Mehrkanal-Phasenschieber nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Umwegleitungen (U_u, U, U₂) vorgesehen und mit jeweils einer Posaune verbunden sind.

6. Mehrkanal-Phasenschieber nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator geteilt ist und daß zwischen den Posaunen des Stators und des Rotors eine kapazitive Koppelung besteht.

7. Mehrkanal-Phasenschieber nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn7eichnet, daß die Posaunen des Rotors in verschiedenen Ebenen und voneinander isoliert angeordnet sind.

8. Mehrkanal-Phasenschieber nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in Dreiplattenleitungstechnik aufgebauten Posaunen in unsymmetrischer Anordnung mit kapazitiver Kopplung vorgesehen sind.

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