DE2460695C3 - Mikrowellen-Phasenschieberglied in Streifenleitungstechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mikrowellen-Phasenschieberglied in Streifenleitungstechnik mit zwei zueinander parallel verlaufenden, von einer Durchgangsleitung im elektrischen Abstand von etwa einer Viertelwellenlänge abzweigenden und jeweils mit mindestens einer PIN-Diode abgeschlossenen Stichleitungen.

Derartige Phasenschieber, bei welchem eine durchgehende Leitung durch zwei identisch aufgebaute Stichleitungen belastet ist, welche jeweils mit einer PIN-Dicde abgeschlossen sind, werden als Loaded-Line-Phasenschieber bezeichnet. Durch geeignete Wahl der Länge und des Wellenwiderstandes der Stichleitungen wird erreicht, daß sich beim Umschalten der Dioden vom Durchlaß- in den Sperrzustand und umgekehrt die elektrische Ersatzlänge der Schaltung und damit die Phase der durchgehenden Welle um den gewünschten Wert ändert. Da die beiden Stichleitungen voneinander den Abstand einer Viertelwellenlänge haben, kompensieren sich die von ihnen auf der durchgehenden Leitung hervorgerufenen Störungen, so daß in beiden Schaltstellungen Anpassung herrscht. Diese Schaltung benötigt nur zwei jeweils in gleicher Richtung gepolte Dioden. Da bei dieser Konfiguration keine Leitungsstücke sondern Reaktanzen mit allgemeinerer Frequenzabhängigkeit umgeschaltet werden, läßt sich durch entsprechende Dimensionierung erreichen, daß bei der Mittenfrequenz die erste Ableitung des Phasensprungs nach der Frequenz verschwindet.
Ein Nachteil dieses Phasenschiebers vom Typ der

ίο belasteten Leitung besteht darin, daß sich pro Stufe mit ausreichender Bandbreite nur Phasenverschiebungen bis zu etwa 45° erreichen lassen. Sollen auch 90° bzw. 180° nach diesem Prinzip verwirklicht werden, so müssen zwei bzw. vier 45°-Stufen geschaltet werden.

Anpassung ist in beiden Schaltzuständen nur möglich, wenn auch der Wellenwiderstand der Leitung zwischen den Stichleitungen geeignet gewählt wird.

Ein PIN-Dioden-Phasenschieber in symmetrischer Steifenleitungstechnik ist in einem Aufsatz von R.

ßrändle und S. SedJmair in der Zeitschrift »Frequenz« 1972, Heft 2, Seiten 45 bis 50 im einzelnen beschrieben. Volumen, Gewicht und Kosten der Phasenschieber spielen insbesondere bei der Verwendung für phasengesteuerte Antennenanlagen, d. h. bei

der Verwendung hoher Stückzahlen eine wesentliche Rolle. Eine wirtschaftliche Lösung läßt sich deshalb nur bei Benutzung integrierter Schaltungen erzielen. Derartige, im Hochfrequenzbereich arbeitende Phasenschieber werden deshalb in Dünnfilmtechnik (Microstrip) aufgebaut. Die in den PIN-Dioden-Phasenschiebern verwendeten Stufen mit belasteten Stichleitungen (Loaded-Line-Stufen) benötigen in ihrer bekannten Form jedoch auch in Microstrip-Technik eine verhältnismäßig große Fläche auf dem Substrat. Dies geht im

einzelnen auch aus dem Aufsatz von H. B r e η η e r und H. Kraus: »Rechnerunterstützte Entwicklung eines S-Band-Phasenschiebers mit piN-Dioden für phasengesteuerte Antennen« in der Zeitschrift »Frequenz« 1971, Heft 5, Seiten 138 bis 145, hervor.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen PIN-Dioden-Phasenschieber mit Stichleitungen zu schaffen, der erheblich kleinere geometrische Abmessungen als die bekannten derartigen Phasenschieber aufweist, so daß man in vielen Fällen mit kleineren Substratgrößen auskommt und daher auch billiger sein kann. Gemäß der Erfindung wird! diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden Stichleitungen über eine jeweils von der Durchgangsleitung ausgehende Teillänge so eng benachbart angeordnet sind, daß sie über diese Teillänge miteinander wirksam elektrisch verkoppelt sind, daß der Abstand zwischen den beiden Stichleitungen im verbleibenden Teil bis zu den PIN-Dioden kontinuierlich oder stufenförmig wächst und daß der zwischen den beiden Stichleitungen liegende Teil der Durchgangsleitung geknickt ausgebildet ist. so daß die entstehenden Schenkel zwei parallel und in entgegengesetzter Richtung wie die Stichleitungen verlaufende, elektrisch gekoppelte Streifen von weniger als einer Viertelwellenlänge räumlichen Abstand ergeben. Während bei den bekannten Anordnungen Verkopplungen zwischen den Leitungen des Phasenschiebers möglichst vermieden sind, was zu geometrisch großen Abmessungen führt, sind Anordnungen mit verkoppelten Leitungen entsprechend der Erfindung sehr platzsparend. Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht den Aufbau von Loaded-Line-Phasenschieberstufen in Microstrip-Technik auch bei tiefen Frequenzen, z. B. für 1 GHz, mit relativ kleiner Substrai.fläche.

In zweckmäßiger Weise ist der Abstand zwischen den beiden Stichleitungen an ihren abzuschließenden Enden zumindest so groß, daß die beiden, die Stichleitungen abschließenden PIN-Dioden nebeneinander Platz haben.

Damit die Reflexionsminima bei Durchlaß und bei Sperrung der PIN-Dioden frequenzmäßig zusammentreffen, ist in vorteilhafter Weise der Wellenwiderstand des sich zwischen den beiden Stichleitungsabzweigungen befindlichen Teils der Durchgangsleitung gegenüber der übiichen Anordnung, bei welcher dieser Teil nicht geknickt ausgebildet ist, abgeändert,

Weitere Einzelheiten sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Leitungskonfiguration eines 45°-Mikrowellen-Dioden-Phasenschiebers in Loaded-Line-Technik bekannter Art, von welchem die Erfindung ausgeht,

F i g. 2 die erfindungsgemäße Leitungskonfiguration einer 45°-Mikrowellen-Phasenschieberstiife mit verkoppelten Stichleitungen und in sich gekoppelter Zwischenleitung und

Fig.3 die erfindungsgemäße Leitungskonfiguration einer 45°-Mikrowellen-Phasenschieberstufe mit verkoppelten Stichleitungen und in sich gekoppelter Zwischenleitung von verändertem Wellenwiderstand.

F i g. 1 zeigt die Oberseite eines bekannten Loaded-Line-Phasenschiebers für das S-Band in Dünnfilmtechnik (Microstrip) auf Keramiksubstrat. Eine durchgehende Leitung 1 wird durch zwei identisch aufgebaute Stichleitungen 2 und 3 belastet, welche an ihren Enden jeweils mit einer PIN-Diode 4 bzw. 5 abgeschlossen sind. In jeder der beiden Stichleitungen 2 und 3 befindet sich noch eine Abstimmkapazität 6 bzw. 7. Durch geeignete Wahl der Länge und des Wellenwiderstandes der Stichleitungen 2 und 3 wird erreicht, daß sich beim Umschalten der Dioden 4 und 5 vom Durchlaß- in den Sperrzustand und umgekehrt die elektrische Ersatzlänge der Schaltung und damit die Phase der durchgehenden Welle um den gewünschten Wert ändern. Das sich zwischen den Abzweigungen der beiden Stichleitungen

2 und 3 befindende Zwischenstück 8 der Durchgangsleitung 1 weist eine Länge von einer Viertelwellenlänge auf, so daß sich die von den beiden Stichleitungen 2 und

3 hervorgerufenen Störungen auf der Durchgangsleitung 1 kompensieren und in beiden Schaltstellungen der PIN-Dioden 4 und 5, die in gleicher Richtung gepolt sind, Anpassung herrscht. Im dargestellten Beispiel nach

F i g. 1 beträgt der Wellenwiderstand Z der Durchgangsleitung 1 außerhalb der beiden Stichleitungen 2 und 3 50 Ω, während er im Zwischenstück 8 zu 46,2 Ω bemessen ist. Die beiden Stichleitungen 2 und 3 haben jeweils einen Wellenwiderstand Z von 55 Ω. Mittels dieses Phasenschiebers läßt sich eine Phasenverschiebung von 45° erzielen, wobei der Maßstab dieser Konfiguration für die Mittenfrequenz 3 GHz 5 :1 beträgt.

F i g. 2 zeigt die Oberfläche einer Leitungskonfiguration einer 45°-Microstrip-Phasenschieberstufe in Loaded-Line-Technik nach der Erfindung mit verkoppelten Stichleitungen 9 und 10 und einer in sich gekoppelten Viertelwellenlängen-Zwischenleitung 11. Die beiden Durchgangsleitungsstücke 12 und 13 außerhalb des Zwischenstückes 11 sind erheblich enger beisammen als die entsprechenden Leitungsstücke der Anordnung nach Fig. 1, so daß sich insgesamt ein weitaus platzsparender Aufbau des Phasenschiebers ergibt. Bei der Anordnung nach F i g. 2 sind die Stichleitungsenden 14 und 15 auseinandergespreizt, so daß auch PIN-Dioden 4 und 5 mit größerem Durchmesser angesetzt werden können. Auch bei dieser Ausführung sind Abstimmkapazitäten 16 und 17 in den Stichleitungen 9 und 10 vorgesehen. Die aufgespreizten Stichleitungsenden 14 und 15 werden für Berechnungen so behandelt, als seien sie nicht verkoppelt. Das Viertelwellenlängen-Zwischenstück 11 hat ebenfalls wie in der Anordnung nach F i g. 1 einen Wellenwiderstand Z von 46,2 Ω, während die Durchgangsleitungen 12 und 13 einen Wellenwiderstand Z von 50 Ω aufweisen. Die Leitungskonfiguration nach Fig.2, welche auf dem gleichen Substrat aufgebracht ist wie die Anordnung nach F i g. 1, arbeitet ebenfalls bei einer Mittenfrequenz von 3 GHz und weist einen Maßstab von 5 : ! auf.

Eine weitergebildete Leitungskonfiguration einer 45°-Microstrip-Phasenschieberstufe in Loaded-Line-Technik nach der Erfindung mit verkoppelten Stichleitungen 18 und 19 und in sich gekoppelter Zwischenleitung 20 zeigt F i g. 3. Auch bei dieser Anordnung sind die Stichleitungsenden 21 und 22 auseinandergespreizt, nämlich mit 45°, so daß ebenfalls PIN-Dioden 4 und 5 mit größerem Durchmesser angesetzt werden können. Auch hierbei werden die aufgespreizten Teile 21 und 22 der beiden Stichleitungen in das Rechenprogramm zur Berechnung der elektrischen Eigenschaften des Phasenschiebers als nicht verkoppelt eingegeben. Außer der Möglichkeit die Stichleitungen 18 und 19 nur über eine ganz bestimmte Länge zu verkoppeln, so daß ein Zusammenfallen der Reflexionsminima für Sperrung und Durchlaß der PIN-Dioden 4 und 5 erreicht wird, wird hierbei noch der Wellenwiderstand des Viertelwellenlängen-Zwischenstückes 20 gegenüber der Anordnung nach Fig.2 abgeändert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Wellenwiderstand Z dieses Stückes 20 45 Ω. Durch Kombination dieser beiden Methoden läßt sich erreichen, daß das Minimum der differentiellen Phasenverschiebung bei der gleichen Frequenz liegt wie die Reflexionsminima.

Bei der in F i g. 3 dargestellten prinzipiellen Anordnung gelangt man am schnellsten zu den gewünschten Ergebnissen, wenn folgende Bemessungsregeln beachtet werden: Für die Frequenz, bei der ein Minimum der differentiellen Phasenverschiebung auftritt, ist vor allem die Stichleitungslänge verantwortlich. Für das frequenzmäßige Zusammentreffen der Reflexionsminima bei Durchlaß und Sperrung der PIN-Dioden 4 und 5 ist der Wellenwiderstand des Zwischenleitungsstückes 20 verantwortlich. Für die Reflexionsminima ist die Länge des Zwischenstückes 20 und in etwas geringerem Maße die Länge der Stichleitungen 18 und 19 verantwortlich. Für die Größe der differentiellen Phasenverschiebung ist der Wellenwiderstand der Stichleitungen 18 und 19 verantwortlich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mikrowellen-Phasenschieberglied in Streifenleitungstechnik mit zwei zueinander parallel verlaufenden, von einer Durchgangsleitung im elektrischen Abstand von etwa einer Viertelwellenlänge abzweigenden und jeweils mit mindestens einer PIN-Diode abgeschlossenen Stichleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stichleitungen (9,10) über eine jeweils von der Durchgangsleitung (11,12,13) ausgehende Teillänge so eng benachbart angeordnei sind, daß sie über diese Teillänge miteinander wirksam elektrisch verkoppelt sind, daß der Abstand zwischen den beiden Stichleitungen (9, 10) im verbleibenden Teil (14, 15) bis zu den PIN-Dioden (4, 5) kontinuierlich oder stufenförmig wächst und daß der zwischen den beiden Stichleitungen (9,10) liegende Teil (11) der Durchgangsleitung geknickt ausgebildet ist, so daß die entstehenden Schenkel zwei parallel und in entgegengesetzter Richtung wie die Stichleitungen (9, 10) verlaufende, elektrisch gekoppelte Streifen von weniger als einer Viertelwellenlänge räumlichen Abstand ergeben.

2. Mikrowellen-Phasenschieberglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Stichleitungen (9, 10) an ihren abzuschließenden Enden (14, 15) zumindest so groß ist, daß die beiden die Stichleitungen (9, 10) abschließenden PIN-Dioden (4, 5) nebeneinander Platz haben.

3. Mikrowellen-Phasenschieberglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand des sich zwischen den beiden Stichleitungsabzweigungen befindlichen Teils (20) der Durchgangsleitung (12, 13, 20) gegenüber der üblichen Anordnung, bei welcher dieser Teil nicht geknickt ausgebildet ist, abgeändert ist.

4. Mikrowellen-Phasenschieberglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stichleitungen (9, 10) senkrecht von der Durchgangsleitung (12, 13) abzweigen.