DE2645899A1

DE2645899A1 - Phasenschieber in form einer pi-schaltung

Info

Publication number: DE2645899A1
Application number: DE19762645899
Authority: DE
Inventors: Richard W Burns
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-10-23
Filing date: 1976-10-12
Publication date: 1977-05-05
Also published as: IL50620A; SE7611657L; NL7611634A; BE847525A; NL176723C; FR2330203A1; DE2645899C3; GB1545935A; JPS5251842A; IL50620A0; US3982214A; NL176723B; SE408609B; FR2330203B1; JPS5344778B2; DE2645899B2; IT1075778B

Description

Anmelderin.: Stuttgart, den 7· Oktober 1976

Hughes Aircraft Company P 3258 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A,

Vertreter:

Kohler - Schwindling - Späth .
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1

Phasenschieber in Form einer 1P-Schaltung

Üa sind verschiedene Arten von Dioden-Phasenschiebern bekannt, nämlich solche mit umschaltbaren Leitungsabschnitten, Hybriden-Kopplung, belasteten Leitungen und drei Elementen in Form von ft- oder T-Schaltungen. Die Phasenschieber mit umschaltbaren Leitungen umfassen zwei einpolige Umschalter, die dazu dienen, einen von zwei

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Abschnitten einer Übertragungsleitung in einen Kreis einzuschalten» Allgemein erfordert eine solche Anordnung vier Dioden. Eine Phasenverschiebung wird erzielt, indem zwischen einem Leitungsabschnitt, der einen Bezugsweg bildet, und einem zweiten Leitungsabschnitt, der einen Verzögerungsweg bildet, umgeschaltet wird. Der Phasenschieber mit Hybrid-Kopplung enthält eine 3 dB-Hybride mit einem Paar abgeglichener Diodenschalter, die an identische Zweigarme der Hybride angeschlossen sind. Der Phasenschieber mit Hybrid-Kopplung wird in großem Umfang benutzt, weil er größere Phasenverschiebung unter Verwendung von nur zwei Dioden ermöglicht. Der Phasenschieber mit belasteten Leitungen enthält eine Anzahl von Paaren umschaltbarer Parallel-Blindwiderstände, die im Abstand einer Viertelwellenlänge längs einer Übertragungsleitung angeordnet sind. Die Phasenverschiebung wird dadurch erzielt, daß die Blindwiderstände vom induktiven in den kapazitiven Zustand umgeschaltet werden. Die Phasenverschiebung ist bei einer solchen Anordnung auf etwa 45° für ein Diodenpaar beschränkt. Endlich bestehen ΤΓ-Schaltungen aus zwei Parallelzweigen und einem Serienzweig. Eine Phasenverschiebung wird erzielt, indem die Schaltungsanordnung von einer Tiefpaß- auf eine Hochpaß-Charakteristik umgeschaltet wird und umgekehrt. Mit einer solchen Anordnung ist eine Phasenverschiebung in der Größenordnung von 90° erzielbar. Für eine solche Tf-Schaltung und die dazu duale T-Schaltung werden jeweils drei Dioden benötigt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Phasenschieber in Form einer ΙΓ-Schaltung zu schaffen, der unter Verwendung von drei Dioden eine Phasenverschiebung in der Größenordnung von 180 ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Längszweig der TT-Schaltung aus zwei, Eingang und Ausgang verbindenden Richtungsleitern besteht und daß der Eingang, der Ausgang und die Verbindungsstelle zwischen den beiden Richtungsleitern jeweils durch einen Leitungs abschnitt iait einer gemeinsamen weiteren Verbindungsatelle verbunden sind, die ihrerseits durch einen dritten Richtungsleiter mit einerBezugsspannungsquelle verbunden ist, daß die drei Leitungsabschnitte bei der Betriebsfrequenz Jeweils eine elektrische Länge von mehr als /i/4- und weniger als /1/2 aufweisen und daß mit den drei Hichtungsleitern eine Schaltungsanordnung gekoppelt ist, mit deren Hilfe die drei Richtungsleiter gleichzeitig in den leitenden oder den nichtleitenden Zustand versetzbar sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind zwei Dioden mit entgegengesetzter Polarität in Serie geschaltet und es sind von den Anschlüssen dieser Dioden, einschließlich der Verbindungsstelle zwischen den beiden Dioden, Leitungsabschnitte mit einer Länge von etwa 3^/8 zu einer gemeinsamen Verbindungsstelle geführt, die ihrerseits durch eine dritte Diode mit Masse verbunden ist. Im Betrieb können alle drei Dioden

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- Ht-

gleichzeitig wahlweise entweder in Durchlaßrichtung oder in Sperrichtung vorgespannt werden. Wenn die Dioden in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind, fließt ein HF-Signal vornehmlich durch die in Serie geschalteten Dioden, so daß es eine minimale Phasenverschiebung erleidet. Wenn statt dessen die Dioden in Sperrrichtung vorgespannt sind, ist das HF-Signal gezwungen, durch die Abschnitte der Übertragungsleitungen zu fließen, wodurch dem Signal eine maximale Phasenverschiebung aufgeprägt wird. Im letztgenannten Fall fließt auch ein l'eil des Signales über die in Sperrichtung vorgespannten, in Serie geschalteten Dioden. Durch Einstellen der Länge und des Niveaus der Impedanz der Leitung;;abschnitte und der Irapedanz des Serienzweigea kann in beiden Vorspannungs-Zuständen eine angepaßte Signalübertragung erzielt werden. Weiterhin können Transformationsabschnitte am Eingang und am Ausgang des Phasenschiebers zum Herstellen einer Anpassung benutzt werden. Die Größe der Phasenverschiebung zwischen den beiden verschiedenen Vorspannungszuständen wird durch geeignete Wahl der Dioden-Reaktanzen, der Impedanzniveaus und der Länge der Leitungsabschnitte eingestellt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele naher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für

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sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 1 das achematische Schaltbild eines 180°-Phasenschiebers in Streifenleitungstechnik,

Fig. 2 das schematische Schaltbild eines weiteren 180°-Phasenschiebers in Streifenleitungstechnik mit einem geradlinigen mittleren Leitungsabschnitt,

Fig. 3 das Äquivalent-Schaltbild der Phasenschieber nach den Fig. 1 und 2 für den Fall, daß alle Dioden in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, und

Fig. 4 das Äquivalent-Schaltbild der Phasenschieber nach den Fig. 1 und 2 für den Fall, daß alle Dioden in Sperrichtung vorgespannt sind.

Bei dem in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel dargestellten 180°-Phasenschieber ist eine Eingangsklemme 10 durch eine im Serienzweig angeordnete Diode 12 mit einer Verbindungsstelle 14 verbunden, von der wiederum eine im Serienzweig liegende Diode 16 zu einer Ausgangsklemme 18 führt. Die Dioden 12 und 16 sind so gepolt, daß sie ein Vorspannungsstrom in dichtung auf die Verbindungsstelle 14 durchfließen kann. Weiterhin verbinden zwei Leitungsabschnitte 20 und 22 der Länge 3A/8 die Eingangsklemme 10 bzw« Ausgangsklemme 18 über Sperrkondensatoren 28 bzw. 28* mit einer weiteren Verbindungsstelle 24. Diese Verbindungsstelle 24 ist durch eine Shunt-Diode 26 mit Hasse und

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- is -

durch einen weiteren Leitungsabschnitt 30 der Länge 3 /8 mit der erstgenannten Verbindungsstelle 14 verbunden. Die ühunt-Diode 26 ist so gepolt, daß ein Vorsparmungsstrom in Richtung auf die Verbindungsstelle 24 fließen kann. Weiterhin sind die Eingangsund -kusgangskleiriraen 10 und 18 mittels HP-Drosseln 32 und 32'j welche den Eingang bzw. Ausgang mit Masse verbinden, auf Massenpotential gehalten.

Die Wirkungsweise des Phasenschiebers nach Fig. 1 hängt nicht kritisch von den HF-Paraiaetern der Dioden 12, 16 und 26 ab, so daß ein großer Bereich von Diodenparametern benutzt werden kann, um eine HP-Phasenverschiebung zu bewirken«, Beispielsweise haben sich Dioden mit einer Kapazität in der Größenordnung von 1,0 pF und einem V/iderstand in der Größenordnung von 0,25 Ohm zur Verwendung im S-Band und im L-Band als befriedigend erwiesen. Weiterhin haben sich Dioden, deren Kapazität in der Größenordnung von 0,8 pF liegt, für das C-Band als brauchbar erwiesen. Der Phasenschieber arbeitet in eineia großen Frequenzbereich. Beispielsweise wurden im S-Band und im C-Band Bandbreiten von 20 bis 30% erreicht.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Leitungsabschnitte 20, 22 und 30 alle im wesentlichen die gleiche Länge haben. Bei tiefen Frequenzen kann zu diesem Zweck dem mittleren Leitungsabschnitt 30 eine geschlängelte Gestalt gegeben werden_s wie es in Fig. 1 schematisch angedeutet ist. Boi hohen Frequenzen steht einer solchen Maßnahme jedoch das Längen-Breiten-Verhältnis des mittleren Leitungsabschnittes 30 entgegen, weshalb dann die mittlere

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- sr - . 3

Leitung 30 körperlich kürzer ausgebildet wird als die Leitungen 20 und 22 und statt dessen die Verbindungsstelle 14 zwischen den Serien-Dioden 12 und 16 sowie dem Leitungsabschnitt 30 kapazitiv belastet wird, wie es Fig. 2 zeigt.

Um dem in Fig. 1 dargestellten Phasenschieber die gewünschte "Vorspannung zu erteilen, wird die weitere Verbindungsstelle 24· auf einem geeigneten Gleichstrompotential gehalten. Die Verbindungsstelle 24 ist unmittelbar mit den Kathoden der Dioden 12, 16 und 26 verbunden und von den Anoden der Dioden 12 und 16 durch die Sperrkondensatoren 28 und 28' getrennt. In Jedem Fall werden die Anoden der Dioden 12, 16 und 26 auf dem signalfreien Massepotential gehalten. Die Vorrichtung zum Erzeugen der Vorspannung umfaßt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Potentialquelle 34, die gegenüber Masse so angeordnet ist, daß sie an ihrer negativen Quelle 35 ein. Potential von -0,75 ^v und an ihrer positiven Klemme 36 ein positives Potential von +100 V liefert. Die Klemmen 35 und 36 der Potentialquelle 34 sind mit den entsprechenden ISingangsklemmen 37 und 38 eines einpoligen Umschalters 39 verbunden, dessen Ausgangsklemme 40 über eine HF-Drossel 42 mit dem Leitungsabschnitt 20 verbunden ist. Die Stellung des Armes des Umschalters 39 bestimmt, welche Vorspannung den Dioden 12, 16 und 26 zugeführt wird. Wenn nämlich der Schaltarm des Umschalters 39 auf dessen Eingangsklemme 37 eingestellt ist, sind die Dioden 12, 16 und mit einer Spannung von +0,75 V in Durchlaßrichtung beaufschlagt. Wenn sich dagegen der Arm des Umschalters 39 in.

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- β /ο

Kontakt mit dessen Eingangsklemme 38 befindet, sind die Dioden 12, 16 und 26 mit einer Sperrspannung von -100 V beaufschlagt«,

Wenn die Dioden 12, 16 und 26 in Durchlaßrichtung vorgespannt, also von einem Vorspannstrom durchflossen sind, gilt für den Phasenschieber nach Fig. 1 das Äquivalent-Schaltbild nach Fig. 3· Der die Diode 26 durchfließende Vorspannstrom bewirkt eine effektive HF-Erdung der Verbindungsstelle 24 über eine kleine Induktivität 53, so daß die Leitungsabschnitte 20, 30 und 22 an die Eingangskleiame 10, die Verbindungsstelle 14 und die Ausgangsklemme 18 jeweils eine Impedanz reflektieren, deren Wert zwischen Null und Unendlich liegt_o Die Wahl der tatsächlichen Länge und des Wellenwiderstandes der Leitungsabschnitte 20, 22 und 30 bestimmt die Größe und die Art dieser Impedanz. Ea ist allgemein bekannt, daß ein Kurzschluß am Ende einer Übertragungsleitung der Länge/J/4 an deren Eingang eine sehr hohe, theoretisch unendlich große Impedanz erzeugt, wogegen ein Kurzschluß am Ende einer Übertragungsleitung der LängeΛ/1/2 einen Kurzschluß an den Eingang der Leitung transformiert. Daher wird ein Kurzschluß oder eine kleine induktive Reaktanz am Ende der Leitungsabschnitte, deren Länge 3λ'Β beträgt, an deren Eingang als eine kapazitive Reaktanz transformiert, die zwischen diesen Extremwerten liegt. Diese kapazitiven Reaktanzen werden in dem Ersatzschaltbild nach Fig. 3 durch die Kapazitäten 44, 45 und 46 veranschaulicht, die jeweils zv/ischen die

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E ingang ski emuie 10, die Ausgangsklemme 18 sowie die Verbindungastelle 14 und Masse geschaltet sind. Die in Durchlaßrichtung vorgespannten Serien-Dioden 12 und 16 bilden ihrerseits leicht induktive Signalwege 48 und 4-9, welche die Eingangsklemme 10 bzw« die Ausgangsklemme 18 mit der Verbindungsstelle 14 verbinden. Wie Fig. 3 zeigt, wird ein der Eingangsklemme 10 zugeführtes HP-Signal aufgeteilt» Ein Teil des Signals fließt in den Leitungsabschnitt 20 und ein zweiter Teil durch die Induktivitäten 48 und Da die induktive Reaktanz der Induktivität 53 sehr klein ist und für das HF-Signal nahezu einen Kurzschluß bildet, fließt der Hauptteil der Impedanz durch die Induktivitäten 48 und 49 zur Ausgangsklemme 18. Nur kleine Anteile des Signals fließen durch den Leitungsabschnitt 20 an der Ibduktivität vorbei und durch den Leitungsabschnitt 22 der Ausgangsklemme 18 zu. Die Kapazitäten 44, 45 und 46 und die Induktivitäten 48 und 49 bilden ein Netzwerk, das die richtigen Impedanzverhältnisse aufrechterhält und eine Phasenverschiebung zwischen der Eingangsklemme und der Ausgangsklemme 18 hervorruft»

Wenn die Dioden 12, 16 und 26 in Sperrichtung beaufschlagt sind, wenn also der Umschalter 39 eine Stellung einnimmt, bei der seine Klemmen 38 und 40 verbunden sind₉ so daß an den Dioden 12, 16 und 26 eine Vorspannung von -100 V anliegt, gilt für die Schaltungsanordnung nadi Fig. 1 das Äquivalent-Schaltbild nach Figo 4. In diesem

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Fall bilden die Dioden 12, 16 und 26 für das HF-Signal Kapazitäten 50, 51 und 52. Ein HF-Signal, das der Eingangsklemme 10 zugeführt wird, verteilt sich in der Weise, daß ein Teil durch die Leitungsabschnitte 20 und 22, ein weiterer Teil durch die Leitungsabschnitte 20 und 30 und die Kapazität 51 und ein dritter Anteil über die Kapazität 50 und die Leitungsabschnitte JO und 22 der Ausgangsklemme 18 zufließt. Diese Signalanteile vereinigen sich an der Ausgangsklemme 18 zum Ausgangssignal. Die reine Änderung der von dem Phasenschieber bewirkten Phasenverschiebung besteht in der Differenz der Phasenverschiebung zwischen den Klemmen 10 und 18 bei in Durchlaßrichtung und in Sperrichtung vorgespannten Dioden 12, 16 und 26_O Der beschriebene 180°-Phasenschieber erlaubt eine Variation der Diodenparameter in weiten Grenzen, weil die Phasenverschiebung vornehmlich durch die richtige Wahl der Längen der Leitungsabschnitte 20, 22 und JO und der gewählten Impedanzen abhängt. Der Phasenschieber ist in der Lage, mit einer Bandbreite in der Größenordnung von 20 bis 30% zu arbeiten« Durch geeignete Wahl der Parameter der Dioden und der Leitungsabschnitte können Phasenverschiebungen erzielt werden, die von sehr kleinen bis vergleichsweise hohen, nämlich 180° übersteigenden Werten reichen.

Fig. 2 zeigt eine Variante des Phasenschiebers nach Fig. 1, bei der der mittlere Leitungsabschnitt 30 durch einen kürzeren, jedoch geradlinigen Leitungsabschnitt 60 und einen weiteren, am Ende offenen Leitungsabschnitt 62 ersetzt ist, der an der Verbindungsstelle 14 parallel geschaltet ist. Die weiteren Bezuga-

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ziffern bezeichnen Elemente, die mit den Elementen des Phasenschiebers nach Fig. 1 identisch sind. Die Anwendung eines geradlinigen mittleren Leitungsabschnittes 60 in Verbindung mit einem kurzen, parallel geschalteten Leitungsstück 62 ist besonders bei höheren Frequenzen zweckmäßig, wenn der Phasenschieber unter Verwendung von Streifenleitern oder Mikrostrip-Leitungen aufgebaut ist. Das am Ende offene Leitungsstück 62 ist so .gewählt, daß es zusammen mit dem Leitungsabschnitt 60 die gleiche wirksame elektrische Länge bildet wie der Leitungsabschnitt 30 des Phasenschiebers nach Fig. 1, so daß die Wirkungsweise die gleiche ist.

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Claims

Patentansprüche

Phasenschieber in Form einer ίΓ~3 ehalt ung, dadurch gekennzeichnet, daß der Längs zweig der ¹TT -Schaltung aus zwei, Eingang (10) und Ausgang (18) verbindenden Richtungsleitern (12, 16) besteht und der Eingang (1O), der Ausgang (18), und die Verbindungsstelle (14·) zwischen den beiden Richtungsleitern (12, 16) jeweils durch einen Leitungsabschnitt (20, 22, 30) mit einer gemeinsamen weiteren Verbindungsstelle (24·) verbunden sind, die ihrerseits durch einen dritten Richtungsleiter (26) mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist, daß die drei Leitungsabschnitte (20, 22, 30) bei der Betriebsfrequenz jeweils eine elektrische Länge von mehr als ^/4 und weniger als A/2 aufweisen und daß mit den drei Richtungsleitern (12, 16, 26) eine Schaltungsanordnung (34-, 39) gekoppelt ist, mit deren Hilfe die drei Richtungsleiter (12, 16, 26) ■gleichzeitig in den leitenden oder den nichtleitenden Zustand versetzbar sind_o
2. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Leitungsabschnitte (20, 22, 30) bei der Betriebsfrequenz eine elektrische Länge von etwa 3-1/8 aufweisen«
3. Phasenschieber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Eingang (10) und dem Ausgang (18) verbundenen Leitungsabschnitte (20, 22) gekrümmt verlaufen,

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wogegen der mit der Verbindungsstelle (14) verbundene Leiüungüäbschnitt (60) zwischen den beiden Verbindungsstellen (14, 24) geradlinig angeordnet und mit einem an die Verbindungsstelle (14) zwischen den beiden Richtungsleitem (12, 16) angeordneten Üchaltungsteil (62) gekoppelt ist, das zusammen mit dem mittleren Leitungsabschnitt (60) die gleiche äquivalente elektrische Länge ergibt, wie nie die beiden äußeren Leitungnabschnitte (20, 22) aufweisen»
4. Phasenschieber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, daß die drei Richtungsleiter (12, 16, 26) Dioden sind.
5» Phasenschieber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hingang (10) mit dem Ausgang (18) verbindenden Dioden (12, 16) gegensinnig gepolt sind.
6. Phasenschieber nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß die an die weitere Verbindungsstelle (26) angeschlossene Diode einen 8tromfluß von der Bezugsspannungsquelle zur Verbindungsstelle (24) zuläßt.

7· Phasenschieber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsquelle von Masse gebildet wird«,

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