DE2705079C1 - Sperrschaltungsanordnung fuer einen Diodenphasenschieber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sperrschaltungsanordnung für einen Diodenphasenschieber gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Antennen mit elektronischer Diagrammschwenkung umfassen einen Primärstrahler und ein Netz von Phasenschiebern, das einem strahlenden Teil der Antenne zugeordnet ist. Jeder Phasenschieber des hier interessierenden Typs besteht aus einer Höchstfrequenzleitung, die mit bekannten PIN-Dioden verbunden ist, die es gestatten, in Abhängigkeit von ihrem leitenden oder gesperrten Zustand Blindwiderstände einzuschleifen, die die Phasenverschiebung verändern. Der Übergang, also das Schalten oder Umschalten, erfolgt vom nichtleitenden in den leitenden Zustand der Phasenschieberdioden rasch, hingegen in der umgekehrten Richtung, also in den nichtleitenden Zustand, nicht augenblicklich. Im Augenblick des Umschaltens beginnt jede Diode sich wie ein Kurzschluß zu verhalten, bei dem der Sperrstrom eine erhebliche Größe annimmt, bis die Diode dann sperrt. In diesem Moment, wenn man die Polarität der an der Sperrschicht jeder PIN-Diode anliegenden Spannung umkehrt, nimmt der Strom in der Diode rasch ab und kehrt sich dann abrupt um. Dieser Strom ist zurückzuführen auf die Verschiebung der Minoritätsträger, die zuvor während der Leitfähigkeitszeit in Durchlaßrichtung in dieser Sperrschicht gespeichert waren.

Die gespeicherten Ladungen sind eine Funktion der Lebensdauer der Minoritätsträger und des Durchlaßstromes vor dem Umschalten. Der Abfluß dieser Ladungen wird durch die Sperrschaltungsanordnung erreicht, die einen Sperrstrom liefert, der die Ladungsträger beseitigt. Dies soll rasch geschehen, damit die für das Umschalten notwendige Zeit so kurz als möglich ist. Diese Bedingung ist unabdingbar notwendig, wenn die vorstehend beschriebenen Phasenschieber in den Antennen von Radargeräten geringer Reichweite und mit folglich hoher Wiederholfrequenz oder auch in Antennen von Radargeräten mit großer Reichweite, bei denen das Bedürfnis vorliegen kann, die Strahlrichtung der Antenne im Verlauf einer Wiederholperiode zu ändern, benutzt werden sollen.

Nun hängt aber die rasche Änderung der Strahlrichtung unmittelbar von der Umschaltgeschwindigkeit der Phasenschieberdioden ab, die ihrerseits verknüpft ist mit der Stärke des von der Sperrschaltungsanordnung gelieferten Stromes.

Bekannte Sperrschaltungsanordnungen, die einen Sperrstrom liefern, sobald die Dioden gesperrt werden sollen, bestehen aus einer Hochspannungsquelle in Verbindung mit einem hochohmigen Widerstand. Die Hochspannungsversorgung, die viel Raum beansprucht, benötigt auch eine beträchtliche Speiseleistung und hat eine erhebliche Verlustleistung. Dies führt zu großen Temperaturschwankungen der Sperrschaltungsanordnung für die Diode, was insofern ins Gewicht fällt, als die Minoritätsträger der Phasenschieberdioden eine mit der Temperatur steigende Lebensdauer haben, so daß sie bei höheren Temperaturen langsamer abgebaut werden und den Umschaltvorgang entsprechend verlangsamen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sperrschaltungsanordnung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die eine hohe Umschaltgeschwindigkeit gewährleistet, hierzu aber mit einer vergleichsweise geringen Speiseleistung auskommt und dementsprechend weniger Verlustleistung erzeugt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht dabei darin, daß die Phasenschieberdioden im Moment der Umschaltung von dem leitenden Zustand in den nichtleitenden Zustand zunächst mit einem aus einer Niederspannungsquelle stammenden Strom und dann mit einem aus einer Hochspannungsquelle stammenden Strom versorgt werden. Der beträchtliche Strom, der ein rasches Schalten in den Sperrzustand gewährleisten soll, wird mit einer erheblich geringeren Speiseleistung, als sie bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik erforderlich ist, geliefert. Dieser Vorschlag vermindert also die Verlustleistung im Bereich der Steuerschaltungen der Antenne mit elektronischer Diagrammschwenkung.

Der Diodenphasenschieber umfaßt hierzu eine Sperrschaltungsanordnung für die Dioden, die eine Schaltung zum Steuern wenigstens einer Phasenschieberdiode in den leitenden und den nichtleitenden Zustand enthält, sowie eine zusätzliche Sperrschaltung, die eine rasch arbeitende Ladeschaltung bildet und eine Hochspannungsquelle umfaßt, die mit der Diode über einen Widerstand verbunden ist, sowie einen Schalter, der zwischen die Hochspannungsquelle und die Diode eingefügt ist, und des weiteren eine Niederspannungsquelle vorgesehen ist, die ebenfalls mit der Diode über einen Widerstand verbunden ist und eine Steuerschaltung für den Schalter vorgesehen ist, die diesen schließt, sobald die Spannung an den Anschlüssen der betrachteten Diode einen bestimmten Schwellwert überschreitet.

In der Zeichnung ist die Erfindung in beispielsweise gewählten, schematisch vereinfachten Ausführungsformen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Sperrschaltungsanordnung für eine Phasenschieberdiode und

Fig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Sperrschaltungsanordnung nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Sperrschaltungsanordnung, die beispielsweise auf eine Phasenschieberdiode 1 einwirkt, umfaßt eine rasch arbeitende Ladeschaltung 40 für die PIN-Diode 1, welche Ladeschaltung selbsttätig beim Sperren der Steuerung des Durchlaßstromes durch die Diode 1, festgelegt durch die Sperrsteuerung 2, wirksam wird. Die Ladeschaltung 40 enthält einen Hochspannungsgenerator 10, bestehend aus einer Hochspannungsquelle 3 in Serie mit einem Widerstand R1, der über einen Schalter I1 mit der Kathode der Diode 1 verbunden ist. Weiter enthält die Ladeschaltung 40 einen Niederspannungs-Stromgenerator 20, der eine Niederspannungsquelle 6 in Serie mit einem Widerstand R2 umfaßt, der bei P2 mit der Kathode der Diode 1 über eine Diode 4 verbunden ist. Der Widerstand R2 ist bei P1 mit einem Eingang eines Vergleichers 5 verbunden, dessen anderer Eingang mit einer Bezugsspannungsquelle 30 verbunden ist, die im Ergebnis das Schließen des Schalters I1 steuert.

Die rasch arbeitende Ladeschaltung wird nur dann tätig, wenn sämtliche Steuermodule gesperrt sind, was bei jeder Neueinstellung der Phasenverschiebungen notwendig ist, die ihrerseits erforderlich sind, um eine neue Antennenstrahlrichtung festzulegen, beispielsweise alle Phasenschieber, von denen einer durch die Diode 1 versinnbildlicht ist, zu sperren und dann nur diejenigen Dioden leitend zu schalten, die zur Erzielung der neuen gewünschten Richtung des Antennenstrahles benötigt werden.

Dies bedingt, die Ladeschaltung durch einen von der Sperrsteuerung 2 abgegebenen Steuerbefehl während der Zeit in Tätigkeit zu setzen, während welcher der Wechsel der Antennenhauptstrahlrichtung erfolgt. Der auf die im leitenden Zustand befindliche Diode 1 wirkende Sperrbefehl läßt diese Diode 1 in den Sperrzustand übergehen. Während dieser als Umschaltung bezeichneten Zustandsänderung wird die Diode 1 von einem Sperrstrom durchflossen, der von der Verschiebung der Minoritätsträger her stammt, die zuvor während des leitenden Zustandes gespeichert waren. Die Diode 1 besitzt daher eine nur kleine Impedanz. Zu Beginn des Umschaltens bleibt der Schalter I1 geöffnet. Der Niederspannungsgenerator 20 liefert durch die Niederspannungsquelle 6 über den niederohmigen Widerstand R2 und die Diode 4 einen hohen Strom, der dazu bestimmt ist, die Entfernung der Minoritätsladungen der Diode 1 einzuleiten.

Das Potential im Punkt P1 und demzufolge auch im Punkt P2 wächst. Nach Beendigung der Entfernung der Minoritätsträger durch den Niederspannungsgenerator 6 hat das Potential bei P1 einen solchen Wert im Vergleich zu der Bezugsspannung 30, daß der Vergleicher 5 durch Betätigung des Schalters I1 die Verbindung des Hochspannungsgenerators 3 mit der Diode 1 herstellt und der Niederspannungsgenerator die Diode 1 nicht mehr speist. Der Hochspannungs- Stromgenerator liefert einen Strom, der die parasitären Kapazitäten der Diode nahezu auf die Sperrhochspannung auslöst. Die Diode 4 ist ebenfalls gesperrt, so daß der Niederspannungs-Stromgenerator keinen Strom mehr an die Diode 1 liefern kann.

Der Steuerbefehl zur erzwungenen Sperrung kann dann entfallen. Die normale Steuerung wird dann tätig und je nach Fall hält sie die Sperrung aufrecht oder bewirkt das Leitendwerden der betrachteten Diode. Im Fall der normalen Sperrung kann der Hochspannungsgenerator 3 keinen Strom liefern und die Diode 1 bleibt im Sperrzustand, so daß die rasch arbeitende Ladeschaltung nicht mehr arbeitet. Im Fall des leitenden Zustandes ist der Hochspannungs- Stromgenerator 3 durch den Vergleicher 5 abgeschaltet.

Fig. 2 zeigt genauer das Schaltbild einer Ausführungsform der Sperrschaltungsanordnung für eine Phasenschieberdiode.

Die Ladeschaltung 40 umfaßt den Hochspannungs-Stromgenerator 10, den Niederspannungs-Stromgenerator 20, die Bezugsspannungsquelle 30 und den Vergleicher 5. Die Ladeschaltung 40 ist im beschriebenen Beispiel einer Phasenschieberdiode 1 zugeordnet, deren Anode mit Masse verbunden ist und deren Kathode über einen Widerstand R4 mit der Sperrsteuerung 2 verbunden ist, die aus einem Bezugsspannungsgenerator besteht, der das Sperren der betrachteten Diode dadurch auslöst, daß er während der Zeit, während derer der Wechsel der Strahlrichtung der Antenne erfolgt, eine positive Spannung liefert. Der Hochspannungs-Stromgenerator 10 umfaßt eine Hochspannungsquelle 3, deren Spannung beispielsweise im Bereich von 150 Volt liegen kann und die über einen Widerstand R1 mit dem Kollektor eines Transistors T3, beispielsweise eines PNP-Transistors, verbunden ist, der mit einem Transistor T2, ebenfalls vom PNP-Typ, verbunden ist. Diese zwei Transistoren T2 und T3 bilden eine sogenannte Darlington-Schaltung, die sich im Betrieb wie ein einziger Transistor verhält, dessen Eingangsimpedanz sehr hoch ist. Der Kollektor des Transistors T3 ist über eine Kapazität C₁ mit Masse verbunden. Der Emitter des Transistors T3 ist bei A mit der Diode 7 über einen Ladewiderstand R3 niedrigen Wertes von beispielsweise 10 kΩ verbunden. Die Diode 7 ist bei E mit der Diode 1 verbunden. Der Hochspannungs-Stromgenerator 10 ist über die Diode 4 mit dem Niederspannungs-Stromgenerator 20 verbunden, der die Niederspannungsquelle 6 mit einer Spannung von etwa 5 Volt im beschriebenen Beispiel umfaßt und der ein Widerstand R2 mit einem niedrigen Wert von etwa 1 kΩ nachgeschaltet ist. Der Niederspannungs-Stromgenerator 20 ist bei D mit dem Emitter des Transistors T1 verbunden, der den Vergleicher 5 bildet. Der Kollektor von T1 ist bei C einerseits mit einer Hochspannungsquelle 8 über einen hochohmigen Widerstand R5 verbunden, andererseits mit der Basis des Transistors T2 verbunden. Die Basis des Transistors T1 ist bei B mit einem Bezugsspannungsgenerator 30, bestehend aus einer Zenerdiode Z, deren Anode mit Masse verbunden ist und deren Kathode an einem Widerstand R6 liegt, verbunden.

Die rasch arbeitende Ladeschaltung wird nach dem Befehl zur erzwungenen Sperrung, den die Sperrsteuerung 2 liefert, in Betrieb gesetzt. Die Diode 1 geht beim Umschalten in den gesperrten Zustand über; sie verhält sich wie ein Kurzschluß und besitzt daher eine niedrige Impedanz. Der Niederspannungs-Stromgenerator 20 liefert über den Widerstand R2 mit einem niedrigen Wert von etwa 1 kΩ im beschriebenen Beispiel einen erheblichen Sperrstrom an die Diode 1, der die Minoritätsträger abbaut. Die Speiseleistung ist gering. Die Spannung bei E, A, D wächst, der Transistor T1 wird im durchlässigen Zustand gehalten, solange die Potentialdifferenz zwischen den Punkten B und D größer oder gleich 0,6 Volt ist. In diesem genau festliegenden Augenblick sperrt der Transistor T1, wodurch das Potential im Punkt C auf dasjenige der Hochspannungsquelle 8 anwächst, das im beschriebenen Beispiel bei etwa 150 Volt liegt.

Die bislang gesperrten Transistoren T2, T3 werden neuerlich leitend. Die Spannung an den Anschlüssen von R1 beträgt im beschriebenen Beispiel etwa 150 Volt, die Diode 4 sperrt und der Niederspannungsgenerator 20 liefert keinen Strom mehr in die Diode 1, deren Impedanz nun hoch ist. Die Diode 1 stellt damit keinen Kurzschluß mehr dar und der Hochspannungs-Stromgenerator 10 liefert den Strom, der die parasitären Kapazitäten der Phasenschieberdiode 1 auflädt. Er löst einen raschen Wiederanstieg der Spannung der Phasenschieberdiode 1 bis auf die hohe Sperrspannung aus.

Die Umschaltung kann im beschriebenen Beispiel etwa 30 µs betragen. Das Arbeiten des Niederspannungs-Stromgenerators 20 kann dann 10 µs andauern. Während der folgenden 20 µs wird der Niederspannungs-Stromgenerator 20 abgelöst durch den Hochspannungs- Stromgenerator 10.

Wenn das Antennensystem n = 2000 Phasenschieber zu 2 bit umfaßt, wobei jeder Phasenschieber mit drei Dioden ausgerüstet ist, kann die rasch arbeitende Ladeschaltung zwei Phasenschiebern zugeordnet sein, so daß diesen Phasenschiebern n/2 Sperrschaltungsanordnungen entsprechen.

Die beschriebene Diodensperrschaltungsanordnung eines Antennensystems mit elektronischer Diagrammschwenkung gestattet mit einem Minimum an Bauelementen eine Phasenschieberdiode mit einem beträchtlichen Strom zu versorgen, der ein rasches Umschalten sicherstellt. Die Sperrschaltungsanordnung ermöglicht eine Verzögerung des Wirksamwerdens des Hochspannungs-Stromgenerators bis zu dem Zeitpunkt, in dem die Minoritätsträger durch den Niederspannungs-Stromgenerator abgebaut sind. Sie ermöglicht außerdem eine Verringerung der Speiseleistung der Hochspannungsversorgung auf ein Drittel bis ein Fünftel des bisher notwendigen Wertes.

Claims (5)

1. Sperrschaltungsanordnung für einen Diodenphasenschieber mit Steuerschaltungen zum Schalten wenigstens einer Diode in den durchlässigen und den nicht durchlässigen Zustand und weiteren Schaltungen zum Sperren der Diode, die eine mit letzterer über einen Widerstand verbundene Hochspannungsquelle enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschaltungsanordnung einen zwischen der Hochspannungsquelle (10) und der Diode (1) liegenden Schalter (I1) eine über einen Widerstand (R2) ebenfalls mit der Diode (1) verbundene Niederspannungsquelle (6) und eine Steuerschaltung (5) für den Schalter (I1) umfaßt, die letzteren schließt, sobald die Spannung an den Anschlüssen der Diode einen bestimmten Schwellwert überschreitet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (5) einen mit der Anode der Diode (1) verbundenen Vergleicher umfaßt, von dem ein Eingang mit einer bestimmten Bezugsspannung (30) verbunden ist und der den Schalter (I1) steuert, sobald die Spannung an den Anschlüssen der Diode den durch die Bezugsspannung festgelegten Schwellwert überschreitet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (I1) zwei Halbleiterelemente (T2, T3) in Darlingtonschaltung umfaßt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Niederspannungsquelle (6) und der Diode (1) eine Schutzdiode (4) liegt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Phasenschieberdioden derart in den nichtleitenden Zustand schaltet, daß zunächst ein Niederspannungsgenerator (20) einen Strom über den Widerstand (R2) und eine Schutzdiode (4) liefert und dann der Hochspannungsgenerator (10) einen Strom über einen Widerstand (R3) und eine Diode liefert und die Umschaltung von dem einen auf den anderen Generator der Schalter (I1) vornimmt, sobald die Spannung an den Anschlüssen der Diode (1) den Schwellwert überschreitet.