DE2719272A1

DE2719272A1 - Hoechstfrequenz-diodenphasenschieber

Info

Publication number: DE2719272A1
Application number: DE19772719272
Authority: DE
Inventors: Michel Baril; Jacques Legendre
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-04-30
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1977-11-03
Also published as: NL182767B; DE2719272C2; FR2379196A1; IT1081459B; FR2379196B1; GB1576861A; NL182767C; NL7704587A

Description

■ ί£ΐ:ί!ΓΙ! !LWiNSKY 3

.LlNER PkIETSCH

MÜNCHEN 2 1 2₉. April 1977

GOTTHARDSTR. 81 9402-IV/Hg

Thomson-CSF, Bl. Haussmann 173, P-75008 Paris (Frankreich)

Hochstfrequenz-Diodenphaenschieber Priorität: 30. April 1976, Frankreich, Nr. 76 12999

Die Erfindung betrifft einen Höchstfrequenz-Diodenphaeenschieber, der insbesondere eine Phasenverschiebung von TT liefert.

Es sind bereits verschiedene PIN-Dioden-Phasenschieber bekannt, beispielsweise der 3-dB-Koppler-Phasenschieber, der geschaltete Phasenschieber, der die Eigenschaften der Parallel-T-Schaltung ausnutzt und der Feldstörungs-Phasenschieber (dephaseur ä perturbation), der zwei parallel auf eine übertragungsleitung geschaltete Dioden erfordert. Diese Phasenschieber lassen sich gut in Planartechnik herstellen. Die Wahl des jeweiligen Phasenschiebertyps richtet sich nach der Zahl der Dioden, der Phasenverschiebung, dem Stehwellenverhältnis, der Einfügungs- oder Durchlaßdämpfung und der leistungsmäßigen Belastbarkeit.

Jedoch gehören zu diesen bekannten Phasenschiebern gleichzeitig auch Fortpflanzungsleitungen bestimmter Längen, so daß die Eigenschaften dieser Phasenschieber hinsichtlich der Phasenverschiebung, der Dämpfung und des Stehwellenverhältnisses frequenzabhängig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Höchstfrequenz-Diodenphasenschieber zu schaffen, der eine praktisch frequenzunabhängige Phasenverschiebung von O oder TTliefert.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.

9098U/1028

Diese Lösung hat den Vorteil, daß die Feldumkehr, die das Umspringen der Phase 0 in die Phase Tund umgekehrt gestattet, in dem Kopplungsbereich einer Schlitzleitung mit Leitungen anderen Typs wie der Streifenleitung oder der Koplanarleitung erfolgt, sojdaß kein zusätzliches frequenzabhängiges Element benutzt werden muß. Außerdem läßt sich der gesamte Phasenschieber planar herstellen.

In der Zeichnung ist der Phasenschieber nach der Erfindung anhand von beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Phasenschieber

mit einer Streifenleitung und einer Schlitzleitung,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Phasenschieber

nach Fig. 1,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform des Pha

senschiebers nach Fig. 1 im Schnitt und

Fig. 4 einen Phasenschieber mit einer Schlitz

leitung und einer Koplanarleitung.

Mit der Erfindung wird ein Phasenschieber mit PIN-Dioden zur Erzielung der Phasenverschiebungen Ο,ΤΓ vorgeschlagen, wobei die PIN-Dioden im Kopplungsbereich von zwei Leitungen mit unterschiedlichem Aufbau des elektrischen Feldes angeordnet sind und die Leitungen ihrerseits planar auf einem keramischen Substrat mit parallelen und/oder zusammenfallenden Fortpflanzungsachsen hergestellt sind.

Nachfolgend wird kurz erläutert, was unter einer Leitung mit unsymmetrischem Feldaufbau, nämlich unter einer Schlitzleitung verstanden wird und was unter Leitungen mit symmetrischem Aufbau, nämlich einer Streifenleitung oder einer Koplanarleitung, verstanden wird.

- 3 I098U/1028

Eine Schlitzleitung ist eine Wellenleitung bestehend aus einer öffnung in der auf einem dielektrischen Substrat niedergeschlagenen Masseebene. Der dielektrische Träger stellt die mechanische Festigkeit der metallischen Leiter sicher, die im allgemeinen nach bekannten Techniken durch Fotogravur, durch Xtzung oder durch Fotolithographie niedergeschlagen oder aufgebracht sind.

Bei einer Schlitzleitung wird praktisch die gesamte Energie im Dielektrikum fortgepflanzt und ist «wischen den Rändern des Schlitzes konzentriert. Die Dicke des dielektrischen Materials hängt von seiner Art ab und die Breite der Schlitzleitung bestimmt folglich den Wellenwiderstand der Leitung. Der dielektrische Werkstoff kann ein Polytetrafluoräthylen, ein Berylliumoxyd oder Aluminiumomyd-, Quarz- oder Ferritkeramik sein.

Eine Streifenleitung (oder microstrip-Leitung) umfaßt eine dielektrische Platte zwischen einem streifenförmigen Leiter und einer metallischen Fläche, die häufig auch als Massefläche oder Masseebene bezeichnet wird. Wie bei der Schlitzleitung ist praktisch die gesamte Energie im DielektrJkim konzentriert.

Eine Koplanarleitung besteht aus einem metallischen Streifenleiter geringer Dicke, der auf der Oberfläche eines Dielektrikums zusammen mit zwei Masseelektroden niedergeschlagen ist, die parallel zu beiden Seiten des Streifenleiters verlaufen. Wenn die Dielektrizitätskonstante hoch ist, ist der grüßte Teil der Energie im Dielektrikum gespeichert.

Die Kopplung zwischen Übertragungsleitungen der vorstehend beschriebenen Typen, deren Fortpflanzungsachsen entweder parallel verlaufen oder zusammenfallen, ist in einer deutschen Patentanmeldung gleichen Anmeldetages der gleichen Anmelderin beschrie+· ben. ;

Gemäß der Erfindung wird das Höchstfrequente, elektromagnetische Feld, das in einer bestimmten übertragungsleitung entsteht, in

- l» - ; ?098U/1028

einem bestimmten Punkt dieser Leitung in die eine oder die andere Richtung umgekehrt.

Die verwendeten Dioden, im allgemeinen PIN-Dioden, verhalten sich in erster Näherung entweder wie eine offene Schaltung oder wie ein Kurzschluß. Das durch die Erfindung angestrebte Ziel ist erreicht, wenn man wenigstens zwei solcher Dioden im Kopplungsbereich einer Schlitzleitung und einer Streifenleitung oder einer Koplanarleitung anordnet, das heißt im Kopplungsbereich der unterschiedlichen elektrischen Felder. Wenn eine der Dioden leitet und sich die andere infolge Anlegens einer Sperrspannung an deren Elektroden im Sperrzustand befindet, hat das elektrische Feld in der Schlitzleitung in einem bestimmten Augenblick eine bestimmte Richtung. Wenn nun die Diodenpolarität umgekehrt wird, sperrt die zuvor leitende Diode und die zuvor gesperrte Diode wird leitend. Dies hat zur Folge, daß das in der Schlitzleitung induzierte elektrische Feld seine Richtung oder sein Vorzeichen ändert. Der Phasenunterschied «wischen den zwei Zuständen der Diodenschaltung im Kopplungsbereich der zwei Leitungen unterschiedlichen Feldaufbaus ist sehr genau gleich IT.. Dieses Verhalten gilt für einen relativ großen, durch das Kopplungssystem der Übertragungsleitungen bestimmten Frequenzbereich, da dieses Kopplungssystem keinerlei frequenzabhängiges Schaltungselement enthält.

Fig. 1 zeigt ein AusfUhrungsbeispiel eines Phasenschiebers nach der Erfindung im Kopplungsbereich einer Schlitzleitung und einer Streifenleitung.

Die Streifenleitung 1 wird erhalten durch Aufbringen oder Niederschlagen eines Streifenleiters einer bestimmten Länge auf einem keramischen Substrat 2 über einer Nasseebene 3. Die j Schlitzleitung 4 ist in diese Masseebene eingeschnitten und ihre;

Fortpflanzungsachse verläuft parallel zur Längsachse der Streifenleitung 1. Die Schlitzleitung reicht über das Ende der Streifenleitung, jedoch unter derselben, um eine Länge im Bereich von Λ/4 hinaus, um eine perfekte Anpassung zu erzielen.

109844/1028 ~⁵~

Am Ende der Streifenleitung sind zu beiden Seiten zwei Dioden 6 und 7, normalerweise PIN-Dioden, angeordnet. Der eine Anschluß einer Diode, beispielsweise der Diode 6, ist unmttelbar mit einer offenen λ./4-Leitung 8 verbunden, die in derjenigen Ebene des Substrates 2 erzeugt ist, in der die Streifenleitung aufgebracht ist. Der andere Anschluß der Diode 6 ist mit einem Rand 9 der Streifenleitung 1 über einen Leiter 10 verbunden. Die Diode 7 ist gleichartig angeordnet; ihr einer Anschluß ist mit einer offenen λΜ-Streifenleitung 11 verbunden, die in derselben Ebene wie die Leitung 8 und die Leitung 1 liegt. Der andere Anschluß der Diode 7 ist über einen Leiter 12 mit dem Rand der Streifenleitung verbunden.

Die Diode kann auch direkt auf die Streifenleitung 1 aufgelötet und mit der λ,/iJ-Leitung über einen Leiter verbunden sein.

Gemäß der Lehre der erwähnten Patentanmeldung, die die Herstellung einer Kopplung zwischen zwei Leitungen unterschiedlichen Feldaufbaus, jedoch paralleler oder zusammenfallender Portpflanzungsachsen betrifft, induziert ein elektrisches Feld E", das senkrecht zur Streifenleitung 1 verläuft, in der Schlitzleitung 4 ein elektrisches Feld in dem Fall, daß eine Verbindung zwischen den Rändern 9 der Streifenleitung 1 und dem Rand 8 der AM-Leitung hergestellt ist. Der λ./4-Streifenleitungsabschnitt 8 bzw. 11 erzeugt nämlich elektrisch gesehen in einer Ebene senkrecht zu seinem Verbindungspunkt mit dem Rand der Streifenleitung einen Effekt, der äquivalent zu einem Kurzschluß zwischen dem betrachteten Rand der Streifenleitung und einem Rand der Schlitzleitung ist.

Wenn die Dioden 6 und 7 gemäß der vorstehenden Beschreibung und der Fig. 1 angeordnet sind, verhalten sie sich in erster Näherung in Abhängigkeit von ihrer Polung entweder wie ein einer kleinen Induktivität entsprechender Kurzschluß oder wie eine einer kleinen Kapazität entsprechende Unterbrechung. Bringt man daher eine Diode, beispielsweise die Diode 6, in ihren leiten-

I098U/1028

den Zustand während die andere Diode 7 gesperrt ist, dann ist die Streifenleitung 1 über die leitende Diode 6 mit der Schlitzleitung 4 entsprechend den vorherigen Erläuterungen verbunden. Das an der Streifenleitung 1 anliegende elektrische Feld Eo* induziert in der Schlitzleitung 4 ein elektrisches Feld ET in einer bestimmten Richtung und dieses Feld ist ein Maximum wenn der Kurzschluß der Schlitzleitung - wie bereits angegeben - um eine Länge von X/4 unter der Streifenleitung liegt. Wenn der Zustand der Dioden umgekehrt wird, wird die Diode 7 leitend und die Diode sperrt; das elektrische Feld E?, das durch das Feld Eo induziert wird, hat denselben Betrag wie das Feld ET, verläuft jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Zwischen diesen zwei Zuständen besteht eine Phasenverschiebung von 1Γ.

Bei 14 und 15 sind die Drähte für die Vorspannung der Dioden 6 bzw. 7 gezeigt. Diese Drähte führen zu einem Generator 16 oder 17, der die gewünschte Vorspannung an die entsprechende Diode legt.

Fig. 2 zeigt einen Teil des Phasenschiebers der Fig. 1 in einem vereinfachten Schnitt zur besseren Verdeutlichung der Art urid Weise, in der die Verbindungen einer Phasenschieberdiode verwirklicht sind. Die Diode 6 ist beispielsweise durch Löten auf dem Leiter der X/4-Leitung 8 mittels einer ihrer Elektroden befestigt. Die andere Elektrode ist einerseits mit der Streifenleitung 1 über den Leiter 10 und andererseits über den Leiter mit der nicht dargestellten Vorspannungsquelle 17 verbunden.

Bei einer anderen, lediglich im Schnitt in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform entfällt die λ/4-Leitung und die Verbindung mit der Schlitzleitung erfolgt durch das Substrat 2 hindurch. Bei der gezeichneten Ausführung besitzt das Substrat senkrecht vor der Streifenleitung 1 eine Durchbrechung. In dem so hergestellten Schlitz ist annähernd in der Masseebene 3 eine Diode 6 auf einem Träger 60 angeordnet. Der Leiter verbindet eine Elektrode der Diode unmittelbar mit einem Rand der Streifenleitung 1. Der

- 7 J098U/1028

Leiter dient gleichzeitig als Leiter für die Vorspannung und bei 61 ist ein sogenannter Massekontakt zwischen dem Träger für die Diode und der Masseebene hergestellt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Phasenschiebers nach der Erfindung im Bereich der Kopplung einer Schlitzleitung mit einer Koplanarleitung.

Die Schlitzleitung 4 befindet sich in derselben Ebene wie die Koplanarleitung 18, die aus einem Streifenleiter besteht, der auf der Oberfläche eines Dielektrikums 2 niedergeschlagen ist, sowie aus zwei Elektroden 20 und 21, die parallel zu beiden Seiten des streifenförmigen Leiters 19 verlaufen. Die Fortpflanzungsachsen der beiden Leitungen fallen zusammen. An ihrem Ende ist die Koplanarleitung in der Ebene 22 mit einer Anordnung verbunden, die zwei PIN-Dioden 6 und 7 umfaßt. Ein Anschluß jeder der Dioden 6 und 7 ist mit einem Rand 23 bzw. 24 des Streifenleiters der Koplanarleitung verbunden. Der andere Anschluß ist über einen Draht 25 bzw. 26 mit einer Speisequelle 27 bzw. 28 verbunden, die eine Vorspannung liefert. Unter der Diode ist eine Kapazität angeordnet, um das Vorspannungssystem zu vervollständigen. Sobald eine der Dioden, beispielsweise die Diode 6, leitend ist, während die andere Diode 7 dann gesperrt ist, pflanzt das in der Koplanarleitung aufgebaute elektrische Feld ET sich auf die Schlitzleitung 4 fort, wo sich dann das Feld 6* aufbaut. Wenn man nun die Vorspannungen der Dioden umpolt, so daß die Diode 6 sperrt und die Diode 7 leitend wird, pflanzt sich das elektrische Feld IT in die Schlitzleitung 4 fort und wird zum Feld -E". Diese Felder 6* und -ST, die dem Betrag nach gleich sind, sind ein Maximum, wenn man die Verbindung AB zwischen den Rändern 29 und 30 der Koplanarleitung in einem Abstand von λ,/4 von der Endebene 22 dieser Leitung herstellt .

Zwischen den beiden beschriebenen Zuständen besteht eine Phasenverschiebung von T.

- 8 J09844/1028

Die beiden beschriebenen Beispiele von Diodenphasenschiebern mit Phasenverschiebungen von 0 und T sind plan oder planar auf dem keramischen Substrat hoher Dielektrizitätskonstante aufgebaut und zwar im Kopplungsbereich von zwei Übertragungsleitung gen mit parallelen oder zusammenfallenden Fortpflanzungsachsen, jedoch jeweils unterschiedlichen Aufbaus des elektrischen Feldes,

Bei den beschriebenen Beispielen sind die Breite des Streifenleiters, die Breite des Schlitzes und die Dicke des Substrates durch den Wellenwiderstand der übertragungsleitung vor und nach der Ebene der Dioden bedingt. Die Leitung wird mit diesem Wellenwiderstand abgeschlossen, damit eine möglichst große Leistung bei kleinem Stehwellenverhältnis, das nahe bei 1 liegen kann, übertragen wird.

Diese Phasenschieber sind vielseitig einsetzbar und besitzen eine geringe Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung, der Dämpfung und des Stehwellenverhältnisses in einem erheblichen Frequenzbereich; sie sind besonders vorteilhaft verwendbar,bei Antennen mit elektronischer Diagrammschwenkung. Hierzu werden sie direkt mit dem Primärstrahlerelement verbunden, sofern dieser aus einem Schlitz auf einem Substrat besteht. In diesem Fall kann, beispielsweise ausgehend von der Ausführungsform gemäß Fig. 4, ein strahlendes Element R mit der Schlitzleitung H verbunden werden, während die Koplanarleitung 8 mit einer Hochfrequenzquelle H verbunden wird.

9844/1028

Leerseite

Claims

Patentansprüche;

Höchstfrequenz-Diodenphasenschieber auf einem Keramiksubstrat, mit wenigstens zwei Übertragungsleitungen mit unterschiedlichem Feldaufbau und parallelen oder zusammenfallenden Fortpflanzungsachsen, dadurch gekennzeichnet, daß im Kopplungsbereich der auf dem Keramiksubstrat (2) und der Masseebene (3) ausgebildeten Leitungen (1, ^, 18) wenigstens zwei Dioden (6, 7) angeordnet sind, sowie Schaltmittel (27, 28), die die Dioden gleichzeitig und abwechselnd in unterschiedliche Leitzustände bringen.
2. Phasenschieber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Streifenleitung (1) und eine Schlitzleitung (¹O mit parallelen Fortpflanzungsachsen, zwei in der Ebene des Endes (5) der Streifenleitung (1) zu beiden Seiten derselben liegende Dioden (6, 7) und zwei offene λ/4-Leitungen (8, 11), wobei jede dieser Dioden (6, 7) mit einer ihrer Elektroden mit einer der λ./4-Leitungen verbunden ist und die jeweils andere Elektrode über einen Leiter (10, 12) mit dem Streifenleiter der Streifenleitung und über einen weiteren Leiter (I¹I, 15) derart mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, daß die Dioden (6, 7) sich stets in einem unterschiedlichen Leitezustand befinden.
3. Phasenschieber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Dioden (6, 7) direkt über eine Elektrode mit einem der Ränder des Streifenleiters der Streifenleitung (1) an

709844/1028

0RI6INAL INSPECTED

deren Ende (5) verbunden ist und die andere Elektrode über einen Leiter mit einer offenen λ,Μ-Leitung (8, 11) sowie mit einer Vorspannungsquelle (16, 17) verbunden ist.
4. Phasenschieber nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Dioden (6, 7) mit einer ihrer Elektroden unmittelbar auf einem Träger (60) befestigt ist, der in dem Schlitz der der Streifenleitung (1) zugeordneten Schlitzleitung (4) angeordnet ist und daß die andere Elektrode der Dioden über einen Leiter (10, 12) durch das Substrat (2) hindurch mit der Streifenleitung (1) und der Vorspannungsquelle (16, 17) verbunden ist.
5. Phasenschieber nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Koplanarleitung (18) und eine Schlitzleitung (4) mit zusammenfallenden Fortpflanzungsachsen und zwei in der Endebene (22) der Koplanarleitung beidseits deren Außenrändern (29, 30) angeordneten Dioden (6, 7), wobei jeweils eine deren Elektroden mit dem entsprechenden Außenrand verbunden ist und die jeweils andere Elektrode in der Endebene (22) mit den Rändern (23, 2¹J) des Streifenleiters der Koplanarleitung und einer Vorspannungsquelle (27, 28) derart verbunden ist, daß sich die Dioden stets in jeweils unterschiedlichem Leitzustand befinden.
6. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzleitung (4) umΛ-Μ unter die Streifenleitung (1) reicht.
7. Phasenschieber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter die Außenränder (29, 30) der Koplanarleitung in einem Abstand von Λ/4 von der Endebene (22) verbindet.
8. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß seine Schlitzleitung mit einem Strahlerelement einer Antenne mit elektronischer Diagrammschwenkung und seine Streifenleitung (1) oder seine Koplanarleitung (18) mit einer Höchstfrequenzquelle verbunden sind.

J098U/1028