DE2719272C2

DE2719272C2 - Schaltbarer 180°-Diodenphasenschieber

Info

Publication number: DE2719272C2
Application number: DE19772719272
Authority: DE
Inventors: Michel Lesigny Baril; Jacques Longjumeau Legendre
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-04-30
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1985-05-15
Also published as: GB1576861A; NL7704587A; IT1081459B; DE2719272A1; NL182767B; FR2379196B1; FR2379196A1; NL182767C

Description

Die Erfindung betrifft einen schaltbaren 180°-Diodenphasenschieber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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, der zwei parallel auf eine Übertragungsleitung geschaltete Dioden erfordert Diese Phasenschieber lassen sich gut in Planartechnik herstellea Die Wahl des jeweiligen Pbasenschiebertyps richtet sich nach der Zahl der Dioden, der Phasenverschiebung, dem Stehwellenverhältnis, der Einfügungsdämpfung und der leistungsmäßigen Belastbarkei¹"

ίο 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 0 oder π liefert

Die Lösung dieser Aufgabe ist im ersten Patentanspruch angegeben.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß die Feldumkehr, die das Umspringen der Phase 0 in die Phase π und umgekehrt gestattet, in dem Kopplungsbereich einer Schlitzleitung mit Leitungen anderen Typs wie der Streifenleitung oder der Koplanarleitung erfolgt, so daß kein zusätzliches freqrxnzabhängiges 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

F i g. 1 eine Aufsicht auf einen Phasenschieber mit einer Streifenleitung und einer Schlitzleitung,

F i g. 2 einen Schnitt durch den Phasenschieber nach Fig. 1.

Fig.3 eine andere Ausführungsform des Phasenschiebers nach F i g. 1 im Schnitt und

F i g. 4 einen Phasenschieber mit einer Schlitzleitung und einer Koplanarleitung.

Mit der Erfindung wird ein Phasenschieber mit PIN-Dioden zur Erzielung der Phasenverschiebungen 0, λγ 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 hergesttllt 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 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 lurch Fotogravur, durch Ätzung oder durch Fotolithographie niedergeschlagen oder aufgebracht sind.

Bei einer Schlitzleitung wird praktisch die gesamte Energie im Dielektrikum fortgepflanzt und ist zwischen 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 Polytetrafluorethylen, ein Berylliumoxyd oder Aluminiumoxyd, 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 Dielektrikum 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 größte Teil der Energie im Dielektrikum gespeichert

Die Kopplung zwischen Übertragungsleitungen der vorstehend beschriebenen Typen, deren Fortpflanzungsadhsen entweder parallel verlaufen oder zusammenfallen, ist in einer deutschen Patentanmeldung gleichen Anmeldetages der gleichen Anmelderin beschrieben^. DE-OS 27 19 271.

Bei dem Phasenschieber gemäß der Erfindung wird das hochfrequente elektromagnetische Feld, uas in einer bestimmten Übertragungsleitung entsteht in 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 zwischen den zwei Zuständen der Diodenschaltung im Kopplungsbereich der zwei Leitungen unterschiedlichen Feldaufbaus ist sehr genau gleich jz. Dieses Verhalten gilt für einen relativ großen, durch das Kupplungssystem der Übertragungsleitungen bestimmten Frequenzbereich, da dieses Kopplungssystem keinerlei frequenzabhängiges Schaltungselement enthält.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel 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 Masseebene 3. Die Schlitzleitung 4 ist in diese Masseebene eingeschnitten, und ihre Fortpflanzungsachse verläuft parallel zur Längsachse der Streifenleitung L Die Schlitzleitung reicht über das Ende der Streifenleitung, jedoch unter derselben, um eine Länge im Bereich von AIA hinaus, um eine perfekte Anpassung zu erzielen.

Am Ende der Streifenleitung sind zu beiden Seiten zwei Dioden 6 uiiu 7, normalerweise PIN-Dioden, angeordnet Der eine Anschluß einer Diode, beispielsweise der Diode 6, ist unmittelbar mit einer offenen /?/4-Leitung 8 verbunden, die in derjenigen Ebene de-s Substrats 2 erzeugt ist, in der die Streifenleitung 1 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 ,^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 13 der Streifenleitung verbunden.

Die Diode kann auch direkt auf die Streifenleitung 1 aufgelötet und mit der vZ/4-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 Fortpflanzungsachsen betrifft induziert ein elektrisches Feld E, das senkrecht zur Streifenleitung 1 verläuft in der Schlitzieitung 4 ein elektrisches Feld in dem Fall, daß eine Verbindung zwischen den Rändern 9 der Streifen'-~^:tung 1 und dem Rand S der A/4-Lshung hergestellt ist Der /ί'4-Streifenleitungsabschnitt 8 bzw. 11 erzeugt nämlich elektrisch gesehen in einer Ebene senkrecht zu seinem Verbindungspunkt mit dem Rand der Streifenleitung einen Effekt, de·- 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 F i g. 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 leitenden 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 £b induziert in der Schlitzleitung 4 ein elektrisches Feld Ei in einer bestimmten RLhtung, und dieses Feld ist ein Maximum, wenn der Kurzschluß der Schlitzleitung — wie bereits angegeben — um eine Länge von A/A unter der Streifenleitung liegt. Wenn der Zustand der Dioden umgekehrt wird, wird die Diode 7 leitend, und die Diode sperrt; das elektrische Feld £f₂.das durch das Feld E₀ induziert wird, hat denselben Betrag wie das Feld E\. verläuft jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Zwischen diesen zwei Zuständen besteht eine Phasenverschiebung von π.

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 dK entsprechende Diode legt

Fig. 2 zeigt einen Teil des Phasenschiebers der F i g. 1 in einem vfeinfachten Schnitt zu¹" besseren Verdeutlichung der Art und Weise, in der die Verbindungen einer Phasenscbieberdiode verwirklicht sind. Die Diode 6 ist beispielsweise durch Löten auf dem Leiter der /ί/4-Leitung 8 motels einer ihrer Elektroden befestigt. Die andere Elektrode ist einerseits mit der Streifenleitung 1 über den Leiter 10 und andererseits ober den Leiter 15 mit der nicht dargestellten Vorfparinungsquel-Ie 17 verbunden.

Bei einer anderen, lediglich im Schnitt in F i g. 3 dargestellten AusführuEgsform entfällt die /?/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 Leiter dient gleichzeitig als Leiter für die Vorspannung, und bei 61 ist ein sogenannter Massekontakt zwischen dem Träger 60 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 E\ sich auf die Schlitzleitung 4 fort, wo sich dann das Feld £ 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 E₂ in die Schlitzleitung 4 fort und wird zum Feld — E Diese Felder E und — £, 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 AIA von der Endebene 22 dieser Leitung herstellt.

Zwischen den beiden beschriebenen Zuständen besteht eine Phasenverschiebung von π.

Die beiden beschriebenen Beispiele von Diodenphasenschiebern mit Phasenverschiebungen von 0 und π

ίο sind plan oder planar auf dem keramischen Substrat hoher Dielektrizitätskonstante aufgebaut, und zwar im Kopplungsbereich von zwei Übertragungsleitungen 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 Substrats durch den Wellenwiderstand der Übertragungsleitung vor und nach der Ebene der Dioden be-

dingt. 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 Siehweiienverhältnisses 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 F i g. 4, ein strahlendes Element R mit der Schlitzleitung 4 verbunden werden, während die Koplanarleitung 8 mit einer Hochfrequenzquelle //verbunden wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sehdibarer 180°-Diodenphasenschieber, bestehend aus einer Streifenleitung und einer Schlitzleitung mit parallelen oder zusammenfallenden Fortpflanzungsachsen auf einem Keramiksubstrat, wobei sich die Enden der beiden Leitungen zur Herstellung eines Kopplungsbereiches überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene des Endes der Streifenleitung^, 18) zu beiden Seiten derselben je eine Diode (6, 7) angeordnet ist, deren eine Elektrode mit dem ihr benachbarten Rand (9, 13; 23, 24) des Leiters (1; 19) dieser Streifenleitung und deren andere Elektrode mit dem ihr zunächst liegenden Teil der Schlitzleitung (4) galvanisch oder hochfrequenzmäßig verbunden ist, und daß beide Dioden (6,7) mit einer Vorspannungsquelle (16,17; 27, 28) verbunden sind, die wahlweise eine der Dioden im Durrhlaßzustand und die jeweils andere im Sperr7.ustan<i itält

2. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleitung eine Microstrip-Leitung ist.

3. Phasenschieber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Dioden (6, 7) mit einer ihrer Elektroden mit dem ihr benachbarten Rand der Microstrip-Leitung {1) galvanisch (über 10, 12) und mit ihrer jeweiligen anderen Elektrode mit dem ihr zunächst liegenden Teil der Schlitzleitung (4) über je eine offene, zu^r Verbindungsebene symmetrische, einen Kurzschiuli bildende A/4 Leitung (8,11) verbunden ist

4. Phasenschieber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Dioc -n (6, 7) mit einer ihrer Elektroden unmittelbar auf einem in dem Schlitz der Schlitzleitung (4) angeordneten Träger (60) befestigt ist und daß die jeweilige andere Elektrode der Dioden über einen Leiter (10, 12) durch das Keramiksubstrat (2) hindurch mit der Mikrostrip-Leitung (1) und der Vorspannungsquelle (16, 17) verbunden ist.

5. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleitung eine in derselben Ebene wie die Schlitzleitung (4) liegende Koplanarleitung (18) ist

6. Phasenschieber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diode (6, 7) mit ihrer einen Elektrode mit dem ihr benachbarten Rand (23, 24) des Streifenleiters (19) der Koplanarleitung (18) verbunden ist und mit ihrer jeweiligen anderen Elektrode auf dem benachbarten, leitenden Außenrand (29 bzv/. 30) der Koplanarleitung (18) sitzt.

7. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß seine Schlitzleitung (4) mit einem Strahlerelement einer Antenne mit elektronischer Diagrammschwenkung und seine Streifenleitung (1,18) mit einer Höchstfrequenzquel-Ie verbunden sind.