DE2757627A1

DE2757627A1 - Mikrowellenphasenschieber mit einer einrichtung zur energieein- oder auskopplung

Info

Publication number: DE2757627A1
Application number: DE19772757627
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Thomas Nemit; Bobby Joe Sanders
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1976-12-30
Filing date: 1977-12-23
Publication date: 1978-07-13
Also published as: US4070639A; GB1591858A

Description

J.T.Nemit 8-2

Mikrowellenphasenschieber mit einer Einrichtung zur Energieein- oder Auskopplung

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenphasenschieber mit einer Einrichtung zur Energieein- oder Auskopplung in einen oder aus einem Hohlleiter.

Dieser Phasenschieber, der vorzugsweise digital arbeitet und eine Phasenverschiebung von 180° verursacht, ist in der Streifenleitungstechnik ausgeführt und hat eine Einrichtung integriert, die mittels einer Schleife in der Η-Ebene Energie in einen Hohlleiter einkoppelt oder auskoppelt. Eine solche Einrichtung ist besonders gut geeignet zur Verwendung in digitalen Diodenphasenschiebern für Hohlleiterspeisenetzwerke, die zur gemeinsamen Speisung einer Vielzahl von Antennen einer phasengesteuerten Antennenzeile geeignet sind. Diese Einrichtung wird sowohl isoliert dargestellt als auch in Verbindung mit Diodenphasenschiebern, die bei der Phasenverschiebung Zwischenwerte, z.B. 22°, 45° und 90°, erzeugen. Die notwendige Schaltfunktion wird häufig mit PIN-HF-Dioden durchgeführt.

Mikrowellenphasenschieber an sich sind allgemein bekannt und werden bei phasengesteuerten Antennenzeilen verwendet.

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Bei dieser Anwendung werden die elektronisch gesteuerten Phasenschieber zur Erzeugung einer trägheitsloven Strahlschwenkung verwendet. In dem"Radar Handbook"von Merrill j.Skolnik,McGraw Hill Verlag, 1970 werden im Kapitel 11 ■> phasengesteuerte Systeme beschrieben. Kapitel 12 dieses Buches befaßt sich mit Phasenschiebern für solche Antennenzeilen. Diese Kapitel geben einen Überblick über den Stand der Technik und machen deutlich, was für ein großer Entwicklungsaufwand auf diesem Gebiet betrieben wurde.

Es ist bekannt, in Übertragungseinrichtungen, die in

Streifenleitungstechnik (oder microstrip) ausgeführt sind, zum Schalten der Mikrowellenenergie PIN-Dioden zu verwenden. Ee wurden weiterhin (in der Streifenleitungstechnik) digitale Phasenschieber entwickelt, die es möglich machen, digital oder in binären Schritten Phasenverschiebungen durchzuführen. Die Phasenverschiebungen können beispielsweise 22°, 45°, 90° und 180° betragen. Eine solche Einrichtung ist beispielsweise in "IEEE transactions on microwave theory and techniques", Dezember 1975, in dem Artikel "Integrated

Diode Phase-Shifter Elements for an X-Band Phase-Array

Antenna" beschrieben. Weitere Information ist in der US-PS 3 803 621 enthalten. Dort ist ein 180°-Phasenschieber beschrieben, bei dem die Polarität des Signals in der Antenne umgekehrt wird. Dies ist bei Systemen, bei denen der Phasenschieber direkt hinter einer Antenne einer Antennenzeile angeordnet ist, von Bedeutung, denn man braucht in diesem Fall nicht über den übergang zu einem anderen Übertragungsmedium, z.B. einem Hohlleiter, nachzudenken.

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Es gibt weiterhin noch andere bekannte Einrichtungen zur Erzeugung einer digitalen 18O°-Phasenverschiebung, z.B. eine Lösung mit einer Hybrid-Kopplung, die Verwendung von mehreren Sektionen einer Leitung mit periodischen Ab-Schlüssen oder eine geschaltete Leitung. Normalerweise wird die übergangskupplung zwischen zwei verschiedenen Ubertragungsarten, z.B. zwischen Streifenleitung und Hohlleiter, getrennt von der Phasenschieberstruktur behandelt.

von dem Standpunkt der Kosten-Effektivität, der Materialeinsparung und der Minimalisierung von Gewicht und Komplexität ist es notwendig, durch die Integration der Übergangskupplung in die Phasenschiebereinrichtung eine Vereinfachung zu erzielen. Dies erreicht man auf vorteilhafte Weise mit der erfindungsgemäBen Einrichtung.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung sind die Funktionen eines digitalen 180°-Phasenschiebers und eine Übergangskupplung mittels einer Schleife kombiniert. Die Einrichtung enthält eine Kombination mit einem Leistungsteiler, zwei symmetrischen Shunt-Dioden, HF-Schaltanordnungen und einem magnetischen Koppler. Obwohl die Erfindung auch im Zusammenhang mit beispielsweise einer Koaxialleitung realisierbar ist, wird sie besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Streifenleitungen angewandt wegen der niedrigen Kosten und der Einfachheit, mit der Streifenleitungseinrichtungen hergestellt werden können.

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Den erwähnten Leistungsteiler erhält man durch Aufteilung des mittleren Leiters der Streifenleitung. Diese Zweige speisen jeweils einen spitz zulaufenden Streifenleitungsteil, der als Impedanzwandler wirkt. Dabei ist jeweils ein Zweig mit einem AnschluB eines Schleifenkopplers verbunden. Dieser Schleifenkoppler ist integriert angeordnet mit einer Anordnung von Streifenleiternteilen. Die 180°-Phasenverschiebung erhält man durch eine komplementäre Steuerung von zwei einander zugeordneten Diodenschaltanordnungen. Komplementäre Steuerung bedeutet hierbei, daß eine Diode durch ein Steuersignal leitend und die andere nichtleitend gesteuert wird. Diese komplementäre Steuerung der Diodenschaltanordnung als Paar bildet die Basis für selektive HF-Stromumkehr in der

Schleife. Es wird von der Tatsache Gebrauch gemacht,

daß durch eine geeignete Anordnung von Viertel-Wellenlängen-Ubertragungsleitungen im Zusammenwirken mit Schaltdioden die Zweige, die den Leistungsteiler enthalten, so gesteuert werden können, daß sie alternierend den Energiefluß von dem zentralen Streifenleiter (beim Sende-Betrieb) am Punkt der Verzweigung durchlassen oder nicht durchlassen. Die Einrichtung ist reziprok und kann deshalb sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetrieb verwendet werden.

Die neue Einrichtung hat gegenüber bekannten Einrichtungen u.A. folgende Vorteilet

a) FUr die Kombination eines 180°-Phasenechiebere und eines Kopplers zwischen Streifenleitung und Hohlleiter ■ind weniger Platz und Fläche notwendig;

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b) niedrige Herstellungskosten;

c) niedrigerer Gesamteinschaltverlust;

d) größere aktive Bandbreite;

e) im wesentlichen keine Amplitudenmodulation zwischen den Phasenzuständen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig.1A eine teils schematische/ teils reale Darstellung

der Streifenleitungskomponenten in der Ebene des zentralen Streifenleitungsleiters;

Fig.1B einen Schnitt durch die Anordnung der Fig.iA;

Fig.2 eine Darstellung des Streifenleitungsphasenschiebers (teilweise bildlich auseinandergezogen) mit Abschirm- oder äußeren leitenden Platten und der tragenden Isolation sowie des rechteckigen

Hohlleiters, der die Koppelschleife aufnimmt;

Fig.3 eine Einrichtung mit Streifenleiterphasenschiebern, die auch am
ermöglicht.

die auch andere Phasenverschiebungen als 180°

in Fig.1 ist ein Beispiel für die erfindungsgemäße Streifenleitungsschaltung dargestellt. In Fig.iA ist zur Vereinfachung angenommen, daß die obere Platte oder Grundplatte 21 und das wabenförmige isolierende StUtzmaterial 33, die in Fig.iB und Flg.2 dargestellt sind, abgenommen sind.

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Obwohl natürlich die erfindungsgemäße Anordnung vollkommen reziprok ist, wird sie hier beispielsweise für die Anwendung beim Sendebetrieb beschrieben, d.h. es wird angenommen, daß Energie von einem HF-Generator irgendwelcher Art dem Streifenleitungsteil 11 (Fig.iA) am rechten Ende zugeführt wird. Es wird weiterhin angenommen, daß die Streifenleitung in der Fig.iA und 1B für die praktische Anwendung auf der rechten Seite länger ist und daß sich auch die in Fig.2 dargestellte Sandwich-Struktur weiter erstreckt als dargestellt.

Alle Streifenleitungselemente sind im wesentlichen auf ein isolierendes oder dielektrisches Substrat 18 "gedruckt". Das Isolationsmaterial 33 und 34 in Form von Waben wie z.B. in der US-PS 3 518 688 beschrieben, 1st ebenfalls dargestellt. Das wabenförmige Material dient dazu, die leitenden Ebenen 21 und 22, die für die Streifenleitungsstruktur typisch sind, mechanisch zu trennen. Das wabenförmige Material 33 und 34 kann natürlich durch andere Strukturen und Materialien, die die gleiche Funktion erfüllen, ersetzt werden.

In Fig.2 ist die typische Anordnung, die den Übergang von Streifenleitung zu Hohlleiter entsprechend der Erfindung erzeugt, darstellt. Der rechteckige Hohlleiter 40 mit einer geschlossenen metallischen Endplatte 41, die einen Schitz aufweist, erhält die Schleife 17, die ein Teil der gedruckten Schaltung nach Fig.IA ist. Dies wird vom Fachmann erkannt als eine integrale H-Ebenen-Kopplung oder Übergangskupplung zwischen Streifenleitung und Hohlleiter.

Die Eigenschaften des wabenförmigen Materials 33 und 34 sind in der bereits erwähnten US-PS 3 518 688 beschrieben und ein dielektrisches Material, das für die Trägerebene

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18 geeignet ist, ist allgemein bekannt. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung müssen dieselben Forderungen wie bei der Streifenleitungstechnik allgemein erfüllt werden; so wird beispielsweise ein Material mit einem niedrigen tangentialen Verlust bevorzugt. Die leitenden Ebenen 21 und 22 können aus einem leitenden Material wie z.B. Kupfer sein; es kann jedoch auch eine mit Metall beschichtete isolierende Platte sein. Diese Alternative ist ebenfalls in der US-PS 3 518 688 beschrieben.

Hie aus der Streifenleitungstechnik oder aus dem Microstrip-Design allgemein bekannt ist, entsprechen relativ breite gedruckte Leiter einer niedrigen charakteristischen Impedanz während eng gedruckte leitende Linien eine höhere charakteristische Impedanz haben. Eine typische charakteristische Impedanz für die Eingangsleitung 11 ist beispielsweise 5ΟΩ während die Leitungen 27, 28 und 39 typische Impedanzen in der Größenordnung von 150 Ω aufweisen.

Die Erzeugung einer 180°-Phasenverschiebung brachte in der Schleife 17 eine Stromumkehr mit sich. Wenn die eine Richtung des Stroms die Phaae null darstellt, dann stellt die andere Richtung des Stroms in der Schleife 17 die Phase 180° dar. Jede der Dioden 31 und 32 schaltet die auf 11 vorhandene Energie zwischen den Zweigen 12 und 13. D.h. jede der Dioden wirkt so, daß wenn sie positiv vorgespannt ist (leitender Zustand), Energie in den entsprechenden Zweig gelangt. Wenn die Diode 31 positiv vorgespannt ist, kann die Energie von über Zweige 12 und 15 in die Schleife 17 fließen. Da die Diode 32 zur selben Zeit negativ vorgespannt ist, wird die

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Energie von 11 am Eingang des Zweiges 13 reflektiert. Dementsprechend umfassen die Zweige 12 und 13 einen Leistungsteiler und den Punkt 43 kann man sich als Teilungspunkt denken. Im umgekehrten Fall, d.h. wenn die Diode 32 leitend und 31 gesperrt ist, dann fließt die Energie durch 13 und in die andere Seite der Schleife, jedoch nicht von 11 nach

Die eine Diode und entsprechende Zweige im "isolierten" (kein Durchgang) Zustand wirken aufgrund der Anordnung und Viertelwellenlänge-Multiples zwischen Diode und Schleife so, daß an einem Lnde der Schleife ein tatsächliches Kurzschlußende (harter Kurzschluß) vorhanden ist. Dies ergibt eine gute Kopplung mit niedrigem Verlust in den Hohlleiter. Wegen der vorhandenen Symmetrie wird durch Umkehr der Diodenvorspannung ein komplementäres Signalpaar erzeugt (Anschlüsse 25 und 26) und es erfolgt eine Umschaltung von "Durchlass" zu "Sperrung" und umgekehrt. Die dem Durchlaßzustand zugeordneten Zweige Übertragen jetzt Energie zur anderen Seite der Schleife und der Kurzschlußabschluß wird zur anderen Seite der Schleife verschoben. Dadurch wird der Stromfluß in der Schleife 17 umgekehrt, was die gewünschte Phasenverschiebung von 0° zu 180° (oder von 180° zu 0°) bewirkt.

Die verschiedenen Teile der Streifenleitungsschaltung, in denen die schaltenden, durchseheltenden oder isolierenden Filterfunktionen erfolgen, sind in Abschnitten von "Viertelweilenlängen" oder Vielfachen hiervon ausgeführt. Diese sind in Fig.iA durch Ausdrücke, die die Bruchteile einer Wellenlänge angeben, markiert. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht; ein eind qegenüber der npezlollcn Aunlequncj für den X-nnnd-Hotrioli vnrqrttßort.

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Die Schleife 17 ist in der Größenordnung einer viertel Wellenlänge auf einer Seite oder einer ganzen Wellenlänge entlang der gesamten Schleife ausgeführt.

Die von dem Leistungsteilerpunkt 43 ausgehenden Zweige und 13 sind schmaler. Wenn der Leitungsteil 11 eine charakteristische Impedanz von 50 Ohm hat, dann sind die Zweige 12 und 13 für charakteristische Impedanzen von 70,7 Ohm ausgelegt. Die Anpassung an dem Leistungsteilerpunkt 43 erfolgt durch eine Anpassungsstufe 14.

Die Zweige 15 und 16 bestehen aus einem Paar spitz zulaufender Leiter/ die sich bei der Schleife einander nähern und die jeweils eine Länge von einer halben Wellenlänge haben (Fig.1A). Die Zweige 15 und 16 bilden einen Impedanzwandler, wobei die vorhandene charakteristische Impedanz von 70,7 Ohm, die an ihren Verbindungsstücken 19 und 20 vorhanden ist, zu einer Impedanz der Größenordnung 100 Ohm an den Schleifenanschlüssen gewandelt wird. Die Verbindungsstücke 19, 20 sind so gestaltet, daß eine Kapazität entsteht, die die Qualität des elektronischen Schaltens, das durch die Einrichtung bewirkt wird, erhöht wird.

Wie der Fig.iA weiter zu entnehmen ist, sind zusätzlich folgende Abstände festgelegtι

- der Abstand des Verbindungspunktes von 12, 19 und 15 zum nächsten Anschluß der Diode 31 ist eine viertel Wellenlänge lang,

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- der Abetand von diesem Punkt über die Diode zu dem äußeren Stück ist eine halbe Wellenlänge lang.

Oa die Schaltung mit Ausnahme des Anpaßanschlusses 14 und der Komponenten 37 und 39, die mit dem Anschluß 38 verbunden sind, in Bezug auf die longitudinale Mittellinie von 11 vollkommen symmetrisch ist, gelten die "Viertelwellenlängen-" und "Halbwellenlängen-" Abmessungen auch für die Anschlüsse 20, Diode 32 und äußeren Anschluß 30. Der Nebenschlußkapazitätsanschluß 35 ist wie das entsprechende Teil 36 etwas länger als eine viertel Wellenlänge. Diese Anschlüsse erzeugen die Nebenschlußkapazität, die notwendig ist, um den notwendigen Reaktanzabschluß zu erhalten, den man braucht, wenn die Dioden umgekehrt vorgespannt sind. Der Zweck hierfür ist wiederum die Schaltkapazität.

Die Steuersignale, die "Vorspanneignale" für die Dioden 31 und 32 sind, werden über Anschlüsse 25 bzw. 26 zugeführt. Jeder dieser Vorspannsteuersignaleingänge hat ein HF-Filternetzwerk, um die GleichstromanschlUsse 25 und 26 von den aktiven HF-Frequenzen, die an den Dioden 31 und 32 während des Betriebs vorhanden sind, zu trennen. Jedes dieser Isolations« netzwerke 25 bzw.26 enthält ein Teil 27 bzw. 28 mit hoher Impedanz und einer viertel Wellenlä ein Teil 23 bzw. mit niedrigerer Impedanz und einer viertel Wellenlänge Länge. Die Diodenvorspannungssteuersignaleingänge 25 und 26 sind durch die oben beschriebene Filterkonfiguration HF-mäßig voneinander getrennt. Der Rückführzweig für die Vorspannungssteuersignale, die über 25 und 26 in komplementärer Beziehung zueinander zugeführt werden, ist das Terminal 38. Der Steuersignalrückweg zu 38 führt über die Streifenleitungekomponenten wie in Fig.IA angegeben. Die HF-Isolation de· Terminals 38 wird

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bewirkt durch das Tell 39 mit seiner relativ hohen Impedanz und seiner Länge von einer viertel Wellenlänge und das Teil mit seiner relativ niedrigen Impedanz, die ebenso arbeiten wie bereits im Zusammenhang mit den Teilen 27 und 23 oder 28 und 24 zur Isolation der Steuersignalanschlüsse 25 bzw. 26 beschrieben.

Bei der Anordnung nach Fig.3 ist der erfindungsgemäße digitale 18O°-Phasenschieber mit einer Einrichtung zur Phasenverschiebung so kombiniert, daß sowohl diskrete Phasenverschiebungen von 22°, 45° und 90° als auch von 180° erzeugt werden können. Dies kann praktisch als 4-Bit digitaler Phasenschieber betrachtet werden.

In Fig.3 ist der 180°-Phasenschteber-Teil in dem gestrichelt gezeichneten Block 43 dargestellt. Die Eingangsstreifenleitung 11, die Schleife 17, die Anschlüsse 25 und 26 fUr die Signale zur Steuerung der Dioden 31 und 32 sowie die anderen innerhalb von 43 dargestellten Streifenleitungselemente sind mit denen der Fig.1A identifiziert.

Bei der Schaltung nach Fig.3 wird angenommen, daß der Leiter von einem Auegangssignal eines hybridgekoppelten Phasenschiebers 50 gespeist wird. Die 22°-, 45°- und 90°-Phasenschieberkomponenten sind in der Fig.3 in dem rechtsvon dem Block 43 liegenden Teil der Schaltung dargestellt. Diese Teile sind zum besseren Verständnis und der Vollständigkeit wegen dargestellt obwohl sie nicht zur Erfindung gehören. Es sind auf bekannte Weise Dioden und Streifenleitungsphasenschieber vorgesehen, die diskrete Phasenwerte von 22°, und 90° darstellen.

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Die Schleife 44 kann der Eingang für die gesamte Einrichtung nach Flg.3 sein. Sie liegt bei 45 auf Masse. Verschiedene Signale zur Steuerung der HF-Diöden-Vorspannung werden für die Dioden 53 bzw. 54 bei 48 bzw. 49 eingespeist. Je nach Signalwert an den Eingängen werden Phasenverschiebungen von 0° oder 22° erzeugt. Entsprechend werden mit Signalen bei 46 und 47 und HF-Dioden 55 bzw. 56 Phasenverschiebungen von 0° und 45° erzeugt. Dioden 57 und 58 im Zusammenwirken mit dem 3-dB-Hybrid-Koppler 50 können von Signalen 51 und 52 so gesteuert werden, daß eine Phasenverschiebung von 0° oder 90° erzeugt wird. Der Anschluß 38 bildet für alle Dioden-Steuersignale der Fig.3 den SignalrUckweg.

Nach Kenntnis der obigen Beschreibung sind die Zusammenhänge zwischen der Fig.iB und der Fig.2 und der Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung klar. Beim Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung mUssen die allgemeinen Kenntnisse eines Fachmannes bezüglich der Streifenleitungstechnik berücksichtigt werden. Dies gilt insbesondere für die Dimenisonierungen und die Abstände, die in der Beschreibung oder in den Zeichnungen nicht angegeben sind.

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Claims

Patentanwalt Dipl.-Phys.Leo Thul Kurze Str.8 7 Stuttgart 30 J.T.Nemit-B.J.Sanders 8-2 INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK Patentansprüche

1.'Mikrowellenphasenschieber mit einer Einrichtung zur Energieein- oder Auskopplung in einen oder aus einem Hohlleiter, dadurch gekennzeichnet, daß zur magnetischen Energieeinoder Auskopplung eine leitende Schleife (17) vorgesehen ist, die den einen Anschluß für den Mikrowellenphasenschieber bildet,und daß eine Einrichtung zum Schalten der Mikrowellenenergie (31, 32) vorgesehen ist, die das Phasenschiebereingangssignal so steuert, daß es in der Schleife in Abhängigkeit vom vorhandenen Steuersignal eine erste oder eine zweite Stromrichtung aufweist.

2. Mikrowellenphasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leistungsteiler (43, 12, 13, 15, 16) vorgesehen ist, der mit dem anderen Anschluß (11) des

Sm/Sch
19.12.1977

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Mikrowellenphasenschiebers verbunden 1st, daß der Leistungsteller ein Paar Übertragungsleitungen enthält, daß die Einrichtung zum Schalten der Mikrowellenenergie ein erstes und ein zweites Mikrowellenschaltelement (31, 32) enthält, denen ein erster bzw. ein zweiter Steueranschluß zugeordnet ist, daß diesen Anschlüssen jeweils erste bzw. zweite Steuersignale zugeführt werden, daß die Steuersignale entgegengesetzte Vorzeichen haben, daß sie das erste Schaltelement leitend steuern, während das zweite Schaltelement vorübergehend nichtleitend gesteuert wird und umgekehrt, und daß zwischen den Zweigen (12, 13, 15, 16) und den Schaltelementen (31, 32) eine Schaltung mit Stücken von einer viertel Wellenlänge und/oder Vielfachen hiervon vorgesehen ist.

3. Mikrowellenphasenschieber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenphasenschieber in Streifenleitungstechnik ausgeführt ist und daß die Mikrowellenschal te lernen te (31, 32) HF-Dioden sind.

4. Mikrowellenphasenschieber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Streifenleitungstechnik ausgeführten Zweige (15, 16) zur Impedanzinformation spitz zulaufen.

5. Mikrowellenphasenschieber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Dioden PIN-Dioden sind, daß die Steuersignale die Vorspannung der PIN-Dioden steuern, daß die Zuführung der Steuersignale ebenfalls über Streifenleitungen erfolgt und daß zur Isolation der SteuersignalanschlUsse von den HF-Signalen in den Streifenleitungen StreifenleitungestUcke mit einer Länge von einer viertel Wellenlänge vorgesehen sind.

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6. Mikrowellenphasenschieber nach einem der Ansprüche 1

bis 5, dadurch gekennzeichnet» daß der Mikrowellenphasenschieber digital arbeitet.

7. Mikrowellenphasenschieber nach einem der Ansprüche 1

bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenphasenschieber so mit dem Hohlleiter (40) verbunden ist, daß die leitende Schleife (17) in einer Ebene orthogonal zu der longitudinalen Achse des Hohlleiters liegt.