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Einstellbarer Analogphasenschieber
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Die Erfindung bezieht sich auf einen einstellbaren Analogphasenschieber,
wie er beispielsweise für einen Laufzeitoszillator in einer Phasenregelschleife
(Phasedlocked-Loop) verwendet wird.
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Im Frequenzgebiet um 100 MHz werden kontinuierlich einstellbare Phasenschieber
im allgemeinen aus 900 -Kopplern mit 3 dB Koppeldämpfung und Kapazitätsdioden aufgebaut.
Die 90°-Koppler sind dabei sehr platzaufwendig.
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Ihr Aufbau aus konzentrierten Elementen mit Transformatoren und Kondensatoren
macht sie für eine Miniaturisierung wenig geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einstellbaren Phasenschieber
zu schaffen mit geringem Platzbedarf und leichter Integrierbarkeit.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Analogphasenschieber
mit einer ersten Transistorstufe mit hohem Innenwiderstand, in deren Ausgangskreis
Mittel zur Gleichstromtrennung eingeschaltet sind, und einem zwischen die erste
und eine zweite Transistorstufe zur Entkopplung eingeschalteten Querzweig, bestehend
aus einer X/8-langen Leitung vom Wellenwiderstand Z ( t=Betriebswellenlänge) und
einem steuerbaren Widerstand.
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Der Phasenschieber eignet sich sehr gut zur Integration zum Beispiel
mit einem SAW-Laufzeitoszillator, einer vorgesehenen Anwendung. Dabei wird die gesamte
Schaltung auf ein Substrat, beispielsweise A1203-Keramik aufge-
bracht
und nur das SAW-Element, die Halbleiter und Kondensatoren hybrid aufgesetzt. Alle
Transistoren können dabei auf einem Array versammelt sein. Es wird damit eine starke
Miniaturisierung erreicht. Ein solcher Phasenschieber ist auch monolithisch ausführbar.
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Die modernen GaAs-Feldeffekttransistoren gestatten es auch, den Phasenschieber
bis zu Frequenzen von einigen GHz zu realisieren. Damit ist er auch in Phased-Array-Antennen
einsetzbar, bei denen Transistoren vorgesehen sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Die Figuren 1 bis 3 zeigen drei verschiedene Ausführungsformen von
Phasenschiebern.
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An dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sollen Aufbau und Wirkungsweise
eines einstellbaren Analogphasenschiebers erläutert werden. Die Grundelemente des
Phasenschiebers bestehen dabei aus einer 928-langen Leitung mit dem Wellenwiderstand
Z, die mit einem reellen Widerstand R abgeschlossen ist. Wird der Wert des Widerstandes
R von Null bis unendlich verändert, so wird am Eingang der A/8-Leitung ein komplexer
Widerstand gemessen, der den konstanten Betrag Z aufweist und in der Phase von +900
auf -90° wandert. Wird der Eingang der Al8-Leitung mit konstantem Wechselstrom,
d.h. Ri= svgespeist, so fällt an ihm eine konstante Spannung U ab, deren Phase sich
mit dem Wert von R zwischen +900 und -90° einstellen läßt. Bei einer von A/8 geringfügig
abweichenden Leitungslänge bleiben die Phasenwerte erhalten, während die Spannung
U abhängig vom Widerstand R wird, was zu einer Schräglage führt.
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Beim Phasenschieber nach Figur 1 wird die Stromquelle von einem Feldeffekttransistor
T1 gebildet, der den gewünschten hohen Innenwiderstand aufweist und der den Eingang
der Schaltungsanordnung bildet. Zur Gleichstromtrennung sind eine Drossel Dr und
ein Kondensator C vorgesehen, wobei die Drossel Dr zwischen dem Drain-Anschluß des
Transistors T1 und der Spannung +UD liegt und der Kondensator C zwischen dem Drain-Anschluß
und dem Anschlußpunkt der im Querzweig liegenden Schaltung aus T/8-Leitung und ohmschen
Widerstand R. Der Abgriff der in der Phase einstellbaren Spannung U erfolgt ebenfalls
hochohmig durch den Eingang eines weiteren Feldeffekttransistors T2, dessen Ausgang
den Ausgang der Schaltungsanordnung bildet. Mit UD und UG sind die Spannungen für
den Drain- bzw. Gate-Anschluß der Feldeffekttransistoren bezeichnet.
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Figur 2 zeigt einen einstellbaren Analogphasenschieber, der sich in
folgendem von der Ausführungsform nach Fig. 1 unterscheidet: Der Widerstand R ist
hierbei steuerbar ausgeführt, beispielsweise durch Realisierung mit einer PIN-Diode
D1, deren Widerstand in weiten Grenzen durch den Durchlaßstrom regelbar ist. Somit
ist dieser Phasenschieber elektronisch einstellbar. Ferner ist die Schaltung mit
bipolaren Transistoren aufgebaut, wobei die Kollektorspannungszuführung an den Transistor
T1 über eine hochohmige Transistorschaltung mit einem Transistor T3 erfolgt anstelle
der Drossel.Dr beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Die Phase zwischen Ein- und
Ausgang der Schaltungsanordnung ist jetzt abhängig vom Strom durch die PIN-Diode
D1. Durch eine vorgeschaltete, in der Figur strichliert umrandete Linearisierungsschaltung
LS mit Zenerdioden kann eine quasi lineare Abhängigkeit der Phase von einer Steuerspannung
Ust erreicht werden.
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Die Leitungslänge ist wegen der Kapazitäten von Transistoren und PIN-Diode
kürzer als A/8 auszuführen.
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Beim Analogphasenschieber nach Figur 2 ist zusätzlich zwischen A/8-Leitung
und dem Transistorschaltungsteil ein Kompensationswiderstand RK eingeschaltet. Dieser
hat folgenden Zweck: ein endlicher Widerstand am Eingang der ?</8-Leitung bewirkt,
daß die Spannung nicht mehr konstant, d.h. unabhängig vom Anschlußwiderstand ist,
sondern ein Minimum bei R=Z aufweist. Durch Einfügen eines geeignet bemessenen Kompensationswiderstandes
wird erreicht, daß die Spannung U wieder unabhängig vom Widerstandswert R bzw. vom
Widerstand der PIN-Diode wird.
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Der Analogphasenschieber nach Figur 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach Figur 1 zum einen durch die Verwendung von bipolaren Transistoren anstelle
von Feldeffekttransistoren und zum anderen durch die Verwendung eines Feldeffekttransistors
als steuerbarer Widerstand.
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Dieser Feldeffekttransistor T4 wird ohne Draingleichspannung betrieben.
Wegen der günstigen Steuerkennlinie wird vorzugsweise ein GaAs-Feldeffekttransistor
verwendet.
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Eine Linearisierungsschaltung, wie sie beim Ausführungsbeispiel nach
Figur 2 vorgesehen ist, kann hierbei entfallen. Dies macht die Schaltung für wesentlich
höhere Steuergeschwindigkeiten geeignet durch den Wegfall der Zenerdioden, die große
Kapazitäten haben.
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6 Patentansprüche 3 Figuren