DE3508745C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen einstellbaren Phasenschie­ ber, mit einem Transistor am Schaltungseingang und einem Tran­ sistor am Schaltungsausgang, wie er beispielsweise für einen Laufzeitoszillator in einer Phasenregelschleife (Phased-locked- Loop) verwendet wird.

Im Frequenzgebiet um 100 MHz werden kontinuierlich einstell­ bare Phasenschieber im allgemeinen aus 90°-Kopplern mit 3 dB Koppeldämpfung und Kapazitätsdioden aufgebaut. Ein solcher Pha­ senschieber ist beispielsweise durch den Aufsatz: "Miniaturized 90° Couplers by Using Lumped Elements" von Osamu Inui bekannt, erschien in NEC Research and Development (1981) 63, S. 50-53. Die 90°-Koppler sind dabei sehr platzaufwendig. Ihr Aufbau aus konzentrierten Elementen mit Transformatoren und Kondensatoren macht sie für eine Miniaturisierung wenig geeignet.

Durch die GB 21 15 631 A ist ein mehrstufiger Phasenschieber bekannt, bei dem innerhalb einer ersten und einer zweiten Stufe durch in Stufen schaltbare Leitungslängen eine Phasendrehung von jeweils 22,5° bzw. 90° erreicht werden kann. Die Leitungs­ stücke sind dabei in Serie geschaltet und können durch die als Schalter wirkenden Transistoren in gewünschter Anzahl zuge­ schaltet werden. Dabei sind im Weg zwischen Transistor und Lei­ tungsanschluß jeweils Impedanzanpassungsnetzwerke eingefügt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einstell­ baren Phasenschieber zu schaffen mit geringem Platzbedarf und leichter Integrierbarkeit.

Diese Aufgabe wird mit einem Phasenschieber der eingangs be­ schriebenen Art gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß der Eingangstransistor (T 1), der ausgangsseitig Mittel zur Gleichstromtrennung aufweist, mit seinem Ausgangsanschluß mit dem Eingang des hochohmigen Ausgangstransistors (T 2) verbunden ist, und daß an den Verbindungsweg der beiden Transistoren (T 1, T 2) ein Querzweig angeschaltet ist, bestehend aus einer ^λ /₈- langen Leitung vom Wellenwiderstand Z (λ = Betriebswellenlänge) und einem durch eine PIN-Diode (D 1) realisierten, mittels einer Steuerspannung (U _St ) steuerbaren Widerstand für die kontinuier­ liche Phaseneinstellung.

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 Al₂O₃-Keramik aufge­ bracht und nur das SAW-Element, die Halbleiter und Konden­ satoren 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.

Die modernen GaAs-Feldeffekttransistoren gestatten es auch, den Phasenschieber bis zu Frequenzen von einigen GHz zu realisieren. Damit ist es auch in Phased-Array-Antennen einsetzbar, bei denen Transistoren vorgesehen sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Er­ findungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen drei verschiedene Ausführungs­ formen von Phasenschiebern.

An dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sollen Aufbau und Wirkungsweise eines einstellbaren Analogphasenschiebers erläutert werden. Die Grundelemente des Phasenschiebers bestehen dabei aus einer ^λ /₈-langen Leitung mit dem Wellen­ widerstand Z, die mit einem reellen Widerstand R abge­ schlossen ist. Wird der Wert des Widerstandes R von Null bis unendlich verändert, so wird am Eingang der ^λ /₈-Lei­ tung ein komplexer Widerstand gemessen, der den konstanten Betrag Z aufweist und in der Phase von +90° auf -90° wan­ dert. Wird der Eingang der ^λ /₈-Leitung mit konstantem Wechselstrom, d. h. R _i = ∞ gespeist, so fällt an ihm eine konstante Spannung U ab, deren Phase sich mit dem Wert von R zwischen +90° und -90° einstellen läßt. Bei einer von ^λ /₈ geringfügig abweichenden Leitungslänge bleiben die Phasenwerte erhalten, während die Spannung U abhängig vom Widerstand R wird, was zu einer Schräglage führt.

Beim Phasenschieber nach Fig. 1 wird die Stromquelle von einem Feldeffekttransistor T 1 gebildet, der den gewünschten hohen Innenwiderstand aufweist und der den Eingang der Schaltungsanordnung bildet. Zur Gleichstromtrennung sind eine Drossel Dr und ein Kondensator C ₂ vorgesehen, wobei die Drossel Dr zwischen dem Drain-Anschluß des Transistors T 1 und der Spannung +U _D liegt und der Kondensator C ₂ zwischen dem Drain-Anschluß und dem Anschlußpunkt der im Querzweig liegenden Schaltung aus ^λ /₈-Leitung und ohm­ schen Widerstand R. Der Abgriff der in der Phase einstell­ baren Spannung U erfolgt ebenfalls hochohmig durch den Eingang eines weiteren Feldeffekttransistors T 2, dessen Ausgang den Ausgang der Schaltungsanordnung bildet. Mit U _D und U _G sind die Spannungen für den Drain- bzw. Gate- Anschluß der Feldeffekttransistoren bezeichnet.

Fig. 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 D 1, deren Widerstand in weiten Grenzen durch den Durchlaßstrom regelbar ist. Somit ist dieser Phasen­ schieber elektronisch einstellbar. Ferner ist die Schal­ tung mit bipolaren Transistoren aufgebaut, wobei die Kollektorspannungszuführung an den Transistor T 1 über eine hochohmige Transistorschaltung mit einem Transistor T 3 erfolgt anstelle der Drossel Dr beim Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1. Die Phase zwischen Ein- und Ausgang der Schaltungsanordnung ist jetzt abhängig vom Strom durch die PIN-Diode D 1. Durch eine vorgeschaltete, in der Figur strichliert umrandete Linearisierungsschaltung LS mit Zenerdioden kann eine quasi lineare Abhängigkeit der Phase von einer Steuerspannung U _St erreicht werden. Die Leitungslänge ist wegen der Kapazitäten von Transi­ storen und PIN-Diode kürzer als ^λ /₈ auszuführen.

Beim Analogphasenschieber nach Fig. 2 ist zusätzlich zwischen ^λ /₈-Leitung und dem Transistorschaltungsteil ein Kompensationswiderstand R _K eingeschaltet. Dieser hat folgenden Zweck: ein endlicher Widerstand am Eingang der ^λ /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.

Der Analogphasenschieber nach Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 zum einen durch die Verwendung von bipolaren Transistoren anstelle von Feld­ effekttransistoren und zum anderen durch die Verwendung eines Feldeffekttransistors als steuerbarer Widerstand. Dieser Feldeffekttransistor T 4 wird ohne Draingleich­ spannung betrieben. Wegen der günstigen Steuerkennlinie wird vorzugsweise ein GaAs-Feldeffekttransistor verwendet. Eine Linearisierungsschaltung, wie sie beim Ausführungs­ beispiel nach Fig. 2 vorgesehen ist, kann hierbei ent­ fallen. Dies macht die Schaltung für wesentlich höhere Steuergeschwindigkeiten geeignet durch den Wegfall der Zenerdioden, die große Kapazitäten haben.

Claims (5)

1. Einstellbarer Phasenschieber mit einem Transistor am Schal­ tungseingang und einem Transistor am Schaltungsausgang, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein­ gangstransistor (T 1), der ausgangsseitig Mittel zur Gleich­ stromtrennung aufweist, mit seinem Ausgangsanschluß mit dem Eingang des hochohmigen Ausgangstransistors (T 2) verbunden ist, und daß an den Verbindungsweg der beiden Transistoren (T 1, T 2) ein Querzweig angeschaltet ist, bestehend aus einer ^λ /₈-langen Leitung vom Wellenwiderstand Z (λ = Betriebswellenlänge) und einem durch eine PIN-Diode (D 1) realisierten, mittels einer Steuerspannung (U _St ) steuerbaren Widerstand für die kontinuier­ liche Phaseneinstellung.

2. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Widerstand eine Lineari­ sierungsschaltung (LS) mit Zenerdioden vorgeschaltet ist.

3. Einstellbarer Phasenschieber mit einem Transistor am Schal­ tungseingang und einem Transistor am Schaltungsausgang, da­ durch gekennzeichnet, daß der Eingangs­ transistor (T 1), der ausgangsseitig Mittel zur Gleichstromtren­ nung aufweist, mit seinem Ausgangsanschluß mit dem Eingang des hochohmigen Ausgangstransistors (T 2) verbunden ist, und daß an den Verbindungsweg der beiden Transistoren (T 1, T 2) ein Quer­ zweig angeschaltet ist, bestehend aus einer ^λ /₈-langen Lei­ tung vom Wellenwiderstand Z (g = Betriebswellenlänge) und einem durch einen Feldeffekttransistor (T 4) realisierten steu­ erbaren Widerstand für die kontinuierliche Phaseneinstellung, dessen Drainanschluß mit der ^λ /₈-langen Leitung verbunden ist und an dessen Gateanschluß eine Steuerspannung (U _St ) anliegt.

4. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Quer­ zweig zwischen ^λ /₈-lange Leitung und Verbindungsweg der beiden Transistoren (T 1, T 2) ein Kompensationswiderstand (R _K ) eingeschaltet ist.

5. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungszuführung an die Ausgangselektrode des ersten Transi­ stors (T 1) über eine hochohmige Transistorstufe (T 3) erfolgt.