DE3512343C2

DE3512343C2 - 2-bit reflection phase shifter

Info

Publication number: DE3512343C2
Application number: DE19853512343
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Solbach
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1985-04-04
Filing date: 1985-04-04
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2005-04-05
Also published as: DE3512343A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem 2-Bit-Reflexionsphasenschieber der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention is based on a 2-bit reflection phase shifter the specified in the preamble of claim 1 Art.

Ein solcher Phasenschieber, der darüber hinaus noch eine Stufe für ein drittes Bit aufweist, ist aus der US 3 454 906 bekannt.Such a phase shifter, which is also a stage for has a third bit is known from US 3,454,906.

Derartige Phasenschieber finden beispielsweise vorteilhafte Verwendung in Phasenschiebernetzwerken bei phasengesteuerten Antennen. Zeitlich und/oder über ein solches Netzwerk gemittelt ergeben sich für alle vier Einstellungen des 2-Bit-Phasenschiebers im allgemeinen gleiche Häufigkeiten, so daß sich aus den Schaltzuständen der Dioden in den verschiedenen Einstellungen ein gemittelter Schaltzustand ableiten läßt.Such phase shifters find advantageous ones, for example Use in phase shifter networks with phase controlled Antennas. Temporally and / or via such Network averaged for all four settings of the 2-bit phase shifter generally the same frequencies, so that from the switching states of the diodes in the various settings an averaged switching status can be derived.

Bei bekannten Schaltungen zur Realisierung von 2-Bit- Phasenschiebern, die mindestens drei schaltbare Dioden enthalten, wie sie auch der eingangs erwähnten US 3 454 906 entnehmbar sind, befindet sich durchschnittlich die Hälfte der Dioden in durchgeschaltetem und damit stromverbrauchendem Zustand. Dies ist von besonderem Nachteil bei Anwendungen solcher Phasenschieber in Netzwerken von in Flugzeugen angeordneten Gruppenantennen.In known circuits for realizing 2-bit Phase shifters that have at least three switchable diodes contain, as can also be found in the aforementioned US 3,454,906, is on average half of the Diodes in switched through and thus power consuming Status. This is of particular disadvantage in applications such phase shifter in networks of in aircraft arranged group antennas.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen 2-Bit-Phasenschieber der eingangs genannten Art anzugeben, der im Mittel einen geringeren Strombedarf aufweist.The object of the present invention is therefore a Specify 2-bit phase shifters of the type mentioned at the outset, which on average has a lower power requirement.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is the subject of claim 1 solved.

Bevorzugterweise wird die Erfindung unter Verwendung von PIN- Dioden verwirklicht.Preferably will the invention using PIN Diodes realized.

Die Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend erläutert. Dabei zeigtThe invention is hereinafter with reference to the Illustrations explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine gattungsgemäße bekannte Anordnung, Fig. 1 is a generic prior art arrangement,

Fig. 2 eine weitere bekannte Anordnung, Fig. 2 shows another known arrangement,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 shows an embodiment of the invention.

Die Schaltung in Fig. 1 besteht aus zwei Stufen, dem 90°-Bit-Transmissionsphasenschieber mit zwei Dioden D2, D3 und dem angeschlossenen 180°-Bit-Reflexionsphasenschieber. In Fig. 1 sind die PIN-Dioden durch ihre Funktion als Umschalter dargestellt (grob vereinfachte Darstellung).The circuit in Fig. 1 consists of two stages, the 90 ° bit transmission phase shifter with two diodes D2, D3 and the connected 180 ° bit reflection phase shifter. In Fig. 1, the PIN diodes are shown by their function as switches (roughly simplified representation).

Im 90°-Bit-Phasenschieber schalten die Dioden D2 und D3 Blindwiderstände jx₂ und -jx₂ parallel zur durchgehenden Leitung. Wegen des Abstandes l₂ = λ/4 der beiden Blindwiderstände kompensieren sich für eine durchlaufende Welle die durch die angeschalteten Blindwiderstände angeregten reflektierten Wellen auf der Leitung. Trotzdem erfährt die durchlaufende Welle (durchlaufend von Ebene 3, 3′ zu Ebene 2, 2′) eine Phasenverschiebung von 45°; beim zweiten Durchlauf (rückwärts von Ebene 2, 2′ zu Ebene 3, 3′) erfährt die Welle eine weitere Verschiebung, so daß die Gesamt-Phasenverschiebung der Stufe 90° wird.In the 90 ° bit phase shifter, the diodes D2 and D3 switch reactors jx₂ and -jx₂ in parallel to the continuous line. Because of the distance l₂ = λ / 4 of the two reactances, the reflected waves on the line which are excited by the reactors switched on compensate for a continuous wave. Nevertheless, the continuous wave (continuous from level 3 , 3 'to level 2 , 2 ') experiences a phase shift of 45 °; in the second pass (backwards from level 2 , 2 'to level 3 , 3 '), the shaft undergoes a further shift, so that the overall phase shift of the stage becomes 90 °.

Die an den Ausgang (Klemmen 2, 2′) geschaltete 180°-Bit- Phasenschieberschaltung besteht aus einem Leitungsstück der Länge l₁ an dessen Ende eine PIN-Diode zwischen zwei Abschlußimpedanzen umschalten kann, die so bemessen sein müssen, daß deren Reflexionsfaktoren gerade um 180° versetzt sind. In dem gezeichneten Beispiel wurde als Spezialfall die Umschaltung zwischen Kurzschluß und Leerlauf dargestellt.The switched to the output (terminals 2 , 2 ') 180 ° bit phase shifter consists of a line section of length l 1 at the end of which a PIN diode can switch between two terminating impedances, which must be dimensioned such that their reflection factors are just 180 ° are offset. In the example shown, the switchover between short circuit and open circuit was shown as a special case.

Wesentlich für die Schaltung in Fig. 1 ist, daß die beiden Stufen unabhängig voneinander sind, d. h. die Transmissions- Phasenschieberschaltung (90°-Bit) ist beidseitig angepaßt und das Leitungsstück 1 darf beliebig lang sein.It is essential for the circuit in FIG. 1 that the two stages are independent of one another, ie the transmission phase shifter circuit (90 ° bit) is adapted on both sides and the line section 1 can be of any length.

Nimmt man an, daß für den Leerlauf-Fall der Diode 1 und für den Fall der angeschalteten kapazitiven Last durch Dioden 2 und 3 die Dioden mit Sperrspannung U_sp und für die umgekehrten Fälle mit Fluß-Strom I_f betrieben werden, ergeben sich für die 4 Phasenstellungen ϕ des Phasenschiebers folgende Zuordnungen:Assuming that for the no-load case of diode 1 and for the case of the connected capacitive load through diodes 2 and 3, the diodes are operated with reverse voltage U _sp and for the reverse cases with flux current I _f , for the result 4 phase positions ϕ of the phase shifter the following assignments:

Man erkennt, daß im Durchschnitt der 4 Zustände die Hälfte der Dioden Flußstrom ziehen. Dabei sind die Dioden D2 und D3 des 90°-Bit-Phasenschiebers "logisch" identisch, d. h. werden in jedem Fall gleichzeitig gesperrt oder mit Fluß-Strom beaufschlagt.It can be seen that on average of the 4 states the Draw half of the flux current. Here are the diodes D2 and D3 of the 90 ° bit phase shifter "logically" identical, d. H. will be blocked at the same time or with River current applied.

Bei einer weiteren bekannten Schaltung, gemäß Fig. 2 werden PIN-Dioden D1, D2, D3 eingesetzt als Umschalter zwischen Leerlauf und Kurzschluß, ähnlich der Funktion von Diode 1 in Fig. 1.In a further known circuit, according to FIG. 2, PIN diodes D1, D2, D3 are used as changeover switches between open circuit and short circuit, similar to the function of diode 1 in FIG. 1.

Durch die Dioden wird der wirksame Ort des Kurzschlusses auf der Phasenschieberleitung in 4 Stellungen geschaltet. Wegen der Abstände der Dioden untereinander bzw. der letzten Dioden zum Abschuß-Kurzschluuß ergibt sich die Phasendifferenz des Reflexionsfaktors in 90°-Schritten. Um z. B. den Winkel des Reflexionsfaktors, bezogen auf die Eingangsklemmen der Schaltung, auf 270° einzustellen, werden alle Dioden-Schalter geöffnet. Wird allein Schalter D1 geschlossen, geht der Winkel auf 180°. Die Zuordnungstabelle für die Schaltung nach Bild 2 ergibt sich daraus:The diodes become the effective location of the short circuit switched to 4 positions on the phase shift line. Because of the distances between the diodes and the the last diodes for the short-circuit results Phase difference of the reflection factor in 90 ° steps. Around e.g. B. the angle of the reflection factor, based on the Input terminals of the circuit to be set to 270 ° all diode switches open. If only switch D1 closed, the angle goes to 180 °. The mapping table for the circuit according to figure 2 this results:

Obwohl z. B. für ϕ = 180° Diode 3 durch Schalten auf Kurzschluß den Leitungskurzschluß direkt an die Eingangsklemmen der Schaltung legt, müssen die übrigen Dioden ebenfalls in Kurzschlußstellung (Flußstrom) betrieben werden, um verlustbehaftete Resonanzen des (wegen der endlichen Güte der Schalter-Dioden) nicht vollkommen abgeschalteten Leitungsteils hinter der vorderen Diode D3 zu vermeiden.Although e.g. B. for ϕ = 180 ° diode 3 by switching to short-circuit the line short-circuit directly to the input terminals of the circuit, the other diodes must also be operated in the short-circuit position (flux current) in order to avoid lossy resonances of the (due to the finite quality of the switch diodes) Avoid not completely switched off line part behind the front diode D3.

Man erkennt, daß wiederum im Durchschnitt der 4 Zustände die Hälfte der Dioden Fluß-Strom ziehen. Es gibt allerdings keine logische Parallelschaltung von zwei Dioden.It can be seen that again the average of the 4 states half of the diodes draw current flow. However, there are no logical parallel connection of two diodes.

Die Schaltung Fig. 3 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar. Sie entspricht im Aufbau der Schaltung in Fig. 1. Durch Zusammenfassen der Schaltung zu einer Einheit, in der beide Stufen aufeinander abgestimmt sind, gelingt es, die logische Verknüpfung der beiden in der 90°-Bit-Stufe eingebauten Schalterdioden aufzutrennen. Dabei ergibt sich, daß in den Schaltzuständen, in denen bisher beide Schalterdioden stromdurchflossen waren, nun nur noch jeweils eine Diode Fluß-Strom benötigt.The circuit in FIG. 3 represents an embodiment of the invention. The structure of the circuit in FIG. 1 corresponds to that. By combining the circuit into a unit in which the two stages are matched, the logic combination of the two in FIG Disconnect the built-in switch diodes. The result of this is that in the switching states in which both switch diodes used to have current flowing through them, only one diode flux current is now required in each case.

Die Funktion der Schaltung basiert darauf, daß die 180°- Bit-Schaltung so dimensioniert wird, daß an den Klemmen 2, 2′ entweder Kurzschluß oder (nahezu) Leerlauf anstehen.The function of the circuit is based on the fact that the 180 ° bit circuit is dimensioned in such a way that there are either short-circuit or (almost) open circuit at terminals 2 , 2 '.

Bei Kurzschluß an Klemmen 2, 2′ spielt dann die durch die Diode 2 an die Phasenschieberleitung 2 angeschaltete Impedanz (jX₂ oder -jX₂) keine Rolle für die resultierende Phasenverschiebung. Deshalb wird Diode 2 in den beiden Schaltzuständen des 90°-Bit-Teils gesperrt und verbraucht keinen Fluß-Strom. Die Phasenschieberfunktion wird jetzt durch Diode 3 erfüllt; wegen der λ/4-langen Leitung 2 zwischen Diode 2 und Diode 3 wird ein Leerlauf an die Klemmen 3, 3′ transformiert. Die Phase des Phasenschiebers wird dadurch umgeschaltet, daß mit Diode 3 in bekannter Weise zwischen induktiver und kapazitiver Last umgeschaltet wird. If there is a short circuit at terminals 2 , 2 'then the impedance (jX₂ or -jX₂) connected through the diode 2 to the phase shifter line 2 does not play a role in the resulting phase shift. Therefore, diode 2 is blocked in the two switching states of the 90 ° bit part and does not consume any flux. The phase shift function is now fulfilled by diode 3 ; because of the λ / 4-long line 2 between diode 2 and diode 3 , an open circuit at the terminals 3 , 3 'is transformed. The phase of the phase shifter is switched over in that diode 3 is used to switch between inductive and capacitive loads in a known manner.

Bei nahezu Leerlauf an Klemmen 2, 2 wird die Phasenverschiebung des 90°-Bit-Teils im wesentlichen durch Umschalten von Diode 2 zwischen induktiver und kapazitiver Last hergestellt. In den beiden Schaltzuständen bleibt Diode 3 gesperrt (kein Stromverbrauch). Dies ist deswegen möglich, weil durch die Leitungstransformation zwar kein Kurzschluß von Ebene 2, 2′ nach 3, 3′ transformiert wird, aber die in Ebene 3, 3′ transformierten Impedanzen nahe bei Null liegen. Der durch die gesperrte Diode D3 angeschaltete kapazitive Blindwiderstand bewirkt zwar eine zusätzliche Phasenverschiebung, diese kann aber durch eine entsprechende Auslegung des 180°-Bit-Phasenschiebers kompensiert werden; es ist dazu nötig, daß der als Leerlauf an Klemmen 2, 2′ bezeichnete Fall modifiziert wird, d. h. keine exakte 180°-Phasenverschiebung durch den 180°-Phasenschieber stattfindet.When terminals 2 , 2 are almost idle, the phase shift of the 90 ° bit part is produced essentially by switching diode 2 between inductive and capacitive loads. In the two switching states, diode 3 remains blocked (no power consumption). This is possible because the line transformation does not transform a short circuit from level 2 , 2 'to 3 , 3 ', but the impedances transformed in level 3 , 3 'are close to zero. The capacitive reactance connected by the blocked diode D3 causes an additional phase shift, but this can be compensated for by an appropriate design of the 180 ° bit phase shifter; it is necessary that the case called idling at terminals 2 , 2 'is modified, ie there is no exact 180 ° phase shift by the 180 ° phase shifter.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform schaltet die Schaltdiode des 180°-Bit-Schaltungsteils hierzu zwischen einem Kurzschluß und einer kapazitiven Last -jX₁ (z. B. der Sperrkapazität der Diode) um. Die Leitungslänge l₁ ist so gewählt, daß bei gesperrter Schalterdiode D3 (kapazitive Last angeschaltet) ein Kurzschluß an die Klemmen 2, 2′ transformiert wird (Winkel des Reflexionsfaktors: 180°); bei stromdurchflossener Diode 3 (Kurzschluß angeschaltet) wird ein induktiver Blindwiderstand an Klemmen 2, 2′ transformiert (Winkel des Reflexionsfaktors etwa 10° . . . 20°, je nach Größe von X₁).In the embodiment shown in Fig. 3, the switching diode of the 180 ° bit circuit part switches between a short circuit and a capacitive load -jX₁ (z. B. the blocking capacity of the diode). The line length l 1 is chosen so that when the switch diode D3 is blocked (capacitive load switched on) a short circuit to the terminals 2 , 2 'is transformed (angle of the reflection factor: 180 °); in the case of current-carrying diode 3 (short circuit switched on), an inductive reactance at terminals 2 , 2 'is transformed (angle of the reflection factor about 10 °... 20 °, depending on the size of X 1).

Die Zuordnung für einen erfindungsgemäßen Phasenschieber ergibt sich damit zu:The assignment for a phase shifter according to the invention this results in:

Man erkennt, daß im Durchschnitt der 4 Phasenzustände nur eine Diode Fluß-Strom benötigt, was eine Einsparung von 33¹/₃% gegenüber den herkömmlichen Phasenschieberschaltungen bedeutet.It can be seen that on average of the 4 phase states only a diode requires current flow, which is a saving of 33¹ / ₃% compared to the conventional phase shifter circuits means.

Claims

1. 2-bit reflection phase shifter with switchable diodes (D1, D2, D3), which form two phase shifter stages connected in series on the reflection line, a first diode (D1) at the end ( 1 ) of the reflection line, the first of the two phase shifter stages and a second ( D2) and a third (D3), diodes arranged on the line at a mutual distance of a quarter wavelength, switch the second phase shifter stage by switching between a capacitive and an inductive load, characterized in that

- That the first diode (D1) in the blocked state loads the line with a blocking capacitance (-jx₁), which together with the line connecting the first diode with the reflection-side diode (D2) of the first phase shifter stage (l₁) a short circuit to the place of second diode (D2) transformed,
- That when the first diode (D1) is blocked, the switchover of the second phase shifter stage takes place only via the third diode (D3), and the second diode (D2) remains blocked and
- That the first diode (D1) short-circuits the line in the on state, the switching of the second phase shifter stage in this case only takes place via the second diode (D2) and the third diode (D3) remains blocked.

2. phase shifter according to claim 1, characterized in that the diodes are PIN diodes.