DE3529560C2 - Hohlleiter-Phasenschieber - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Hohlleiter-Phasenschieber der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Ein derartiger Hohlleiter-Phasenschieber ist aus der DE 24 50 009 C2 bekannt.

Derartige Phasenschieber sind von besonderer Bedeutung in phasengesteuerten Gruppenantennen, wobei im wesentlichen Ferrit-Phasenschieber oder PIN-Dioden-Phasenschieber zur Anwendung kommen. PIN-Dioden-Phasenschieber haben gegen­ über Ferrit-Phasenschiebern Vorteile hinsichtlich Gewicht, Stromverbrauch und Preis. Bei den gebräuchlichen Dioden- Phasenschiebern können vor allem die vier Schaltungstypen "switched line", "loaded line", "Hybrid" und "High-Pass/- Low-Pass" unterschieden werden.

Schaltungen für kleine und mittlere Leistungen (bis zu einigen 100 W Pulsleistung) werden wegen der günstigen Dämpfungseigenschaften und geringen Dioden-Anzahl meist mit geschalteten 3 dB-Richtkopplern ("Hybrid") für große Phasen-Bits (180° und 90°) und mit "loaded line"-Schal­ tungen für die kleineren Bits (45°, 22,5° etc.) ausge­ führt. Wegen der kosengünstigen Herstellungstechnologie werden solche Schaltungen zudem durchweg auf Stripline bzw. Microstrip-Basis aufgebaut.

In gewissen Anwendungsfällen besteht für solche Phasen­ schieber der Nachteil, daß die benutzte Streifenleitungs­ technik nicht mit der Hohlleitertechnik der Speisenetz­ werke und Abstrahlungselemente der Antenne kompatibel ist, das bedeutet, daß am Ein- und Ausgang des Phasenschiebers Wellentyp-Wandler angebracht werden müssen.

Phasenschieber-Schaltungen in Hohlleitertechnik, die diesen Nachteil nicht besitzen, verwenden aber bisher mechanisch aufwendige (teuer) Koaxial-Leitungstransfor­ matoren und Hochfrequenz-Sperren (Bias-Choke) sowie ge­ häuste Halbleiter.

Aus der US 4 305 052 ist ein vierstufiger Phasenschieber für den UHF-Wellenlängenbereich bekannt. Dieser Phasenschieber besteht aus einer dielektrischen Substratplatte, auf der in planarer Struktur zwei Phasenschieberelemente angeordnet sind.

Diese enthalten Dioden, mit denen symmetrische und unsymmetrische Übertragungsleitungen geschaltett werden, so daß davon abhängige Phasenverschiebungen eingestellt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Hohlleiter-Phasenschieber dahingehend zu verbessern, daß ein mechanisch und elektrisch einfacher und kostengünstiger Aufbau möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen.

Die Erfindung ist nachfolgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 das Schaltungsprinzip eines Phasenschiebers mit umschaltbaren Blindleitwerten,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung (Ausschnitt),

Fig. 4 die Ausführungsform der Fig. 3 in anderer Ansicht,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild der Ausführungsform nach Fig. 3.

Die Erfindung benutzt eine Kombination von Steghohlleiter (Finleitung) und Microstrip. Die Finleitung besteht in an sich bekannter Art aus einem Hohlleiter H, in dessen E-Ebene ein dünner metallischer Steg 11 angebracht ist. Der Steg wird von einer dielektrischen Substratplatte P gehalten, die selbst von den Hohlleiterseiten eingeklemmt wird. Die Struktur wird vorteilhaft so hergestellt, daß die Metallisierung einer kupferkaschierten Substratplatte entsprechend der gewünschten Stegform geätzt wird. Zum Übergang von dem reinen Hohlleiter auf die Finleitung wird ein Sprung T in der Steghöhe benutzt, ähnlich wie bei Wellenwiderstandstransformatoren (λ/4-Transformator) in Hohlleitertechnik (Fig. 2, Fig. 4).

Die eigentliche Phasenschieberschaltung arbeitet nach dem "loaded line"-Prinzip, d. h. die Finleitung wird durch zwei parallel geschaltete Blindleitwerte belastet (Fig. 1), die in ihrer Größe oder im Vorzeichen (induktiv/kapa­ zitiv) durch PIN-Dioden zwischen zwei Werten jB1 und jB2 umgeschaltet werden. Zu einem Phasenschiebersegment gehö­ ren jeweils zwei gleich geschaltete Blindleitwerte, die im Abstand von etwa λ/4 auf der Leitung angebracht sind (Fig. 1, Fig. 2) . In dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sind die geschalteten Blindleitwerte aus einem induktiven Leiter­ streifen als Koppelsonde S_i über den Schlitz der Finlei­ tung und einer in Microstrip-Technik aufgebauten Lei ­ tungs-Transformationsschaltung mit Tiefpaß-Struktur zur Stromzuführung I_D für die PIN-Diode D zusammengesetzt. Dabei befindet sich der geätzte Steg M (Fin) auf der einen Seite der kupferkaschierten Substratplatte P, wäh­ rend die Schaltung zur Realisierung des Blindleitwertes auf der anderen Seite herausgeätzt ist. Die PIN-Dioden D können als Chips oder in Beam-Lead-Form in die Schaltung integriert werden.

Für die Auslegung der Blindleitwerte in den zwei geschal­ teten Zuständen sind zwei vorteilhafte Möglichkeiten vorgesehen:

• 1) die Blindleitwerte sind in den beiden Schaltstellungen betragsmäßig gleich mit umkehrendem Vorzeichen (B1 = - B2)
• 2) in einer Schalterstellung verschwindet der Blindleit­ wert (z. B. B1 = 0) und nimmt nur in der anderen Schaltstellung einen endlichen Wert an.

Die Dimensionierung der entsprechenden Schaltungen ist bekannt und unterscheidet sich im wesentlichen nicht von der Dimensionierung üblicher Streifenleitungs-Phasenschie­ ber; der wesentliche Unterschied der Schaltungen besteht in der Art der Hauptleitung, auf der die durchlaufenden Wellen in ihrer Phase geschaltet werden sollen:

Bei Streifenleitungs-Phasenschiebern ist die Hauptleitung selbst eine Streifenleitung und eine einfache direkte, galvanische Ankopplung der Blindleitwertschaltungen ist möglich. Bei der vorgestellten Schaltung ist die Hauptlei­ tung ein Steg-Hohlleiter (Finleitung) und die Ankopplung der Blindleitwertschaltungen muß über eine spezielle Koppelsonde geschehen. In dem Beispiel nach Fig. 2 ist dies eine induktive Sonde; speziell für kleinere Phasen­ schieber-Bits (kleine Blindleitwerte) eignet sich jedoch eine kapazitive Sonde besser ( Fig. 3). Die Typen der Koppelsonden unterscheiden sich bezüglich der Auslegung der Blindleitwertschaltungen in ihrem Impedanz-Transforma­ tionsverhalten und ihrer Frequenzabhängigkeit. Phasen­ schieberschaltungen nach dem "loaded-line"-Prinzip werden durchweg durch Aneinanderreihung von gleich aufgebauten Stufen mit kleiner Phasenverschiebung, etwa 22,5° oder 45° aufgebaut. Stufen mit größerer Phasenverschiebung weisen gewöhnlich zu hohe Dämpfung und Frequenzabhängig­ keit auf. Phasenschieber mit 360° Schaltbereich können z. B. durch 7 Sektionen à 45° realisiert werden (3 Bit), wobei vier Sektionen das 180°-Bit bilden, zwei Sektionen das 90°-Bit und die 7. Sektion das 45°-Bit bildet. Aus dieser Konfiguration ergibt sich, daß diese Schaltung sehr viel mehr Schaltdioden benötigt als z. B. "Hybrid"-Phasen­ schieberschaltungen, bei denen pro Bit nur zwei Dioden benötigt werden. Eine Realisierung des "Hybrid"-Phasen­ schiebers in Hohlleitertechnik ist allerdings nicht raum­ sparend möglich wegen der großen Abmessungen von Hohllei­ ter-Hybrid-Kopplern (3 dB-Richtkoppler). Bei einer Reali­ sierung in Finleitungstechnik kommt zu der ungünstigen Baugröße eine relativ hohe Einfügungsdämpfung der Hybrid- Koppler.

Der Vorteil der "loaded line"-Schaltung besteht darin, daß hier höhere Hochfrequenzleistungen verarbeitet werden können als mit "Hybrid"-Schaltungen (bei gleichen Schalt­ dioden) oder daß für eine vorgegebene Leistung Dioden geringerer Durchbruchspannung benutzt werden können.

Die geschalteten Blindleitwerte in Fig. 2, Fig. 3 ver­ schwinden im Fall der gesperrten Dioden und nehmen einen endlichen induktiven oder kapazitiven Wert an im Fall der in Durchgang geschalteten Dioden. Das Ersatzschaltbild Fig. 5 gilt für die Schaltung der Fig. 3: Die kapazitive Sonde S_C wird durch eine Transformatorkopplung an den Hohlleiter mit einer Serienkapazität C_S dargestellt. Die PIN-Diode ist als Schalter zwischen einem Quasi-Kurzschluß (Serienwiderstand R_S ≈1Ω) im Fall der durchgeschalteten Diode und einer verlustbehafteten Kapazität (C_P mit R_P) bei gesperrter Diode dargestellt. Die Radialstichleitung R wirkt als Kurzschluß gegen Masse für die Hochfrequenz, so daß die Stromzuführung I_D ohne Störung der HF-Eigenschaften der Schaltung am Eingang der Stichleitung angeschlossen werden kann.

Bei gesperrter Diode werden die Diodenkapazität C_P und die Sondenkapazität C_S, durch die am Ende durch Durchkontak­ tierung K zum metallischen Steg M kurzgeschlossene Stich­ leitung ST (entsprechend Induktivität L_P, Leitungslänge <λ/4) kompensiert, so daß im wesentlichen nur eine rein reelle Belastung des Hohlleiters durch den Verlustwider­ stand R_P der Diode übrigbleibt. Bei durchgeschalteter PIN-Diode resultiert eine Belastung des Hohlleiters nur durch den niedrigen Serienwiderstand der Diode in Reihe mit der Sondenkapazität C_S. Zur Einstellung verschieden großer resultierender Blindleitwerte können Transforma­ tionsverhältnis n und Sondenkapazität durch die Breite und Länge der Sonde gewählt werden.

Claims (7)

1. Hohlleiter-Phasenschieber mit

• - einem in einem Hohlleiter angebrachten metallischem Steg (M), so daß ein Transformator nach Art eines Steghohlleiters entsteht,
• - zwei in Hohlleiterlängsrichtung aufeinanderfolgend angeordne­ ten PIN-Dioden (D), die jeweils einerseits mit dem metallischen Steg (M) und andererseits mit einer gegenüberliegenden Hohlleiter­ grundseite elektrisch gekoppelt sind und mittels derer jeweils zwei Blindleitwerte umschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet,
• - daß in dem Hohlleiter (H) eine dielektrische Substratplatte (P) zwischen den Hohlleitergrundseiten angebracht ist,
• - daß auf einer Seite der Substratplatte (P) der metallische Steg (M), der galvanisch mit der einen Hohlleitergrundseite verbunden ist, angebracht ist, so daß eine unilaterale Finlei­ tung entsteht,
• - daß auf der vom metallischen Steg (M) abgewandten anderen Seite der Substratplatte (P) die zwei PIN-Dioden (D) angeord­ net sind, wobei bei jeder PIN-Diode (D) der eine Anschluß für Hochfrequenz mit dem metallischen Steg (M) kurzgeschlossen und der andere Anschluß über eine reaktive Koppelsonde (S_i, S_c) mit der gegenüberliegenden Hohlleitergrundseite gekoppelt ist.

2. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Blindleitwerte, die mittels der PIN-Dioden (D) umgeschaltet werden, dem Betrag nach gleich, aber ver­ schiedenen Vorzeichens sind.

3. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß einer der beiden Blindleitwerte gleich Null ist.

4. Phasenschieber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß mit dem koppelsondenseitigen Anschluß jeder Diode (D) eine an ihrem Ende zu dem metallischen Steg (M) durchkontak­ tierte Stichleitung (St) verbunden ist, die so bemessen ist, daß sie im Sperrzustand der Diode (D) die Reaktanz von Diode und Koppelsonde kompensiert.

5. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Kurzschluß des jeweils einen Diodenanschlusses als Radial-Stichleitung (R) aus­ geführt ist.

6. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichleitungen (St, R), die Koppelsonden (S) und die Stromzuführungen (I_D) zu den Dioden (D) in Streifenleitungstechnik (Microstrip) aus­ geführt sind.

7. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (T) von dem reinen Hohlleiter auf die Finleitung stufenförmig nach Art eines Wellenwiderstandstransformators erfolgt.