DE3617568A1 - Phasenschieberanordnung in hohlleitertechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Phasenschieberanordnung in Hohlleitertechnik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Phasenschieberanordnung ist beispiels­ weise aus der DE-PS 24 50 009 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 kostengünstigen 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 Speisenetzwer­ ke 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 teuere gehäuste Spezial-Dioden (für Mikrowellen-Anwendung) und aufwendige Koaxial-Leitungstransformatoren und Hochfrequenzsperren (Bias-Choke). Phasenschieber-Schal­ tungen in Finleitungstechnik benutzen weniger teuere Halbleiter in Chip- oder Beam-Lead-Form, wobei der Einbau in die geätzte Finleitungs-Struktur noch relativ teuer ist oder bei bestimmten wünschenswerten Substratmaterialien kaum praktikabel ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine Phasen­ schieberanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die einfach und preisgünstig herzustellen ist und auch höhere Leistungen bewältigt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patent­ anspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Der besondere Vorteil der Erfindung liegt in der Möglich­ keit, billige, nicht gehäuste, z. B. glasgekapselte PIN-Dioden mit Drahtanschlüssen zu verwenden und diese einfach und betriebssicher im Hohlleiter anzuordnen. Die Preise für beispielsweise glasgekapselte PIN-Dioden, die vor allem für VHF/UHF-Anwendungen hergestellt werden, aber in der erfindungsgemäßen Anordnung bis in den GHz-Bereich betrieben werden können, betragen nur einige Prozent der Preise für gebräuchliche Chip-Dioden für Mikrowellen. Die Anordnung solcher Dioden im Hohlleiter ist herstellungs­ technisch einfach und stabil im Betrieb. Während die Drahtanschlüsse solcher Dioden wegen der daraus resultie­ renden parasitären Blindkomponenten (hauptsächlich induktiv) bei üblicher Einbautechnik in Streifenleitungs­ schaltungen als störend anzusehen sind, macht die vorlie­ gende Erfindung vorteilhaften Gebrauch von diesem Aufbau der Dioden, indem die Drahtanschlüsse neben der Zuführung des Diodengleichstroms und der Befestigung der Dioden auch noch als Koppelelemente zu den Hohlleiterwellen dienen.

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

Die Anwendung der Erfindung ist vor allem vorteilhaft für Phasenschieber-Schaltungen nach dem "loaded line"-Prinzip (Fig. 1). Hier wird eine Leitung HL (Hohlleiter) für die durchlaufende Hochfrequenzwelle durch eine Kombination von zwei schaltbaren PIN-Dioden D 1, D 2 reaktiv belastet. Die Belastung der Leitung soll im Idealfall zwischen zwei Blind-Leitwerten jB ₁ und jB ₂ umschaltbar sein. Bei Schaltungen ohne Wellenwiderstandssprung in der Leitung zwischen den beiden Dioden muß darüber hinaus einer der beiden Blindleitwerte zu Null gemacht werden.

Für diesen Schaltungstyp eignen sich selbst bei einigen GHz noch billige glasgekapselte Dioden mit Drahtanschlüs­ sen. Eine im Hohlleiter montierte Diode D ist in Fig. 2 gezeigt. Die Drahtanschlüsse der Diode wirken einerseits als Koppelelement zum elektrischen Feld E der Hohlleiter­ wellen und andererseits als mechanische Befestigung der Diode im Hohlleiter und als Gleichstromzuführung. Einer der Drahtanschlüsse ist über eine Hochfrequenzsperre F _HF durch eine der Hohlleitergrundseiten hindurchgeführt, der andere Drahtanschluß ist galvanisch mit der gegenüberlie­ genden Hohlleiterseite verbunden. Ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Hochfrequenzeigenschaften der Anordnung nach Fig. 2 zeigt Fig. 3. Hier ist L _s die Induktivität des Dioden-Drahtes, R _Fl der Flußwiderstand der PIN-Diode und C _Sp die Sperrkapazität der Diode. Da in der Phasenschieber-Schaltung nach Fig. 1 ohnehin nur relativ kleine Blindleitwerte verwendet werden können, ist die relativ hohe Drahtinduktivität L _s nicht von Nachteil.

Da die beiden aus der geschalteten PIN-Diode im Hohlleiter resultierenden Blindleitwerte i.a. nicht verschwinden, wird die Schaltung durch Zufügen eines weiteren Elements (kapazitiver Stift St) für einen der Schaltzustände entsprechend kompensiert (Fig. 4). Das entsprechende Ersatzschaltbild zeigt Fig. 5: zu jeder PIN-Diode des Phasenschiebers liegt eine Kapazität parallel. Die Größe der Kapazität wird durch die Dicke und Eintauchtiefe des Stiftes bestimmt. Die Regeln zur Dimensionierung sind allgemein bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung. Die Kapazität C _St des Stiftes kompensiert den induktiven Blindleitwert der PIN-Dioden in einem der beiden Schaltzu­ stände (Ergebnis: Parallel-Schwingkreis).

Durch die in Fig. 5 gezeigte Schaltung gelangt man zu einem Phasenschieber mit relativ kleiner Phasenverschie­ bung, üblich sind Werte bis zu 45°. Bei höheren Phasen­ verschiebungen wird die "loaded line"-Phasenschieber- Schaltung prinzipiell schmalbandig und die Dämpfungsver­ luste steigen erheblich an.

Zur Realisierung von breitbandigen Phasenschiebern mit schaltbaren Phasenverschiebungen bis zu 360° werden daher, bedingt durch das Schaltungsprinzip, mehrere kleine Phasenschieber-Stufen der in Fig. 5 gezeigten Art hinter­ einander geschaltet. Dies führt zwar zu Phasenschiebern mit größerer Baulänge, als mit Phasenschiebern in z. B. Streifenleitungstechnik erreicht wird, da dort Stufen mit 180°- und 90°-Phasenverschiebung mit Hilfe von Hybrid- Schaltungen (3 dB-Koppler) oder mit "switched line"-Schal­ tungen realisiert werden können. Die größere Zahl der Phasenschieber-Stufen führt aber andererseits zu einer geringeren Leistungsbelastung der einzelnen PIN-Dioden, wodurch auch mit relativ billigen Dioden größere Leistun­ gen bewältigt werden können.

Claims (4)

1. Phasenschieberanordnung in Hohlleitertechnik mit in Wellenausbreitungsrichtung im Hohlleiter hintereinander angeordneten schaltbaren PIN-Dioden, mittels derer jeweils zwischen zwei Blindleitwerten umgeschaltet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die PIN-Dioden als nicht gehäuste Dioden mit langgestreckten Anschlußdrähten ausgeführt und mit den Aschlußdrähten parallel zum transversalen elektrischen Feldvektor der Hohlleiterwelle angeordnet sind.

2. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nähe der PIN-Dioden im Hohlleiter kapazitiv wirkende Mittel angeordnet sind, deren Kapazität in einem der beiden Schaltzustände zusammen mit der jeweiligen Diode einen verschwindenden Blindleitwert ergibt.

3. Phasenschieberanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiv wirkenden Mittel durch jeweils einen seitlich der Diode in den Hohlleiter ragenden Stift gebildet sind.

4. Phasenschieberanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gleichstromzuführung zu der Diode jeweils einer der Drahtanschlüsse galvanisch mit einer der Hohlleitergrundseiten verbunden ist und der andere Drahtanschluß isoliert durch die gegenüberliegende Hohlleitergrundseite hindurchgeführt ist, wobei die Durchführung mit einer HF-Sperre versehen ist.