DE3911375C2

DE3911375C2 - Dioden-Phasenschiebertafel, Anwendung derselben auf eine Mikrowellenlinse sowie eine Antenne mit elektronischer Verschwenkung

Info

Publication number: DE3911375C2
Application number: DE3911375A
Authority: DE
Inventors: Claude Chekroun; Georges Guillaumot
Original assignee: Thomson CSF Radant
Current assignee: Thomson CSF Radant
Priority date: 1988-04-08
Filing date: 1989-04-07
Publication date: 1998-06-10
Anticipated expiration: 2009-04-08
Also published as: GB8907805D0; FR2738398A1; GB2465210B; DE3911375A1; FR2738398B1; GB2465210A

Description

Die Erfindung betrifft eine Dioden-Phasenschiebertafel so wie ihre Anwendung bei einer Mikrowellenlinse und eine An tenne mit elektronischer Verschwenkung.

Zur Verwirklichung einer Antenne mit elektronischer Ver schwenkung ist es bekannt, eine Mikrowellenlinse zu verwen den, die aus Platten oder Tafeln gebildet ist, welche eine Phasenverschiebung der sie durchquerenden Mikrowelle hervor rufen. Diese Tafeln sind mit parallelen Drähten versehen, die Dioden tragen. Die Steuerung des Zustandes dieser Dioden, leitend oder gesperrt, ermöglicht eine Veränderung der Pha senverschiebung, mit welcher die auftreffende Welle behaftet wird, und folglich eine elektronische Verschwenkung.

In jeder einer solchen Tafel werden alle Dioden gleichzei tig und in gleicher Weise mit Spannungen angesteuert, die ausreichen, um sie durchzuschalten oder zu sperren.

Eine Antenne dieser Art ist beispielsweise in der FR-PS 2 469 808 beschrieben. Das Prinzip einer solchen Antenne ist in Fig. 1a der beigefügten Zeichnung in auseinandergezogener Darstellung und in Fig. 1b schematisch in der Ebene des elektrischen Feldes E veranschaulicht. In Fig. 1a sind drei einander überlagerte Tafeln gezeigt, die in derselben Ebene liegen und mit P₁, P₂ sowie P₃ bezeichnet sind. Jede dieser Tafeln besteht aus einem dielektrischen Träger 4, an dem parallele Drähte angeordnet sind, welche Dioden 3 tragen. Bei dem in der Figur gezeigten Beispiel trägt jeder Draht zwei Dioden, wobei diese Dioden in gleicher Richtung gepolt sind. Die mit Dioden versehenen Drähte 2 sind durch Leiter 5 ver bunden, die senkrecht zu ihnen verlaufen und verwendet wer den, um den Sperr- oder Leitungszustand dieser Dioden herzu stellen. Die Tafeln sind durch leitfähige Platten getrennt und von ihnen umgeben, welche zu ihnen senkrecht sind und mit 70, 71, 72, 73 bezeichnet sind.

In Fig. 1b sind mehrere dieser Tafeln P₁, P₂, P₃ gezeigt und hier mit P bezeichnet, jeweils zwischen zwei Platten 70, 71, 72. . .

Eine Gruppe von Tafeln (P) zwischen zwei Platten bildet einen Phasenschieber (D₁, D₂, D₃. . .). Der Stapel aus mehre ren Phasenschiebern bildet eine aktive Mikrowellenlinse, die von einer Quelle S angestrahlt wird, welche eine elektroma gnetische Welle abgibt, deren elektrisches Feld E senkrecht zu den Platten 70, 71, 72 orientiert ist.

Als Beispiel ist in Fig. 1b ein Stapel aus fünf Phasenschie bern gezeigt, wobei auch die Richtung des elektrischen Fel des (Pfeil E), der auftreffenden Welle (Pfeil 10) und der durchgelassenen Welle (Pfeil 20) angegeben ist, welche be züglich der auftreffenden Welle abgelenkt ist.

Die Tafeln P werden unabhängig voneinander gesteuert; daraus ergibt sich, daß die jeweilige Phasenverschiebung, die sie der sie durchquerenden Welle verleihen, von einer Tafel zur anderen verschieden sein kann. Wenn mehrere dieser Tafeln hintereinander auf dem Weg der Mikrowelle angeordnet werden, so kann man also Phasenverschiebungen erzielen, die von 0 bis 360° betragen, jeweils in Stufen, die von der Anzahl von aneinandergefügten Tafeln abhängen. Wenn mehrere dieser Pha senschieber gestapelt werden, kann eine elektronische Ver schwenkung in einer zu dem elektrischen Feld E parallelen Ebene durchgeführt werden.

Gegenstand der Erfindung ist eine Verbesserung der Impedanz anpassung einer Struktur der beschriebenen Art, um insbe sondere störende Reflexionen zu vermindern, die Breite des Durchlaßbandes der Vorrichtung zu vergrößern und den Bereich von verwendbaren Bauteilen zu erweitern sowie die Anzahl von benotigten Bauteilen zu vermindern.

Die Erfindung hat also eine Dioden-Phasenschiebertafel der oben beschriebenen Gattung zum Gegenstand, worin die Steuer leiter eine Irisblende bilden, deren elektrische und geome trische Eigenschaften so gewählt sind, daß in Kombination mit den Eigenschaften der Tafel letztere für einen der Zu stände der Dioden, die sie trägt, angepaßt ist.

Weitere Gegenstände sind die im Anspruch 5 angegebene Mikro wellenlinse und die im Anspruch 6 angegebene elektronisch ver schwenkbare Antenne.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a und 1b eine bekannte Vorrichtung;

Fig. 2 Einzelheiten einer Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Tafel;

Fig. 3 das Äquivalenzschema der Tafel nach Fig. 2; und

Fig. 4 ein Prinzipschema einer Ausführungsvariante ge genüber Fig. 2.

Die in Fig. 2 gezeigte Tafel ist allgemein mit 1 bezeichnet. Sie umfaßt ein dielektrisches Substrat 4, auf dem, beispiels weise durch Metallisierung, zwei leitende, im wesentlichen parallele Streifen 51, 52 aufgebracht sind, um die Versor gungsspannungen für Dioden 3 heranzuführen und ihre Steue rung zu ermöglichen, wobei eine Irisblende gebildet wird.

Zwischen diesen Steuerleitern sind die Dioden 3 angeordnet, welche durch im wesentlichen zueinander parallele Drähte 2 angeschlossen sind, die zu den leitenden Streifen 51, 52 senkrecht sind sowie gleichfalls beispielsweise durch auf dem Substrat 4 aufgebrachte Metallisierungen versetzt werden können.

Das Substrat 4 ist von Metallplatten 74, 75 umgeben, die im wesentlichen parallel zu seiner Ebene sind.

Aus Gründen der Klarheit ist in Fig. 2 die Oberfläche der verschiedenen Leiter (nicht im Schnitt gezeigt) punktiert dargestellt.

Gemäß der Erfindung ist die Geometrie der Phasenschieberta fel, also hauptsächlich der Abstand D_o zwischen dem Streifen 51 und der Platte 74 oder dem Streifen 52 und der Platte 75, der Abstand D_I zwischen den beiden Streifen 51, 52 sowie der Abstand a zwischen zwei Diodendrähten 2, in solcher Weise gewählt, daß die Impedanzanpassung der Tafel verbessert wird, und zwar für einen gegebenen Abstand b, worin dieser Abstand b zwischen den zwei Platten 74, 75 liegt und durch die ge wünschte Strahlungscharakteristik der Antenne bestimmt wird.

Fig. 3 zeigt das elektrische Äquivalenzschema der Irisblende, die durch die Streifen 51, 52, die Dioden 2 und die Platten 74, 75 im Mikrowellenbereich gebildet wird.

Die Mikrowelle, die mit der Impedanz Z = 120.π.b/a an den Anschlüssen B₁ und B₂ empfangen wird, trifft auf zwei in Reihe liegende Kapazitäten C_o und C_I, die parallel zu diesen Anschlüssen liegen. Die Kapazität C_o stellt die Linienkapa zität der Entkopplung zwischen den Streifen 51, 52 sowie den Metallplatten 74, 75 dar, und die Kapazität C_I ist die Li nienkapazität der Irisblende, die durch die Streifen 51, 52 gebildet wird.

An die Anschlüsse der Kapazität C_I ist eine Diode 2 ange schlossen, die gleichfalls durch ihr Äquivalenzschaltbild dargestellt ist. Dieses besteht aus einer Induktivität L, die in Reihe liegt mit:

- entweder einer Kapazität C_i in Reihe mit einem Widerstand R_i oder
- einem Widerstand R_d,

je nachdem, ob die Diode

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leitet oder sperrt, was durch einen Unterbrecher

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verdeutlicht ist.

Die ausgangsseitige Mikrowellenspannung wird zwischen den Anschlüssen B₃ und B₄, also an den Anschlüssen der Kapazitä ten C_o und C_I, abgegriffen.

Die Induktivität L ist durch folgenden Ausdruck gegeben:

darin ist L_D die Induktivität der Diode unter Berücksichti gung ihres Anschlußdrahtes (2) zwischen den Streifen 51, 52;
a ist der Abstand zwischen zwei Dioden 2 (Fig. 2);
b ist der Abstand zwischen der Platten 74, 75 (Fig. 2);
αist ein Koeffizient, der kennzeichnend für die Wechselwir kung zwischen den Diodendrähten ist.

Der Widerstand R_i ist der mit dem Verhältnis a/b behaftete Sperrwiderstand der Diode. Der Widerstand R_d ist der Leitwi derstand der Diode, der mit demselben Verhältnis behaftet ist. Schließlich ist die Kapazität C_i die mit dem Verhältnis b/a behaftete Anschlußkapazität der Diode.

Wenn die Dioden in Durchlaßrichtung gepolt sind, beträgt der Blindleitwert (B_d) der Schaltung nach Fig. 3:

worin ω die Kreisfrequenz entsprechend der Mittenfrequenz des Betriebsbandes der Vorrichtung ist.

Gemäß der Erfindung sind die Parameter der Schaltung so ge wählt, daß B_d ≃ 0, also bei Vernachlässigung ihres Leitwer tes die Schaltung angepaßt ist, mit anderen Worten: sie ist für die auftreffende Mikrowelle durchlässig oder transparent und führt weder eine störende Reflexion, noch eine Phasen verschiebung ein.

Insbesondere wählt man:

LC_Iω² = 1

was zu B_d ≃ 0 führt, unabhängig vom Wert der Kapazität C_o.

Es ist ersichtlich, daß so die geometrischen Parameter der Tafel (D_I, D_o, a für einen gegebenen Wert b) in Abhängigkeit von den Kenndaten der Dioden eingestellt werden können, wo durch sich die Möglichkeit eröffnet, Bauteile aus einem wei ten verfügbaren Bereich zu verwenden.

Wenn die Dioden in Sperrichtung gepolt sind, ist der Blind leitwert der Tafel:

Da die Kapazität C_I zuvor festgelegt wurde, wird ersichtlich, daß der Blindleitwert B_R eingestellt werden kann, folglich also die Phasenverschiebung, welche die auftreffende Mikro welle erfährt, indem die Kapazität C_o verändert wird.

Wenn die Dioden in Sperrichtung gepolt sind, ist die ge trennt betrachtete Tafel nicht angepaßt. Ihre Anpassung wird durch Wahl des Abstandes zur nächsten Tafel desselben Pha senschiebers bewirkt.

Ferner ist zu beachten, daß die Kapazitäten C_o und C_I zwar von den Abständen D_o und D_I abhängen, aber auch von den geo metrischen und elektrischen Daten des dielektrischen Mate rials 4. Diese Daten ermöglichen gleichfalls eine Einstel lung der Kapazitäten C_o und C_I auf die gewünschten Werte.

Schließlich ist zu beachten, daß bei dem oben beschriebenen Fall die Parameter der Schaltung so gewählt wurden, daß der Blindleitwert B_d annähernd Null ist, jedoch kann auch eine symmetrische Funktion gewählt werden, für welche die Parame ter so bestimmt werden, daß der Blindleitwert B_R im wesent lichen zum Verschwinden gebracht wird. In diesem Falle er folgt die Anpassung der Tafel für den Durchlaßzustand der Dioden durch Wahl des Abstandes zur benachbarten Tafel.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung besitzt die Tafel mehr als nur eine, insbesondere zwei Dioden (wie in Fig. 1) zwischen den Streifen 51, 52, welche eine Irisblende bilden. Weiterhin müssen nicht notwendigerweise alle Dioden derselben Tafel gleichsinnig geschaltet sein, wodurch sich die Möglichkeit eröffnet, die Steuerschaltungen zu vereinfa chen. Die Streifen 51, 52 sind dann unterbrochen, wobei die Unterbrechungen ohne merklichen Einfluß auf das Verhalten der Tafel im Mikrowellenbereich sind. Die Dioden-Drähte 2 müssen auch nicht notwendigerweise parallel zu dem elektri schen Feld E der auftreffenden Welle sein, wobei allerdings zu beachten ist, daß ihre Wirkung desto stärker abnimmt, je weiter sie sich von dieser Lage entfernen. Die eine Iris blende bildenden Streifen 51, 52 müssen auch nicht parallel zu den Platten 74, 75 sein, sondern können gemäß der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform eine geknickte Linie bil den; in dieser Fig. 4 ist schematisch ein Teil der Fig. 2 gezeigt, nämlich die Platte 74 und einer der leitenden Streifen, der aber hier geknickt ausgebildet und mit 53 be zeichnet ist. Die Bedingung dafür, daß der leitende Streifen 53 sich wie der Streifen 51 in Fig. 2 verhält, besteht darin, daß der Abstand D₅ zwischen zwei Scheiteln in der Größenord nung der halben Wellenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz der Vorrichtung ist.

Die erfindungsgemäße Tafel ist besonders zur Verwendung in einer Struktur nach der eingangs genannten FR-PS 2 469 808 geeignet. Durch Verbesserung der Impedanzanpassung einer solchen Struktur können die störenden Reflexionen vermindert und kann das Durchlaßband des Systems erweitert werden. Fer ner kann der Einsatzbereich verwendbarer Bauteile erweitert werden, weil die Anpassung unabhängig von der Kapazität oder dem Widerstand der Dioden erfolgt. Schließlich hat die Anwe senheit der aus den Streifen 51, 52 gebildeten Irisblende zur Folge, daß die Induktivität, welche durch die Dioden drähte 2 verursacht wird, deutlich vermindert wird, so daß die Linienkapazität C_I kleiner sein kann und das System we niger Dioden pro Draht 2 benötigt.

Claims

1. Dioden-Phasenschiebertafel, auf der eine linear polari sierte elektromagnetische Welle (E) in einer Richtung auf treffen soll, mit einem dielektrischen Träger (4) und Dräh ten (2), die auf dem Träger angeordnet sind und jeweils wenigstens eine Diode (3) enthalten, wobei diese Drähte an Steuerleiter (51, 52) für diese Dioden angeschlossen sind und die Tafel ferner zwei leitende Platten (74, 75) umfaßt, die beiderseits des Trägers zumindest annähernd senkrecht zu der genannten Richtung angeordnet sind, dadurch gekennzeich net, daß die Steuerleiter (51, 52) eine Irisblende bilden, deren geometrische und elektrische Kenndaten derart gewählt sind, daß in Kombination mit denen der Tafel letztere für einen der elektrischen Zustände der Dioden angepaßt ist.

2. Tafel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Träger (4) im wesentlichen senkrecht zu den leitenden Platten (74, 75) angeordnet ist und die Drähte (2) im wesentlichen parallel zu der genannten Richtung sind.

3. Tafel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleiter (51, 52) im wesentlichen parallel zu den leitenden Platten (74, 75) sind.

4. Tafel nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen und elektrischen Kenn daten der durch die Streifen (51, 52) gebildeten Irisblende und der Tafel (1) so gewählt sind, daß letztere angepaßt ist und keine merkliche Phasenverschiebung der auftreffenden Welle verursacht, wenn die Dioden (3) dieser Tafel in Durch laßrichtung gepolt sind.

5. Mikrowellenlinse, auf der eine Mikrowelle auftreffen soll, mehrere Phasenschieber umfassend, die im wesentlichen parallel zueinander zwischen den leitenden Platten in Aus breitungsrichtung der Mikrowelle angeordnet sind und in einer Richtung aufeinandergestapelt sind, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Phasenschieber durch mehrere Tafeln nach einem der vor stehenden Ansprüche gebildet ist.

6. Elektronisch verschwenkbare Antenne, die eine Quelle umfaßt, die imstande ist, eine linear polarisierte Welle auszusenden, wobei die elektronische Verschwenkung in der Ebene der Ausbreitungsrichtung der Welle durch Steuerung des Leitungszustandes, leitend oder sperrend, der Dioden bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mikrowellenlinse nach Anspruch 5 umfaßt.