DE4016640C2 - Sende-Empfangs-Weiche mit PIN-Diode - Google Patents

Sende-Empfangs-Weiche mit PIN-Diode

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Description

Die Erfindung betrifft eine Sende-Empfangs-Weiche mit einem Sendekanal zur Übergabe eines Hochfrequenzstromes von einem Sender zu einer Antenne, wobei in dem Sendekanal eine PIN- Diode angeordnet ist.
Sende-Empfangs-Weichen werden benutzt, um wechselweise einen Sender oder einen Empfänger mit einer Antenne zu verbinden. Eine Sende-Empfangs-Weiche stellt somit nichts anderes, als einen Antennenumschalter dar und entspricht elektrisch einem mechanischen Umschalter. Die Verwendung von PIN-Dioden für Antennenumschalter bzw. Sende-Empfangs-Weichen ist in dem Buch von Erich Renz: "PIN- und Schottky-Dioden", Heidelberg 1976, Seiten 121 und 122 vorgeschlagen. PIN-Dioden sind als Hochfrequenzschalter gut geeignet, weil sie im Ein-Zustand eine geringe Einfügungsdämpfung und im Aus-Zustand einen hohen Isolationsdämpfungswert aufweisen.
Eine Sende-Empfangsweiche der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 24 26 506 bekannt. Im Sendekanal sind PIN-Dioden als Hochfrequenzschalter vorgesehen, die über einen Umschal­ ter mit einer Batterie oder einer anderen Gleichspannungs­ quelle verbunden sind. Nachteilig ist dabei, daß eine sepa­ rate Gleichspannungsquelle bereitgestellt werden muß und daß Steuersignale und Steuerschalter zum Anlegen der Steuerspan­ nung an die PIN-Diode erforderlich sind. Dadurch ist die Sende-Empfangsweiche aufwendig.
In dem Artikel "Rundfunksender als Energiequelle", erschie­ nen in "radio fernseh phono praxis", Nr. 3, März 1971, ist als orientierender Versuch für den Nachwuchs vorgeschlagen, bei einem kleinen Radioempfänger die von einer Antenne emp­ fangene Hochfrequenzenergie gleichzurichten und als Be­ triebsspannung für einen Transistorverstärker zu verwenden.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Sende-Empfangs-Weiche anzugeben, die kein separates Netzteil und keine Steuer­ signale und Steuerschalter zur Steuerung der PIN-Diode im Sendekanal benötigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gleichrichter vorgesehen ist, der stets von einem Teil des Hochfrequenzstromes durchflossen wird, wenn im Sendekanal der Hochfrequenzstrom fließt, und daß ein von dem Gleich­ richter aus dem Teil des Hochfrequenzstromes erzeugter Gleichstrom der PIN-Diode unmittelbar als Steuerstrom zuge­ führt wird.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß eine PIN- Diode wegen ihrer langen Trägerlebensdauer zum Leiten nur einen klei­ nen Steuergleichstrom benötigt.
Damit die in der PIN-Diode gespeicherte Ladung von der nega­ tiven Halbwelle des Hochfrequenzstromes nicht ausgeräumt wird, muß gelten:
Dabei ist QPIN die in der PIN-Diode gespeicherte Ladung,
IDC der Steuergleichstrom der PIN-Diode,
τL Die Lebensdauer der Ladungsträger in der PIN- Diode
IHFeff der Effektivwert des Hochfrequenzstromes.
So ergibt sich beispielsweise bei einer Trägerlebensdauer τL = 15µs und einem Hochfrequenzstrom IHFeff = 17 A mit einer Frequenz f = 64 MHz ein Steuergleichstrom von
Dieser geringe Steuergleichstrom wird erfindungsgemäß aufge­ bracht durch die Gleichrichtung eines kleinen Teils des Hoch­ frequenzstroms, der vom Sender über den Sendekanal zur Antenne übergeben wird. Da die PIN-Diode automatisch im Sendefall mit einem Steuerstrom leitend gemacht ist, werden keine zusätzlichen Schalter zum Schalten des Steuerstromes benötigt. Der Aufbau des Sendekanals wird somit erheblich vereinfacht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß im Sendekanal ein Kondensator angeordnet ist, der verhindert, daß der Steuerstrom zum Sender abfließt. Dadurch ist sicherge­ stellt, daß der aus dem Hochfrequenzstrom erzeugte Steuerstrom für die PIN-Diode vollständig in die PIN-Diode fließt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Gleichrichter einen Gleichrichterteil mit einer antiparallel zur PIN-Diode angeordneten Gleichrichterdiode um­ faßt. Der Steuerstrom für die PIN-Diode kann leicht von einer antiparallelen Schaltdiode erzeugt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in Reihe zur Gleichrichterdiode eine Induktivität angeordnet, wobei die Rei­ henschaltung aus Gleichrichterdiode und Induktivität parallel zur PIN-Diode geschaltet ist. Diese Induktivität schützt die Gleichrichterdiode vor zu hohen Hochfrequenzströmen. Das Ver­ hältnis von Zuleitungsinduktivität der PIN-Diode zu dieser In­ duktivität bestimmt die Höhe des Steuergleichstroms.
Zur Dämpfung von unerwünschten Schwingungen ist in einer wei­ teren vorteilhaften Ausgestaltung die Induktivität mit einem Dämpfungswiderstand überbrückt.
Zur Unterdrückung des Störrauschens des Senders im Empfangsfall werden in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung im Sende­ kanal mehrere PIN-Dioden in Reihe angeordnet, die miteinander über kurze Leitungsstücke verbunden sind, deren Kapazität bei der höchsten Betriebsfrequenz wesentlich größer ist als die Sperrkapazität der PIN-Dioden, und wobei zu jeder PIN-Diode antiparallel ein Gleichrichter geschaltet ist. Da die Empfangs­ signale von der Antenne unterhalb der Diodenschwelle liegen, sind die PIN-Dioden nichtleitend. Der Sender ist somit vom Emp­ fänger entkoppelt. Damit die zwischen den PIN-Dioden angeordne­ ten Leitungsstücke als Kapazitäten wirken, müssen sie kürzer als die halbe Wellenlänge ausgebildet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind drei PIN- Dioden in Kaskadenschaltung angeordnet. Das ergibt eine prak­ tisch ausreichende Unterdrückung des Senderstörrauschens, da die Gesamtdämpfung des Senderstörrauschens nun das Produkt der drei Einzeldämpfungen der Kaskadenstufen ist.
Die Sende-Empfangsweiche ist insbesondere zur Verwendung in ei­ nem medizinischen Kernspinresonanz-Gerät geeignet, weil sie bei der Frequenzen im Megahertz-Bereich eine hohe Senderleistung im Kilowatt-Bereich an die Antenne übergeben kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur beschrieben. Die Figur zeigt den Sendekanal einer Sende-Empfang-Weiche mit drei PIN-Dioden.
Die in der Figur dargestellte Sende-Empfangs-Weiche ist beson­ ders angepaßt für den Einsatz in einem medizinischen Kernspin­ resonanz-Gerät. Sie erlaubt es, breitbandig Sendeimpulse mit einem Frequenzbereich von ca. 10 MHz bis 90 MHz, also einer Bandbreite von ca. 80 MHz, bei einer Impulsleistung von 15 KW an eine Antenne zu übergeben. Prinzipiell sind noch höhere Band­ breiten bis ca. 150 MHz möglich. Der Anschluß für einen Sender ist mit X1, der Anschluß für eine Antenne ist mit X2 und der An­ schluß für einen Empfänger ist mit X3 bezeichnet. Zwischen dem Senderanschluß X1 und dem Antennenanschluß X2 ist der Sendekanal 2 und zwischen dem Antennenanschluß X2 und dem Empfängeranschluß X3 ist der Empfangskanal 4 der Sende-Empfangs-Weiche angeordnet. Der Empfangskanal 4 wird über einen Signaleingang 6 so gesteu­ ert, daß der am Anschluß X3 angeschlossene Empfänger im Sende­ fall von der am Anschluß X2 angeschlossenen Antenne abgekoppelt ist. Das ist in der Figur durch einen Schalter 8 veranschaulicht, der über den Signaleingang 6 mit einem Signal steuerbar ist.
Der Sendekanal 2 hat die Aufgabe, im Empfangsfall den Sender von der Antenne abzukoppeln, so daß das Empfangssignal durch den Sen­ der nicht unnötig gedämpft wird. Das geschieht hier durch drei in Kaskadenschaltung oder in Reihe angeordnete Schwellen 10, die untereinander durch kurze Leitungsstücke 12 miteinander verbun­ den sind. Die Kaskadenschaltung der drei Schwellen 10 ist einer­ seits über einen Kondensator C1 mit dem Senderanschluß X1 und andererseits mit dem Antennenanschluß X2 und dem Empfangskanal 4 verbunden.
Die Schwellen 10 bestehen jeweils aus einer Parallelschaltung einer PIN-Diode V1 mit einem Gleichrichter 14. Der Gleichrichter 14 liefert den Steuerstrom für die PIN-Diode V1, damit sie auch in der negativen Halbwelle des Hochfrequenzstroms leitend bleibt. Wegen der relativ langen Trägerlebensdauer in der PIN-Diode V1 wird nur ein sehr geringer Steuerstrom von z. B. 0,2 A benötigt.
Der Gleichrichter 14 umfaßt eine Gleichrichterdiode V2, die den Steuerstrom als Gleichstrom liefert. Zur Begrenzung des Hochfre­ quenzstroms durch die Gleichrichterdiode V2 ist in Reihe zur Gleichrichterdiode V2 eine Induktivität L1 geschaltet. Das Ver­ hältnis der Induktivität L1 zur Zuleitungsinduktivität der PIN- Diode V1 - die Zuleitungsinduktivität ist durch einen Halbkreis 16 veranschaulicht - bestimmt somit die Größe des Steuergleich­ stroms. Zur Dämpfung von parasitäten Schwingungen an der Induk­ tivität L1 ist parallel zur Induktivität L1 ein Widerstand R1 geschaltet.
Die mit dem Antennenanschluß X2 verbundene Schwelle 10 ist anti­ seriell zu den übrigen Schwellen 10 geschaltet. Dadurch wird auch der Kondensator C1 nicht so stark umgeladen.
Die Funktion der Sende-Empfangs-Weiche wird im folgenden er­ läutert. Beim Senden fließt der Hochfrequenzstrom hauptsächlich durch die PIN-Dioden V1 in den Schwellen 10. Die PIN-Dioden V1 benötigen zum Leiten wegen ihrer langen Trägerlebensdauer nur einen kleinen Steuergleichstrom. Dieser wird aufgebracht durch die Gleichrichtung eines kleinen Teils des Hochfrequenzstroms mit der schnellen Gleichrichterdiode V2. Das Verhältnis des Steuerstroms zum Hochfrequenzstrom wird durch das Verhältnis der Zuleitungsinduktivität zur PIN-Diode V1 und der Induktivität L1 im Gleichrichter bestimmt. Der Dämpfungswiderstand R1 wird sehr viel größer als die Reaktanz der Induktivität mit L1 aus­ geführt.
Von Vorteil ist die Aufgabenteilung der Dioden V1 und V2 in der Schwelle 10. Die PIN-Diode V1 ist zwar langsam, aber hochstrom­ tauglich. Außerdem weist sie einen sehr geringen Durchlaßwider­ stand auf, dadurch ist die Einfügungsdämpfung gering. Dagegen ist die Diode V2 eine schnelle Schaltdiode, die jedoch nur ei­ nen geringen Strom führen muß.
Beim Empfang macht ein kleines Empfangssignal am Antennenan­ schluß X2 die mit dem Antennenanschluß X2 verbundene Schwelle 10 nicht leitend, somit sind alle Schwellen 10 im Sendekanal 2 ge­ sperrt. Die Kaskadenschaltung mehrerer Schwellen 10 ist vorge­ sehen, um das Störrauschen des Senders im Empfangsfall praktisch vollständig zu unterdrücken. Das wird dadurch erreicht, daß unterhalb der Diodenschwellspannung im wesentlichen nur die kleine Diodensperrkapazität der PIN-Diode V1 von z. B. 3 pF und der Diode V2 wirksam ist. Die zwischen den Schwellen angeordne­ ten Leitungsstücke 12 sind dann fast leerlaufend und bilden eine Kapazität gegen Masse bzw. gegen das Bezugspotential. So ist z. B. für eine 50 Ohm-Leitung, die eine elektrische Länge auf­ weist, die sehr viel kleiner als die Wellenlänge auf der Leitung ist, die Kapazität gegen Masse z. B. 30 pF. Die Gesamtdämpfung des Senderstörrauschens ist somit nur noch das Produkt der Dämpfung der einzelnen Kaskadenstufen.

Claims (8)

1. Sende-Empfangs-Weiche mit einem Sendekanal (2) zur Über­ gabe eines Hochfrequenzstromes von einem Sender zu einer Antenne, wobei in dem Sendekanal (2) eine PIN-Diode (V1) an­ geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter (14) vorgesehen ist, der stets von einem Teil des Hochfrequenzstromes durchflossen wird, wenn im Sendekanal (2) der Hochfrequenzstrom fließt, und daß ein von dem Gleichrichter (14) aus dem Teil des Hochfrequenz­ stromes erzeugter Gleichstrom der PIN-Diode (V1) unmittelbar als Steuerstrom zugeführt wird.
2. Sende-Empfangs-Weiche nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Sendekanal (2) ein Kon­ densator (C1) angeordnet ist, der verhindert, daß der Steuer­ strom zum Sender abfließt.
3. Sende-Empfangs-Weiche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (14) einen Gleichrichterteil mit einer Gleichrichterdiode (V2) umfaßt, die antiparallel zur PIN-Diode (V1) angeordnet ist, und deren Träger­ lebensdauer wesentlich geringer ist als die der PIN-Diode (V1).
4. Sende-Empfangs-Weiche nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Reihe zur Gleichrichterdiode (V2) eine Induktivität (L1) angeordnet ist, wobei die Reihen­ schaltung aus Gleichrichterdiode (V2) und Induktivität (L1) parallel zur PIN-Diode (V1) geschaltet ist.
5. Sende-Empfangs-Weiche nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Induktivität (L1) mit einem Dämpfungswiderstand (R1) überbrückt ist.
6. Sende-Empfangs-Weiche nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Sende­ kanal (2) mehrere PIN-Dioden (V1) in Kaskadenschaltung ange­ ordnet sind, die miteinander über kurze Leitungsstücke (12) verbunden sind, deren Kapazität bei der höchsten Betriebsfre­ quenz wesentlich größer ist als die Sperrkapazität der PIN- Dioden (V1), und wobei zu jeder PIN-Diode (V1) antiparallel ein Gleichrichter (14) geschaltet ist.
7. Sende-Empfangs-Weiche nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß drei PIN-Dioden (V1) in Reihe geschaltet sind.
8. Sende-Empfangs-Weiche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennnzeichnet, daß sie zur Verwendung in einem medizinischen Kernspinresonanz-Ge­ rät vorgesehen ist.
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