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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Phasenschiebertafel mit vier Phasenzuständen, bei der von aktiven Halbleiterelementen
Gebrauch gemacht wird. Sie bezieht sich ferner auf die Anwendung
einer solchen Tafel bei der Verwirklichung einer Höchstfrequenzlinse
und einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung.
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Die Realisierung einer Antenne mit
elektronischer Strahlschwenkung erfordert bekanntlich Komponenten,
die an einer Höchstfrequenzwelle
eine steuerbare Phasenverschiebung hervorrufen können. Aus der französischen
Patentschrift 2.469.808 ist beispielsweise bekannt, zur Realisierung
einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung eine Höchstfrequenzlinse
zu verwenden, die aus Tafeln gebildet ist, die jeweils eine Phasenverschiebung
der sie durchlaufenden Höchstfrequenzwelle
herbeiführen.
Diese Tafeln enthalten Leiterdrähte,
die Dioden tragen, wobei die Drähte
parallel zur Richtung des elektrischen Feldes der Welle angeordnet
sind. Die Steuerung des Durchlaß-
oder Sperrzustandes der Dioden ermöglicht es, die der einfallenden Welle
von jeder der Tafeln verliehene Phasenverschiebung zwischen zwei
Werten zu ändern
und somit eine elektronische Strahlschwenkung zu erzielen.
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Eine solche Antenne erfordert jedoch
eine Anzahl von längs
der Bahn der Welle angeordneten Phasenschiebertafeln, die umso größer ist,
je größer die
Anzahl der bestimmten Phasenverschiebungswerte gewünscht wird,
was mit einer Erhöhung
der Verluste und der Kosten verbunden ist, die eine Einschränkung darstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine Phasenschiebertafel zu schaffen, mit deren Hilfe vier verschiedene
Phasenverschiebungswerte je nach dem angelegten Steuerbefehl erhalten
werden können,
so daß eine
merkliche Verringerung der in der vorgenannten Anwendung erforderlichen
Tafel erzielt werden kann, und Anwendüngen einer solchen Phasenschiebertafel
für eine
Höchstfrequenzlinse
und eine Antenne mit elektronicher Strahlschwenkung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit den Gegenstand
des Anspruchs 1 bzw. der Ansprüche
4und 5 gelöst.
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Die beanspruchte Phasenschiebertafel
kann eine in einer gegebenen Richtung linear polarisierte elektromagnetische
Welle empfangen. Sie enthält
dafür auf
einem Träger
angeordnete Leiterdrähte
die jeweils wenigstens zwei Halbleiterelemente tragen, beispielsweise
Dioden; diese Dioden sind an diese Leiterdrähte angeschlossen, so daß der Zustand
der Dioden unabhängig
voneinander gesteuert werden kann, wobei jede Diode einen Durchlaßzustand
oder einen Sperrzustand haben kann. Auf diese Weise werden vier
mögliche
Zustände
erhalten, und die geometrischen und elektrischen Eigenschaften der
Tafel sind derart, daß jeder
dieser Zustände
einem gegebenen Phasenverschiebungswert entspricht.
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Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
der Erfindung, in der auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen
ist. In der Zeichnung zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der Tafel
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2 das
Ersatzschaltbild der Tafel von 1;
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3a und 3b schematische Darstellungen
zur Veranschaulichung der Höchstfrequenzlinse
und ihrer Anwendung bei der Realisierung einer Antenne mit elektronischer
Strahlschwenkung.
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In den verschiedenen Figuren beziehen
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
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In 1 ist
eine Teilansicht einer Ausführungsform
einer Tafel gemäß der Erfindung
dargestellt.
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Diese Tafel P enthält ein dielektrisches
Substrat 1, auf dem Drähte
F im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, die jeweils
wenigstens zwei Halbleiterelemente D1 und
D2 mit zwei Zuständen, beispielsweise Dioden,
tragen, die beispielsweise entgegengesetzt zueinander, beispielsweise
mit ihren Kathoden angeschlossen sind. Die Versorgungsspannung der
Dioden D1 und D2 wird über drei
im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zu den Drähten F verlaufende
Leiter 51, 52 und 53 zugeführt, wobei
der Leiter 53. der Mittelleiter ist. Das Substrat 4 trägt ferner
an seinen zwei Rändern
zwei metallische Leiter 74 bzw. 75, die im wesentlichen
parallel zu den Leitern 51-53 verlaufen und in einem Abstand
D0 von den Leitern 51 bzw. 52 angeordnet
sind. Die Leiter 51 und 53 liegen in einem Abstand
DI1 voneinander, und die Leiter 53 und 52 liegen
in einem Abstand DI2 voneinander. Die Drähte F haben
im wesentlichen gleiche Abstände
mit einer Schrittweite von a voneinander. Die Leiter
74 und 75 liegen
in einem Abstand b voneinander. Aus Gründen der Klarheit der zeichnerischen
Darstellung ist die Fläche
der verschiedenen Leiter, die beispielsweise in Form metallischer
Auflagen auf dem Substrat 4 gebildet sind, in der Zeichnung
punktiert dargestellt, obgleich sie nicht im Schnitt zu sehen sind.
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2 zeigt
das elektrische Ersatzschaltbild der Tafel von 1 im Höchstfrequenzbereich.
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Die Höchstfrequenzwelle wird bei
einer Impedanz von Z = 120πb/a
und mit einer bezüglich
des elektrischen Feldvektors parallel zu den Drähten F geradlinigen Polarisation
an den Klemmen B1 und B2 empfangen;
sie trifft dabei auf drei Kapazitäten C0,
CI
1, CI2,
die in Serie zwischen die Klemmen B1 und
B2 geschaltet sind. Die Kapazität C0 repräsentiert
die Entkoppelungsbelagkapazität
zwischen den Leitern 51 und 52 und den Leitern 74 bzw. 75;
die Kapazität
CI1 ist die Belagkapazität zwischen den Leitern 51 und 53,
und die Kapazität CI
2 ist die Belagkapazität zwischen
den Leitern 53 und 52.
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An die Klemmen der Kapazität CI1 ist eine Diode D1 angeschlossen,
die ebenfalls durch ihr Ersatzschaltbild dargestellt ist. Letzteres
ist durch eine Induktivität
L1 gebildet, die in Serie liegt mit:
- – einer
Kapazität
Ci1 in Serie mit einem Widerstand Ri1, oder
- – einem
Widerstand Rd1,
je nachdem, ob
die Diode D1 in Sperrichtung oder in Durchlaßrichtung
geschaltet ist, was symbolisch durch einen Schalter 21 dargestellt ist.
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In gleicher Weise ist an die Klemmen
der Kapazität
CI
2 eine Diode D2 angeschlossen, die durch ihr Ersatzschaltbild
dargestellt ist. Letzteres ist analog zu dem der Diode D1, wobei ihre Bauelemente den Index 2 tragen.
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Die Höchstfrequenz-Ausgangsspannung
wird zwischen den Klemmen B3 und B4, also den Klemmen der drei Kapazitäten C0, CI1 und CI
2 abgenommen.
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Die Parameter des Dioden-Ersatzschaltbildes,
beispielsweise der Diode D1, sind wie folgt
definiert:
- – Die Induktivität L1 ist gegeben durch
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Darin sind:
LD
1 die Induktivität der Diode D1 unter
Berücksichtigung
ihres Verbindungsdrahtes (F) mit den Leitern 51-53;
a
der Abstand zwischen zwei Dioden D1;
b
der Abstand zwischen den Leitern 74 und 75;
α ein die
Wechselwirkung zwischen den Drähten
F charakterisierender Koeffizient;
- – der Widerstand
Ri
1 ist der durch
das Verhältnis
a/b beeinflußte
Sperrwiderstand der Diode D1;
- – der
Widerstand Rd1 ist der vom gleichen Verhältnis beeinflußte Durchlaßwiderstand
der Diode;
- – die
Kapazität
Ci
1 ist die vom
Verhältnis
b/a beeinflußte
Sperrschichtkapazität
der Diode.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Tafel
wird anschließend
erläutert,
wobei in einer ersten Stufe das Verhalten einer solchen Tafel ohne
die Dioden D2 und den Leiter 53 betrachtet
wird, was im Ersatzschaltbild von 2 dazu
führt,
daß der
Block D2 sowie die Kapazität CI2 weggelassen werden.
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Wenn die Dioden D
1 in
Durchlaßrichtung
vorgespannt sind, ergibt sich der Blindleitwert B
d der
modifizierten Schaltung von
2 wie
folgt:
wobei ω die der Mittenfrequenz des
Betriebsbandes der Vorrichtung entsprechende Kreisfrequenz ist.
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Die Parameter der Schaltung werden
so gewählt,
daß Bd-0 erreicht wird, d. h. daß bei Vernachlässigung
ihres Wirkleitwertes die Schaltung angepaßt ist oder auch mit anderen
Worten, daß sie
für die
einfallende Höchstfrequenzwelle
durchlässig
ist, also weder Störreflexionen
noch eine Phasenverschiebung einführt (dΦd1 =
0). Genauer gesagt wird folgendes gewählt: LCIω2 = 1
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Dies führt zu Bd = 0, unabhängig insbesondere
vom Wert der Kapazität
Ci1.
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Wenn die Dioden in Sperrichtung vorgespannt
sind, ergibt sich der Blindleitwert der Tafel wie folgt:
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Bei zuvor festgelegter Kapazität CI kann der Wert des Blindleitwertes BR und folglich der Wert der Phasenverschiebung
dΦi1, den die einfallende Höchstfrequenzwelle erfährt, durch
Einwirkung auf den Wert der Kapazität Ci,
das heißt
durch Wahl der Diode D1 eingestellt werden.
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Auf diese Weise werden zwei Phasenverschiebungswerte
erhalten: dΦd1 = 0 und dΦi1.
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Wenn nun in einer zweiten Stufe das
Vorhandensein der Dioden D2 und des Mittelleiters 53 betrachtet wird,
ist durch eine analoge Überlegung
zu erkennen, daß bei
einem Vorspannen der Diode D2 in Durchlaßrichtung
die einfallende Höchstfrequenzwelle
keine Phasenverschiebung erfährt
(dΦd2 = 0), während sie bei einer Vorspannung
der Dioden D2 in Sperrichtung eine gegebene
und einstellbare Phasenverschiebung (dΦi2) erfährt.
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Wenn nun die gesamte Tafel betrachtet
wird, ist zu erkennen, daß diese
der sie durchlaufenden Höchstfrequenzwelle
hier nach dem Steuerbefehl (Vorspannung in Durchlaßrichtung
oder in Sperrichtung), der an jede der Dioden D1 und
D2 angelegt wird, vier verschiedene Phasenverschiebungswerte
aufprägen
kann.
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Es gilt:
- – wenn die
Dioden D1 und D2 in
Durchlaßrichtung
vorgespannt sind, hat die der Welle verliehene Phasenverschiebung
(dφ1)
den Wert null;
- – wenn
die Dioden D1 in Durchlaßrichtung und die Dioden D2 in Sperrichtung vorgespannt sind, ist die
eingeführte
Phasenverschiebung (dΦ2) die der Dioden D2 allein,
und sie hängt
somit vom Wert der Kapazität Ci2 ab;
- – wenn
umgekehrt die Dioden D1 in Sperrichtung
und die Dioden D2 in Durchlaßrichtung
vorgespannt sind, ist die durch die Tafel herbeigeführte Phasenverschiebung
(dΦ3) die durch die Dioden D1 allein
herbeigeführte
Verschiebung, die somit von der Kapazität Ci1 dieser
Dioden abhängt;
- – wenn
alle Dioden D1 und D2 in
Sperrichtung vorgespannt sind, wird die Phasenverschiebung (dΦ4) gleichzeitig von den Dioden D1 und
D2 herbeigeführt und hängt somit von Ci1 und
Ci2 ab.
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Es sei bemerkt, daß oben der
Fall beschrieben worden ist, bei dem die Parameter der Schaltung
so gewählt
worden sind, daß die
Blindleitwerte mit dem Wert null (oder im wesentlichen null) so
sind, daß sie
den in Durchlaßrichtung
vorgespannten Dioden entsprechen, jedoch kann natürlich auch
ein symmetrischer Betrieb gewählt
werden, bei dem die Parameter so bestimmt werden, daß der Blindleitwert
BR im wesentlichen annuliert wird.
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Eine solche Tafel kann vorteilhafterweise
bei. der Realisierung einer Höchstfrequenzlinse
des Typs verwendet werden, der in der vorgenannten Patentschrift
beschrieben und schematisch in den 3a und 3b dargestellt ist.
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3a zeigt
dabei einen schematischen Teilschnitt in der Ebene des elektrischen
Feldes E der Höchstfrequenzwelle,
und 3b zeigt den Aufbau
einer Tafel, wie sie oben beschrieben wurde.
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In 3b ist
die Tafel P zu erkennen, die die Drähte F mit jeweils einer Diode
D1 und einer Diode D2, die
beispielsweise an ihren Katoden verbunden sind, sowie die Leiter 51, 52 und 53 trägt.
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Die Höchstfrequenzlinse von 3a enthält mehrere Tafeln P, die zwischen
leitenden Platten 70, 71, 72 angeordnet
sind, die die Rolle der Leiter 74 und 75 von 1 spielen. Die Gesamtheit
der zwischen zwei Platten 70-72 angeordneten Tafeln P bildet
einen Phasenschieber (d1, d2,
d3 .. ).
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Der Stapel aus mehreren Phasenschiebern
bildet eine aktive Höchstfrequenzlinse,
die bei Anstrahlung durch eine Höchstfrequenzquelle
S die Bildung einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung
ermöglicht.
Die Quelle S liefert eine elektromagnetische Welle, deren Ausbreitungsrichtung
durch den Pfeil 10 dargestellt ist und deren elektrisches
Feld E senkrecht zu den Platten 70, 71, 72 ...
und parallel zu den die Dioden tragenden Drähten F verläuft.
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Da die Tafeln P unabhängig voneinander
gesteuert werden, ist zu erkennen, daß die Phasenverschiebungen,
die sie der sie durchlaufenden Welle verleihen, von Tafel zu Tafel
unterschiedlich sein können.
Durch Anordnen mehrerer Tafeln hintereinander längs der Bahn der Höchstfrequenzwelle
können
Phasenverschiebungen erhalten werden, die in von der Anzahl der
aneinandergefügten
Tafeln abhängigen
Schritten von 0-360° gehen.
Es ist zu erkennen, daß die
Tatsache, daß jede
der erfindungsgemäßen Tafeln
der sie durchlaufenden Welle vier unterschiedliche Phasenverschiebungen
verleihen kann, eine Reduzierung der gesamten Anzahl der Tafeln
ermöglicht.
Durch Übereinanderstapeln
mehrerer solcher Phasenschieber kann eine elektronische Strahlschwenkung
in einer Ebene parallel zum elektrischen Feld verwirklicht werden,
wie dies durch einen Pfeil 20 dargestellt ist, der die
Ausbreitungsrichtung der austretenden Welle angibt.
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Die obige Beschreibung der Tafel
diente lediglich als Beispiel; es sind verschiedene Varianten möglich. Beispielsweise
ist es möglich,
mit einem Draht mehrere Dioden wie die Dioden D1 in
der gleichen Richtung und/oder mehrere Dioden D2 ebenfalls
in der gleichen Richtung zu verbinden; diese Abwandlung ermöglicht eine
Reduzierung der equivalenten Kapazität der Schaltung und folglich
eine Vergrößerung des
Durchlaßbandes.
Die Dioden D1 und D2 sind
zueinander entgegengesetzt gerichtet dargestellt worden, jedoch
können
sie auch in Serie geschaltet werden, falls dann die Steuerschaltungen
in entsprechender Weise angepaßt
werden. Außer dem
kann der Leiter 53 aufgespalten werden, was das Speisen
der Dioden D1 und D2 erleichtern
kann.
