DE4440216A1 - Verteilerschaltung zur Verteilung eines HF-Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verteilerschaltung zur Vertei­ lung eines HF-Signals nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Verteilerschal­ tung für Hochfrequenz-Signale (HF-Signale), die im Mikro- und Millimeterwellen-Bereich (GHz-Bereich) liegen.

In der Schaltungstechnologie ist es in vielen Fällen er­ forderlich, ein HF-Signal auf mehrere HF-Zweige und/oder HF-Schaltungsanordnungen zu verteilen. Dafür ist es nahe­ liegend, das HF-Signal zunächst mit Hilfe eines HF-Lei­ stungsverstärkers zu verstärken und das verstärkte HF-Si­ gnal in einem HF-Verteilnetzwerk zu verteilen, so daß das HF-Signal an mehreren Toren gleichzeitig oder zeitlich nacheinander anliegt.

Dabei kann mit dem Leistungsverstär­ ker auch eine Impedanzanpassung vorgenommen werden. Dafür geeignete Verteilnetzwerke enthalten beispielsweise HF- Leistungsschalter, z. B. PIN-Dioden-Schalter, Relais.

Ein solches HF-Verteilnetzwerk erzeugt bei der Verteilung des HF-Signals grundsätzlich eine HF-Verlustleistung, die letztendlich als störende Verlustwärme abgeführt werden muß. Dieses kann in nachteiliger Weise technisch aufwendig und daher kostenungünstig sein, insbesondere bei einer räumlich kleinen Anlage, beispielsweise bei einem aktiven Antennenarray für den Millimeterwellen-Bereich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gat­ tungsgemäße Verteilerschaltung anzugeben, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt und bei welcher die Entstehung von Verlustleistung vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil besteht darin, daß das benötigte Ver­ teilnetzwerk lediglich geringe HF-Leistungen schalten muß, so daß lediglich vernachlässigbare HF-Verluste entstehen. Ein solches Verteilnetzwerk kann daher vorteilhafterweise räumlich kompakt als gedruckte Schaltung, z. B. in Strei­ fentechnologie, ausgeführt werden.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß die den ausgangs­ seitigen Lasten, z. B. Antennen, zugeleiteten HF-Leistungs­ signale nicht geschaltet werden. Dadurch werden einerseits HF-Verluste vermieden und andererseits immer optimale Im­ pedanzanpassungen erreicht.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß eine Erhöhung des Senderwirkungsgrades erfolgt, denn die absoluten Leis­ tungsverluste sind gering, bezogen auf die Sender-Aus­ gangsleistung.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß Schalterelemente verwendet werden können, die lediglich eine geringe Leis­ tung schalten können, beispielsweise FET-Schalter, die bis zu 0,2 Watt schalten können.

Ein fünfter Vorteil besteht darin, daß Schalterelemente, beispielsweise FET-Schalter, verwendet werden können, die hohe (Schalt-)Verluste, z. B. bis zu 2 dB, besitzen.

Ein sechster Vorteil besteht darin, daß aus diesen Gründen integrierte Halbleiterschalter verwendbar sind, welchen lediglich einen geringen Flächenbedarf besitzen.

Ein siebter Vorteil besteht darin, daß lediglich geringe Schaltleistungen benötigt werden. Denn ansonsten verwen­ dete typische Leistungsschaltelemente, z. B. mechanische Bauteile (Relais) oder Halbleiter - PIN-Dioden, benötigen eine relativ hohe Gleichstrom-Schaltleistung (PIN-Dioden- Schalter bis zu 1 Watt bei einer geschalteten HF-Leistung von 10 Watt). Eine derartig hohe Schaltleistung wird vor­ teilhafterweise vermieden durch die Verwendung von FET- Schalter, welche vor den Leistungsverstärkern angeordnet sind.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels näher erläutert unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Figuren.

Es zeigen

Fig. 1 und Fig. 2 schematisch dargestellte Blockbilder zur Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Verteiler­ schaltung VS, die ein Eingangstor ET besitzt. Wird in die­ ses ein HF-Eingangssignal, z. B. ein HF-Sendesignal im GHz- Bereich mit einer HF-Leistung von ungefähr 1 Watt (HF-Ein­ gangsimpedanz ungefähr 50 Ohm), eingekoppelt, so ist an den Ausgangstoren AT1, AT2 gleichzeitig oder alternativ eine HF-Ausgangsleistung von z. B. jeweils 10 Watt verfüg­ bar, z. B. jeweils an einem mittleren HF-Lastwiderstand von 50 Ohm. Die Art der Verfügbarkeit (gleichzeitig oder al­ ternativ) ist abhängig von dem verwendeten (HF-)-Verteil­ netzwerk VN, das nachfolgend noch näher erläutert wird.

Das Verteilnetzwerk VN besitzt einen Netzwerk-Eingang NE, der an das Eingangstor ET gekoppelt ist, sowie mindestens zwei Netzwerk-Ausgänge NA1, NA2, die jeweils an einen Ver­ stärker-Eingang VE1, VE2 eines HF-Leistungsverstärkers, der als balancierter Verstärker BV ausgebildet ist, ange­ schlossen sind. Dessen Verstärker-Ausgänge VA1, VA2 sind unmittelbar an die Ausgangstore AT1, AT2 angekoppelt.

Fig. 2 zeigt einen solchen balancierten Verstärker BV, be­ stehend aus zwei 90°-Hybriden H1, H2 sowie zwei zwischen diesen gekoppelten, im wesentlichen identischen HF-Ver­ stärkern V1, V2. Ein 90°-Hybrid ist eine an sich bekannte HF-Brückenschaltung, die vorzugsweise aus HF-Leitungsstüc­ ken besteht. Ein solches 90°-Hybrid besitzt zwei Eingänge, hier VE2, VE2, sowie zwei Ausgänge, die mit mit 0° sowie 90° bezeichnet sind. An diesen entstehen Ausgangssignale, die zueinander eine 90°-Phasenlage besitzen. Ein solcher 90°-Hybrid, der auch 3 dB-Koppler genannt wird, ist z. B. beschrieben in dem Lehrbuch: Meinke/Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 4. Auflage (1986), Band 3, Kapi­ tel P18.

Gemäß Fig. 2 ist nun der 0°-Ausgang (0°-Tor) des ersten 90°-Hybrids H1 über den ersten HF-Verstärker V1 an das 90°-Tor des zweiten 90°-Hybrids H2 gekoppelt. Das 90°-Tor des ersten 90°-Hybrids H1 ist über den zweiten HF-Verstär­ ker V2 an das 0°-Tor des zweiten 90°-Hybrids H2 gekoppelt. Ein solcher balancierter Verstärker BV besitzt in vorteil­ hafter Weise die Eigenschaft, daß bei reflexionsfreiem Ab­ schluß nicht benötigter Ein- sowie Ausgangstore an den üb­ rigen (freien) Ein- sowie Ausgangstoren eine HF-Anpassung vorhanden ist, wobei die HF-Verstärker V1, V2 an ihren Ein- und/oder Ausgängen nahezu beliebige Reflexions­ faktoren besitzen können. Durch eine entsprechende Wahl der reflexionsfreien Abschlüsse (gegen HF-Masse) läßt sich der Signalweg des HF-Signals festlegen. Beispielsweise ist es möglich, die Tore VE2 sowie VA1 reflexionsfrei abzu­ schließen. In diesem Fall wird ein an dem Tor VE1 anlie­ gendes HF-Signal verstärkt und an das Tor VA2 geleitet. Weitere mögliche Signalwege sind aus den an sich bekannten HF-Koppeleigenschaften der 90°-Hybride ableitbar.

Daraus ergibt sich, daß der Schaltungsaufbau des Verteil­ netzwerks VN (Fig. 1) von den gewünschten zu schaltenden Signalwegen abhängt. Ist beispielsweise an den Netzwerk- Ausgängen NA1, NA2 jeweils ein durch einen HF-Schalter, z. B. mindestens einen HF-Feldeffekt-Transistor (FET), schaltbarer reflexionsfreier Abschluß vorhanden, so kann ein an dem Eingangstor ET anliegendes HF-Signal wahlweise auf eines der Ausgangstore AT1, AT2 gekoppelt werden.

Die beschriebene Verteilerschaltung VS ist daher in viel­ fältiger Weise einsetzbar, beispielsweise als Senderend­ stufenschaltung in einem aktiven Antennenarray, beispiels­ weise für den Millimeterwellen-Bereich. Dabei werden für diesen Bereich geeignete Strahlerelemente, z. B. sogenannte Patch-Strahler, unmittelbar an die Ausgangstore AT1, AT2 gekoppelt. Die HF-Leistungsverstärker V1, V2 sind dabei als an sich bekannte, daran angepaßte Sendeverstärker aus­ gebildet.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung besteht darin, an die Ausgangstore AT1, AT2 sogenannte orthogonale Strahler­ elemente anzuschließen. Diese können Sendesignale mit zu­ einander orthogonalen Polarisationsrichtungen aussenden. Aufgrund der Schalteigenschaften der 90°-Hybride H1, H2 (Fig. 2) kann nun das Verteilnetzwerk VN (Fig. 1) so ge­ wählt werden, daß ein Sendesignal mit vorgebbarer Polari­ sationsrichtung, die von dem einstellbaren Schaltzustand des Verteilnetzwerks VN abhängt, ausgesandt werden kann.

Es ist nun vorteilhaft, mehrere solcher Strahlerelemente linien- oder matrixförmig zu einem Antennenarray anzuord­ nen und diese Strahlerelemente an die Ausgänge mehrerer solcher balancierten (Sende-)Verstärker anzukoppeln, deren Eingänge in der beschriebenen Weise an ein Verteilnetzwerk angekoppelt sind. In Abhängigkeit von dessen Auslegung und/oder Schaltzustand ist dann das Antennenarray in viel­ fältiger Weise betreibbar, beispielsweise zur Erzeugung einer schnellen Schwenkung eines Sendestrahlers in Azimut­ und/oder Elevationsrichtung bei gleichzeitiger Änderung der Polarisationsrichtung des ausgesandten Sendesignals. Ein solcher Sender wird auch polarisationsagiler Sender genannt.

In allen beschriebenen Beispielen ist es daher möglich, die von den Verstärkern V1, V2 erzeugte HF-Leistung nahezu verlustfrei an die Ausgangstore AT1, AT2 zu koppeln. Die unmittelbar daran angeschlossenen Sendestrahler ermög­ lichen daher eine verlustarme Abstrahlung der erzeugten HF-Leistung.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs­ beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere an­ wendbar. Beispielsweise ist es möglich, innerhalb eines Sende-/Empfangsmoduls (T/R-Modul) jeden der Ausgänge AT1, AT2 über einen Zirkulator an einen Sende-/Empfangsstrahler anzukoppeln. Damit ist in vorteilhafter Weise ein Sende-/ Empfangs-Antennenarray mit hohem (Sende-)Wirkungsgrad her­ stellbar. Ein solches Antennenarray ist räumlich kompakt herstellbar und daher insbesondere für ein Bordradar in einem Luftfahrzeug geeignet.

Claims (10)

1. Verteilerschaltung zum Verteilen eines HF-Signals von einem Eingangstor auf mindestens zwei Ausgangstore, zumin­ dest bestehend aus

• - einem HF-Leistungsverstärker zur Verstärkung und/oder Entkopplung des an dem Eingangstor anliegenden HF-Si­ gnals sowie
• - einem Verteilnetzwerk zur Aufteilung des HF-Signals auf mindestens zwei Leitungswege,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Verteilnetzwerk (VN) als HF-Netzwerk ausgebil­ det ist mit einem Netzwerk-Eingang (NE) sowie minde­ stens zwei Netzwerk-Ausgängen (NA1, NA2),
• - daß der HF-Leistungsverstärker als balancierter Ver­ stärker (BV) ausgebildet ist mit zwei Verstärker-Ein­ gängen (VE1, VE2) sowie zwei Verstärker-Ausgängen (VA1, VA2),
• - daß der Netzwerk-Eingang (NE) an das Eingangstor (ET) angekoppelt ist,
• - daß die Netzwerk-Ausgänge (NA1, NA2) an die Verstärker- Eingänge (VE1, VE2) angekoppelt sind und
• - daß die Verstärker-Ausgänge (VA1, VA2) an die Ausgangs­ tore (AT1, AT2) angekoppelt sind.

2. Verteilerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der balancierte Verstärker (BV) zumindest aus zwei 90°-Hybriden (H1, H2), zwischen die HF-Leistungs­ verstärker (V1, V2) geschaltet sind, besteht.

3. Verteilerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verteilnetzwerk (VN) einen aus pas­ siven HF-Bauelementen aufgebauten HF-Verteiler enthält zur Verteilung eines an dem Netzwerk-Eingang (NE) anliegenden HF-Signals auf mindestens zwei Netzwerk-Ausgänge (NA1, NA2).

4. Verteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verteilnetzwerk (VN) minde­ stens einen schaltbaren, reflexionsarmen Abschlußwider­ stand enthält derart, daß der Abschlußwiderstand an minde­ stens einen der Netzwerk-Ausgänge (NA1, NA2) schaltbar ist.

5. Verteilerschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Leistungsver­ stärker (V1, V2) als HF-Sendeverstärker ausgebildet sind.

6. Verteilerschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche zur Verwendung als HF-Sendesignal-Verteiler für an die Ausgangstore (AT1, AT2) angeschlossene Sendeantennen.

7. Verteilerschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche zur Verwendung als HF-Sendesignal-Verteiler in ei­ nem Sende-/Empfangsmodul (T/R-Modul) für eine Radaranlage.

8. Verteilerschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche zur Verwendung als HF-Sendesignal-Verteiler für den Mikro- und/oder Millimeterwellen-Längenbereich.

9. Verteilerschaltung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche zur Verwendung als polarisationsagiler Sender mit an die Ausgangstore (AT1, AT2) angekoppelten orthogonalen Strahlerelementen.