DE60204672T2 - ABOUT OPENINGS IN THE SHAFT MASS AREA TUNABLE PHASE SHIFTER - Google Patents

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Abstract

A phase shifting element adapted to introduce a variable phase shift to an electromagnetic wave includes a transmission line segment (10), such as a microstrip line segment (1) or a segment of a waveguide, above a ground plane (or waveguide wall) (2). The ground plane or wall (2) includes at least one aperture (3) positioned below the microstrip line or waveguide segment (1). An electrically conductive tuning plate (4) is provided adjacent the ground plane or wall (2) and is movable, toward or away from the ground plane or wall. Movement of the tuning plate (4) provides adjustment of the phase shift introduced to an electromagnetic wave propagated through the waveguide segment. <IMAGE> <IMAGE>

Description

Gebiet der ErfindungTerritory of invention

Die Erfindung betrifft eine Technik zum Erzeugen einer variablen Phasenverschiebung in einer Übertragungsleitung und die Verwendung einer solchen Technik in einem Antennenarray.The The invention relates to a technique for generating a variable phase shift in a transmission line and the use of such a technique in an antenna array.

Hintergrund der Erfindungbackground the invention

Phasenschieber sind allgemein bekannt und existieren in einer Vielzahl von unterschiedlichen Typen. Ferrit-Phasenschieber verwenden Platten, Stangen und andere Formen ferromagnetischen Materials im Innern eines Wellenleiters bzw. einer Übertragungsleitung. Die magnetische Permeabilität des Materials bestimmt den Übertragungsfaktor derartiger Leitungen, welcher durch ein externes Magnetfeld gesteuert werden kann. Ferrit-Phasenschieber können mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden (in der Größenordnung von Millisekunden für eine 360° Phasenverschiebung) und können in das Speisenetz von Antennen integriert werden.phase shifter are well known and exist in a variety of different ways Types. Ferrite phase shifters use plates, rods and others Form ferromagnetic material inside a waveguide or a transmission line. The magnetic permeability of the material determines the transmission factor such lines, which controlled by an external magnetic field can be. Ferrite phase shifter can with be operated at high speed (of the order of magnitude of milliseconds for a 360 ° phase shift) and can be integrated into the feed network of antennas.

Ferrit-Phasenschieber sind jedoch für Niedrigpreis-Anwendungen, wie z. B. die Basisstation-Antennentechnologie, und satellitenbasierte persönliche Mobilsysteme, zu teuer. Zudem benötigen Ferrit-Phasenschieber zum Betrieb ein vergleichsweise hohes Maß an Gleichstromenergie und verursachen typischerweise Verluste von um 1 dB pro 360° Phasenverschiebung. Auch ist die Bandbreite für diese Vorrichtungen auf 5-10% beschränkt.Ferrite phase shifter are however for Low-cost applications, such as B. the base station antenna technology, and satellite-based personal Mobile systems, too expensive. In addition, require ferrite phase shifter to operate a comparatively high level of DC power and typically cause losses of around 1 dB per 360 ° phase shift. Also, the bandwidth is for these devices to 5-10% limited.

Mechanische Phasenschieber basieren auf der mechanischen Verschiebung einer Struktur im Innern einer Übertragungsleitung bzw. eines Wellenleiters, um den Übertragungsfaktor zu verän dern. Die mechanische Verschiebung kann z. B. erreicht werden, indem piezoelektrische, elektrostatische oder elektrische Antriebsvorrichtungen verwendet werden. Diese sind mögliche preiswerte Breitbandvorrichtungen mit geringem Gleichstromverbrauch und sind für eine Massenproduktion gut geeignet. Allerdings haben diese Vorrichtungen einige praktische Grenzen.mechanical Phase shifters are based on the mechanical displacement of a Structure inside a transmission line or a waveguide in order to change the transmission factor. The mechanical Shift can z. B. be achieved by piezoelectric, electrostatic or electric drive devices used become. These are possible inexpensive broadband devices with low DC consumption and are for a mass production well suited. However, these devices have some practical limits.

Beispiele vorbekannter mechanischer Phasenschieber, die auf der Verschiebung dielektrischer Platten im Innern bzw. in der Nähe von Übertragungsleitungen fußen, sind in der US-A-5504466, der US-A-5940030 und der EP-A-0984509 beschrieben. Diese Vorrichtungen erfordern für gewöhnlich die Verschiebung großer dielektrischer Platten über eine Entfernung von mehreren Millimetern. Dies beschränkt die Geschwindigkeit, mit der der Phasenschieber arbeiten kann, ernsthaft. Zudem können keine preisgünstigen piezoelektrischen und elektrostatischen Technologien mit geringer Stromaufnahme verwendet werden, da deren Bewegungsweg typischerweise auf weniger als 1 mm beschränkt ist. Typischerweise erfordern diese Vorrichtungen für ein praktisches, kompaktes Design Materialien mit hohen dielektrischen Konstanten, und dies erhöht wiederum die Kosten der Vorrichtung und steigert zudem typischerweise Verluste.Examples previously known mechanical phase shifter, on the shift dielectric plates in the interior of or near transmission lines are in US-A-5504466, the US-A-5940030 and EP-A-0984509. These devices require for usually the Shift big dielectric plates over a Distance of several millimeters. This limits the speed, with the phase shifter can work, seriously. In addition, none can cheapest piezoelectric and electrostatic technologies with lower Current consumption can be used because their path of movement is typical limited to less than 1 mm is. Typically, these devices require a practical, compact design materials with high dielectric constants, and this increases in turn, the cost of the device and also typically increases Losses.

In der FR-A-2581255 ist ein metallener Wellenleiter mit einer bewegbaren, leitenden Fläche offenbart, die parallel zu einer der Seiten des Wellenleiters liegt. Ein Stück eines piezoelektrischen Materials trägt die Fläche, so daß es die Fläche relativ zu dem Leiter bewegen kann. Der Wellenleiter kann in einer Wand des Leiters geformte Schlitze aufweisen. Die Fläche ist in eine durch die Schlitze gebildete Öffnung hinein bewegbar, um eine Phasenverschiebung einer Welle in dem Wellenleiter durch eine interne elektromagnetische Störung zu erzeugen.In FR-A-2581255 is a metallic waveguide with a movable, conductive surface discloses which is parallel to one of the sides of the waveguide. One piece a piezoelectric material supports the surface so that it moves the surface relative to the conductor can. The waveguide may have slots formed in a wall of the conductor exhibit. The area is movable into an opening formed by the slots to a phase shift of a wave in the waveguide by a internal electromagnetic interference to create.

Beispiele vorbekannter mechanischer Phasenschieber, die auf der physikalischen Änderung der Länge der Übertragungsleitungen basieren, sind in der US-A-5440318 und der EP-A-1033773 beschrieben. Diese Vorrichtungen sind gegebenenfalls preisgünstig, brauchen wenig Energie und haben geringe Energieverluste. Jedoch führen bewegliche Teile in der Übertragungsleitung zu Problemen hinsichtlich der Grenzflächen zwischen diesen Vorrichtungen und festen Übertragungsleitungen, an die sie angeschlossen sind, was den Vorrichtungen eine mechanische Komplexität hinzufügt (indem z. B. Gleitkontakte integriert werden müssen). Zudem ist, da das Ausmaß der erzeugten Phasenverschiebung proportional zu dem Maß der Längenausdehnung der Vorrichtung ist, auch die Geschwindigkeit gering, da große mechanische Verschiebungen erforderlich sind (typischerweise mehrere Millimeter bei 10 GHz).Examples previously known mechanical phase shifter based on the physical change of Length of the transmission lines are described in US-A-5440318 and EP-A-1033773. These devices may be inexpensive, need little energy and have low energy losses. However, moving parts in the transmission line to problems concerning the interfaces between these devices and fixed transmission lines, to which they are connected, giving the devices a mechanical complexity adds (eg by having to integrate sliding contacts). Moreover, as the extent of generated Phase shift proportional to the degree of linear expansion of the device The speed is low, as there are large mechanical shifts are required (typically several millimeters at 10 GHz).

Offenbarung der Erfindungepiphany the invention

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Phasenverschiebungselement zu schaffen, welches zumindest einen Schritt in Richtung des Überkommens der oben genannten Probleme geht.It It is therefore an object of the present invention to provide a phase shift element which is at least one step in the direction of coming the above problems goes.

Demnach besteht die Erfindung in einem ersten Aspekt in einem Phasenverschiebungselement mit einem Übertragungsleitungssegment, welches dazu angepasst ist, die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle zu unterstützen, und welches eine Massefläche bzw. -wand, einen Leiter und ein zwischen der Massefläche bzw. -wand und dem Leiter angeordnetes Substrat aufweist, wobei die Massefläche bzw. -wand wenigstens eine Öffnung aufweist, mit einer neben der Massefläche bzw. -wand angeordneten, außerhalb des Übertragungsleitungssegmentes bewegbaren, elektrisch leitenden Platte und mit einem mit der elektrisch leitenden Platte verbundenen Verschiebemittel, welches zum einstellbaren Verändern des Abstandes zwischen der elektrisch leitenden Platte und der Massefläche bzw. -wand, wodurch der Grad der bei der elektromagnetischen Welle, wenn diese das Übertragungsleitungssegment durchläuft, erzeugten Phasenverschiebung eingestellt wird, eingerichtet ist.Thus, in a first aspect, the invention consists in a phase shifting element having a transmission line segment adapted to support the propagation of an electromagnetic wave and having a ground plane, a conductor and a ground plane between the ground plane and the ground Conductor arranged substrate, wherein the ground surface or wall having at least one opening, with an adjacent to the ground plane or wall, movable outside the transmission line segment, electrically conductive plate and verbun with one with the electrically conductive plate shift means adapted to adjustably vary the distance between the electrically conductive plate and the ground plane, thereby adjusting the degree of phase shift produced in the electromagnetic wave when passing through the transmission line segment.

Vorzugsweise sind eine Vielzahl von Öffnungen in der Massefläche bzw. -wand periodisch hintereinander angeordnet.Preferably are a variety of openings in the ground plane or wall periodically arranged one behind the other.

Vorzugsweise sind die Form, der Abstand und/oder die Größe einzelner der periodisch angeordneten Öffnungsreihen variiert, um die Impedanzanpassung zwischen dem Übertragungsleitungssegment und einer angeschlossenen Übertragungsleitung zu verbessern.Preferably are the shape, the distance and / or the size of each of the periodic arranged opening rows varies to the impedance match between the transmission line segment and a connected transmission line to improve.

Vorzugsweise sind die Öffnungen rechteckig, und die Längen der Öffnungen an jedem Ende der periodisch angeordneten Reihen sind verglichen mit den Längen der Öffnungen in der Mitte der Öffnungsreihen verringert.Preferably are the openings rectangular, and the lengths the openings at each end of the periodically arranged rows are compared with the lengths the openings in the middle of the opening rows reduced.

Vorzugsweise ist das Übertragungsleitungssegment eine Mikrostreifenleitung oder ein Streifenleitungssegment auf einer Leiterplatte, und die Reihen von Öffnungen sind in der Massefläche direkt unterhalb der und ausgerichtet zu der Mikrostreifenleitung bzw. Streifenleitung vorgesehen.Preferably is the transmission line segment a microstrip line or a stripline segment on one Printed circuit board, and the rows of openings are direct in the ground plane below and aligned with the microstrip line or Stripline provided.

Alternativ ist das Übertragungsleitungssegment ein Abschnitt eines rechteckigen oder kreisförmigen Stegwellenleiters, und die Öffnungen sind in einer der Wände des Wellenleiters angeordnet.alternative is the transmission line segment a portion of a rectangular or circular ridge waveguide, and the openings are in one of the walls the waveguide arranged.

Vorzugsweise ist die Breite der Öffnungen in einer Richtung parallel zu der Übertragungsleitung weniger als oder gleich etwa λ/10, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle bei der Betriebsfrequenz ist.Preferably is the width of the openings less in one direction parallel to the transmission line than or equal to about λ / 10, where λ is the wavelength the electromagnetic wave is at the operating frequency.

Vorzugsweise ist die elektrisch leitende Platte mit einer dielektrischen oder Ferritschicht auf der Oberfläche der Massefläche bzw. -wand des Übertragungsleitungssegmentes bedeckt.Preferably is the electrically conductive plate with a dielectric or Ferrite layer on the surface the ground plane or wall of the transmission line segment covered.

Vorzugsweise folgen das Übertragungsleitungssegment und die Reihe von Öffnungen demselben, gewundenen Pfad.Preferably follow the transmission line segment and the row of openings same, winding path.

Vorzugsweise enthält der gewundene Pfad eine Vielzahl von geraden Pfadabschnitten, die in Winkeln miteinander verbunden sind.Preferably contains the tortuous path has a variety of straight path sections, the connected in angles.

In einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung in einem Steuersystem für ein Antennenarray mit einem Phasenverschiebungselement nach dem ersten Aspekt.In In another aspect, the invention resides in a control system for a Antenna array with a phase shift element after the first Aspect.

Vorzugsweise enthält das Steuersystem eine Vielzahl von miteinander verbundenen Phasenverschiebungselementen, die sich eine gemeinsame elektrisch leitende Platte teilen.Preferably contains the control system comprises a plurality of interconnected phase shift elements, sharing a common electrically conductive plate.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

Es werden nun spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung im Wege eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:It will now be specific embodiments the invention by way of example with reference to the accompanying Drawings described. In the drawings show:

1A eine Aufsicht von oben auf ein Phasenverschiebungselement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 1A a top view of a phase shift element according to a first embodiment of the present invention,

1B eine entlang der Linie B-B genommene Querschnittsansicht des Phasenverschiebungselementes aus 1A von der Seite, 1B a taken along the line BB cross-sectional view of the phase shift element 1A of the page,

2 eine Aufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel des Phasenverschiebungselementes aus 1A und 1B, bei dem eine integrierte Impedanz-Anpassungsstruktur enthalten ist, 2 a plan view of an alternative embodiment of the phase shift element 1A and 1B in which an integrated impedance matching structure is included,

3 eine Querschnittsansicht durch einen ebenen Phasenschieber, der das Phasenverschiebungselement aus 1A und 1B enthält, 3 a cross-sectional view through a planar phase shifter, the phase shift element from 1A and 1B contains

4 eine Aufsicht auf eine Reihe in Serie geschalteter Phasenverschiebungselemente aus 1A und 1B und 4 a plan view of a series of series-connected phase shift elements 1A and 1B and

5 eine Aufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Phasenverschiebungselementes gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Übertragungsleitung einem gewundenen Pfad folgt. 5 a plan view of an alternative embodiment of a phase shift element according to the present invention, wherein the transmission line follows a tortuous path.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten AusführungsbeispieleFull Description of the preferred embodiments

Obwohl der Phasenschieber gemäß der vorliegenden Erfindung anfangs als eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung verwendend beschrieben wird, soll verstanden werden, daß dasselbe Prinzip direkt umgesetzt werden kann, indem Wellenleiter-Strukturen (z. B. rechteckig oder Steg) und andere Übertragungsleitungstechnologien, inklusive herkömmlichen oder abgestützten Streifenleitungs- oder Triplattenstrukturen, verwendet werden.Even though the phase shifter according to the present Using the invention initially as a microstrip transmission line is to be understood, that the same principle implemented directly can be made by using waveguide structures (eg rectangular or Web) and other transmission line technologies, including conventional or supported Stripline or triplate structures.

Unter besonderer Bezugnahme auf 1 besteht ein Phasenverschiebungselement aus einem Übertragungsleitungssegment (bzw. einem Wellenleiter) 10, der Massefläche (bzw. -wand) 2, welche mit schmalen Öffnungen 3 durchsetzt ist (z.B. sind in dem Beispiel aus 1 sieben Schlitze gezeigt). Vorzugsweise sind die Öffnungen 3 parallel zu der Laufrichtung der Welle periodisch verteilt. Eine elektromagnetische Welle wird von einem Ende der Übertragungsleitung her losgelassen und an dem anderen Ende mit einer gewissen Phasenverschiebung empfangen. In dem Fall, daß die Übertragungsleitung eine Mikrostreifenleitung enthält, können die Öffnungen rechteckige Schlitze auf der Massefläche einer Leiterplatte 6 sein, es können jedoch andere Öffnungsformen verwendet werden, wie z.B. kreisförmige oder quadratische Löcher. Die Massefläche kann eine massive Metallplatte oder ein Gitter sein.With particular reference to 1 a phase shift element consists of a transmission line segment (or a waveguide) 10 , the mass surface (or wall) 2 , which have narrow openings 3 is interspersed (eg are in the example 1 seven slots shown). Preferably, the openings 3 periodically distributed parallel to the running direction of the shaft. An electroma magnetic wave is released from one end of the transmission line and received at the other end with a certain phase shift. In the case where the transmission line includes a microstrip line, the openings may have rectangular slots on the ground plane of a circuit board 6 however, other aperture shapes may be used, such as circular or square holes. The ground plane may be a solid metal plate or a grid.

Die Öffnungen 3 sind vorzugsweise wesentlich kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle bei den Betriebsfrequenzen (z.B. indem sie eine Weite von weniger als oder gleich etwa λ/10 haben, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle bei der Betriebsfrequenz ist), um einen Energie verlust durch Strahlung zu vermeiden. Die Öffnungen sollten jedoch eine spürbare Menge an elektromagnetischer Energie speichern können. Dies wird erreicht, indem die Öffnungen in Bereichen angeordnet werden, in denen die elektrischen und/oder die magnetischen Felder eine maximale Feldstärke haben. Bei der Mikrostreifenleitung tritt eine maximale Feldstärke gerade unterhalb des Leitungsleiters 1 auf. Wenn die Öffnungen 3 eingebracht sind, wird die pro Längeneinheit in der Leitung gespeicherte Menge an magnetischer und elektrischer Energie verändert, was zu einer Änderung des Übertragungsfaktors verglichen mit dem ursprünglichen Übertragungsleitungssegment führt.The openings 3 are preferably substantially smaller than the wavelength of the electromagnetic wave at the operating frequencies (eg, having a width of less than or equal to about λ / 10, where λ is the wavelength of the electromagnetic wave at the operating frequency) to account for energy loss by radiation avoid. However, the openings should be able to store a noticeable amount of electromagnetic energy. This is accomplished by placing the apertures in areas where the electrical and / or magnetic fields have maximum field strength. In the case of the microstrip line, a maximum field strength occurs just below the line conductor 1 on. If the openings 3 are introduced, the amount of magnetic and electrical energy stored per unit length in the line is changed, resulting in a change of the transmission factor compared to the original transmission line segment.

Eine elektrisch leitende Abstimmplatte 4, z. B. eine Metallplatte, ist angrenzend an die und nahe bei den Öffnungen 3 angeordnet, um den Übertragungsfaktor der Leitung zu steuern. In der Theorie ist, wenn die Abstimmplatte 4 sich in einem Abstand von Null zu den Öffnungen befindet, der Übertragungsfaktor identisch dem Übertragungsfaktor des ungeschlitzten Übertragungsleitungssegmentes. Wenn die Abstimmplatte 4 von den Öffnungen 3 getrennt wird, verändert sich der Übertragungsfaktor graduell hin zu dem Übertragungsfaktor der mit den Öffnungen versehenen Leitung. Als Konsequenz wird die Phase der elektromagnetischen Welle am Ende des Übertragungsleitungssegmentes durch die Bewegung der Abstimmplatte gesteuert. Als ein Beispiel wird erwartet, daß bei Mikrowellen-Betriebsfrequenzen eine Verschiebung der Abstimmplatte zwischen 0 und 2 mm von der Massefläche 2 liegen wird.An electrically conductive tuning plate 4 , z. As a metal plate is adjacent to and near the openings 3 arranged to control the transfer factor of the line. In theory, if the tuning plate 4 is located at a distance of zero to the openings, the transmission factor is identical to the transmission factor of the unslit transmission line segment. If the tuning plate 4 from the openings 3 is disconnected, the transmission factor gradually changes to the transmission factor of the apertured line. As a consequence, the phase of the electromagnetic wave at the end of the transmission line segment is controlled by the movement of the tuning plate. As an example, it is expected that at microwave operating frequencies, a displacement of the tuning plate will be between 0 and 2 mm from the ground plane 2 will lie.

Die Abstimmplatte 4 wird parallel zu der geschlitzten Massefläche 2 abgestützt und benötigt keine elektrische Verbindung zu der Übertragungsleitung. Als ein Ergebnis ist die Geometrie des Phasenverschiebungselementes identisch einer herkömmlichen Übertragungsleitung bzw. einem herkömmlichen Wellenleiter, was ein einfaches Anschließen an andere Übertragungsleitungen sicher stellt.The tuning plate 4 becomes parallel to the slotted mass surface 2 supported and requires no electrical connection to the transmission line. As a result, the geometry of the phase shifting element is identical to a conventional transmission line or waveguide, which ensures easy connection to other transmission lines.

Die Öffnungen 3 in der Massefläche 2 sind abstimmbare Impedanzlasten auf der Übertragungsleitung. Wenn die Öffnungen (wie in 1A und 1B gezeigt) periodisch verteilt sind, kann die Leitung als periodisch belastet angesehen werden. Typischerweise ist der Abstand zwischen den Öffnungen kleiner als etwa eine Viertel Wellenlänge. In diesem Fall verhält sich die belastete Leitung wie eine neue Übertragungsleitung mit neuer effektiver charakteristischer Impedanz und neuem Übertragungsfaktor. Das Maß der Impedanzlast wird durch die Nähe der Massefläche 2 verändert.The openings 3 in the ground plane 2 are tunable impedance loads on the transmission line. If the openings (as in 1A and 1B shown) are periodically distributed, the line can be regarded as periodically loaded. Typically, the distance between the apertures is less than about a quarter wavelength. In this case, the loaded line behaves like a new transmission line with new effective characteristic impedance and new transmission factor. The measure of the impedance load is determined by the proximity of the ground plane 2 changed.

Der Effekt der Öffnungen in dem Übertragungsleitungssegment kann alternativ erklärt werden, indem das Konzept eines künstlichen Dielektrikums verwendet wird. Schmale Öffnungen in einer metallenen Wand haben ein zugehöriges magnetisches Dipolmoment. Wenn die Öffnungen viel kleiner sind als die Wellenlänge (typischerweise um λ/10) erzeugen sie ein mittleres magnetisches Moment pro Oberflächeneinheit, welches zu der effektiven magnetischen Polarisierbarkeit des Substrates 6 in ähnlicher Weise beiträgt wie das magnetische Dipolmoment von Atomen und Molekülen des Substrates. Als ein Ergebnis wird die scheinbare magnetische Permeabilität des Substrates 6 durch das in die Öffnungen induzierte Magnetfeld erhöht.The effect of the openings in the transmission line segment can alternatively be explained by using the concept of an artificial dielectric. Narrow openings in a metal wall have an associated magnetic dipole moment. If the apertures are much smaller than the wavelength (typically around λ / 10), they will produce an average magnetic moment per unit surface area which results in the effective magnetic polarizability of the substrate 6 contributes in a similar way to the magnetic dipole moment of atoms and molecules of the substrate. As a result, the apparent magnetic permeability of the substrate becomes 6 increased by the magnetic field induced in the openings.

Um eine variable Phasenverschiebung zu erzeugen, wird die metallene Abstimmplatte 4 nahe an den Öffnungen 3 auf der Übertragungsleitung angeordnet. Die Abstimmplatte 4 verändert das induzierte magnetische Dipolmoment der Öffnungen und daher den Übertragungsfaktor des Übertragungsleitungssegmentes. Wenn der Abstand zwischen der Abstimmplatte 4 und den Öffnungen 3 variiert wird, wird dementsprechend auch der Übertragungsfaktor der Leitung verändert, und in der Konsequenz wird die Phase der elektromagnetischen Welle ebenfalls verändert.To produce a variable phase shift, the metal tuning plate becomes 4 close to the openings 3 arranged on the transmission line. The tuning plate 4 alters the induced magnetic dipole moment of the openings and therefore the transmission line segment transfer factor. If the distance between the tuning plate 4 and the openings 3 Accordingly, the transmission factor of the line is changed accordingly, and as a consequence, the phase of the electromagnetic wave is also changed.

Es wird nun auf 2 Bezug genommen. Das Phasenverschiebungselement kann mit einer integrierten Impedanz- Anpassungsstruktur versehen werden, wobei die Größe, der Abstand und/oder die Form der Öffnungen variiert werden kann, um die mit Öffnungen belastete Leitung an die angeschlossenen Eingang-/Ausgang-Standardleitungen anzupassen. Typischerweise kann eine graduelle Veränderung der Öffnungsgrößen (Verjüngung) eine gute Breitband-Impedanzanpassung bieten, vorausgesetzt das Phasenverschiebungselement ist wenigstens eine Wellenlänge lang. In dem Beispiel für ein Phasenverschiebungselement aus 2 sind verjüngte Öffnungen 5 mit variierenden, kürzeren Längen an beiden Enden einer Reihe von gleich langen Öffnungen vorgesehen.It will be up now 2 Referenced. The phase shift element may be provided with an integrated impedance matching structure, wherein the size, spacing and / or shape of the openings may be varied to match the apertured line to the connected input / output standard lines. Typically, a gradual change in aperture sizes (taper) can provide good broadband impedance matching, provided the phase shift element is at least one wavelength long. In the example of a phase shift element off 2 are tapered openings 5 provided with varying, shorter lengths at both ends of a series of equal length openings.

Ein besonderer Vorteil dieser integrierten Anpassungsstruktur ist, daß der Rückkehrverlust für alle Verschiebungen der Abstimmplatte 4 (und damit alle Phasenverschiebungseinstellungen innerhalb der Gerätespanne) gering ist. Dies passiert, da, wenn die Massefläche sich in einem Nullabstand zu den Öffnungen befindet, die Übertragungsleitung unbelastet erscheint und der Rückkehrverlust extrem gering ist. Wenn die Abstimmplatte 4 von den Öffnungen 3 entfernt wird, wird eine relative Phasenverschiebung erzeugt, jedoch stellt die Verjüngung der Öffnungen stets einen sanften Übergang zu den Eingangsleitungen sicher. Als ein Ergebnis wird das Phasenverschiebungselement in einer anpaßbaren Weise angepasst. Dieses flexible Verhalten spart Platz und erhöht die Leistungsfähigkeit im Vergleich zu starren Anpassungsstrukturen, die zum Zusammenpassen mit einer breiten Spanne von Übertragungsfaktoren gebildet sind.A special advantage of this integrated is that the return loss for all shifts of the tuning plate 4 (and thus all phase shift settings within the device span) is low. This happens because when the ground plane is at a zero distance to the openings, the transmission line appears unloaded and the return loss is extremely low. If the tuning plate 4 from the openings 3 is removed, a relative phase shift is produced, however, the taper of the openings always ensures a smooth transition to the input lines. As a result, the phase shifting element is adjusted in an adaptable manner. This flexible behavior saves space and increases performance compared to rigid matching structures that are designed to mate with a wide range of transmission factors.

Die Verjüngung der Öffnungen kann z. B. linear sein (wie in 2 gezeigt), parabolisch oder in jedem anderen passenden Profil, um die geringste Reflexion zu erhalten. Vorzugsweise wird die Verjüngung für die maximale Trennung der Abstimmplatte 4 von den Öffnungen 3 optimiert werden, da für die minimale (Null-)Trennung eine sehr geringe Reflexion erwartet wird. Die Öffnungen können Blocks von unterschiedlichen Größen bilden anstelle einer kontinuierlichen Verjüngung. Diese Blocks sind typischerweise λ/4-Sektionen, die die Vorrichtung über ein Schmalband anpassen können.The taper of the openings can z. B. be linear (as in 2 shown), parabolic, or any other fitting profile to get the least reflection. Preferably, the taper becomes for the maximum separation of the tuning plate 4 from the openings 3 be optimized because for the minimal (zero) separation a very low reflection is expected. The openings may form blocks of different sizes instead of a continuous taper. These blocks are typically λ / 4 sections that can adjust the device over a narrow band.

Beispiele für Vorrichtungen mit dem Phasenverschiebungselement gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben. Ein ebener Phasenschieber kann gebildet werden, indem einfache Herstellungsverfahren verwendet werden, typischerweise in einer physikalisch ebenen Form (z. B. eine Mikrostreifenleitung). Ein Beispiel ist in 3 gezeigt, welches für die Massenproduktion von preiswerten Phasenverschiebungsvorrichtungen geeignet ist.Examples of devices with the phase shifting element according to the present invention will now be described with reference to FIG 3 and 4 described. A planar phase shifter can be formed using simple fabrication techniques, typically in a physically planar form (eg, a microstrip line). An example is in 3 which is suitable for the mass production of inexpensive phase shifting devices.

Die Empfindlichkeit der Vorrichtung in Bezug auf Verschiebungen der Abstimmplatte ist abhängig vom Design sehr hoch (typischerweise werden bei der Mikrostreifen-Anwendung Phasenverschiebungen von bis zu 250° pro Millimeter Verschiebung ermöglicht). Als ein Ergebnis können piezoelektrische und elektrostatische oder andere kostengünstige Verschiebemechanismen 7 verwendet werden, um eine akkurate vertikale Verschiebung der Abstimmplatte 4 zu erzeugen, was dazu führt, ein niedriges Profil zu erhalten sowie einen geringen Energieverbrauch. Es können jedoch in einigen Fällen auch herkömmliche elektrische Antriebe als preiswerter Verschiebemechanismus verwendet werden.The sensitivity of the device to tuning plate displacements is very high depending on the design (typically microstrip application allows phase shifts of up to 250 ° per millimeter displacement). As a result, piezoelectric and electrostatic or other low cost displacement mechanisms 7 used to provide an accurate vertical displacement of the tuning plate 4 which results in a low profile and low energy consumption. However, in some cases, conventional electric drives can also be used as a low-cost shifting mechanism.

Die Öffnungen 3 können in die Massefläche 2 (bzw. eine flache elektrisch leitende Wand der Übertragungsleitung bzw. des Wellenleiters in alternativen Gestaltungen) geätzt oder formgeschnitten werden. Das Ausmaß der pro Längeneinheit erzielten Phasenverschiebung kann gesteigert werden, indem die Abstimmplatte 4 mit einem Dielektrikum aus Ferritmaterial beschichtet wird.The openings 3 can in the ground plane 2 (or a flat electrically conductive wall of the transmission line or the waveguide in alternative designs) are etched or shaped. The amount of phase shift achieved per unit length can be increased by adjusting the tuning plate 4 is coated with a dielectric of ferrite material.

Eine Ein-Steuerung-Kompakt-Abtastantenne kann durch Zusammenschließen einer Vielzahl von Phasenverschiebungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden.A One-control compact scanning antenna can be obtained by combining a Variety of phase shifting elements according to the present invention to be obtained.

4 zeigt ein Beispiel-Layout von vier in Reihe geschalteten Phasenverschiebungselementen, die sich alle eine einzige Abstimmplatte 4 teilen und die zusammen ein Mikrostreifenarray ergeben. Da alle Phasenverschiebungselemente sich eine gemeinsame Abstimmplatte 4 teilen, sind alle Phasenverschiebungselemente elektromagnetisch gekoppelt. Dieses Array kann verwendet werden, um ein Abtastarray zu verwirklichen, das nur eine einzige Steuerung für alle Phasenschieber eines Corporate Feeding Network oder eines Reihenspeisenetzwerkes mit mehreren Eingang-/Ausgang-Anschlüssen 8 erfordert. 4 shows an example layout of four series-connected phase-shifting elements, all of which are a single tuning plate 4 and that together make up a microstrip array. Since all phase shift elements form a common tuning plate 4 divide, all phase shift elements are electromagnetically coupled. This array can be used to realize a sample array that has only a single controller for all the phase shifters of a corporate feeding network or multiple input / output port array 8th requires.

Die Abstimmplatte 4 kann geringfügig geneigt oder geformt (z. B. gekrümmt) sein, um eine Anfangs-Phasenverteilung in dem Array zu erzeugen, welche dann global variiert werden kann, wenn die Plattenverschiebung verändert wird. Das Array kann so konfiguriert sein, daß es einen Strahl eines bspw. linearen, planaren oder konformen Arrays in einer einzigen Ebene abtastet und, wenn geeignet konfiguriert, in zufälligen Abtastrichtungen.The tuning plate 4 may be slightly inclined or shaped (eg, curved) to produce an initial phase distribution in the array, which can then be globally varied as the disk displacement is changed. The array may be configured to scan a beam of, for example, a linear, planar, or conformal array in a single plane and, if appropriately configured, in random scan directions.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Phasenverschiebungselementes, bei dem die Mikrostreifenleitung 1 einem gewundenen Pfad über ausgesuchte Öffnungen 3 in einer Massefläche 2 folgt. Die in 5 gezeigten Öffnungen sind quadratisch geformt und enthalten verjüngte Öffnungen 5 mit graduell verringerten Größen, um die oben beschriebenen Vorteile einer Impedanzanpassung zu erreichen. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht, eine vergleichsweise lange Länge des Übertragungsleitungssegmentes in einem reduzierten Raum zu verwenden, und verbessert so die Kompaktheit der Vorrichtung mit dem Phasenschieber. Die Öffnungen können selbstverständlich andere Formen haben, wie z. B. rechteckig oder kreisförmig, und die Mikrostreifenleitung 1 könnte durch andere Arten von Übertragungsleitungen ersetzt werden, wie z.B. Wellenleiterstrukturen. 5 shows a further embodiment of a phase shift element, wherein the microstrip line 1 a winding path through selected openings 3 in a ground plane 2 follows. In the 5 Openings shown are square shaped and contain tapered openings 5 with gradually reduced sizes to achieve the above-described advantages of impedance matching. This embodiment makes it possible to use a comparatively long length of the transmission line segment in a reduced space, thus improving the compactness of the device with the phase shifter. The openings may of course have other shapes, such. Rectangular or circular, and the microstrip line 1 could be replaced by other types of transmission lines, such as waveguide structures.

Claims (11)

Phasenverschiebungselement mit: einem Übertragungsleitungssegment (10), welches dazu angepasst ist, die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle zu unterstützen und welches eine Massefläche bzw. – wand (2), einen Leiter (1) und ein zwischen der Massefläche bzw. -wand (2) und dem Leiter (1) angeordnetes Substrat (6) aufweist, wobei die Massefläche bzw. -wand (2) wenigstens eine Öffnung (3) aufweist; einer neben der Massefläche bzw. -wand (2) angeordneten, außerhalb des Übertragungsleitungssegmentes (10) bewegbaren, elektrisch leitenden Platte (4); und einem mit der elektrisch leitenden Platte (4) verbundenen Verschiebemittel (7), welches zum einstellbaren Verändern des Abstandes zwischen der elektrisch leitenden Platte (4) und der Massefläche bzw. -wand (2), wodurch der Grad der bei der elektromagnetischen Welle, wenn diese das Übertragungsleitungssegment durchläuft, erzeugten Phasenverschiebung eingestellt wird, eingerichtet ist.Phase shift element comprising: a transmission line segment ( 10 ), which is adapted to the propagation of an electroma magnetic wave and which a ground plane or wall ( 2 ), a ladder ( 1 ) and one between the ground plane and wall ( 2 ) and the leader ( 1 ) arranged substrate ( 6 ), wherein the ground plane or wall ( 2 ) at least one opening ( 3 ) having; one next to the ground plane or wall ( 2 ), outside the transmission line segment ( 10 ) movable, electrically conductive plate ( 4 ); and one with the electrically conductive plate ( 4 ) associated displacement means ( 7 ) which is adapted to adjustably change the distance between the electrically conductive plate ( 4 ) and the ground plane or wall ( 2 ), whereby the degree of phase shift produced in the electromagnetic wave when passing through the transmission line segment is established. Phasenverschiebungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Öffnungen (3, 5) in der Massefläche bzw. -wand (2) periodisch hintereinander angeordnet sind.Phase-shifting element according to claim 1, characterized in that a plurality of openings ( 3 . 5 ) in the ground plane or wall ( 2 ) are arranged periodically one behind the other. Phasenverschiebungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form, der Abstand und/oder die Größe einzelner der periodisch angeordneten Öffnungen variiert sind, um die Impedanzanpassung zwischen dem Übertragungsleitungssegment (10) und einer angeschlossenen Übertragungsleitung zu verbessern.A phase shift element according to claim 2, characterized in that the shape, spacing and / or size of individual ones of the periodically arranged openings are varied to match the impedance matching between the transmission line segment (12). 10 ) and a connected transmission line. Phasenverschiebungselement nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (3, 5) rechteckig, und die Längen der Öffnungen (5) an jedem Ende der periodisch angeordneten Reihen verglichen mit den Längen der Öffnungen (3) in der Mitte der Öffnungsreihen verringert sind.Phase-shifting element according to one of Claims 2 or 3, characterized in that the openings ( 3 . 5 ) rectangular, and the lengths of the openings ( 5 ) at each end of the periodically arranged rows compared to the lengths of the openings ( 3 ) are reduced in the middle of the rows of openings. Phasenverschiebungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsleitungssegment (10) eine Mikrostreifenleitung oder ein Streifenleitungssegment auf einer Leiterplatte ist und daß die Reihen von Öffnungen (3, 5) in der Massefläche (2) direkt unterhalb der und ausgerichtet zu der Mikrostreifenleitung bzw. Streifenleitung (1) vorgesehen sind.Phase-shifting element according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission line segment ( 10 ) is a microstrip line or a stripline segment on a printed circuit board and that the rows of openings ( 3 . 5 ) in the ground plane ( 2 ) directly below and aligned with the microstrip line or stripline ( 1 ) are provided. Phasenverschiebungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Öffnungen (3, 5) in einer Richtung parallel zu der Übertragungsleitung etwa gleich λ/10 beträgt, wobei λ die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle bei der Betriebsfrequenz ist.Phase-shifting element according to one of the preceding claims, characterized in that the width of the openings ( 3 . 5 ) in a direction parallel to the transmission line is approximately equal to λ / 10, where λ is the wavelength of the electromagnetic wave at the operating frequency. Phasenverschiebungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Platte (4) mit einer dielektrischen oder Ferritschicht auf der Oberfläche der Massefläche bzw. -wand (2) des Übertragungsleitungssegmentes (10) bedeckt ist.Phase-shifting element according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically conductive plate ( 4 ) with a dielectric or ferrite layer on the surface of the ground plane or wall ( 2 ) of the transmission line segment ( 10 ) is covered. Phasenverschiebungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsleitungssegment (10) und die Reihe von Öffnungen (3, 5) demselben, gewundenen Pfad folgen.Phase-shifting element according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission line segment ( 10 ) and the series of openings ( 3 . 5 ) follow the same winding path. Phasenverschiebungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gewundene Pfad eine Vielzahl von geraden Pfadabschnitten enthält, die in Winkeln miteinander verbunden sind.Phase shift element according to claim 8, characterized characterized in that tortuous path contains a variety of straight path sections, the connected in angles. Steuersystem für ein Antennenarray mit einem Phasenverschiebungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Control system for an antenna array having a phase shifting element after one of the preceding claims. Steuersystem für ein Antennenarray nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Phasenverschiebungselementen miteinander verbunden sind und sich eine gemeinsame elektrisch leitende Platte (4) teilen.An antenna array control system according to claim 10, characterized in that a plurality of phase shift elements are interconnected and a common electrically conductive plate (FIG. 4 ) share.
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