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Die
Erfindung betrifft Höchstfrequenz-Ferrittoroid-Phasenschieber,
die in den Radaren, den Richtfunkverbindungen und den Telekommunikationssystemen
verwendet werden, insbesondere für
die Gruppenantennen, die die Funktion von Antennen mit elektronischer
Abtastung erfüllen
können,
sowie für
die variablen Leistungsschalter und -teiler, die diesen Phasenschiebertyp
verwenden.
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Unter
den verschiedenen bekannten Ferrit-Phasenschiebern weisen die Einzeltoroid-
oder Doppeltoroid-Phasenschieber die folgenden Vorteile auf:
- – miniaturisierter,
kompakter Aufbau, dessen Abmessung kompatibel mit der Vernetzung
einer Gruppenantenne mit elektronischer Abtastung einer oder zweier
Ebenen ist;
- – geringe
Einfügungsverluste;
- – Remanenz-Funktionsweise
("Latching Ferrite
Phase Shifter"):
Die Steuerenergie muß während der
Dauer, während
der die Phasenverschiebung notwendig ist, nicht aufrechterhalten
werden;
- – geringer
Steuerenergieverbrauch und Einfachheit der Steuerung; die Steuerung
ist pulsartig, es ist daher nicht erforderlich, einen kontinuierlichen
Strom aufrechtzuerhalten;
- – sehr
geringe Schaltzeiten, in der Größenordnung
von einigen Mikrosekunden, mit einer relativ einfachen und klassischen
Steuerelektronik;
- – großer Wirkungsgrad
der Phasenverschiebung pro Längeneinheit
(in Grad/cm);
- – geringe
frequenzabhängige
Dispersion: für
eine gegebene Steuerenergie variiert die Verzögerung extrem wenig abhängig von
der Frequenz.
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All
diese Qualitäten
sind im allgemeinen in einer Antennenanwendung mit elektronischer
Abtastung gesucht. Der einzig negative Punkt, der im übrigen alle
Ferrit-Vorrichtungen be trifft, ist das Temperaturverhalten dieser
Phasenschieber. Tatsächlich
variiert die erhaltene Phasenverschiebung abhängig von der Arbeitstemperatur
des Phasenschiebers, obgleich für
diesen Phasenschiebertyp (mit Einzel- oder Doppeltoroid) mit Remanenz-Funktionsweise
die Temperaturempfindlichkeit bereits geringer ist als für andere
Ferrit-Phasenschieberstrukturen
(insbesondere die reziproken Phasenschieber vom Typ Reggia & Spencer).
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In
den 1–4 der
Zeichnung sind schematische Darstellungen von Einzelferrittoroid-
und Doppelferrittoroid-Phasenschiebern dargestellt:
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Die 1 ist
eine schematische Darstellung eines Einzeltoroid-Phasenschiebers;
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Die 2 ist
eine schematische Darstellung eines Doppeltoroid-Phasenschiebers;
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Die 3 ist
eine schematische Darstellung eines kompakten Aufbaus eines Doppeltoroid-Phasenschiebers;
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Die 4 ist
eine schematische Darstellung eines Mischaufbaus mit Steuerelektronik,
identisch zum kompakten Aufbau.
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Der
Einzeltoroid-Phasenschieber ist aus einem Ferrittoroiden (1)
zusammengesetzt, der um ein Dielektrikum (3) herum im Zentrum
eines Wellenleiters (2) mit rechteckförmigem Querschnitt für die TE01-Ausbreitungsmode
angeordnet ist. In diesem Fall füllt
der Toroid nicht den gesamten Querschnitt des Wellenleiters aus.
Dieser Phasenschiebertyp arbeitet mit einer linear polarisierten
Welle.
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Der
Doppeltoroidaufbau ermöglicht
eine bessere Kompaktheit und Miniaturisierung. Er ist aus einem dielektrischen
Stück (3)
zusammengesetzt, das sich zwischen zwei Ferrittori (1, 1') befindet,
wobei die gesamte Anordnung in einem Wellenleiter (2) mit
rechteckförmigem
Querschnitt angeordnet ist. Die Phasenverschiebung wird durch eine Änderung
der Magnetisierung in den beiden Ferrittori erhalten, was somit
eine Variation der Ausbreitungskonstante der diesen durchquerenden Höchstfrequenzwelle
erzeugt. Die Magnetisierungsänderung
wird durch eine Variation des magnetischen Querfeldes erhalten,
das seinerseits durch den Durchgang eines Stroms erzeugt wird, der
einen elektrischen Draht (nicht dargestellt) durchläuft, der
durch die Ferrittoroide längs
hindurchgeht. Die Form des Ferrittoroiden ermöglicht die Aufrechterhaltung
der Magnetisierung auch bei Stromabwesenheit. Dies ist es, was man
eine Remanenz-Funktionsweise ("Latching") nennt. Der so erhaltene
Phasenschieber ist ein nicht-reziproker Phasenschieber, was bedeutet,
daß für eine vorgegebene
Stromrichtung die erhaltene Phasenverschiebung unterschiedlich ist,
der Ausbreitungsrichtung der Höchstfrequenzwelle
folgend.
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Die
Empfindlichkeit der Phasenverschiebung dieser Phasenschieber gegenüber Temperatureffekten ist
ihr Hauptnachteil in Anwendungen, bei denen die Arbeitstemperatur
in einem mehr oder weniger großen Bereich,
im allgemeinen von –20°C bis +80°C, bei Nachrichtenübertragungen
oder beim Radar variieren kann. Diese Empfindlichkeit ist auf temperaturabhängige Variationen
der Eigenschaften des Ferritmaterials zurückzuführen.
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Zum
Beheben dieser Nachteile sind zur Zeit einige Lösungen bekannt:
- – Man
verwendet ein Ferritmaterial, dessen charakteristischen Größen, die
Magnetisierung bei Sättigung (4Π Ms) und
die Remanenzmagnetisierung Br, wenig temperaturabhängig variieren.
Leider ist diese Technik jedoch nicht perfekt, da diese Eigenschaften
nicht konstant von der Temperatur abhängen. Außerdem variieren bei für Frequenzen
größer 10 GHz
verwendete Ferritmaterialien, die im allgemeinen Lithium- oder Nickelferrite
sind, die Eigenschaften dieser Ferrite auf monotone Weise. Es ist
daher keinerlei Kompensation möglich.
Tatsächlich
gehen die Kompensationstechniken, bei denen die Ferritmaterialien
mit Metallen (Aluminium oder Gadolinium) dotiert werden, im allgemeinen
mit einer Erhöhung
der dielektrischen und magnetischen Verluste einher. Diese Verluste
werden für
höhere
Frequenzen inakzeptabel.
- – Man
verbindet einen Höchstfrequenzferriten
(1) und ein Niederfrequenzferritmaterial (5),
das als magnetische Steuerschaltung dient (4). Durch
Auswählen
eines Ferritmaterials mit geeigneten temperaturabhängigen Eigenschaften,
wie beispielsweise in US-A-3 824 502 gezeigt, kann man eine gewisse
Temperaturkompensation erhalten. Jedoch hat diese Technik enorme
Nachteile. Erstens ist der Mischaufbau nicht kompakt, was das Volumen
und die Masse erhöht.
Diese Technik ergibt zudem Probleme bei der Reproduzierbarkeit in
einem industriellen Herstellungsprozeß, da es erforderlich ist,
die Abmessung eines Luftspaltes zu beherrschen. Im übrigen erfordert
ein Mischtoroid eine stark erhöhte
Steuerenergie im Vergleich zu einem kompakten Ferrittoroiden, der
einzig aus einem Höchstfrequenzferriten
zusammengesetzt ist, dessen Remanenzmagnetisierung natürlicherweise
sichergestellt ist. Dies ist dem Vorliegen des Luftspaltes zuzuschreiben.
- – Man
führt eine
Temperaturkorrektur in Echtzeit durch. Somit ist in einer Antennengruppe,
die beispielsweise N Phasenschieber umfaßt, jeder Phasenschieber individuell
durch seine Temperatur charakterisiert. Die Phasenverschiebungskurven
als Funktion der elektronischen Steuerung für verschiedene Temperaturen
werden aufgezeichnet und in einem Speicher in einem EPROM abgelegt.
Eine Echtzeit-Temperaturmeßsonde
gibt zu jedem Zeitpunkt Kenntnis über die effektive Temperatur
des Phasenschiebers und läßt daraus
das geeignete Steuergesetz zum Erhalt einer konstanten Phasenverschiebung
ableiten, abhängig von
den gespeicherten Informationen. Diese Technik kann unter der Bedingung
zufriedenstellend sein, daß identische
Steuergesetze für
alle Phasenschieber der Gruppe vorliegen. Im Falle eines Temperaturgradienten
inmitten der Gruppenantenne muß jeder
Phasenschieber sein eigenes Korrekturgesetz besitzen, was sehr schnell
kompliziert und kostenträchtig
wird und deshalb die mögliche
Korrekturgenauigkeit beschränkt.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, eine neue Lösung für dieses Problem zu finden,
die von den vorstehenden Nachteilen freigemacht und für eine Temperaturspanne
von –20°C bis +80°C geeignet
ist.
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Die
Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß ein Wert der Steuerenergie
eines Ferrittoroid-Höchstfrequenz-Phasenschiebers
mit Remanenz-Funktionsweise existiert, für den die Phasenverschiebung
in etwa temperaturunempfindlich ist, wenigstens im Bereich von –20°C bis +80°C liegt,
und daß die Änderung
der Phasenverschiebung mit der Temperatur für eine vorgegebene Steuerenergie
eine steigende Funktion oder eine fallende Funktion der Temperatur
ist, je nachdem ob die Steuerenergie geringer oder größer als
der vorgenannte Unempfindlichkeitswert ist.
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Nach
Bestimmen dieses Unempfindlichkeitspunktes kann daher die Phasenverschiebung
vom Einfluß der
Temperatur befreit werden, indem der Phasenschieber mit der Steuerenergie
gesteuert wird, die seinem Unempfindlichkeitspunkt (erste Lösung) entspricht,
oder indem wenigstens zwei identische oder im wesentlichen identische
Phasenschieberelemente in Serie geschaltet werden und diese mit
unterschiedlichen Steuerenergie gesteuert werden, so daß von den
Elementen jeweils das eine Element in einem Bereich, in dem die Phasenverschiebung
eine steigende Funktion der Temperatur ist, und das andere Element
in einem Bereich arbeitet, in dem die Phasenverschiebung eine fallende
Funktion der Temperatur ist, wobei die Steuerenergien derart gewählt werden,
daß die
Phasenverschiebungsgradienten abhängig von der Temperatur sich
kompensieren (zweite Lösung,
komplementäre
Steuerung).
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Die
Erfindung wird noch nachstehend mit Bezug auf die schematischen
Figuren der Zeichnung erläutert,
in der:
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die 5 eine
schematische Darstellung der Phasenverschiebungskurven eines Ferrit-Phasenschieberelementes
als Funktion des Steuerstroms für
verschiedene Temperaturen ist; unter Berücksichtigung der verwendeten
Steuerelektronik sind die Kurven abgestuft im Steuerstrom, entsprechend
der erforderlichen Steuerenergie. Nachfolgend wird entweder von
der Steuerenergie oder vom entsprechenden Steuerstrom gesprochen.
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die 6 ein
Beispiel eines Phasenschiebers mit Doppelferrittoroiden mit Remanenz-Funktionsweise entsprechend
der ersten Lösung
der Erfindung ist;
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die 7 ein
Längsschnitt
eines Wellenleiters ist, der zwei nicht-reziproke Doppelferrittoroid-Phasenschieberelemente
umfaßt,
die gemäß der zweiten
Lösung
der Erfindung geschaltet sind;
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die 8 eine
Schnittansicht einer Vorrichtung analog der aus 7 ist,
jedoch mit einem einzelnen Steuerdraht;
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die 9 ein
Beispiel eines digitalen Vier-Bit-Phasenschiebers mit Remanenz-Funktionsweise
ist, der aus mehreren temperaturkompensierten Elementen zusammengesetzt
ist (Doppelferrittoroid-Struktur mit rechteckförmigem Leiter);
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die 10 ein
Beispiel eines Versuchsaufbaus eines Vier-Bit-Phasenschiebers ist,
der ein aus einem zweiphasigen Element zusammengesetztes Bit und
aus Komplementärsteuerungselementen
zusammengesetzte Bits umfaßt;
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die 11 und 12 die
gemessene Differenzphasenverschiebung des ersten und des zweiten
Abschnitts des Bits 4 des Phasenschiebers aus 10 als
Funktion der Temperatur darstellen, und
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die 13 die
16 Schritte der Differenzphasenverschiebungen (vier Bits) als Funktion
der Temperatur darstellen.
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In 5 sind
zwei Arbeitspunkte hervorgehoben, für die die Einfügungsphase
unabhängig
von der Temperatur ist.
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Der
erste Punkt (A) wird unter Berücksichtigung
eines Versuchsaufbaus eines Doppelferrittoroid-Phasenschieberelementes
erhalten, bei dem die Ausbreitungsrichtung die gleiche wie die Richtung
des angelegten Anfangssteuerstromes (Reset) ist: Der Doppelferrittoroid
wird durch einen Strompuls vorgegebener Dauer und vorgegebenem Wert
in Remanenz gesteuert, wodurch der Ferrit initialisiert werden kann
und von einem vorgegebenen und bekannten Referenzzustand ausgegangen
werden kann. Man bezeichnet diesen Puls als "Rücksetzpuls". Die nach diesem
Rücksetzpuls
erhaltene Phasenverschiebung ist unabhängig von der vorhergehenden
Magnetisierung des Ferriten und dient daher als Bezugspunkt für die Phasenverschiebungskurve als
Funktion des Steuerstroms.
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Der
zweite Punkt (B) wird unter Berücksichtigung
der Kurven erhalten, die die Differenzphasenverschiebung als Funktion
des Steuerstroms liefern, parametrisiert als Funktion der Temperatur.
In diesem Fall wird der Ferrit immer in Remanenz gesteuert. Man
legt an ihn einen doppelten Steuerpuls an, der zusammengesetzt ist
aus:
- – einem
Rücksetzpuls;
- – einem
Puls mit umgekehrtem Vorzeichen zum Rücksetzpuls, mit vorgegebener
Dauer und vorgegebenem Wert, der als "Steuerstrom" bezeichnet wird.
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Die
Kurven schneiden sich in zwei Punkten:
Der erste vorgenannte
Punkt (A) und der zweite Punkt (B), der "Unempfindlichkeitspunkt" genannt wird, der nicht
von den intrinsischen Eigenschaften des Ferriten abhängt.
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In
der Praxis legt die Länge
des Ferriten den Wert der Phasenverschiebung fest, der am Temperaturunempfindlichkeitspunkt
erhalten wird. Man kann daher einen Phasenschieber mit zwei Phasenzuständen realisieren:
- – einer
Differenzphasenverschiebung vom Wert Null;
- – einer
festen Differenzphasenverschiebung, deren Wert von der Länge des
Ferriten abhängt
und daher bedarfsabhängig
eingestellt werden kann.
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Indem
mehrere zweiphasige Phasenschieber dieses Typs zusammengeschaltet
werden, erhält
man einen digitalen, temperaturunempfindlichen Phasenschieber. Man
erhält
somit Phasenverschiebungsgenauigkeiten in der Größenordnung von +/–3° über 360° und über einen
Temperaturbereich von –20°C bis +80°C, während für einen
herkömmlichen
Phasenschieber ohne Korrektur die Genauigkeit der Phasenverschiebung in
der Größenordnung
von +/–40°C liegt.
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Ein
Beispiel eines Versuchsaufbau eines zweiphasigen, temperaturunempfindlichen
Elementes gemäß der ersten
Lösung
der Erfindung ist in 6 gegeben.
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In
dieser Figur ist das von oben gezeigte Element aus zwei Ferrittori
(1, 1'),
die durch ein Dielektrikum (3) starker Permittivität getrennt
sind, in einem rechteckförmigen
Wellenleiter (2) zusammengesetzt. Das Bezugszeichen (6)
bezeichnet in der Figur den Steuerdraht.
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Die 7–9 beziehen
sich auf die zweite Lösung
der Erfindung.
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Die 7 ist
eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der zweiten Lösung der
Erfindung, mit zwei Doppeltoroid-Phasenschieberelementen (D, D'), die durch ein
Dielektrikum (3) getrennt und in Serie in einem Wellenleiter
(2) geschaltet sind. Jedes Element umfaßt zwei Ferrittori (1, 1'), die um ein
Dielektrikum (3) starker Permittivität angeordnet und durch ein
Dielektrikum (3')
getrennt ist, das die Anpassung der beiden Elemente sicherstellt.
Die Elemente werden von getrennten Steuerschaltungen gesteuert,
von denen die Steuerdrähte
(6, 6')
dargestellt sind.
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In
einer vereinfachten Variante (8) hat man
zum Preis einer geringen Verschlechterung der Genauigkeit der Phasenverschiebung
den Steuerdraht (6) einmal im ersten Element und zweimal
im zweiten Element aufgerollt, wodurch somit ein Verhältnis von
2 zwischen den Steuerenergien der beiden Elemente realisiert wird.
Man hat somit eine einzelne Steuerung für die beiden Elemente. Dieses
Prinzip kann auf beliebige Verhältnisse
von ganzzahligen Wicklungszahlen erweitert werden, beispielsweise
3 und 2.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Realisation digitaler, temperaturunempfindlicher Phasenschieber,
von denen jedes Bit aus zwei Elementen zusammengesetzt ist, die
durch komplementäre
Steuerenergien gesteuert werden (9).
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Eine
weitere Möglichkeit
zum Ausnutzen der Erfindung ist die Realisierung eines temperaturunempfindlichen,
analogen Phasenschiebers für
einen gewissen Phasenverschiebungsbereich. Tatsächlich stellt man durch genaueres
Analysieren der Kurven fest, daß für den Abschnitt
der Kurve entsprechend der Steuerenergien kleiner als diejenigen
am Temperaturunempfindlichkeitspunkt, daß ein bestimmter Phasenverschiebungsbereich
existiert, bei dem der Phasenverschiebungsgradient als Funktion
der Temperatur in etwa konstant ist. Man kann daher einen aus zwei
Elementen zusammengesetzten Phasenschieber realisieren, von denen
der eine eine feste (oder variable) Steuerenergie hat, größer als
diejenige am Temperaturunempfindlichkeitspunkt, und der andere eine über einen
bestimmten Bereich variable und kleinere als die am Temperaturunempfindlichkeitspunkt
vorliegende Steuerenergie hat, wobei diese beiden Energien praktisch
komplementär über einen
bestimmten Phasenverschiebungsbereich sind, was von der Geometrie
und der Natur des Ferritmaterials abhängt. Man erhält somit
ein temperaturunempfindliches, analoges Phasenschieberelement über einen
gewissen Temperaturbereich, im Gegensatz zu einem digitalen Phasenschieber,
der zweiphasig (zwei Zustände)
arbeitet. Man kann daher mehrere dieser analogen Phasenschieberelemente
zusammenschalten, um einen temperaturunempfindli chen, analogen Phasenschieber
zu realisieren, der über
einen vergrößerten Phasenverschiebungsbereich
arbeitet. Man kann auch ein oder mehrere dieser analogen Phasenschieberelemente
mit temperaturunempfindlichen, zweiphasigen Elementen zusammenschalten,
um die Auflösung
der gesamten Phasenverschiebung zu erhöhen (geringstmögliche Variation
der Phasenverschiebung).
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Diese
Ferrit-Phasenschiebervorrichtung, die in Remanenz gesteuert wird,
besitzt eine weitere Eigenschaft: Die Stabilität der Einfügungsphase als Funktion der
Temperatur. All die vorgenannten Entdeckungen erstrecken sich auf
die Differenzphasenverschiebung als Funktion der Temperatur. Diese
Stabilität
der Einfügungsphase
kann man für
einen vorgegebenen Arbeitspunkt beobachten, bei dem die Einfügungsverluste
minimal sind. Komplementäre
Messungen haben gezeigt, daß die
Einfügungsphase äußerst wenig
mit der Temperatur variiert, was ein wichtiges Element für die großen Gruppenantennen
ist, bei denen ein Temperaturgradient zwischen den Phasenschiebern
vorliegen kann, was eine unpassende Fehlausrichtung durch Variation der
Phase hervorruft. Um diese Stabilität der Einfügungsphase hervorzuheben, muß der Arbeitspunkt,
der durch minimale Einfügungsverluste
bestimmt ist, für
eine Richtung des Steuerstroms und eine vorgegebene Ausbreitungsrichtung
ermittelt werden.
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BEISPIEL
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Es
ist ein temperaturunempfindlicher 4-Bit-Phasenschieber realisiert
worden. In diesem Beispiel wird ein Bit der Phasenverschiebung entweder
ausgehend von einem zweiphasigen Element, das seinerseits temperaturunempfindlich
ist, oder ausgehend von zwei Elementen mit komplementärer Steuerung
realisiert. Die beiden Techniken sind zum Realisieren dieses Versuchsaufbaus
eines temperaturunempfindlichen Phasenschiebers angewandt worden.
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Der
4-Bit-Versuchsaufbau ist mit 7 Phasenverschiebungsabschnitten durchgeführt worden.
Die drei Bits starker Gewichtung sind jeweils durch zwei Elemente
mit komplementärer
Steuerung gebildet worden und das Bit schwacher Gewichtung (22°5) ist durch
ein zweiphasiges Element gebildet worden. Dies kann eine ausreichende
Genauigkeit (+/–1°) sicherstellen
und hat den Vorteil, daß es
nur einen einzelnen Abschnitt aufweist. Die verschiedenen Abschnitte
sind durch dieelektrische Elemente mit geringen Verlusten (Magnesiumtitanat
mit einer Permittivität 13)
getrennt. Sie werden derart bemessen, daß die Impedanzstetigkeit in
der Struktur des vollständigen
Phasenschiebers sichergestellt wird. Sie sind auch geeignet, die
Durchführung
der Steuerleitungen zu erleichtern. Die schematische Ansicht des
realisierten Versuchsaufbaus ist in 10 dargestellt.
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Mehrere
experimentelle Versuchsaufbauten sind realisiert worden und um 20
GHz herum untersucht worden. Im Prinzip wird ein Bit durch zwei
Abschnitt identischer Länge
realisiert. Jedoch kann aufgrund von Dispersionen im Versuchsaufbau
einer der beiden Abschnitte eine geringere Wirksamkeit haben. Aus
diesem Grund hat man einen der beiden Abschnitte überdimensioniert,
um den etwaigen Wirksamkeitsverlust der Phasenverschiebung aufgrund
der Dispersion des Versuchsaufbaus im Labor zu kompensieren.
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Dies
ist der Grund, warum der 4-Bit-Versuchsaufbau (10),
der im Labor realisiert worden ist, die folgenden Abschnitte umfaßt:
- – Bit
1 (22°5),
zweiphasiges Element mit einem Abschnitt der Länge 1,4 mm. Dieses Element
ist entsprechend dem Prinzip aus 5 durch
Einstellen der Länge
erhalten worden. Man erhält
daher eine Zweiphase mit 22,5°+/–0,5°.
- – Bit
2 (45°)
mit zwei Abschnitten der Länge:
L1 = 2 mm und L2 = 1,5 mm
- – Bit
3 (90°)
mit zwei Abschnitten der Länge:
L1 = 4,2 mm und L2 = 3 mm
- – Bit
4 (180°)
mit zwei Abschnitten der Länge:
L1 = 7,4 mm und L2 = 6 mm.
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Der
Phasenschieber arbeitet in Remanenz ("Latching Mode"), und der Querschnitt ist entsprechend den
klassischen Dimensionierungsregeln dimensioniert.
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Die
Steuerenergie wird durch einen programmierbaren Strompuls geliefert.
Die Steuerung im Remanenzmodus verwendet Stromfolgen mit entgegengesetztem
Vorzeichen: (RESET/SET – Initialisierung/Phasenverschiebung).
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Für eine Richtung
des Steuerstroms in den Ferrittori hängt die erzeugte Phasenverschiebung
von der Ausbreitungsrichtung im Phasenschieber ab (Phasenvoreilung
und Phasenverzögerung).
Auch wenn die Phasenverschiebungskurven als Funktion des Steuerstroms
die gleiche Gestalt (auf das Vorzeichen genau) für die beiden Ausbreitungsrichtungen
haben, läßt man den
Phasenschieber geeigneterweise derart arbeiten, daß die Ausbreitungsrichtung
die gleiche wie die Stromrichtung des Steuerstroms ist. Für den RESET-Modus
stellen diese Funktionsbedingungen eine gute Stabilität der Referenzeinfügungsphase
abhängig
von der Temperatur sicher.
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Die
erste Arbeitsphase besteht darin, für jeden der sieben Abschnitte
die Phasenverschiebungskurven als Funktion des Steuerstroms für die verschiedenen
Temperaturen zu zeichnen. Die 4 temperaturunempfindlichen Basisbits
können
unter Berücksichtigung
der folgenden Kombinationen erhalten werden:
- – Bit 1
(22,5°),
zweiphasiges Element, ausgehend vom siebtem Abschnitt (1,4 mm) mit
einem Steuerstrom von 0,85 A
- – Bit
2 (45°),
ausgehend von 2 Abschnitten: 5 (2 mm) mit 1,3 A und 6 (1,5 mm) mit
0,53 A
- – Bit
3 (90°),
ausgehend von 2 Abschnitten: 3 (4,2 mm) mit 0, 67 A und 4 (3 mm)
mit 1, 08 A
- – Bit
4 (180°),
ausgehend von 2 Abschnitten: 1 (7,4 mm) mit 0,88 A und 2 (6 mm)
mit 1,8 A.
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Die 11 und 12 zeigen
die gemessenen Differenzphasenverschiebungen der Abschnitte 1 und 2
des Bits 4 als Funktion der Temperatur.
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Die
15 werte der Differenzphasenverschiebungen (ungleich 0) erhält man durch
Addieren der verschiedenen Bits. Der maximale Abstand jedes der
15 Phasenverschiebungswerte im Temperaturbereich von –20°C bis +60°C ist in
der folgenden Tabelle angegeben:
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Um
zu demonstrieren, daß diese
Ergebnisse typische Werte sind, sind die gleichen Messungen auf einem
anderen experimentellen Versuchsaufbau des digitalen 4-Bit-Phasenschiebers
durchgeführt
worden. Die festgestellten maximalen Abstände sind in der folgenden Tabelle
angegeben:
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Man
kann feststellen, daß der
maximale Spitze-zu-Spitze-Abstand
kleiner als 6° ist.
Die Genauigkeit jeder der 15 Phasenverschiebungswerte (ungleich
Null) ist besser als +/–3° für den Temperaturbereich
von –20°C bis +60°C. Auf gleiche
Weise erhält
man praktisch die gleiche Genauigkeit für den erweiterten Bereich von –20°C bis +80°C.
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Zudem
kann festgestellt werden, daß die
Einfügungsphase
in der Größenordnung
von +/–3° im Temperaturbereich
von –20°C bis +80°C variiert.
Diese Ergebnisse sind in den vorstehenden Tabellen und in 13 für einen
Bereich von –20°C bis +60°C angegeben.
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Analoge Funktionsweise:
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Ausgehend
von Eichkurven der Phasenverschiebungen als Funktion des Steuerstroms
und der Temperatur stellt man fest, daß die Temperaturkompensation
in einem bestimmten Funktionsbereich stattfinden kann. Daher kann
das Bit 180° von
150° bis
202° arbeiten,
unter der Bedingung, daß die
Wertepaare des Steuerstromes getauscht werden. Dasselbe gilt für die Bits
90° und
45°.
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Für den realisierten
Versuchsaufbau können
die 3 Bits jeweils in einem nicht-vernachlässigbaren Phasenverschiebungsbereich
arbeiten:
- – Das
Bit 180° von
165° bis
202°
- – Das
Bit 90° von
90° bis
107°
- – Das
Bit 45° von
45° bis
55°
- – Das
Bit 22°5
(zweiphasig).
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Die
diversen Kombination dieser Basiselemente ermöglichen den Erhalt stetiger
Steuerungsbereiche der Phasenverschiebung durch Variation der Wertepaare
des Steuerstroms, nach Art eines analogen Phasenschiebers.
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Die
in diesem Versuchsaufbau typischerweise erhaltene Genauigkeit ist
besser als +/–3° im Temperaturbereich
von –20°C bis +60°C.
