DE60320271T2

DE60320271T2 - Angepasstes veränderbares Mikrowellendämpfungsglied

Info

Publication number: DE60320271T2
Application number: DE60320271T
Authority: DE
Inventors: Franco Marconi; Alessandro Zingirian
Original assignee: Siemens SpA
Current assignee: Siemens SpA
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: ATE392022T1; DE60320271D1; EP1544941B1; EP1544941A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Mikrowellen-Dämpfungsglieder und insbesondere ein angepaßtes variables Mikrowellen-Dämpfungsglied.
STAND DER TECHNIK
Variable Mikrowellen-Dämpfungsglieder auf der Basis von Pin-Dioden sind in der Technik wohlbekannt. Diese Dämpfungsglieder sind aus kanonischen Widerstandsstrukturen ableitbar, wie zum Beispiel der in 1a, 1b und 1c für die T-Zelle, π-Zelle bzw. T-Shunt-Zelle abgebildeten. Die Zweiportschaltungen von 1a und 1c können mathematisch durch eine Impedanzmatrix des folgenden Typs beschrieben werden:
Dabei ist R₁₁ der am Port 1-1 gesehene Widerstand, während es sich bei R₂₁ um die Transferwiderstände 2 → 4 handelt. Ähnliche Bemerkungen gelten natürlich für die Elemente R₂₂ und R₁₂.
Die Zweiportschaltung von 1b wird am besten durch eine Admittanzmatrix beschrieben:
Für die Elemente der Admittanzmatrix gelten duale Betrachtungen in bezug auf die Elemente der Widerstandsmatrix. Bei Betrachtung der erwähnten Figuren ist ersichtlich, daß sie symmetrisch sind. Die Symmetrie spiegelt sich in den Matrizen (1) und (2) so wider: R₁₂ = R₂₁ und G₁₂ = G₂₁. Weiterhin sind die Matrizen (1) und (2) zueinander reziprok, so daß die folgende Relation gilt: G = R–1. (3)
Gleichung (3) ist das mathematische Werkzeug für den Übergang von der seriellen Darstellung von 1a und 1c zu der parallelen Darstellung von 1b und umgekehrt. Wenn man der Einfachheit halber die einzige Matrixgleichung (1) betrachtet, hängen die Spannungen V₁ und V₂ von den Eigenschaften sowohl des Generators als auch der Last ab. Mit R_G und R_L als der interne Widerstand des Generators und die Last erfolgt der maximale Transfer von Leistung aus dem Generator zu der Last, der auch der kleinsten Dämpfung entspricht, wenn R_G und R_L an den an den jeweiligen Ports gesehenen Widerstand angepaßt sind. Die Anpassungsbedingung lautet: R_G = R₁₁ und R_L = R₂₂. Das Widerstandsdämpfungsglied beginnt zu dämpfen, wenn die Anpassungsbedingung ausgelassen wird. Die gewünschte Dämpfung wird durch entsprechende Dimensionierung der Elemente der Widerstandsmatrix erzielt.
Ein variables Mikrowellen-Dämpfungsglied läßt sich im Prinzip erhalten, indem man einen oder mehrere der Widerstände der Widerstandsdämpfungsglieder mit Pin-Dioden ersetzt, die einen Widerstand aufweisen, der mit der Zunahme des durch sie fließenden Gleichstrom-Vorstroms abnimmt. Zusätzlich kann betrachtet werden, daß Pin-Dioden unerwünschte reaktive Elemente enthalten, wie etwa: Sperrschichtkapazität, Gehäusekapazität und Verbindungsinduktivität von Chip zu Gehäuse, wodurch ihre Leistungsfähigkeiten begrenzt und eine Optimierung des Entwurfs im Innern des Betriebsbands angesagt wird. Zweiport-Netzwerke, die sowohl dissipative als auch reaktive Elemente enthalten, werden durch eine Impedanzmatrix Z modelliert, deren Elemente [z_z,y] sowohl Widerstands- als auch Reaktanzkomponenten enthalten, oder durch eine Admittanzmatrix Y, deren Elemente [y_z,y] sowohl Admittanz- als auch Suszeptanzkomponenten enthalten. Die unerwünschten reaktiven Elemente, nämlich Recktanz oder Suszeptanz, begrenzen die maximale Dämpfung (Entkopplung) auf seriellen Zweigen des Dämpfungsglieds, während sie die Einfügungsverluste auf parallelen Zweigen vergrößern.
Ein anderes nützliches Werkzeug zum Untersuchen von Mikrowellen-Dämpfungsgliedern ist die sogenannte Streumatrix S mit der folgenden Darstellung:
Dabei geben das hochgestellte ^– und ⁺ Signale an, die von zwei Übertragungsleitungen, die jeweils mit den durch den Index ₁ und ₂ angegebenen Ports verbunden sind, abgehen oder an diesen ankommen. Bei Annahme von Port 1 als Eingangsport und 2 als Ausgangsport führt dies, wenn die Ausgangsleitung in einer angepaßten Last abgeschlossen wird, zu V+2 = 0. Mit der obigen Anpassungsbedingung ist S₁₁ der Reflexionskoeffizient in der Eingangsleitung und S₂₁ ist der Übertragungskoeffizient in die Ausgangsleitung von der Eingangsleitung. Ähnliche Bemerkungen gelten natürlich für die Elemente S₂₂ und S₁₂. Anders als die durch die Matrix R beschriebenen nur resistiven Dämpfungsglieder können die durch die Matrix S beschriebenen Mikrowellen-Dämpfungsglieder außer der Dämpfung durch Dissipation an den Widerstandselementen auch dämpfen, indem sie den Mechanismus der Reflexion der Wellen zum Eingangsport aufgrund der verschiedenen Fehlanpassungsbedingungen auf dem Ausbreitungsweg ausnutzen. In letzteren Fall kann die Dämpfung mit oder ohne partielle Verlustleistung in der Last stattfinden.
Der Artikel von Manuel S. Navarro et al. mit dem Titel: "Non-Reflecting Electronically Variable Attenuator", © 1999 IEEE, BSNDOCID:XP10509842. Dieser Artikel konzentriert sich auf den Entwurf eines sogenannten "Einbettungsnetzwerks", um die Ein-Aus-Impedanzen einer Pin-Diode in resistive Werte zu transformieren, die sich in der reellen Achse des Smith-Diagramms befinden. Das Einbettungsnetzwerk wird durch eine zwischen der Pin-Diode und dem angeschlossenen Mikrostreifen angeordnete Stichleitung realisiert. Die durch die berechnete Stichleitung erzielte Impedanztransformation verwandelt die Pin-Diode in einen idealen variablen Widerstand, der sich besser als die einzelne Pin-Diode für Dämpfungsglied- oder Phasenmodulatoranwendungen eignet. Danach kann eine traditionelle Pin-Diode im Prinzip mit einem Paar "Einbettungsnetzwerk plus Pin-Diode" als praktische Implementierung dieses Konzepts ersetzt werden. Die in dem angeführten Artikel durchgeführte Anwendung entspricht einer wohlbekannten Struktur, die zwei 3-dB-, 90°-Koppler verwendet, um Reflexionen von Pin-Dioden sowohl an den Eingangs- als auch den Ausgangsports zu verhindern. Die Reflexion findet durch die physiologische Fehlanpassung zwischen dem variablen Widerstand der Pin-Diode in bezug auf die charakteristische Impedanz des angeschlossenen Mikrostreifens statt. Vorausgesetzt, daß die Reflexionskoeffizienten der beiden Dioden gleich sind, wirken sich die reflektierten Wellen nur auf die Lastimpedanten Zo aus, die an dem isolierten Port der Koppler angeschlossen sind, und nicht an den Signalports (dies ist die wahre Bedeutung des Ausdrucks "nicht reflektieren" im Titel).
Bevorzugte Ausführungsformen von Pin-Dioden-Dämpfungsgliedern sind diejenigen mit großen Dämpfungen und geringen Einfügungsverlusten. Letztere sind dabei definiert als das Verhältnis zwischen der an die Last abgelieferten Leistung vor und nach dem Einfügen des für Null-Dämpfung gesteuerten Dämpfungsglieds. Die Vorbedingung geringer Einfügungsverluste kann den Frequenzgang der Mikrowellen-Dämpfungsglieder nicht unberücksichtigt lassen. Um größere Dämpfungen zu erreichen, können mehr Dämpfungszellen miteinander kaskadiert werden.
Das europäische Patent EP 0223289 B1 mit dem Titel "Improvements to pin diode attenuators", erteilt an denselben Anmelder der vorliegenden Erfindung, offenbart ein variables Pin-Dioden-Mikrowellen-Dämpfungsglied, das dem in 2 gezeigten ähnlich ist. Mit Bezug auf die Figur enthält das Dämpfungsglied eine Konfiguration mit zwei zusammenhängenden λ/4-Mikrostreifenleitungen mit charakteristischer Impedanz von Z_T, die an den beiden Enden mit zwei jeweiligen Mikrostreifen von Z_o in Reihe geschaltet sind, die ihrerseits mit den Eingangs- und Ausgangsports des Dämpfungsglieds verbunden sind. Die Anode einer ersten Pin-Diode ist zwischen die λ/4-Mikrostreifen geschaltet, während die Kathode mit Masse verbunden ist. Auf der Eingangsseite des Dämpfungsglieds ist die Kathode einer zweiten Pin-Diode zwischen die beiden Mikrostreifen verschiedener Impedanz geschaltet, während die Anode mit einem dritten λ/4-Mikrostreifen verbunden ist, dessen Impedanz kleiner als Z_o ist. Die beiden Dioden werden seriell so vorgespannt, daß ihre Widerstände gleich sind. Die Besonderheit dieses Dämpfungsglieds besteht darin, daß Mikrostreifen mit zwei verschiedenen charakteristischen Impedanzen verwendet werden, nämlich ist die Impedanz Z_T der beiden zusammenhängenden λ/4-Mikrostreifen von der Impedanz Z_o = 50 Ω der anderen Leitungsabschnitte verschieden. Aufgrund der Fehlanpassung fördert das Dämpfungsglied reflektive Dämpfung mehr als dissipative. Dieses Dämpfungsglied führt bei Parität des Pin-Dioden-Widerstands (2 Dioden) mit Bezug auf die absorbierenden Dämpfungsglieder des erwähnten Stands der Technik zu einer höheren Dämpfung (was auch als Endkopplung oder Isolation bezeichnet wird). Genauer gesagt nimmt der Wert der Dämpfung mit dem Verhältnis zwischen Z_T und Z_o, beginnend von einer minimalen Dämpfung in Entsprechung von Z_T = Z_o, zu. Das Dämpfungsglied von 2 scheint durch bestimmte goldene technische Regeln inspiriert zu sein, um gute Entwürfe mit Pin-Dioden-Dämpfungsgliedern zu erzielen, insbesondere:

• PIN-Dioden werden durch denselben Strom seriell dergestalt vorgespannt, daß sie denselben Widerstandswert präsentieren.
• Die Dämpfung nimmt mit zunehmendem Vorstrom zu und der Pin-Diodenwiderstand nimmt ab; wenn dies nicht wahr wäre, könnten die Pin-Dioden bei den höchsten Dämpfungen schlecht polarisiert werden, was zu Verzerrungen führt.
• PIN-Dioden werden nicht mit den Leitungen in Reihe geschaltet, um die Einfügungsverluste aufgrund des Restwiderstands der Dioden nicht zu vergrößern.
• Die Schaltung wird unter Verwendung von Mikrostreifen ohne Einschränkungen bezüglich des Typs von Substrat ausgeführt.
• Die Anzahl der Pin-Dioden ist minimal.

Trotz des guten Entwurfs besteht der Hauptnachteil des Dämpfungsglieds der angeführten Erfindung darin, daß sowohl an den Eingangs- als auch an den Ausgangsports unangepaßt (fehlangepaßt) ist, so daß zwei Zirkulatoren oder äquivalente Bauelemente benötigt werden, wie zum Beispiel mit symmetrischen Strukturen verwendete Koppler. Zirkulatoren und Koppler weisen Herstellungskosten auf, die mit den Kosten des Dämpfungsglieds vergleichbar oder sogar größer sind. Darüber hinaus wird die Fläche der vollständigen Schaltung auf dem dielektrischen Substrat entgegen Miniaturisierungsanforderungen merklich vergrößert.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Viele andere Arten von variablen Mikrowellen-Dämpfungsgliedern mit Pin-Dioden sind der Technik bekannt, aber die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative Struktur aufzuzeigen, die vorherrschend dissipative Dämpfung ausführen kann, wobei die Anpassung sowohl an den Eingangs- als auch an den Ausgangsports für alle Werte der variablen Dämpfung unverändert gehalten wird, ohne daß zusätzliche Zirkulatoren, Koppler oder ähnliche Einrichtungen notwendig sind.
KURZFASSUNG UND VORTEILE DER ERFINDUNG
Die Erfindung löst die erwähnte Aufgabe durch Schaffung eines variablen Pin-Dioden-Mikrowellen-Dämpfungsglieds wie in den Ansprüchen offenbart.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das variable Pin-Dioden-Dämpfungsglied aus einem dielektrischen Substrat, das ein Mikrostreifen-Layout trägt, plus bestimmte daran angebrachte diskrete Komponenten, umfassend:

a) einen ersten Leitungsabschnitt mit einem ersten Ende in Entsprechung des Eingangsports und einem zweiten Ende in Entsprechung des Ausgangsports, wobei der erste Leitungsabschnitt eine erste charakteristische Impedanz aufweist;
b) einen ersten festen Widerstand mit einem Wert gleich der charakteristischen Impedanz des ersten Leitungsabschnitts und einem direkt mit dem ersten Leitungsabschnitt verbundenen ersten Ende;
c) einen zweiten Leitungsabschnitt mit einer zweiten charakteristischen Impedanz und einem direkt mit dem zweiten Ende des ersten festen Widerstands verbundenen ersten Ende, wobei der zweite Leitungsabschnitt bei der Mittenfrequenz des Betriebsbandes λ/2 elektrische Länge aufweist;
d) einen zweiten festen Widerstand mit einem direkt mit dem ersten Leitungsabschnitt verbundenen ersten Ende bei λ/2 elektrischer Länge vom Verbindungspunkt mit dem ersten festen Widerstand und einem direkt mit dem zweiten Leitungsabschnitt verbundenen zweiten Ende, wobei der zweite feste Widerstand den gleichen Wert wie der erste besitzt;
e) eine erste Pin-Diode, wobei ihre Kathode an dem Mittelpunkt zwischen den Verbindungspunkten des ersten und zweiten festen Widerstands mit dem ersten Leitungsabschnitt verbunden ist;
f) eine zweite Pin-Diode, wobei ihre Kathode mit Masse verbunden ist, während die Anode mit dem zweiten Ende des ersten festen Widerstands verbunden ist, dergestalt, daß die zweite Pin-Diode in Reihe mit der ersten vorgespannt wird.

Es ist nützlich, daran zu erinnern, daß die elektrische Länge l eine Übertragungsleitung l = 2πλ ld ist, wobei l_d die dimensionale Länge und λ die Wellenlänge entlang der Übertragungsleitung ist.
Es sind verschiedene Geometrien des Mikrostreifen-Layout im Einklang mit der obigen Beschreibung möglich. Zum Beispiel sind gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die beiden Leitungsabschnitte parallele gerade Leitungen. Eine Ringkonfiguration des Mikrostreifen-Layouts gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ermöglicht eine Reduktion der eingenommenen Oberfläche auf dem Substrat und eine Vergrößerung der Entkopplung zwischen den Mikrostreifen.
Ähnlich wie bei dem variablen Mikrowellen-Dämpfungsglied von 2 werden die beiden Pin-Dioden seriell vorgespannt, um gleiche Werte ihrer Widerstände einzustellen. Im Gegensatz zu diesem Dämpfungsglied hält das erfindungsgemäße die Anpassung an den Eingangs- und Ausgangsports während des gesamten Dämpfungsbereichs soweit wie möglich konstant. Auf jeden Fall wird tatsächlich eine ganz andere Struktur offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die als neuartig betrachteten Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den angefügten Ansprüchen im einzelnen dargelegt. Die Erfindung wird zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen der Erfindung mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich, die alleine für nichteinschränkende Erläuterungszwecke angegeben werden. Es zeigen:
1 (bereits beschrieben) kanonische Widerstands-Dämpfungsgliedzellen;
2 (bereits beschrieben) ein variables Pin-Dioden-Dämpfungsglied des Stands der Technik;
3a das elektrische Modell mit Bifilarleitungen eines variablen Pin-Dioden-Dämpfungsglieds der vorliegenden Erfindung;
3b und 3c zwei Mikrostreifenausführungsformen des Dämpfungsglieds der vorhergehenden Figur;
3d bis 3g bestimmte Varianten der Mikrostreifenausführungsform von 3b; und
4 bestimmte Kurven der Dämpfung und Reflexionsdämpfung als Funktion der Frequenz des Dämpfungsglieds von 3b und 3c.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BESTIMMTER BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf 3a enthält ein elektrisches Modell des Dämpfungsglieds eine zwischen die Eingangs- und Ausgangsports geschaltete Bifilarleitung LIN1 und eine unter der ersten sichtbare zweite Bifilarleitung LIN2. Die Eingangs- und die Ausgangsports sind nicht eigens angegeben, weil das Dämpfungsglied symmetrisch ist. Die beiden Bifilarleitungen sind asymmetrisch, wobei ein Draht mit Masse verbunden ist. Die Bifilarleitung LIN1 ist in zwei zusammenhängende Leitungsabschnitte mit einer elektrischen Länge von λ/4 und einer charakteristischen Impedanz Z_o = 50 Ω bei der Mittenfrequenz des Bandes unterteilt. Die zweite Bifilarleitung LIN2 ist λ/2 lang und präsentiert eine charakteristische Impedanz Z, deren Wert für das Ziel der Erfindung belanglos ist. Über die Bifilarleitung LIN1 ist am Kontaktpunkt zwischen den beiden zusammenhängenden λ/4-Leitungsabschnitten die Reihe einer ersten Pin-Diode D1 mit einem Kondensator geschaltet. Der Widerstand der ersten Pin-Diode D1 in das Betriebsband ist mit R1* abgegeben. Die Anode der ersten Pin-Diode D1 ist mit dem Kondensator verbunden, während die Kathode mit dem Draht der Leitung LIN1 verbunden ist, der nicht mit Masse verbunden ist. Zwei Widerstände von R_o = 50 Ω sind zwischen jeweilige Enden der Bifilarleitungen LIN1 und LIN2 geschaltet. Über die zweite Bifilarleitung LIN2 ist entweder an dem Eingang oder dem Ausgang von LIN2 eine zweite Pin-Diode D2 geschaltet. Der Widerstand der zweiten Pin-Diode D2 in das Betriebsband ist mit R2 angegeben. Die Kathode der zweiten Diode ist mit Masse verbunden, während die Anode mit der Leitung LIN2 verbunden ist, dergestalt, daß die zweite Pin-Diode D2 als Ergebnis mit der ersten in Reihe vorgespannt wird. Der Reihe der beiden Pin-Dioden D1 und D2 wird ein Strom Idc zugeführt, der durch einen Stromgenerator G_I in die Anode der ersten Diode injiziert wird. Letzterer approximiert einen idealen Stromgenerator parallel mit einer sehr geringen internen Konduktanz Y_G. Aufgrund der Reihenschaltung fließt derselbe Strom Idc durch die beiden Pin-Dioden D1, D2, und es wird abhängig von dem Idc-Wert ein selber Wert des Widerstands R1* = R2 eingerichtet.
In 3b ist eine erste Mikrostreifenausführungsform des elektrischen Modells des Dämpfungsglieds der vorhergehenden Figur gezeigt. Mit Bezug auf 3b ist das metallische Layout der Oberseite eines dielektrischen Aluminiumoxidsubstrats abgebildet. Die Unterseite des Substrats umfaßt eine metallisierte Massefläche in Entsprechung des oberen Layouts zur Erzielung von Mikrostreifenleitungen. Das metallische Layout wird mittels wohlbekannter konsolidierter Verfahren, zum Beispiel Sputtern, abgelegt. Die Dicke und die Breite der Leitungen LIN1 und LIN2 werden dafür berechnet, die gewünschten charakteristischen Impedanzen Z_o bzw. Z zu erhalten. Verbindungen mit der Massefläche werden durch metallisierte Durchgangslöcher durchgeführt. Andere Elemente als Mikrostreifen werden durch vorteilhaftes Verwenden bekannter Werkzeuge der Oberflächenanbringungstechnologie verbunden. Als Alternative können die beiden Widerstände R_o durch Ablegen von Widerstandsmetallen hergestellt werden. Das metallische Layout umfaßt im wesentlichen folgendes: 1) einen geradlinigen Mikrostreifen mit der charakteristischen Impedanz Z_o = 50 Ω, der zwischen den Eingang und den Ausgang des Dämpfungsglieds geschaltet ist, der in einem Mittelteil den Leistungsabschnitt LIN1 λ/2 lang enthält; 2) die Reihe der beiden Widerstände R_o mit dem Leitungsabschnitt LIN2 λ/2 lang, mit dem Leitungsabschnitt LIN1 parallel geschaltet.
In 3c ist eine zweite Mikrostreifenausführungsform des in 3a abgebildeten elektrischen Modells gezeigt. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der verhergehenden durch die einzige unterschiedliche Form des metallischen Layouts, das statt rechteckig kreisförmig ist, aber das elektrische Verhalten ist gleich. Die Ringkonfiguration ermöglicht eine Platzersparnis auf der Oberseite des Substrats aus Aluminiumoxid.
Die Funktionsweise des Dämpfungsglieds der vorliegenden Erfindung wird nun unter Betrachtung des T-Shunt-Dämpfungsglieds von 1c als Ausgangspunkt für den Entwurf eines variablen Mikrowellen-Dämpfungsglieds beschrieben. Mit dieser Annahme sollen die Widerstände R1 und R2 des T-Shunt-Dämpfungsglieds in Entsprechung mit den Widerständen R1* und R2 der beiden Pin-Dioden D1, D2 gesetzt werden. Ferner sollen die Gründe für das Schaltungsschema von 3b (und 3c) mit einer Mischung verteilter und konzentrierter Bauelemente im Hinblick auf das erfindungsgemäße Prinzip erläutert werden. Wenn man mit Zo die charakteristische Impedanz (Widerstand) der mit den Eingangs-/Ausgangsports des T-Shunt-Dämpfungsglieds verbundenen externen Leitungen bezeichnet und mit ATT die logarithmische Dämpdung in dB, gelten die folgenden Gleichungen: R1 = Zo × (10ATT/20 – 1) (5) R2 = Zo/(10ATT/20 – 1) (6)
Wenn man die beiden Gleichungen miteinander kombiniert, findet sich der folgende Ausdruck: R1 × R2 = Zo2 (7)der von der Dämpfung unabhängig ist. Die Erfinder haben erkannt, daß Ausdruck (7) gleich dem von einem Viertelwellenübertrager mit charakteristischer Impedanz Zo zur Anpassung der Impedanz R1 an R2 oder umgekehrt verwendeten ist. Ausdruck (7) kann folgendermaßen umgeschrieben werden: R1 = Zo2/R2 (7a)um die Eigenschaft eines idealen Viertelwellenübertragers zum Wirken als Impedanzinvertierer hervorzuheben. Nämlich wird eine mit einem Ende verbundene gegebene Impedanz am anderen Ende als eine Impedanz gesehen, die mit Bezug auf die charakteristische Impedanz zum Quadrat invertiert wurde. Dies bedeutet auch, daß ein Impedanzinvertierer mit charakteristischer Impedanz Zo in der Lage ist, die Variationen von R1 mit Bezug auf R2 für den gesamten Dämpfungsbereich zusammenzubinden. Die Intuitionen der Erfinder von oben wurden ordnungsgemäß berücksichtigt, um einen Entwurf zum Erhalten der (unbekannten) Schaltungsstruktur eines variablen Mikrowellen-Dämpfungsglieds zu entwickeln. Der Entwurf besteht aus der Behandlung der (bekannten) T-Shunt-Konfiguration von 1c mit den Einschränkungen von R1* = R2, so daß sie durch Pin-Dioden ersetzt werden können, die durch einen einzigartigen Vorstrom gesteuert werden, der durch beide dieser fließt. Als Ausgangsregel haben sich die Erfinder entschieden, an dem Serienzweig R1 des T-Shunt-Dämpfungsglieds zu wirken und so weit wie möglich die Äquivalenz des übrigen Teils aufrechtzuerhalten. Diese Wahl ist durch den Umstand motiviert, zu versuchen, die Pin-Diode aus dem Serienzweig gemäß den in der Einführung angeführten Argumenten zu entfernen. Wegen der Symmetrie des T-Shunt-Dämpfungsglieds sollen zwei Viertelwellen-Leitungsabschnitte und ein Widerstand Zo²/R2 verwendet werden, wie in dem oberen Teil von 3b gezeigt. Der Effekt dieser Transformation, der an den Eingangs-/Ausgangsports des Dämpfungsglieds zu sehen ist, ist wie eine doppelte Transformation, die auf den Widerstand R1 von 1c angewandt wird, um R1* zu erhalten. Wirksam wird der Ausdruck (7a) zuerst angewandt, um den Wert Zo²/R2 für R1 aufgrund der T-Shunt-Konfiguration zu erhalten; nachfolgend wird Ausdruck (7a) nochmals angewandt, wobei anstelle von R1 sein Wert Zo²/R2 betrachtet wird, um die Impedanzinversion zu berücksichtigen, wodurch die Impedanz R1* der Pin-Dioden-Dämpfungsglieder D1, D2 erhalten wird: R1* = Zo2/(Zo2/R2) = R2 (7b)wodurch die Bedingung an den gleichen Widerständen der beiden Pin-Dioden, die aus ihrem einzigartigen Vorstrom entstehen, validiert wird. Gleichung (7b) gilt mit der Bedingung, daß die elektrische Äquivalenz während des Übergangs von dem rein resistiven T-Shunt von 1c zu dem Mikrowellen-Dämpfungsglied von 3b unverändert gehalten wird. Während dieses Übergangs muß der Effekt des Phasenoffsets des Signals über die verschiedenen Zweige hinweg berücksichtigt werden. Das in das Dämpfungsglied kommende HF-Signal wird in zwei Signale geteilt, wobei ein erstes sich auf den beiden zusammenhängenden λ/4 Trakten ausbreitet und am Ausgang des Dämpfungsglieds ein Phasenoffset von λ/2 erfährt, wobei das zweite die beiden Widerstände überquert und das Dämpfungsglied mit einem Phasenoffset verläßt, das von der elektrischen Länge der Verbindung abhängt. Kritischste Bedingungen entstehen, falls die beiden Dioden D1, D2 unterbrochen werden und R1*, R2 zu tendieren. Um dasselbe Phasenoffset über die zwei durch das Signal durchquerten Zweige zu erhalten, soll ein Leitungsabschnitt mit einer elektrischen Länge von λ/2 in Reihe mit den beiden Widerständen Ro eingefügt werden. Dies verhindert, daß die beiden Widerstände Ro von einem Strom durchquert werden, wenn die beiden Dioden D1, D2 unterbrochen werden oder eine sehr geringe Dämpfung eingestellt wird. Tatsächlich ist das Phasenoffset über zwei beliebige Wege, die von dem Eingang ausgehen und sich am Ausgang des Dämpfungsglieds zusammenschließen, gleich, in diesen Umständen sind die beiden Enden jedes Widerstands Ro äquipotential und der Strom ist null. Ferner kompromittiert die Einfügung des λ/2-Leitungsabschnitts das Verhalten des Netzwerks nicht. Bekanntlich hat eine λ/2-Übertragungsleitung die Eigenschaft, die an einem Ende vorhandene Impedanz dem anderen Ende unabhängig von ihrer charakteristischen Impedanz unverändert zu melden. Die Eigenschaft wird auf dem Diagramm von Smith unmittelbar wahrnehmbar, wobei eine λ/2-Impedanztransformation einer vollständigen Wendung entspricht, die am Startpunkt endet.
Die kreisförmige Ausführungsform von 3c und ihre Entwurfskriterien sind vom elektrischen Standpunkt aus gesehen dieselben wie bei der geradlinigen Ausführungsform von 3b. Dessen ungeachtet sind bestimmte Vorteile erkennbar. Ein erster besteht in der kleineren Fläche des Layouts (auch wenn es aus der Figur nicht hervorgeht), ein zweiter sind geringere Einschränkungen für das Verbinden der beiden die Widerstände Ro verbindenden Mikrostreifen.
In 4 sind drei Kurven der Dämpfung als Funktion der Frequenz entsprechend den simulierten Streuparametern S(2,1) für drei Werte des Pin-Dioden-Widerstands aufgetragen. Mit Bezug auf 4 zeigen die drei Kurven über einen großen Frequenzbereich hinweg ein flaches Verhalten. Die maximale Dämpfung von 20 dB wird mit R1*, R2 = 6,5 Ω erreicht. Die Kurven der Reflexionsdämpfung S(2,2), die in Entsprechung von 27 Ω ausgewertet werden, besitzt einen maximalen Wert (kleiner als –30 dB) bei der Zentrumbandfrequenz von 7,8 GHz. Von 27 Ω verschiedene Diodenwiderstände ergeben geringere Reflexionen. Mehr als 20 dB Reflexionsdämpfung S(2,2) werden im Vollband 7,1–8,5 GHz für jeden beliegigen Dämpfungswert erhalten.
Obwohl die Erfindung für Mikrostreifen entweder mit geradlinigen oder kreisförmigen Layouts beschrieben wird, ist es offensichtlich, daß Fachleute Varianten einführen können, ohne von dem Schutzumfang der folgenden Ansprüche abzuweichen. Insbesondere sind partielle Streifenleitungen, koplanare Leitungen oder gemischte Konfiguration mit Metallschichten und Koaxialkabel möglich, obwohl Mikrostreifen bevorzugt werden. Ferner enthalten beide Ausführungsformen von 3b und 3c Mikrostreifen LIN1 und LIN2, die einander gleich sind; das heißt, mit derselben elektrischen Länge und derselben dimensionalen Länge, wobei in diesem Fall die charakteristische Impedanz Z des Mikrostreifens LIN2 natürlich gleich Zo ist. Dies ist jedoch nicht die Regel, weil Ausführungsformen mit LIN1 und LIN2 derselben elektrischen λ/2-Länge und verschiedenen dimensionalen Längen möglich sind; offensichtlich resultieren verschiedene Formen des Layouts. Weiterhin ist die Position des Mikrostreifens LIN2 zwischen den beiden Widerständen Ro nicht obligatorisch. Das einzige Obligatorische ist die Verbindung der Pin-Diode D2 in Reihe mit der Pin-Diode D1, soweit es den Gleichstrom betrifft. Die 3b bis 3g zeigen auf selbsterklärende Weise bestimmte Varianten der Reihenschaltung der beiden Widerstände Ro mit dem Mikrostreifen LIN2.

Claims

Variables Dämpfungsglied mit Pin-Dioden (D1, D2) mit Eingangs- und Ausgangsports und DC-Vorspannungssteuermitteln (G_I, Y_G), umfassend: a. einen ersten Leitungsabschnitt (LIN1) mit einem ersten Ende in Entsprechung des Eingangsports und einem zweiten Ende in Entsprechung des Ausgangsports, wobei der erste Leitungsabschnitt eine erste charakteristische Impedanz (Z_O) aufweist; b. einen ersten festen Widerstand (R_O) mit einem Wert gleich der charakteristischen Impedanz (Z_O) des ersten Leitungsabschnitts (LIN1) und einem direkt mit dem ersten Leitungsabschnitt (LIN1) verbundenen ersten Ende; dadurch gekennzeichnet, daß das variable Dämpfungsglied mit Pin-Dioden ferner folgendes enthält: c. einen zweiten Leitungsabschnitt (LIN2) mit einer zweiten charakteristischen Impedanz (Z) und einem direkt mit dem zweiten Ende des ersten festen Widerstands (R_O) verbundenen ersten Ende, wobei der zweite Leitungsabschnitt bei der Mittenfrequenz des Betriebsbandes λ/2 elektrische Länge aufweist; d. einen zweiten festen Widerstand (R_O) mit einem direkt mit dem ersten Leitungsabschnitt (LIN1) verbundenen ersten Ende bei λ/2 elektrischer Länge vom Verbindungspunkt mit dem ersten festen Widerstand (R_O) und einem direkt mit dem zweiten Leitungsabschnitt (LIN2) verbundenen zweiten Ende, wobei der zweite feste Widerstand den gleichen Wert wie der erste besitzt; e. eine erste Pin-Diode (D1), wobei ihre Kathode an dem Mittelpunkt zwischen den Verbindungspunkten des ersten und zweiten festen Widerstands (R_O) mit dem ersten Leitungsabschnitt verbunden ist und ihre Anode durch einen Kondensator mit Masse verbunden ist; f. eine zweite Pin-Diode (D2), wobei ihre Kathode mit Masse verbunden ist, während die Anode mit dem zweiten Ende des ersten festen Widerstands verbunden ist, dergestalt, daß die zweite Pin-Diode in Reihe mit der ersten vorgespannt wird.
Variables Mikrowellen-Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leitungsabschnitt (LIN2) eine charakteristische Impedanz (Z) gleich der charakteristischen Impedanz (Z_O) des ersten Leitungsabschnitts (LIN1) aufweist und als geradlinige Parallele zu dem ersten Leitungsabschnitt (LIN1) geformt ist.
Variables Mikrowellen-Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leitungsabschnitt (LIN2) eine charakteristische Impedanz (Z) gleich der charakteristischen Impedanz (Z_O) des ersten Leitungsabschnitts (LIN1) aufweist und der erste und der zweite Leitungsabschnitt (LIN1, LIN2) beide einander gegenüberliegende halbkreisförmige Leitungen sind, um ein ringförmiges Layout zu bilden.
Variables Mikrowellen-Dämpfungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leitungsabschnitt (LIN2) eine von der charakteristischen Impedanz (Z_O) des ersten Leitungsabschnitts (LIN1) verschiedene charakteristische Impedanz (Z) aufweist.
Variables Mikrowellen-Dämpfungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (LIN1) und der zweite (LIN2) Leitungsabschnitt in Mikrostreifen vorliegen.