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Die Erfindung bezieht sich auf ein Dämpfungsglied auf
Basis eines Feldeffekttransistors mit Doppelgates.
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Zur Herstellung von Dämpfungsgliedern gibt es mehrere
Techniken, insbesondere die MMIC-Technik (Monolithic Microwave
Integrated Circuits) auf GaAs-Träger. Die beiden am häufigsten
verwendeten Techniken sind jene, die Feldeffekttransistoren
bzw. "TECs" mit Einfachgate, das zwischen Drain und Source
eine Spannung Null (Vds = 0) hat, oder Feldeffekttransistoren
(TECs) mit Doppelgate einsetzen.
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Die Dämpfungsglieder mit PIN-Diode, die in
Hybridtechnik ausgeführt werden, können nicht leicht in der Technik der
monolithischen Schaltungen ausgeführt werden, und zwar wegen
der Schwierigkeit der Herstellung von PIN-Dioden auf einem
GaAs-Substrat.
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Die auf der Basis "TECs" mit Einfachgate, das eine
Spannung Vds = 0 hat, hergestellten Dämpfungsglieder, welche
man in der Literatur antrifft, besitzen kein sehr ausgeprägtes
Leistungsverhalten, was die Änderung der Einfügungsphase in
Abhängigkeit von der Dämpfungsdynamik angeht.
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Demgegenüber sind bereits auf dem Gebiet der
Dämpfungsglieder mit Doppelgate-TECs Versuche durchgeführt worden,
um das angestrebte Ziel zu erreichen. Die neuesten Arbeiten
beziehen sich auf Dämpfungsglieder mit segmentierten
Doppelgate-TECs. So beschreibt der Aufsatz "A Microwave Phase and Gain
Controller with Segmented Dual-gate MESFET's in GaAs MMIC" von
Y.C. HWANG, D. TEMME, Y.K. CHEN und R.J. NASTER (IEEE -
Microwave and mm-wave Monolithic Circuits Symposium - Mai 1984,
Seiten 1 - 5 eine neue Schaltung, die aus mehreren
Doppelgate-TECs besteht und die eine genaue Verstärkungssteuerung über
ein breites Mikrowellenband aufgrund einer passenden Wahl des
Verhältnisses der Gatebreiten ermöglicht. Diese Schaltung zur
genauen Regelung der Mikrowellenverstärkung hat potentielle
Anwendungen als Dämpfungsglied für Mikrowellen mit
ultrabreitem
Frequenzband, oder als aktiver Mikrowellenphasenschieber.
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Der Aufsatz "Segmented Dual-Gate MESFET's for
Variable Gain and Power Amplifiers in GaAs MMIC" von K.H. SNOW,
J.J. KOMIAK und D.A. BATES (IEEE - Trans. on MTT, Vol. MTT-36,
Nr. 12, Dez. 1988, Seiten 1976 - 1985) beschreibt
Verstärkungsschaltungen, ausgeführt als MMIC auf GaAs-Substrat mit
veränderlicher Leistung und veränderlicher Verstärkung, die
eine Doppelgate-TEC-Schaltung verwenden.
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Im Rahmen der genannten Artikel handelt es sich um
digitale Dämpfungsglieder, die aus mehreren Doppelgate-TECs
bestehen, von denen jeder ein Bit darstellt. Die
Einfügungsphase variiert zwischen 60 und 100 über eine Dynamik von 20 dB
je nach dem Frequenzband. Das benutzte Prinzip besteht in der
Minimierung der Veränderung der Einfügungsphase bei
individueller Optimierung der an das zweite Gate des Doppelgate-TECs
angelegten Last, wobei jeder dieser Transistoren Bits bildet.
Die Nutzlasten sind einfache Kondensatoren, deren Wert sich
von einem Bit zum anderen ändert. Dennoch sind die durch
eingangs- und ausgangsseitiger Reflexion verursachten Verluste
nicht besser nicht 6 dB, und zwar wegen der Schwierigkeit, die
Serie der Doppelgate-TECs in der Gesamtheit der möglichen
logischen Zustände anzupassen.
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Das wesentliche Ziel der Erfindung besteht in der
Schaffung eines solchen Dämpfungsgliedes unter Minimierung der
Änderung der Einfügungsphase in Abhängigkeit von der Dämpfung.
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Hierzu schafft die Erfindung ein Dämpfungsglied auf
der Basis eines Feldeffekttransistors mit Doppelgate, dessen
wesentliches Merkmal darin besteht, daß eine veränderliche
aktive Last an das zweite Gate des Feldeffekttransistors mit
Doppelgate angelegt ist.
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Vorteilhafterweise besteht diese Last aus einem
Feldeffekttransistor mit Einfachgate, der eine
Drain-Source-Vorspannung von 0V hat.
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Ein Dämpfungsglied dieser Art besitzt im Vergleich zu
den Einrichtungen des Standes der Technik folgende Vorteile:
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- Geringere Änderung der Einfügungsphase über einen
Dynamikbereich von 20 dB;
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- Echoverluste über den gesamten Dynamikbereich sehr
viel besser (19 dB anstatt 6 bis 12 dB);
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- geringerer Stromverbrauch (1 Doppelgate-TEC statt
6);
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- einfachere Schaltung und somit höherer
Herstellungswirkungsgrad;
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- kontinuierliche Skala der Dämpfungswerte anstelle
einer Reihe diskreter Werte.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung hervor, die beispielshalber und
ohne Beschränkungsabsicht unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen abgefaßt ist.
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Figur 1 stellt schematisch das Dämpfungsglied gemäß
der Erfindung dar; und
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die Figuren 2 und 3 sind zwei Kennliniendiagramme für
dieses Dämpfungsglied.
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Das Dämpfungsglied gemäß der Erfindung hat die
Aufgabe, die Änderung der Einfügungsphase in Abhängigkeit von der
Dämpfung zu minimieren. Sein Prinzip ist sowohl im Rahmen der
Hybridtechnik als auch der monolithischen Technik auf GaAs-
Träger anwendbar. Jedoch scheint seine Umsetzung durch die
MMIC-Technik (Monolithic Microwave Integrated Circuits) auf
GaAs-Träger viel leichter zu sein. Es wird daher diese Technik
als bevorzugtes Beispiel herangezogen.
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Die den Gegenstand der Erfindung bildende
Dämpfungseinrichtung verwendet nur einen einzigen Transistor (T1) des
Typs TEC mit Doppelgate, wobei an dessen zweites Gate eine
optimale Last angeschlossen worden ist, so daß der Transistor
gleichzeitig eine flache Kennlinie und eine hohe
Dämpfungsdynamik sowie auch eine der Minimierung der Änderung der
Einfügungsphase in Abhängigkeit von der Dämpfung zu erzielen
erlaubt.
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Relativ einfache, ja sehr einfache passive Lasten, wie
ein Kondensator, erfüllen sehr gut die gewünschten Ziele der
flachen Kennlinie und der Dämpfung über Bandbreiten bis zu
einer Oktave. Allerdings erlauben es solche passiven Lasten
nicht, die Einfügungsphase über einen großen
Dämpfungsdynamikbereich konstant zu halten. Diese Phasenänderung kann über
Dämpfungsdynamikbereiche von etwa 20 dB Werte von 20º oder 30º
erreichen. Für Anwendungen auf aktive Netzantennen zur Bildung
von schmalen Keulen, bei denen die wünschenswerten maximalen
Phasenänderungen bis 4º oder 5º über einen Dynamikbereich von
20 dB reichen, sind diese Leistungen aber nicht
zufriedenstellend.
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Das Prinzip der Erfindung besteht darin, eine
veränderliche aktive Last anstelle der passiven Last zu verwenden.
Wenn man nämlich im Smithdiagramm den Punkt, der die an das
zweite Gate angelegte Last darstellt, verschiebt, erkennt man
solange keine merkliche Änderung der Einfügungsphase, wie man
in einer dem Kurzschluß benachbarten Diagrammhälfte bleibt.
Wenn man sich aber dem Leerlauf nähert, erfährt die
Absolutphase der starken Dämpfungszustände sehr starke Änderungen,
so daß sich die absolute Phase derjenigen der schwachen
Dämpfungszustände annähert, bei denen man sich im Gegenteil
relativ weit vom Leerlauf entfernt befindet.
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Die Erfindung besteht also darin, eine veränderliche
Last 1 zu benutzen, die folgenden Merkmale besitzt:
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Sie ist eine Impedanz mit endlichem Wert, der aber
über einen großen Abschnitt der Dämpfungsdynamik zunimmt
(letztere reagiert nicht sehr empfindlich auf den Wert der
Last, insoweit sie sich weit ab vom Kurzschluß befindet).
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Sie ist eine Impedanz mit sehr großem Wert (in der
Nähe des Leerlaufzustandes) für hohe Dämpfungswerte.
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Ein mit einer Spannung Vds = 0 (TEC "kalt")
vorgespannter Transistor T2 des Typs TEC entspricht den oben
aufgeführten Bedingungen. Er verhält sich nämlich wie ein
veränderlicher Widerstand (bis auf die Kapazitäten Cgs, Cgd, Cds),
dessen Wert von einigen Ohm bei Vds = 0 bis auf mehrere kΩ in
Nähe der Klemmgrenze wächst, wobei nur die parasitären
Kapazitäten geringen Wertes den Zugang zum idealen Kurzschluß
begrenzen.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Dämpfungsdynamik
zu überstreichen, indem sich gleichzeitig die Spannung VG2S
(angelegt an das zweite Gate G2 des Doppelgate-TECs) und die
an dieses Gate G2 angelegte Last ändern. Der Transistor T2
bzw. TEC "kalt" bildet diese Last, deren Wert von der an das
Gate angelegten Spannung Vgso abhängt.
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Daraus ergibt sich eine nahezu verschwindende Änderung
der Phaseneinfügung über einen großen Dämpfungsdynamikbereich.
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Mit Hilfe der Transitormodelle des Typs Doppelgate des
Typs-TEC T1 und des Typs TEC-"kalt" T2, die von einem
Hersteller von GaAs-Schaltungen vorgeschlagen wurden, ist ein
steuerbares Dämpfungsglied gemäß der Technik der MMIC auf
GaAs-Träger entwickelt worden, das im Frequenzband von 3-5 GHz
arbeitet. Die Gatebreite des TEC-"kalt" T2 wurde optimiert, um das
Minimum der Phasenverschiebung über den größtmöglichen
Dämpfungsdynamikbereich zu erzielen.
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Ein zwischen dem zweiten Gate G2 und dem Drain des
TEC-"kalt" T2 angeordneter Kondensator C3 ermöglicht die
Trennung ihrer Vorspannungen.
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Dieser Kondensator hat so gut wie keine Wirkung auf
die erzielten Betriebsleistungen.
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Das zweite Gate (G2) des Doppelgate-Transistors T1 und
das Gate des TEC-"kalt" T2 werden über sehr große Widerstände
R2 und R3 vorgespannt, derart, daß die Mikrowellensignale von
der Vorspannung getrennt werden.
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Wenn sich aber die an das zweite Gate des Doppelgate-
FETs T1 angelegte Vorspannung (VG2S) von +1 nach -0,5 Volt
ändert, muß sich die an das Gate des FET-"kalt" T2 angelegte
Vorspannung (VGSO) von -0,5 Volt nach -2 Volt ändern. Es muß
also konstant eine Differenz von 1,5 Volt zwischen den beiden
Spannungen eingehalten werden. Eine einzige Steuereinrichtung
genügt, um die beiden Spannungen VG2S und VGSO gleichzeitig zu
erzeugen. Dies geschieht mit Hilfe zweier als Dioden D1 und D2
verwendete TECs, die mit einer Spannung (VGS = +0,75 V) auf
den Knickpunkt ihrer Strom-Spannungskennlinie vorgespannt
sind. Ihre Reihenschaltung liefert an ihren Klemmen eine
Spannung von 1,5 Volt.
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Die Schaltungen 2 und 3 sind Eingangs- und
Ausgangsanpassungsnetzwerke, die durch lokalisierte Elemente
(Induktivitäten und Kondensatoren) gebildet sind. Das gewinnadaptierte
Eingangsnetzwerk ermöglicht die Anpassung der Eingangsleitung
E an die Eingangsimpedanz des Doppelgate-FETs T1.
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Das gewinnadaptierte Ausgangsnetzwerk ermöglicht die
Anpassung der Ausgangsimpedanz des Doppelgate-FETs T1 an die
Ausgangsleitung S.
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Impedanztransformationsschaltungen dieser Art sind dem
Fachmann bekannt.
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Die in der Figur 2 dargestellten Kurven sind
Kennlinien, die Dämpfung A (dB) in Abhängigkeit von der Frequenz F
(Gigahertz) darstellen, und zwar für verschiedene Werte von
VG2S, nämlich: +1 Volt; +0,5 Volt; 0 Volt; -0,5 Volt.
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Die in Figur 3 dargestellte Kurve ist eine Kennlinie,
die die Phase ψ (in Graden) in Abhängigkeit von der Dämpfung A
(dB) für eine Frequenz F = 4 GHz darstellt.
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Die in Figur 3 dargestellte Kurve wird mit Elementen
erhalten, die beispielsweise folgende Werte besitzen:
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- veränderliche Schaltungslast
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C1 = 10 pF
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C2 = 10 pF
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C3 = 1 pF
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R1 = 2,25 kΩ
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R2 = R3 = 10 kΩ
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- Eingangsanpassungsnetzwerk
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C4 = 2 pF
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C5 = 1,5 pF
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C6 = 1,6 pF
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C7 = 0,4 pF
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C8 = 10 pF
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C9 = 0,6 pF
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R4 = 215 Ω
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L1 = 2 nH
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L2 = 2,8 nH
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L3 = 4 nH
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- Ausgangsanpassungsnetzwerk
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C10 = 0,5 pF
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C11 = 10 pF
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C12 = 0,8 pF
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C13 = 0,2 pF
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C14 = 2,6 pF
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C15 = 2,2 pF
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R5 = 215 Ω
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L4 = 3,2 nH
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L5 = 4,2 nH
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L6 = 1 nH
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L7 = 2,4 nH
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- Doppelgate-FET
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L = 0,5 um
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W = 150 um
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- Einzelgate-FET (TEC "kalt")
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L = 0,5 um
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W = 37,5 um
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Die Erfindung findet insbesondere im Bereich der
aktiven Antennen Anwendung, die ein Netz von Quellen aufweisen,
das einem Netz zur Bildung einer Keule (BFN) mit
elektronischer Steuerung zugeordnet ist, und bei denen die Ausrichtung
der Keule an die Phase gebunden ist, wobei die Dämpfung
unabhängig von der Phase unter Frequenz sein muß.
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Dieser Typ eines Dämpfungsglieds wird so in hunderten
von Einheiten in den Netzen zur Keulenbildung in aktiven
Antennen verwendet. Sie müssen die gewünschte
Amplitudengesetzmäßigkeit ohne Störung der Phasengesetzmäßigkeit
verwirklichen, die unabhängig von einem Netz von Phasenschiebern
erzeugt wird. Somit muß die Änderung der Einfügungsphase dieser
Dämpfungsglieder über den gesamten Dämpfungsdynamikbereich
sehr gering bleiben.
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Die erzielten Leistungsdaten sind folgende:
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. Durchlaßbereich: 2,75 GHz bis 5,25 GHz;
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. Echoverluste an den Zugängen: besser als 19 dB,
unabhängig von der Dämpfung;
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. Dämpfungsdynamik: 25 dB;
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. Änderung der Einfügungsphase: ≤ 2º bei 20 dB
Dynamik;
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. Flacher Verlauf der Dämpfungskurve über das Band,
unabhängig von der Dämpfung: + 0,3 dB.
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Natürlich wurde die vorliegende Erfindung nur anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben und
dargestellt, so daß man seine Grundelemente durch äquivalente
Elemente ersetzen kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu
überschreiten.
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Daher kann die Erfindung auch bei einem
Kanalverstärker mit Verstärkungssteuerung verwendet werden.