DE69208205T2

DE69208205T2 - Schutzschaltung

Info

Publication number: DE69208205T2
Application number: DE69208205T
Authority: DE
Inventors: Nobuo Shiga
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1992-11-05
Publication date: 1996-06-20
Anticipated expiration: 2012-11-06
Also published as: EP0541097B1; JPH05129856A; DE69208205D1; US5300897A; CA2081787A1; EP0541097A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für einen rauscharmen Verstärker, der gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beispielsweise in einem erdgebundenen Empfänger zum erdgebundenen Empfang von Mikrowellensignalen verwendet wird, die von Nachrichtensatelliten, Rundfunksatelliten usw. stammen. Eine solche Schaltung ist aus dem Patent Abstract of Japan, Band 011, Nr. 257 (E-534) vom 20.August 1987 und von JP-A- 62,066 705 (Sharp Corp.) vom 26. März 1987 bekannt.
Mit der schnellen Entwicklung von Informationsnetzsystemen hat die Nachfrage nach Satellitenkommunikationssystemen stark zugenommmen und ihre Frequenzbänder gehen zu höheren Frequenzen über. Als Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren sind Schottky- Barrier-Feldeffekttransistoren (MESFET: Metall-Halbleiter- Junction-FETs) die Verbundhalbleiter, wie GaAs, verwenden, in praktischen Gebrauch genommen worden. Außerdem ist zur Realisierung kleinerer, billigerer Systeme mit höherer Leistung die erste Verstärkerstufe der Abwärtskonverterschaltung, wo das Hochfrequenzsignal auf niedrige Frequenzen umgesetzt wird, in letzter Zeit als MMIC (monolithische integrierte Mikrowellenschaltung) gestaltet worden.
GaAs benutzende Feldeffekttransistoren sind hervorragende Erzeugnisse, die selbst bei hohen Frequenzen, wie den Mikrowellenbändern, rauscharm sind, sie haben jedoch den Nachteil, daß sie gegen elektrostatischen Durchbruch im Vergleich zu Siliziumhalbleitern schwach sind. Lange Zeit sind Anstrengungen unternommen worden, eine Schaltung gegen einen solchen elektrostatischen Durchbruch zu schützen. Bei einem rauscharmen Verstärker wird jedoch die Rauschzahl in hohem Maße durch die Rauschzahl der Eingangsschaltung bestimmt. Es gibt daher keinen praktischen rauscharmen Verstärker mit einer Schutzschaltungsfunktion, weil die Hinzufügung einer Extraschaltung zur Eingangsschaltung die Rauschzahl verschlechtern kann.
Es war insoweit darüber hinaus üblich, daß ein rauscharmer Verstärker mit einer Parabolantenne verbunden ist, dessen Primärradiator zumeist eine Wellenleiterstruktur aufweist. Es war daher möglich, den elektrostatischen Durchbruch nur durch sorgfältige Behandlung des rauscharmen Verstärkers (oder der sie enthaltenden Schaltung) zu verhindern. Dies kann ein Grund dafür sein, warum die Untersuchungen dieser Art nicht besonders aktiv waren.
Inzwischen sind flache Antennen als erdgebundene Antennen zum Empfang von Mikrowellensignalen von Nachrichtensatelliten oder Rundfunksatelliten in praktischen Gebrauch genommen worden. Eine flache Antenne, die aus vielen Antennenelementen besteht, die in einer flachen Ebene angeordnet sind, nimmt Signalleistung von jedem Element über einen Leitungsdraht auf und liefert sie als einzigen Ausgang. In der Anfangsphase waren flache Mikrowellenempfangsantennen sehr viel schlechter als Parabolantennen sowohl hinsichtlich Kosten als auch Leistung. Heute haben sie jedoch das Niveau für praktischen Einsatz erreicht, was durch intensives Studium von Mikrostreifenantennen seit den späten 70er Jahren sowie durch die gesteigerte Leistung von Mikrowellendruckschaltkarten erreicht worden ist.
Es wird auch erwartet, daß der Fortschritt der MMIC(monolithische integrierte Mikrowellenschaltung) Technologie die Ausbreitung flacher Antennen begünstigt, weil kleinere Antennen bevorzugt werden.
Jedoch ist notwendigerweise noch nicht ausreichend untersucht worden, wie eine flache Antenne mit einem Empfangssystem zu verbinden ist. Beispielsweise gibt es ein Verfahren auf der Grundlage einer konventionellen Technologie, wo ein Wellenleiter, der eine gewöhnliche Mikrowellenausbreitungseinrichtung ist, als Einrichtung zum Verbinden der beiden eingesetzt wird. Dieses Verfahren macht es jedoch schwierig, die Gesamtminiaturisierung und Gewichtsverminderung zu erzielen. Die Vorteile der Miniaturisierung der Empfangssysteme und die flache Gestalt der Antennen werden somit nicht ausreichend ausgenutzt.
Andererseits ist der Anschluß einer flachen Antenne direkt an ein Empfangssystem schwierig. Dies rührt daher, daß eine flache Antenne einen gedruckten (Metall-) Antennenmusterfilm aufweist, der zwischen Isolatoren sandwichartig eingeschlossen ist. Die Antenne kann somit stark genug aufgeladen werden, daß das Empfangssystem beschädigt wird. Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, ein solches Problem zu lösen.

Übersicht über die Erfindung

Um dieses Problem zu lösen, enthält die Schutzschaltung der vorliegenden Erfindung eine Mikrostreifenleitung, deren Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge einer Verstärkungssignalfrequenz ist, auf einer benutzten Karte und deren eine Seite mit der Eingangsseite eines rauscharmen Verstärkers verbunden ist, und eine Diode, deren eine Seite mit der anderen Seite der Mikrostreifenleitung verbunden ist und deren andere Seite geerdet ist, und einen Kondensator, der mit dem Punkt verbunden ist, wo die Mikrostreifenleitung mit der Diode verbunden ist, und dessen Impedanz bei der Verstärkungssignalfrequenz ausreichend klein ist.
Weil die Diode von der Mikrostreifenleitung getrennt ist, deren Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge der Verstärkungsfrequenz ist, hat sie virtuell keinen Einfluß auf die Verstärkungssignalkomponente. Für statische Elektrizität ist die Diode indessen virtuell direkt mit der Eingangsseite des rauscharmen Verstärkers verbunden, weil die Viertelwellenlängen-Mikrostreifenleitung einen Widerstand von fast Null hat.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Schaltung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine Schaltung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 zeigt eine Schaltung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 zeigt eine Schaltung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 5 zeigt eine Schaltung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Schutzschaltung 10 enthält eine Mikrostreifenleitung 2, eine Diode 3 und einen Kondensator 4. Die Mikrostreifenleitung besteht aus Gold oder dergleichen. Die Mikrostreifenleitung 2, die mit der Eingangsseite eines rauscharmen Verstärkers 1 verbunden ist, ist so dimensioniert, daß ihre Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge einer Signalfrequenz ist, die von dem rauscharmen Verstärker 1 verstärkt wird (nachfolgend als die Verstärkungssignalfrequenz bezeichnet). Die wirkliche Länge der Viertelwellenlänge der Verstärkungssignalfrequenz hängt von dem Material, der Dicke usw. der Karte ab. Auf der anderen Seite der Mikrostreifenleitung 2 ist die Anode der Diode 3 angeschlossen. Beispielsweise kann diese Diode 3 durch Kurzschließen von Drain- und Source-Anschlüssen eines MESFET gebildet sein. In diesem Falle wird das Gate dieses FET als Anode verwendet. Die Kathode der Diode 3 (wenn ein MESFET verwendet wird, um die Diode 3 zu bilden, der Anschluß, an dem Drain und Source gemeinsam angeschlossen sind) ist geerdet. An die Diode 3 ist der Kondensator 4 parallel angeschlossen. Seine Kapazität ist derart, daß die Impedanz bei der Verstärkungssignalfrequenz ausreichend klein ist. Bei der Verstärkungssignalfrequenz ist daher die Kondensatorseite der Mikrostreifenleitung 2 fast kurzgeschlossen, und die Impedanz am Anschlußpunkt 6, der um eine Viertelwellenlänge vor der Kondensatorseite liegt, wird unendlich hoch. Wenn die Kapazität des Kondensators 4 bei der Verstärkungssignalfrequenz nicht ausreichend klein ist, dann ist die Impedanz der Schutzschaltung 10, gesehen vom Anschlußpunkt 6, nicht ausreichend hoch genug, um vernachlassigt zu werden, was zu einer Verschlechterung der Rauscheigenschaften führt. Wenn die Impedanz der Schutzschaltung 10, gesehen vom Anschlußpunkt 6, in idealer Weise unendlich ist, dann wird die Rauschzahl des rauscharmen Verstärkers 2 nur durch den Übertragungsverlust längs der Mikrostreifenleitung 2 verschlechtert.
Speziell wird die Kapazität C des Kondensators 4 wie folgt bestimmt. Die Impedanz Zc des Kondensators wird ausgedrückt durch Zc = 1/2πf&sub0;C, wobei f&sub0; die Verstärkungssignalfrequenz ist. Die Impedanz Zc sollte 1/10 oder weniger der Eingangs/Ausgangs- Impedanz des Verstärkers sein. Da die Eingangs/Ausgangsimpedanz eines Verstärkers normalerweise bei 50Ω liegt, sollte die Impedanz Zc 5Ω oder kleiner sein, d.h. Zc = 1/2πf&sub0;C < 5. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Kapazität 0 des Kondensators 4 somit als C > 1/10πf&sub0; gewählt.
Die oben beschriebene Ausführungsform nimmt einen MIM-Typ (Metall-Isolator-Metall) als Kondensator 4 an. Dieser kann durch einen offenen Blindschwanz 7 ersetzt werden, der die Länge der Mikrosteifenleitung 2 hat, wie in Fig. 2 gezeigt (zweite Ausführungsform). Bei dieser Konfiguration ist die Impedanz am Anschlußpunkt 6, eine halbe Wellenlänge vor dem Rand des offenen Blindschwanzsystems 7, unendlich hoch, weil der Rand offen ist.
Wenn die mit dem Eingangsanschluß 5 verbundene Antenne umgekehrt geladen wird, dann sollte auch die Diode 3 umgekehrt angeschlossen werden, wie in Fig. 3 gezeigt (dritte Ausführungsform). Weil die Ladungspolarität vom Material der Antenne abhängt, die mit Eingangsanschluß 5 verbunden ist, und von der Umgebung, muß die Polarität der Diode in geeigneter Weise bestimmt werden.
Indessen hängt eine Schutzschaltung einer vierten Ausführungsform, die in Fig. 4 gezeigt ist, nicht von der Ladepolarität der mit dem Eingangsanschluß 5 verbundenen Antenne ab. Diese Konfiguration wird dadurch gebildet, daß eine weitere Diode 5 in umgekehrter Richtung zu und parallel zur Diode 3 der ersten Ausführungsform angeschlossen wird. Dieses macht es stets möglich, Ladungen von der mit dem Eingangsanschluß 5 verbundenen Antenne abzuleiten, ohne Rücksicht auf die Ladepolarität.
Eine fünfte Ausführungsform, die in Fig. 5 gezeigt ist, ist nützlich, wenn die Durchbruchspannung der Diode nicht ausreichend ist oder wenn der rauscharme Verstärker 1 tiefer vorgespannt ist, als die Vorwärtsspannung der Diode und die Eingangsstufe nicht durch einen Kondensator gegen Gleichspannung geschützt ist. Bei dieser Ausführungsform werden zusätzliche Dioden verwendet. Das heißt, bei dieser Ausführungsform sind die Dioden 3 und 8 der vierten Ausführungsform durch zwei Serien von mehreren Dioden 12 bzw. 11 ersetzt. Es ist anzumerken, daß, obgleich diese Ausführungsform auf der vierten Ausführungsform beruht, wo zwei Dioden gegensinnig miteinander verbunden sind, die Vergrößerung der Diodenanzahl in ähnlicher Weise bei den ersten und dritten Ausführungsformen wirksam ist, wo nur eine Richtungsdiode eingesetzt ist.
Wie oben beschrieben, hat in der Schutzschaltung der vorliegenden Erfindung die Diode virtuell keinen Einfluß auf die Verstärkungssignalkomponente, weil die Diode von der Mikrosteifenleitung getrennt ist, deren Länge gleich einem Viertel der Verstärkungssignalwellenlänge ist, und für die statische Elektrizität ist die Diode virtuell direkt mit der Eingangsseite des rauscharmen Verstärkers verbunden, weil die Vierteiwellenlängen-Mikrostreifenleitung einen Widerstand von Null hat. Diese Schutzschaltung kann daher einen rauscharmen Verstärker realisieren, der gegenüber elektrostatischem Durchbruch widerstandsfähig ist, ohne die Rauscheigenschaften zu verschlechtern.

Claims

1. Schutzschaltung, die mit der Eingangsseite eines rauscharmen Verstärkers (1) verbunden ist, enthaltend:

eine Mikrostreifenleitung (2), deren Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge einer Verstärkungssignalfrequenz ist, auf einer benutzten Karte und deren eine Seite mit der Eingangsseite des rauscharmen Verstärkers verbunden ist, und gekennzeichnet durch:

eine erste Diode (3), deren eine Seite mit der anderen Seite der Mikrostreifenleitung verbunden ist und deren andere Seite geerdet ist; und

einen Kondensator (4), der mit einem Punkt verbunden ist, wo die Mikrostreifenleitung mit der ersten Diode verbunden ist, und dessen Impedanz bei der Verstärkungssignalfrequenz ausreichend klein ist.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend eine zweite Diode (8), die in Gegenrichtung und parallel zum ersten Kondensator geschaltet ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend wenigstens eine Diode (12), die in Serie mit der ersten Diode und in gleicher Richtung wie diese geschaltet ist.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 2, weiterhin enthaltend wenigstens eine Diode, die in Serie (12) mit der ersten Diode und in gleicher Richtung wie diese geschaltet ist, und wenigstens eine Diode (11), die in Serie mit der zweiten Diode und in gleicher Richtung wie diese geschaltet ist.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 1, bei der der Kondensator ein offenes Leitungsstück (7) ist, dessen Länge so groß ist, wie die der Mikrostreifenleitung.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 2, bei der der Kondensator ein offenes Leitungsstück (7) ist, dessen Länge so groß wie die der Mikrostreifenleitung ist.

7. Schutzschaltung nach Anspruch 3, bei der der Kondensator ein offenes Leitungsstück (7) ist, dessen Länge gleich der der Mikrostreifenleitung ist.

8. Schutzschaltung nach Anspruch 4, bei der der Kondensator ein offenes Leitungsstück (7) ist, dessen Länge gleich der der Mikrostreifenleitung ist.

9. Schutzschaltung nach Anspruch 1, bei der die Mikrostreifenleitung aus Gold besteht.

10. Schutzschaltung nach Anspruch 1, bei der die Impedanz des Kondensators 1/10 oder weniger der Eingangs/Ausgangs-Impedanz des Verstärkers ist.