NO773889L - Diodefaseforskyver. - Google Patents

Description

Diodestyrt faseforskyver.

Foreliggende oppfinnelse angår faseforskyvere for radiofrekvenser, og mer bestemt diodestyrte faseforskyvere for slike frekvenser.

Elektronisk styrbare antennesatser for høyeffektive radar- og kommunikasjonssystemer krever et stort antall antenne-elementer og tilhørende komponenter. Hovedkomponenten som benyttes sammen med hvert antenneelement er en elementfasefor-skyver som fasestyrer radiofrekvent (RF) energi ved antenne-elementet i overensstemmelse med en logisk kommando hvorved antennestrålen styres i rommet.

Det finnes.to hovedklasser av faseforskyvere som benyttes for elektronisk, styrbare' antennesatser, nemlig ferrittfaseforskyvere og diodestyrte faseforskyvere. I noen henseender kan man si at hver klasse er i motsetning til hverandre, det vil si at fordelene ved en klasse faseforskyvere ofte er ulemper i den annen, og allikevel vil ved noen anvendelser en anordning fra den-ene eller annen klasse kunne arbeide tilfredsstillende uten at alle parametrene har optimale verdier.For eksempel kan f errittf asef orsky vere normalt håndtere.ihøyere RF-energinivåer og ha mindre innføringstap enn sammenliknbare diodestyrte faseforskyvere. Ferrittfaseforskyvere er også i alminnelighet mer kostbare enn sammenliknbare diodestyrte faseforskyvere. Ved lave RF-energinivåer og der innføringstap er av mindre betydning

vil således diodestyrte faseforskyvere vanligvis være kommer-sielt tiltalende. Mange anvendelser av elektronisk styrte antennesatser foregår ved lav RF-energi og da er innføringstap av særlig betydning. Man har således en økonomisk fordel uten resul-terende ulemper når det gjelder egenskapene ved å anvende diodestyrte faseforskyvere på slike områder.

En diodestyrt faseforskyver og en teknikk for impedanstilpasning av diodene til RP-kretsene er beskrevet i det følgende. Den diodestyrte faseforskyver er vist bygget i et mikrobølge striplinjemønster og det anvendes dioder som vanligvis betegnes som PIN (P-område, intrinsisk lag, N-område)

dioder. Faseforskyveren dannes av en flerhet av seriekoplede hybride kretser som omfatter en RP-overføringslinje og en flerhet av PIN-dioder og diodeforspenningsanordninger.

Når der gjelder funksjonen, arbeider den beskrevne diodestyrte faseskyver som forklart nedenfor. RP-energi som kommer inn i faseforskyveren deles i to like baner av en overliggende 3 db hybrid krets. Den hybride krets er avsluttet av PIN-dioder i en impedans som avhenger av forspenningen -på diodene. En forover forspent diode opptrer som en meget liten motstand

og vil tilnærmet være an kortslutning over linjen. Ved reversert forspenning virker dioden som en liten kondensator og vil tilnærmet være som en brutt krets over linjen. Et viktig trekk ved anordningen er den måte hvorpå linjen avsluttes med diodene. Mer i detalj er diodene som er montert på gjengede tapper innsatt i gjengede hull i en holdeblokk som har elektrisk kontakt til jordplanene på begge sider av RP-kretsene. Diodene har kontakt med enden av RP-linjen ved kanten av det .trykte kretskort. Små fjærklemmer er satt rundt kanten av kortet ogr-er:.innskutt mellom RF-linjen og dioden for å sikre en fjærbelastet kontakt. Denne anordning tillater diodene å avslutte overføringslinjen symmetrisk.

Den symmetriske avslutning gir bedre kontroll med impedans, høyere refleksjonskoeffisient og mindre innvirkning på energien i området ved dioden.

En flerhet av slike hybrider med avsluttende dioder

blir anbrakt i serie der hver hybrid tilsvarer en faseforskyv-ningsbit og har evne til å forskyve fasen for det RF-signal som passerer med en bestemt verdi avhengig av diodens forspenning.

I den utførelsesform som skal beskrives er det vist fire slike hybrider ved hjelp av hvilke fasen kan forskyves i seksten trinn fra 0 til 337>5°,og der faseforsyvning innføres av de forskjellige hybridseksjoner ved økning i binære trinn fra 22,5° til 180°.

Innskutt mellom de ovennevnte hybrider som her er kalt faseforskyvningshybrider, er det vist en flerhet av for-spenningshybrider som isolerer diodens likestrømsforspenninger fra RF-overføringslinjen.

Det vil også bli beskrevet en teknikk ved hjelp av hvilken diodene blir impedanstilpasset overføringslinjen for å gi den ønskede faseforskyvning for den bestemte hybrid som er tilknyttet diodene.

Formålet med oppfinnelsen er således å komme frem til en diodestyrt faseforskyver for RF-energi og som særlig er egnet for anvendelse sammen med elektronisk styrbare antennesatser.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å komme frem

til en teknikk og en anordning for impedanstilpasning av diodene i en diodestyrt faseforskyver til RF-overføringslinjen.

Nok en hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til

en anordning i en diodestyrt faseforskyver for isolering av diodens likestrømsforspenning fra RF-overføringslinjen.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i kravene gjen-gitte trekk og vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til tegningene der: Fig. 1 skjematisk viser en firebits diodestyrt faseforskyver bygget i henhold bygget til oppfinnelsens prinsipper,

fig. 2 viser de innvendige kretser i en prototyp

til en firebits diodestyrt faseforskyver,

fig. 3 viser en praktisk utførelsesform for oppfinnelsen med delene trukket fra hverandre, og

fig. 4 viser et diagram som er til hjelp ved for-klaring av hvorledes forskjellige av parametrene ved kretsen i henhold til oppfinnelsen kan bestemmes.

Den firebits digitale faseforskyver som er vist på fig. 1 er gjengitt forenklet og skjematisk, og den har en inngangsport 10 som påtrykkes RF-enérgi og en utgangsport 22 der RF-energi avgis, faseforskjøvet i henhold til visse logiske signaler. Faseforskyveren består av hybrider 12-20. Hybridene 13*15317 og 19 er betegnet som faseforskyvningshybrider siden de hovedsakelig sørger for faseforskyvningsfunksjonen, mens hybridene 12, 14, 16, 18 og 20 er betegnet som isolasjonshybrider siden deres funksjon er å isolere de forskjellige likestrøms- forspenninger for diodene fra hverandre, og de skal dessuten hindre forspenningene fra å komme frem til portene 10 og 22. Isolasjonshybridene danner en anordning for innføring av like-strømsf orspenning uten behov for likestrømblokkerende kondensa-torer og RF shuntkondensatorer.

Åtte dioder er benyttet idet to dioder er tilknyttet hver faseforskyvningshybrid for i denne å avslutte RF over-føringslinjene. For eksempel er diodene 26-1 og 26-2 tilknyttet hybriden 13, diodene 26-3 og 26-4 til hybriden 15, diodene 26-5

og 26-6 til hybriden 17 og diodene 26-7 og 26-8 til hybriden 19. Forspenning påtrykkes fra en flerhet av drivanordninger 6 til 9 og klemmene 24-1 til 24-8 og dermed gjennom RF-filterputer 30-1 til 30-8, og impedanstransformatorer 28-1 til 28-8 individuelt på hver diode 26-1 til 26-8. Som forklart mer i detalj i det følgende er filterputer 30-1 til 30-8 kretsanordninger som hindrer RF-energi fra den viste faseforskyvningskrets i å komme inn i drivanordningene. Som det også vil bli vist i det følgende er ved impedanstransformatorene 28-1 til 28-8 en ende av hver diode koplet til RF-signalets returskinne som her er vist som jord.

Hver faseforskyvningshybrid sammen med de to dioder,

to impedanstransformatorer og to RF filterputer omfatter fase-forskyverbiten. For eksempel er en faseforskyverbit dannet av hybriden 13 sammen med diodene 26-1 og 26-2, impedanstransformatorene 28-1 og 28-2 og RF filterputene 30-1 og 30-2. Like for-spenninger påtrykkes samtidig på forspenningsklemmen for hver enkelt faseforskyvérbit, f.eks. ved klemmen 24-1 og 24-2. Hvis.

en forholdsvis høy forspenning påtrykkes, blir diodene reversert forspent og virker som en liten kapasitans eller kondensator som nærmere seg til en brutt krets over linjen. Hvis en forholdsvis lav forspenning med^motsatt polaritet påtrykkes blir diodene forspent forover og opptrer som en meget liten'motstand som tilnærmet kan sies å være en korstlutning over linjen.

Fig. 2 viser et trykt kretskort 25 sett ovenfra, med en sentral RF-leder og visse kretser fra fig. 1 i striplinjeform. Det trykte kretskort er egentlig dobbeltsidig og har striplinjer på hver side,idet striplinjen på den nærmeste side er vist med heltrukne linjer og striplinjen på den motsatte side er gjengitt med stiplede linjer. Striplinjen på en side av det trykte kretskort ligger over striplinjen på den motsatte side av kortet ved de rette linjeseksjoner som omfatter hybridene 12 til 20. Den standard linjeimpedans i denne utførelse er 50 ohm.

Diodene 26-1 til 26-8 er vist skjematisk koplet gjennom et kort stykke av 50 ohms linjen til hver sin av impedanstransf ormatorene 28-1 til 28-8. Som man vil se er også impedanstransf ormatorene dannet av striplinj.er.

Forspenningsklemmene 24-1 til 24-8 er anbrakt i en motstående kant av det trykte kretskort i form av korte stykker av-50 ohms striplinjer. Forspenningsklemmene er forbundet med hoved-RF-lederen gjennom filterputer 30-1 til 30-8. Som tidligere nevnt er. det filterputenes; oppgave å hindre RF-energi i å komme inn i forspenningskretsene. Hver tilpasningspute, f.eks, filter-puten 30-1, er dannet av en impedanstransf ormator i f ormi.av.ven forholdsvis tynn seksjon av trykklinje 40 med to par 42 og 44

av kvartbølgélengdej f ilterstykker '. 42a, 42b , •' 44a, 44b,-som: er:, til-koplet . Kortbølgelengdestykkene er foldet som vist for å hindre at tilstøtende stykker skal bli liggende over hverandre. Et par stykker 42 ligger i ax.avstand på en kvart bølgelengde fra hverandre langs lederen 40 målt fra paret av stykker 44. Inngangs-

og utgangsklemmer 10 og 22 som er vist på fig. 1, er også vist på denne figur.

De av hybridens parametre som er av særlig interesse er inngangs- og utgangs VSWR (Voltage standing wave ratio) og energidelingen mellom de hybridkoplede armer, det vil si de deler av striplinjen på fig. 2 ligger over hverandre. Når hybridene er kaskadekoplet som i denne utførelsesform vil disse parametre få en hybrid til å innvirke på den neste. Impedanstilpasningen i en hybrid og energidelingen mellom de koplede armer er begge styrt av impedansen for den striplinje som benyttes i koplingsområdet på en måte som er velkjent for fagfolk. Denne impedansen blir tilpasset ved anvendelse av et avstemningsstykke, f.eks. stykkene 50-533når det gjelder hybriden 13 og da så tett ved koplingsområdet som mulig. Tilsvarende avstemningsstykker benyttes ved hver, hybrid.

Impedansformatorene 28-1 til 28-8 foran hver diode 26-1 til 26-8 er nødvendig for å omforme diodens fase ved åpen krets eller kortslutning til den ønskede faseforskyvning. F.eks. er impedanstransformatorene 28-1 og 28-2 i denne utførelsesform beregnet til å gi en 180° faseforskyvning i en retning av det RF-signal som løper gjennom fra inngangsporten til utgangs-porten 22 når diodene 26-1 og 26-2 går over fra en forover forspent tilstand til reversert forspent tilstand,og faseskyvning på l80° i den motsatte retning når diodene går fra en reversert forspent tilstand til forover forspent tilstand.

Fremgangsmåten ved utformningen av den egentlige impedanstransf ormator er forklart under henvisning til fig. 4, som nu skal behandles. Fig.. 4 er en forenklet form for et Smith-diagram som er et overføringslinjediagram der de forskjellige egenskaper ved en overføringslinje kan vises grafisk. Som kjent for fagfolk danner kurver med lik VSWR- sirkler som er konsen-triske med sentrum i Smith-diagrammet. Forflytning langs en gitt VSWR- sirkel tilsvarer en forflytning langs en tapsløs over-føringslinje der det stående bølgeforhold tilsvarer den sirkel det gjelder. De på hverandre følgende verdier av impedans som angis av en gitt sirkel tilsvarer således linjeimpedansene og på hverandre følgende lengder langs den tapsløse linje. Distansen over den egentlige overføringslinje er direkte proporsjonal med rotasjonsvinkelen rundt sirkelen for den stående bølge med en komplett omdreining svarende nøyaktig til en halv bølgelengde av overføringslinjen. Det skal påpekes at anvendelse av den type ' impedanstranaformator som her er beskrevet tillater anvendelse av samme type dioder gjennom hele faseforskyveren. Man kan da vente at VSWR og impedansen for dioden vil være meget tett ved hverandre, og en gjennomsnitlig verdi kan tas som representa-tiv for det hele.

En komplett impedanstransformator, f.eks. impedanstransf ormatoren 28-2, starter med et kort stykke av overførings-linjen, f.eks. seksjonen 70 på fig. 2 hvis impedans er beregnet for å gi like refleksjoner fra den tilhørende diode når denne er forspent forover og har reversert forspenning. For å kunne gjøre beregninger vedrørende dette er det nødvendig å vite impedansen og refleksjonskoeffisienten (VSWR) for dioden for hver av tilstandene. Disse parametre kan måles med midler som er kjent for fagfolk i en 50 ohms prøvelinje. I de dioder som virkelig ble benyttet i en utførelsesform for oppfinnelsen fant man de følgende verdier for parametrene:

Forspent forover

der ZD er impedans. Reversert forspenning

Impedansen Zo for det typiske korte stykke 70 som kreves for å gi refleksjon fra diodene er det geometriske middel-tall for diodeimpedansene i de to tilstander. Da er.:

Parametrene for en typisk diode som b.enyttes i den praktiske utførelsesform for oppfinnelsen er inntegnet på et snittdiagram ,som vist på fig. 4, og det skal nu henvises til denne figur. Med forspenning forover ligger diodens parametre på den radielle linje 60 i punktet 60a på denne, og med reversert forspenning ligger parametrene på den radielle linje 62

i punktet 62a.

Lengdene av de forskjellige korte seksjoner 70 skal. være slik at impedansene for de to diodetilstander dreier seg til punkter som er symmetriske rundt senterlinjen for Smith-diagrammet. Disse symmetrilinjer er linjene 60b og 62b som er resultat av rotasjon.:av linjene 60 og 62 i urviserretningen over en vinkel A. Verdien av vinkelen A kan bestemmes ved måling på snittdiagrammet. Naturligvis er vinkelen A proporsjonal med lengden av et typisk stykke 70.

Ved enden av det korte stykke 70 vil en forandring

i overføringslinjens impedans dreie linjene 60b og 62b på fig.

4 symmetrisk enten mot det lavere eller høyere konduktansom-råde avhengig av om impedansomformingen går til en høyere eller lavere impedansverdi. For eksempel omfatter impedanstransformatorene 28-1 og 28- 2 som sammen med diodene 26-1 og 26-2 og hybriden 13 sørger for l80° faseforskyvning, impedansomformeren mellom et typisk stykke 70 og en overføringslinjeseksjon 72. Denne impedansomforming sammen med impedansomformningen ved enden av seksjonen 72 der den går over i 50 ohms overførings- linjene 60b og 62b,roteres over en vinkel B til posisjonene for linjene 60c og 62c som er adskilt med en l80° fasevinkel. Seksjonen 72 er utført med en lengde på en kvart bølgelengde for utførelse av en 180° rotasjon av linjene 60c og 62c for å holde den samme fasevinkeladskillelse på l80°.

Impedansen Zs for seksjonen 72 er beregnet ut fra det følgende forhold:

der A^er den normaliserte sucseptans ved symmetrilinj en på fig. 4, Zn er den normaliserte susceptans for linjer som er,, symmetriske om null impedans på Smith-diagrammet og adskilt med den ønskede fasevinkel, og Zo er den normale impedans for overføringslinjen.

I det foreliggende eksempel er:

Det skulle være klart nu at Zn har de følgende verdier for de forskjellige faseforskyningsbiter:

Impedansen for linestykkene 72, 74, 74 og 75 vil der være henholdvis 41.8, 65.0, 93-5 og 132.3 ohm.

Det skal nu vises til fig. 3 der man ser en praktisk utførelsesform for oppfinnelsen med delene trukket fra hverandre. Det trykte kretskort 25 med RF-overføringslinje holdes sentrert mellom to støttekort 80 og 82, som er omtrent identiske og som hver omfatter et dielektrisk kort 80a og 82a noe tykkere enn kortet 25, men ellers av samme størrelse, og de ligger på hver sin side av kortet 25- I tillegg innbefatter kortene 80 og 82 overliggende jordplan av metallfolien 80b og 82b. Anordningen som består av kortene 25.80 og 82 ligger på sin side i lag mellom forholdsvis tykke og elektrisk ledende plater 84 og 86. I virkeligheten danner platene 84 og 86 og

kobberfoiien jordplan for Rf-overføringslinjen.

Kortsidene 84a og 86a på platene 84 og 86 har gjengede hull, f.eks. 88a og 88b for skruer 88 og 90 som danner feste for den diodebærende understøttelse 92.

Hver faseforskyvende diode hvorav bare en er vist

på fig. 35f.eks. dioden 26-8, er montert på spissen 94 av en gjenget stav 96 som sitter i et gjenget hull 89 i understøt-telsen 92. I denne utførelsesform omfatter spissen 94 dioden anodeelektrode, og den gjengede stav 96 omfatter diodens katode-elektrode. Dioden sitter i hullet 98 slik at spissen 94 ligger an mot et ben av en L-formet fjærklemme 100 hvis annet ben er loddet til diodens tilhørende impedanstransformator, i dette tilfelle delen 70 av impedanstransformatoren 28-8 som ligger på oversiden av bordet 25 på denne figur. Man vil se at denne måte å montere diodene på kopler katodene i disse symmetrisk til overføringslinjens jordplan. En annen L-formet fjærklemme 100

er vist loddet til impedanstransformatoren 28-7 som på denne figur er på undersiden av kortet 25- Denne klemme koples til dioden 26-7 (ikke vist på denne figur) slik det nu skulle være klart. På denne måte blir hver diode koplet til sin tilhørende impedanstransformator.

To flensmonterte koaksiale koplinger eller pluggfor-bindelser 102 og 104 er festet med sine ytre ledere til platene 84 og 86 og deres.indre ledere elektrisk.forbundet med henholds-vis inngangsport 10 og utgangsport 22. Disse elektriske koplings-anordninger er fortrinnsvis av den type hvis indre leder ender i en flat tunge som kan innsettes mellom det trykte kretskort 25 og enten støttekortet 80 eller 82 etter behov. Por eksempel har den koaksialt koplingsanordning 102 sin ytre leder 102a som innbefatter flenser 102b festet med gjengede skruer (ikke vist) gjennom hull 102c i gjengede hull 84c og 86c som befinner seg i flatene 84a og 86a, slik at den indre leders tunge 102d er innsatt mellom kortene 25 og 80 for å få elektrisk kontakt med inngangsklemmen 10. Den annen koaksiale:-koplingsanprdr,:.

ning 104, er på liknende måte festet slik at dens ytre leder får elektrisk kontakt via platene 8.4 ,og 85 og den indre leders tunge får elektrisk kontakt med utgangsklemmen 22 ved at den er satt inn mellom kortene 25 og 82.

Det skal påpekes at når faseforskyveren på fig. 3

er montert sammen vil platen 92 ha direkte elektrisk kontakt med platene 84 og 86, men vil stå i en viss avstand fra de lag som består av kortene 25580 og 82 enten ved hjelp av avstands-stykker mellom platen 92 og platene 84 og 86 eller ved å anvende plater 84 og 86 som er noe bredere enn kortene 25, 80 og 82.

På denne måte vil klemmene 100 bare ha kontakt med endene 94

av diodene og ikke med platen 92.

Midler som svarer til eller er identiske med klemmene 100 kan benyttes for å kople forspenningskildene til klemmene 24-1 til 24-8 som vist på fig. 2.

Av den foregående beskrivelse av en utførelsesform for oppfinnelsen skulle det være klart at forskjellige modifi-kasjoner og endringer er mulige uten at man avviker fra oppfinnelsens hovedtanke.

Claims (8)

1. Diodestyrt faseforskyver med en RP-krets bygget opp etter striplinjeteknikk og med en RF inngangsklemme tilsluttet en ende av RF-kretsen og en RF utgangsklemme tilsluttet den annen ende av RF-kretsen, karakterisert ved at den omfatter et dielektrisk kort (25) med trykt kretsløp på begge sider, hvilket trykte kretsløp omfatter den nevnte RF-krets som er dannet av en flerhet av faseforskyvende hybrider (13, 15, 17* 19) med en mellomliggende flerhet av forspennings-hybrider (12, 14, 16,18, 20) der hver hybrid omfatter en første seksjon av det trykte kretsløp på en side av kortet (25) og ligger over en andre seksjon av trykt kretsløp på den annen side av kortet (25), en flerhet av dioder (26-1-26-8) med et par dioder tilknyttet hver faseforskyvende hybrid, hvilket par er koplet for å avslutte den tilhørende hybrid med en effektiv kortslutning ved forspenning i én retning og avslutte den tilknyttede hybrid med en effektiv åpen krets ved forspenning i den motsatte retning, og anordninger (6-9* 12, 14, 16, 18, 20) for forspenning av diodene (26-1-26-8) i par i den ene eller annen retning, hvilke anordninger (6-9* 12, 14, 16, 18, 20) for forspenning innbefatter de nevnte for-spenningshybrider (12, 14, 16, 18, 20).

2. Diodestyrt faseforskyver som angitt i krav 1, karakterisert ved at den har første og andre jordplan (84, 86) som ligger som lag på det dielektriske kort (25), mens diodene (26-1-26-8) omfatter første og andre elektroder, der de første elektroder er forbundet med de faseforskyvende hybrider (13, 15, 17, 19) og de andre elektroder er koplet sammen og til de første og andre jordplan (84, 86).

3- Diodestyrt faseforskyver som angitt i krav 1, karakterisert ved at diodene (26-1-26-8) er P-område, intrinsisk lag, N-område dioder.

4. Diodestyrt faseforskyver som angitt i krav 1, karakterisert ved at anordningene (6-9, 12, 14, 16, 18, 20) for forspenning innbefatter en flerhet av for-spenningsdrivanordninger (6-9), en for hvert diodepar, hvorved diodene i hvert par samtidig kan forspennes i den ene retning eller den annen uavhengig av de andre diodepar.

5. Diodestyrt faseforskyver som angitt i krav 4j karakterisert ved at det finnes en flerhet av RF-filterputer (30-1-308), der hver filterpute er tilknyttet til og koplet sammen med en diode og dens forspenningsdrivanordning, hvorved RP-energi er blokkert fra å komme inn i forspennings-drivanordningene (6-9).

6. Diodestyrt faseforskyver som angitt i kravene 1 og e, karakterisert ved en flerhet av impedanstransformatorer (28-1 - 28-8), der hver impedanstransformator er tilknyttet en bestemt diode og er koplet til en elektrode i denne, mens diodens annen elektrode er koplet til de nevnte jordplan (84, 86).

7- Diodestyrt faseforskyver .som angitt i krav 6, karakterisert ved at impedanstransformatorene (28-1 - 28-8) er dannet av striplinjer som befinner seg på det dielektriske kort (25).

8. Diodestyrt f asef orskyver som angitt i krav 7, k a r r. akterisert ved at hver av impedanstransformatorene innbefatter en seksjon (70) av en overføringslinje med en impedans (20) som på forhånd er fastlagt til å være det geometriske middel for den forover forspente impedans og den reversert forspente impedans for den tilhørende anode.