NO821051L - Sender/mottager-omkobler. - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse angår en omkoblingsvender for j omkobling fra sending til mottaging og omvendt, hvilken ofnkob-lingsvender er oppbygget med PIN-diode teknologi og hovedsakelig er konstruert for bruk i frekvensområdet 1,5 - 30 MHz og for sendereffekter opp til 1200 W. I omkoblingsvenderen inngår induktanser og kapasitanser som har til oppgave å isolere høyfrekvente signaler fra likestrmmen som foreligger i kraftfor-syningskretsene og som ifølge tidligere kjente konstruksjons-metoder ville vært vanskelige og kostbare å iverksette for det ovenfor nevnte frekvens- og effektområde. Disse induktanser og kapasitanser velges i overensstemmelse med filterkarakteristikker.På denne måten vil lavere verdier som også er enklere å realisere,. bli oppnådd samtidig som man får reduserte tidskonstanter og dermed raskere reaksjonsforlp. De likespente krafttilførsels-kretser er utstyrt med aktive komponenter oppkoblet på en slik måte at det ikke forekommer noen motstander, som kan øke tidskonstantene ved omkoblinger fra sending til mottaging eller omvendt, i serie med kraftforsyningen. Like-strøms forspenningen holdes konstant og på et veldefinert nivå av strøm-generatorer.De maksimale spenninger over transistorene som inngår i likestrøms kraftforsyningen, er begrenset til et maksimum på 70% av PIN-diodens bakoverrettede forspenning. Endelig er mottagerens inngang, ved sending, shunhet av en ledende PIN-diode mens dempningen mot mottageren blir øket med en tilleggsverdi.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en bredbånds-omkoblingsvender for sending/mottaging utført i PIN-diode teknologi. Omkoblingsvenderen er hovedsakelig tenkt benyttet for frekvensområdet fra 1,5 - 30 MHz og for sendereffekter på opptil 1200 W.

I spesielle moderne kommunikasjonssystemer for kortbølge-radio, f.eks. simplex ARQ-systemer (ARQ = automatic repeat request), har det hittil vært nødvendig å benytte individuelle antenner for sender og mottager, til tross for at det rent teoretisk skulle være mulig å benytte en felles antenne, idet sending og mottaging ikke finner sted samtidig.

Grunnen til at individuelle antenner er blitt benyttet, er

at de omkoblingsvendere for sending/mottaging som hittil har vært tilgjengelig for ovennevnte frekvenser og effektområder, er blitt oppbygget ved hjelp av konvensjonell elektromekanisk teknologi. Dette har resultert i at omkoblingstidene mellom sending og mottaging og omvendt er blitt for lange, normalt ca. 10 milli-sekunder, og konvensjonelle vendere kan derfor ikke benyttes i simplex ARQ-systemer. Kort levetid kalkulert ved antall omkoblinger, har også vært en begrensende faktor for slike elektro-mekaniske sending/mottagingsomkoblere.

For at en omkoblingsvender skal være brukbar i praksis for omkobling fra sending til mottaging i kortbølge simplex ARQ-systemer, må bl.a. følgende krav tilfredsstilles: - Hurtig omkobling fra sending til mottaging og omvendt, fortrinnsvis raskere enn 200 mikrosekunder.

- Lav ekstra dempning, i sendertilstanden fortrinnsvis mindre

enn 0,1 decibel og i mottagingstilstand fortrinnsvis mindre enn 0,5 decibel.

- God isolasjon mot mottageren i sendertilstand, helst større

enn 6 5 decibel.

- Stor båndbredde slik at et betydelig frekvensområde kan benyttes . - God linearitet slik at omkoblingsvenderen ikke forstyrrer de sendte eller mottatte signaler. De harmoniske svingninger i støysignalet bør ligge mer enn 80 decibel under det ønskede signal.

En omkoblingsvender for sending/mottaging konstruert i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse vil tilfredsstille de ovennevnte krav og vil dessuten medføre andre fordeler.

Omkoblingsvendere for sending/mottaging utført i PIN-diode teknologi med kretsløsninger som ligner på de som er fremsatt i foreliggende oppfinnelse, har eksistert tidligere, men de har da tatt sikte på anvendelse i høyere frekvensområder og/eller for betydelig lavere sendereffekter.

En sender/mottager-omkoblingsvender med de fortrinn som er nevnt ovenfor, vil oppnås ved å utforme omkoblingsvenderen i overensstemmelse med de nedenfor fremsatte patentkrav.

For å gi en klarere forståelse av foreliggende oppfinnelse vises til nedenstående detaljerte beskrivelseseksempel, samt til de ledsagende tegninger, hvor: - fig. 1 viser prinsippet for en bredbånds sender/mottager-omkobler oppbygget med PIN-dioder, - fig. 2 viser en sender/mottager-omkobler konstruert i overensstemmelse med foreliggende oppfinnelse,

- fig. 3 viser et høyfrekvens ekvivalentdiagram for sending,

- fig. 4 viser en forenkling av diagrammet i fig. 3,

- fig. 5 er et vektorimpedans diagram som illustrerer virkningen av foreliggende oppfinnelse, og - fig. 6 viser-ét Smith-diagram som kan benyttes ved forklaring av foreliggende oppfinnelse. Fig. 1 viser en kommunikasjonforbindelse for kortbølgeradio. Den omfatter en sender A, en mottager B, samt en antenne som er felles for senderen og mottageren, med dens tilforordnede sender/ mottager-omkoblingsvender C. Da sending og mottaging ikke finner sted samtidig, kan den nevnte antennen være felles for senderen og mottageren. Fig. 2 viser oppbygningen av kretsen til sender/mottager-omkoblingsvenderen i PIN-diode teknologi i overensstemmelse med

foreliggende oppfinnelse. Noe klargjørende tekst som angir ulike driftsspenninger er inntatt i figuren. Betegnelsen D angår en såkalt stripline bølgeleder.

Virkemåten for sending/mottagings-omkoblingsvenderen er kort forklart nedenfor, under henvisning til fig. 2.

Ved sending vil PIN-diode Dl lede, som en følge av at den blir forsynt med likestrøm over LI og L2 fra transistoren T3, som er tilkoblet strømgeneratoren. Med en likestrøms forspenning (1,3 amp.) som benyttes i foreliggende oppfinnelse, vil dioden Dl oppvise en ekvivalent høyfrekvensmotstand R_.„,-, på 0,8 ohm. PIN-diode D2 blir forspent i bakoverretning av transistorene Til og T12, som leder og tilfører -420 volt ved L3 til anoden til D3.

D3 vil da oppvise en kapasitans på ca. 1 picofarad. Da alle komponentene er anbragt på et mønsterkort, på hvilket linje-mønsteret mellom komponentene danner mikrostrip bølgeledere, se også fig. 2, vil det være tildannet en "transmisjonslinje" mellom koaksialforbindelsene X^og X2. Ytterligere vil transistoren T3 tilføre likestrøm til PIN-dioden D3, som derved blir ledende og shunter mottagerens inngang, hvorved dempningen mot mottageren blir øket tilsvarende.

Ved mottagning blir dioden D2 isteden tilført likestrøm via L3 og L2 fra transistorene T9 og T10. Transistoren T4 er ledende og vil derfor forsyne dioden Dl med en bakoverrettet forspenning over Li og på lignende måte dioden D3 over L4. På samme måte som under sending vil derved en "transmisjonslinje" dannes mellom koaksialforbindelsene X2 og X3 denne gang.

Drosselspolene LI, L2, L3 og L4 tjener til å danne en høy-frekvensisolasjon mellom de fremkomne "transmisjonslinjer" fra den likespente tilførselsspenning. Hensikten med kondensatorene Cl, C2 og C3 er å blokkere likestrømmen samtidig som de lar høyfrekvenssignaler passere.

Ved tidligere kjente løsninger for omkoblingsvendere for sending/mottaging av typen som er vist i fig. 1, har induktansene til spolene Li = L2 = L3 = L1_3blitt valgt på en slik måte at deres reaktanser har vært meget store sammenlignet med 50 ohm slik at de ikke ville påvirke høyfrekvenssignalet.

For å oppnå et tilleggstap < 0,1 decibel i frekvensområdet 1,5 - 30 MHz ved sending, må induktansene være av størrelsesorden 100 mH og kapasitansene av størrelsen 1 mF i overensstemmelse med

konstruksjonsfilosofien som er angitt ovenfor.

En omkoblingsvender av denne typen ville omfatte bl.a. disse to problemer: For det første ville komponentene LI, L2 og Cl ovenfor være svært kostbare, da det er vanskelig å fremstille induktanser for å betjene likestrømmer på 1,3 amp. og kapasitanser for å betjene en effekt på 1.200 W med gode karakteristikker i hele frekvensområdet fra 1,5 - 30 MHz.

For det annet vil store verdier på komponentene L-, _ 3 og C^_-j skape vanskeligheter når man ønsker hurtig omkobling fra sending til mottaging og omvendt, som følge av økede tidskonstanter.

I foreliggende oppfinnelse er disse problemer løst ved at konstruksjonen tillater at komponentene L^_3og C^_^ har lave verdier uten at høyfrekvenskarakteristikkene blir påvirket av dette. Dette har vært mulig fordi kombinasjonene LI, L2, Cl og L3, L2, C2, C3 er fremstilt slik at de utgjør høypassfiltre av Butterworth-typen med en nedre grensefrekvens som ligger betydelig under 1,5 MHz.

Drosselspolen L4 er konstruert slik at dens reaktans er stor i forhold til 50 ohm, men da likestrømmen til dioden D3 er for-holdsvis liten, vil valget av denne ikke påvirke koblingstiden.

Da reaktansen til dioden D3, når den er forspent i bakoverretning, er meget større en 50 ohm, kan et høyfrekvent ekvivalent-skjerna for sending tegnes slik som vist i fig. 3, hvor E angir senderen, F angir antennen og G angir en omkoblingsvender for sending/mottaging.

Da motstanden R^™ bare er 0,8 ohm med en likestrømbelast-ning på 1,3 amp. i det foreliggende tilfelle, kan diagrammet forenkles slik som vist i fig. 4, hvor E, G og F har samme betyd-ning som i fig. 3.

Da resultatet for høypassfilteret ble kalkulert for en dempning på 0,1 decibel ved 1,5 MHz, ble verdiene C-^-3= 7,9 mF°9^ Ll-3= 17 mH'raikronenri' oppnådd. Således, vil, skjønt C1-3

oppviser en reaktans på 15 ohm i serie med høyfrekvenssignalet samtidig som \ Lx-3snunter antennen med 160 ohm ved 1,5 MHz,

den tilføyde dempningen som følge av og \ L^_3være mindre enn 0,01 decibel. Ved hjelp av et vektorimpedansdiagram er det mulig å se hvordan virkningen av C^__3og \ ^1-3på antenneimpe-dansen Ztotsett fra senderen, opphever hverandre når zante<n>ne<=>50 ohm, se fig. 5, hvor angivelsen F refererer seg til antennen.

Smith-diagrammet i fig. 6 viser<z>an£ennemec^ et standl3<sl9e-forhold på 2:1 og illustrerer hvordan ztotsett fra senderen påvirkes av filterkombinasjonen av k Lj_3°9ci-3ved -1-'5 MHz. Ved mottagning utgjør C2 = C3 = 2C1_3og L2 = L3 = L1-3et høypassfilter på samme måte som ved sending, slik at det mottatte signalet ikke kan påvirkes.

For å oppnå en kort omkoblingstid når omkobling skal skje fra sending til mottaging eller omvendt, har tilførselskretsene for likestrøm i følgende oppfinnelse blitt utført med aktive komponenter koblet på en slik måte at det ikke foreligger noen motstander som vil øke tidskonstantene i kretsen insatt i serie med strøm- og spenningstilførselen (se fig. 2). Motstandene Ri = 0,9 ohm, R7 = 2 ohm og R20 = 2,7 ohm kan neglisjeres i denne henseende. Dette har i kombinasjon med den lave verdien på L^_3og<C>^_3 gjort det mulig å holde omkoblingstidene under 200 mikrosekunder.

For å hindre forstyrrelser forårsaket av endringer i RDjjp i sender/mottager-omkoblingsvenderen, har likestrømstilførsels-kretsene i foreliggende oppfinnelse blitt utført som strømgenera-torer (T3 og T8) som forsyner diodene med konstant og veldefinerte likestrømmer.

Ved sending må dioden D3 ha en bakoverrettet forspenning som er større enn spissverdien til høyfrekvenssignalet til senderen. Med 1200 W i 50 ohm vil denne spissverdien være ca. 350 V. For å tilveiebringe en romslig margin har den bakoverrettede forspenning i foreliggende oppfinnelse blitt valgt lik 420 V. Dersom like-strømsforsyningskretsen til mottagerdioden er valgt etter samme prinsipp som for senderdioden, ville transistorene som innbe-fattes i denne bli utsatt for en kollektor-emitterspenning på 4 20 V. Da transistorer som kan betjene så høye spenninger er kostbare, er det i foreliggende oppfinnelse benyttet en "totem-pel" kobling hvor spenningen over transistorene som inngår, aldri overskrider 300 V, se også fig. 2. Funksjonen er følgende:

Ved sending:

T15 blokkerer, noe som forårsaker at T13 leder, og som en følge av dette blir den forsynt med en basisstrøm via R32. Spenningen til kollekteren til T15 vil da bli ca. 280 V. T13 til-veiebringer i sin tur en basisstrøm til Til, som derfor også blir ledende. T12 blir ledende som følge av at den får basisstrøm fra T14. På denne måten blir -420 V koblet til PIN-dioden D3 som deretter blir forspent i bakoverretning.

Transistorene T9 og T10 blokkerer som følge av at T6, T7 og T8 ikke er ledende. Spenningsdeleren R23, R24 i kombinasjon med den ledende dioden D4 samt R22 forårsaker at spenningen til kollektoren i transistor T9 blir -210 V. Funksjonen av dioden D4 er å begrense den negative basisemitterspenning til transistor T10 til -0,7 V. Ved at spenningen til kollektoren til T9 er begrenset til -210 V, vil ingen av transistorene T6, T7, T8, T9 eller T10 bli utsatt for spenninger høyere enn 210 V.

Ved mottaging:

T6 leder og avgir basisstrøm til transistorene T7 og T9 i strømgeneratoren, og disse blir derfor ledende. T10 er ledende som følge av at den blir forsynt med basisstrøm fra T8, som også er ledende. På denne måten blir PIN-diode D2 forsynt med like-strøm.

Transistoren T15 leder, og spenningsdelerne R32, R33 og henholdsvis R30, R29, forårsaker at dioden D6 blir ledende, og transistoren T13 blokkeres, noe som i sin tur forårsaker at Til også blokkeres. Spenningen over T13 blir ca. 230 V. Transistorene T14 og T12 blokkeres. Spenningsdeleren R25, R26 forårsaker at spenningen til kollektoren Til blir ca. -210 V.

Ved sending vil den bakoverrettede forspenning på PIN-dioden D2 alene tilveiebringe en dempning mot mottageren på ca. 4 0 decibel, noe som ville medføre et signal på ca. 2,5 V rms over inngangen på 50 ohm i mottageren ved utsendt effekt på 1200 W. Et signal av denne størrelsen ville forårsake at den automatiske forsterk-ningsstyring til mottageren reduserer følsomheten til inngangs-trinnet. Da denne reduksjon av følsomheten oftest ikke avbrytes øyeblikkelig ved omkobling til mottaging, er det en fare for at begynnelsen av den påfølgende melding ikke vil bli oppfattet. I denne oppfinnelsen er det relevante problem redusert ved at PIN-dioden D3 shunter inngangen til mottageren under sending og øker dempningen mot mottageren til et minimum på 65 decibel.

Claims (1)

1. En omkoblingsvender for sending/mottaging utført i PIN-diode teknologi og hovedsakelig tiltenkt for bruk i frekvensområdet l,"5~-~3 0 ~MHz~og~ f or senderef f ekter-opp:rtil—12-00 -W-, — k— a r—a k —— terisert ved at omkoblingsvenderen omfatter induktanser og kapasitanser som har til hensikt å isolere høyfrekvens-signaler fra likespente tilførselskretser, og at de er valgt i overensstemmelse med filterkarakteristikker, hvorved oppnås reduserte tidskonstanter og dermed også hurtigere omkoblings-tider, at tilkoblingskretsene som fører likestrøm, er konstruert med aktive kretser koblet på en slik måte at ingen motstander som kan øke tidskonstantene når det omkobles fra sending til mottaging og omvendt, foreligger i serie med strømforsyningen, at forspenningene i bakoverretning holdes konstante og veldefinerte av strømgeneratorer, at den maksimale spenning over transistorene som inngår i likestrømstilførselskretsene, er begrenset til et maksimum på 70% av PIN-diodens bakover-spenning, og at mottagerens inngang ved senderposisjonen blir shuntet av en ledende PIN-diode for å øke dempningen mot mottageren på denne måte.