DE2450009A1 - Pin-dioden-phasenschieber der hohlleitertechnik - Google Patents

Description

• "PIN-Dioden-Phasenschieber der Hohlleitertechnik" Die Erfindung betrifft einen PIN-Dioden-Phasenschieber der Hohlleitertechnik und ist besonders vorteilhaft im Steuernetzwerk einer phasengesteuerten Gruppenantenne (phased array antenna) benutzbar. Bei dieser Antennenart werden nämlich bekanntlich tfikrolfellen-Phasenschieber in einer Vielzahl benötigt, bei denen es besonders auf geringes Bauvolumen, auf geringe -Verlustleistung, auf hohe technische Zuverlässigkeit und auf preiswürdige Herstellbarkeit bei sehr häufig relativ hoher zu verarbeitender Mikrowellenleistung ankommt; alle diese Erfordernisse erfüllt der erfindungsgemäße Phasenschieber in hohem Maße.
• Gegenwärtig werden üblicherweise zwei Arten Von Phasenschiebern in der Mikrowellentechnik überwiegend benutzt, nämlich der Ferrit-Typ und der Dioden-Typ. Es gibt zwar noch andere Phasenschiebertypen, beispielsweise solche mit Ferro-Elektrika oder Halbleiter-Wafern, aber diese Typen haben in der Praxis oft schwerwiegende Nachteile, die ihre Benutzbarkeit einschränken.
• Die Wahl zwischen Ferrit- und Dioden-Phasenschiebern wird vorwiegend in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz der zu verarbeitenden Mikrowellenleistunggetroffen, wobei Dioden Phasenschieber vorwiegend bei Betriebsfrequenzen unter 2 Gllz und Ferrit Phasenschieber bevorzugt über 10 GHz benutzt werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen PIN-Dioden-Phasenschieber der Hohlleitertechnik anzugeben, der im Gegensatz zu Reflektions-Phasenschiebernals Burchlaß-Phasenschieber (Transmissionlinc-Phasenschieber) benutzbar ist und der gegenüber dem Stand der Technik der Dioden-Phasenschieber eine höher Mikrowellenleistung bei geringerer Verlustleistung zu verarbeiten gestattet, während hierdurch ieinHerstellungspreia und seine Themperatur-Unempfindlichkeit nicht nachteilig beeinflußt wird.
• Der erfindungsgemäße PIN-Dioden-PhasenschiebXrist dadurcb gekennzeichnet, daß hintereinander in Fortpflaüzungsrtchtungder Mikrowellen mindestens zwei PIN-Dioden imMikrowellenfold angeordnet oder in dasselbe eingekoppelt sind, daß an sich bekannte Mittel, beispielsweise eine kurzgeschlossene Übertragungsleitung, mit jeder der PIN-Dioden verbunden sind, um zu gewährleisten, daß die Dioden-Reaktanzen im Sperr- und im Durchlass-Zustand gleichen Betrages, aber unterschiedlichen Vorzeichens sind, und daß Transformationsmittel vorgesehen sind, die sowohl die Eingangs- als auch die Ausgangsleitung des Phasenschieber wellenwiderstandsmaßig an den Wellenwiderstand anpassen, der im Phasenschieber im unmittelbaren Wirksamkeitsbereich der Dioden gegeben ist.
• Die Mittel zur Erzielung der gewünschten Dioden-Reaktznzen sind zweckmäßigerweise eine hochfrequenzmäßig oder galvanisch kurzgeschlossene, in Serie mit der jeweiligen Diode liegende Koaxialleitung, deren Länge und Impedanz nach Elaßgabe der an den Anschlüssen der Diode meßbaren Impedanz gewählt sind.
• Die Transformationsmittel des erfindungsgemäßen Phasenschiebers sind vorzugsweise nach Art eines Tschebyscheff-Transformators in Form eines Steghohlleiters ausgebildet, wobei der Transformator oder ein Teil desselben gegenüber der Hohlleiterwandung galvanisch isoliert sind, um den Dioden die notwendigen Steuer-Gleichströme zuführen zu können. Zum galvanischen Isolieren ist hierbei zweckmäßigerweiße eine dielektrische Schicht in Form einer Folie oder eine Metalloxyd-, beispielsweise eine Aluminiumoxydschicht, vorgesehen.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind zwecks Variationsmöglichkeit des Phasenwinkels Justiermittel vorgesehen, mittels derer der gegenseitige Abstand der mindestens zwei Dioden veränderbar ist, wobei die Justiermittel auf die örtliche Lage zumindest einer der Dioden mechanisch einwirken. Bei einer Ausführungsform der Erfindung bestehen diese Justiermittel für jede justierbare Diode aus einer kreiszylindrischen Dioden-Halterung, die ein exzentrisches Verschieben der örtlichen Lage der jeweiligen Diode um eine zur Hohlleiterlängsachse senkrecht verlaufende Achse ermöglicht.
• Eine besonders hohe verarbeitbare Mikrowellenleistung ergibt sich bei einer Ausbildung eines PIN-Dioden-Phasenschiebers im Sinne einer Weiterbildung der Erfindung, die gekennzeichnet ist durch die konstruktive Vereinigung mehrerer Phasenschieber der erfindungsgemäßen Art in der Weise, daß eine der Hohlleiterwände von zwei unmittelbar benachbarten Phasenschiebern denselben gemeinsam ist; bei Phasenschiebern mit Hohlleitern rechteckförmigen Querschnitts ist vorteilhafterweise eine gemeinsame Hohlleiterbreitseite für zwei benachbarte Phasenschieber vorgesehen.
• Die Wirksamkeitsbereiche der Dioden in den Mikrovellenfeldern unmittelbar benachbarter Phasenschieber grenzen infolg. entspreche+O.
• der Ausbildung der Phasenschieber zweckmäßigerweise unmittelbar an die gemeinsame Hohileiterwandung an.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind der nun folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Patentansprüchen entnehmbar.
• Der erfindungsgemäße Phasenschieber beruht auf einer Lntwicklungs-Konzeption, die vorsieht, daß ausgehend von den meßbaren Dioden-Reaktanzen in FlurJ- und Sperrichtung des Diodenstroms der zur Verfügung stehenden PIN-Dioden ein geeignetes Phasenschiebernetzwerk entwickelt wird, das eine Anwendung des Kompensationsprinzips unerwünschter Dioden-Parameter weitgehend ulerflüssig macht; so wird beim erflndungsgemäßen Phasenschieber die Kompensation praktischer Dioden-Reaktanzen überflüssig und können Dioden hoher Leistung mit sehr großen Sperrschicht-Kapazitäten benutzt werden, wodurch die verarbeitbare blikrowellenleis tung steigt.
• Beim erfindungsgeäßen Phasenschieber können relativ einfach eingangs- und ausgangsseitig anstelle von Hohlleitern andere Mikrowellenleitertypen angeschlossen werden.
• In Fig. i ist in üblicher Weise das Ersatzschaltbild einer PIN-Diode dargestellt. Die Werte der verschiedenen Komponenten dieses Ersatzschaltbildes hängen vom gewählten Sperrschichttyp ab. C p liegt üblicherweise zwischen 0,05 und 0,5 pF, L zwischen 0,1 und p 3nH und Cj zwischen 0,05 und 5pF.
• Der wirksame Mikrowellenwiderstand R hängt gleichfalls von Sperrschichttyp ab und liegt je nach Diodenvorspannungsgröße zwi und -polarität in Durchlaßrichtung typischerweise 0,3 und 3 ohm und in Sperrichtungen etwa zwischen 5 und 15 kohm. Für die meisten Mikrowellenanwendungen ist es erforderlich, die Gehause- und Sperrschicht-Reaktanzen so niedrig wie möglich zu halten, wodurch aber meist die verarbeitbare Mikrowellenleistung sinkt. Da bei der Ereindung diese Reaktanten bei der Di:-lensionierung des Phasenschiebers von vornherein berücksichtigt werden, ist beim erfindungsgemäßen Phasenschieber die Verwendung von PIN-Dioden mit besonders kleinen Gehäuse- und Sperrschichtreaktanzen nicht notwendig; es ist hier nur notwendig, die Dioden-Reaktanzen im Sperr- und Durchlaßzustand auf gleicher Betrag zu halten, selbstverständlich aber mit unterschiedlichem Vorzeichen, was aber in der Praxis einfacher ist als die Durchführung einer Kompensation.
• Um diese Bedingung der Reaktanz-Änderung um den Nullwert in Sperr-und Durchlaßzustand einzuhalten, werden Serien-Reaktanzen für die Dioden benötigt, die die Erfüllung der Gleichung xs = - (x1 + 2) /2 ermöglichen, wobei X5 diese Serien-Reaktanz und X1 bzw. X2 die Dioden-Eingangs-Reaktanzen im Sperr- und Durchlaßbereich sind.
• X5 läßt sich praktisch vorteilhaft durch eine hochfrequenzmäßig oder galvanisch lcurzgeschlossene, in Serie mit der jeweiligen Diode liegende Koaxialleitung verwirklichen, deren Länge una; Impedanz nach Maßgabe der an dbn Anschlüssen der Dioden meßbaren Impedanz gewählt sind.
• Der bei der Erfindung benutzte Phasenschiebert ist derjenige einer belasteten Leitung und in Fig. 2 gezeigt. Der Reaktanzwechsel von +jZ und -jZ wird normalenueise durch Kurzschluß einer 1/8-Wellenlänge langen Leitung der Impedanz Z mittels einer PIN-Diode bewirkt. Die Beziehung zwischen den Parametern 20, Z0 und Z bei vernachlässigbarer Verlustleistung kann durch die folgenden Gleichungen in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung 0 ausgedrückt werden.
• X = Ro cot (/2) ZO = Ro cos (#/2 ) Falls die Reaktanz Z verlustbehaftet ist, so daß Z = R + jX, kann die >latrizen-Rechnung zum Bestimmen der Verlustleistung benutzt werden, wodurch sich zeigen läßt, daß im X-Band (etwa 3 cm Wellenlänge) infolge der relativ kleinen Dioden-Impedanzen kleine Phasen-Bits nur schwer realisiert werden können.
• Diese Schwierigkeit kann jedoch behoben werden durch Einführung eines großen Phasen-Bits in einem Vielfach-Bit-Phasenschieber mit geeigneten inkrementellen Unterschieden zum jeweils nächstgrößeren Bit.
• Beispielsweise hat ein Phasenschieber mit Phasen-Bits von 900, 1330 und 1800 dicselben Einstellmöglichkeiten wie ein solcher mit 45°, 90° und 180°. Im ersten Palle wurden 45°gemäß Fig. 3 durch die Phasenschiebung von 4030 erzeugt.
• Ein Vorteil der niedrigen Impedanzen rührt daher, daß die Spitzenspannung über den Dioden im Vergleich zu einem 50-01m-Systen reduziert wird.
• Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Tschebyscheff-Transformator in Form eines Steghohlleiters. Hiermit läßt sich beispielsweise ein Phasenwinkel von 75 einstellen.
• Die Verschiebung der Dioden vom Zentrum des Steghohlleiters weg führt zu einer gegenseitigen Entkopplung, wodurch die Dioden-Impedanzen anzeigen, was für Hochleistungsanwendungen sehr vorteilhaft ist. Die Vorspannungszufuhrung für die Dioden erfolgt beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 über eine durch einen Scheibenkondensator geführte Leitung, die zum gegenüber dem Hohlleiter durch eine Teflon-Folie galvanisch isolierten Transformator führt; der zweite Anschluß der Dioden liegt an Masse, d. h. am Hohlleiter.
• Falls ein Mehrfach-Bit- Phasenschieber gewünscht ist, muß jeder der Dioden-Paare die Vorspannung getrennt zuführbar sein, so daß eine galvanische Unterteilung des Transformators zweckmäßig ist.
• Der Transformator in Fig. 4 ist am Hohlleiter durch Schrauben befestigt, die die galvanische Isolation des Transformators gegenüber dem IIohlteiter nicht beeinträchtigen dürfen und daher zwecknäßigerweise Kunststoffschrauben sind oder anderweitig isolierte Schrauben.
• Die Dioden beim Ausführungsbeispiel der Fig, 4 sind auf Bolzen befestigt, die innerhalb von Bohrungen in Messing-Zylindern verschiebbar sind und an ihrem anderen Ende an eine Feder angrenzen, die zum Druck der Dioden gegen den Transformator fü:ren.
• Diese Zylinder fungieren gleichzeitig als die Außenleiter er oDen erwähnten Mittel, die die Dioden-Reaktanzen für Sperr- und DurchIafzustand auf gleiche Betrage mit unterschiedlichem Vorzeichen bringen. Bei gelösten Halteschrauben sind die Dioden mit ihren zugehörigen Bolzen und Federn durch die Bohrungen der Zylinder herausnehmbar.
• Der in Verbindung mit der Vorspannungszuführung bereits erwähnte Scheibenkondensator befindet sich nach dem Ausfüllrungsbeispiel der Fig. 4 in einer an sich bekannten Wellenfalle, in der das Transformationsverhalten einer Leitung mit einer 1/ 4 -Wellenlänge entsprechenden Länge ausgenutzt ist.
• Fig. 5 zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel der Erfindung wie Fig. 4, jedoch mit Blickrichtung von oben, gesehen in der Darstellungsweise der Fig. 4, wobei die obere Hohileiterwandung teilweise durchbrochen ist, um den Transformator stellenweise erkennbar zu machen. Eingangs- und ausgangsseitig ist das Ausführungsbeispiel der Figuren 4 und 5 mit üblichen IIohlleiter-Flanschen abgeschlossen. Der gegenseitige Abstand der Dioden entspricht vorzugsweise einer 1/4-Betriebsuellenlange, kann jedoch auch davon abweichen, cs lassen sich g;undsätzlich beliebig viele Phasenschieber nach Fig. 4, 5 in Serie schalten.
• Fig. 6 zeigt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung Justiermittel für die örtliche Lage einer der im Phasenschieber nach der Erfindung, insbesondere nach Fig. i, 5 benutzbaren Diode. Hiermit läi3t sich die Phase exakt einstellen, und zwar dadurch, daß die Diode innerhalb eines Kreiszylinders der Dioden-Halterung exzentrisch um die Zylinderlängsachse rotierbar ist.
• Zum Rotieren wird zunächst eine Arretierschraube gelöst. Nunmehr ist der rotierbar Zylinder innerhalb der kreiszylindrischen Dioden-Halterung rotierbar. Im rotierbaren Zylinder befindet sich wiederum ein Bolzen, an dessen einem Ende die Diode befestigt ist und an dessen anderes Ende eine Druckfeder angreift. Das Lösen einer Halterungsschraube erlaubt wiederum das Herausnehmen der Diode mit zugehörigem Beizen und der genannten Feder.
• Die Möglichkeit der flikrowellenverarbeitung durch die bisher beschriebenen Phasenschieber nach der Erfindung ist leistungsmäßig nach oben hin im wesentlichen begrcnzt durch die Durchbruchspannung der Dioden und durch die niedrigste Impedanz, die im Hohlleitersystem realisierbar ist.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Erhöhung dieser Leistung das Prinzip der Leistungsteilung angewendet; grundsätzlich könnte hierzu jede Art dor Aufteilung benutzt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich jedoch die konstruktive Vereinigung mehrerer Phasenschieber nach der Erfindung in der Weise herausgestellt, daß eine der Hohlleiterwände von zwei unuittelbar benachbarten Phasenschieber denselben gemeinsam ist.
• Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung. Es besteht aus zwei Phasenschiebern nach Figuren 4, 5 mit Hohlleitern rechteckförmigen Querschnitts, wobei die beiden Hohlleiter eine gemeinsame Breitseite besitzen.
• Im Gegensatz zu Figuren 4, 5 sind beim Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Fig. 7 die Mittel zum jeweils gewünschten Beeinflussen der Dioden-Reaktanzen innerhalb der Transformationsq mittel (Transformator) angeordnet anstelle in nach außen ragenden Zylindern.
• Ein- und ausgangsseitig sind beim Ausführungsbeispiel nach Fig, 7 Anpassungs-Transfort:atoren in Form von normalerweise 1/4-Betr ebsweilenlanoe langen Metallklötzen an den äußeren Hohlleiterbreitseiten an den abgestuften Veränderungen der inneren Hohlleiterquerschnitte vorgesehen, wodurch ein- und ausgangsseitig äußerlich wie die Anordnung nach Fig. 7 dirnensionierte Hohlleiter an die gezeigten Flansche anschließbar sind.

Claims (11)

Patentansprüche

1.PIN-Dioden-Phasenschieber der Hohlleltertechnik,dadurch gel;ennzeichnet, daß hintereinander in Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellen mindestens zwei PiN-Dioden im Mikrowellenfeld angeordnet oder in dasselbe eingekoppelt sind, daß an sich bekannte Mittel1 beispielsweise eine kurzgeschiossene U;bertragungsleitung, mit jeder der PIN-Dioden verbunden sind, um zu gewährleisten, daß die Dioden-Reaktanzen im Sperr- und im Durchlaß-Zustand gleichen Betrages, aber unterschiedlichen Vorzeichens sind, und daß Transformationsmittel vorgesehen sind, die sowohl die Einganss- als auc die Ausgangsleitung des Phasenschieberswellen widerstandsmäßig an den Wellenwiderstand anpassen, der im Phasenschieber im unmittelbaren Wirksamkeitsbereich der Dioden gegeben ist.

2. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzielung der gewünschten Dioden-Reaktanzen eine hochfrequenzmäßig oder galvanisch kurzgeschiossene, in Serie mit der jeweiligen Diode liegende Koaxialleitung sind, deren Länge und Impedanz nach Maßgabe der an den Anschlüssen der Diode messbaren Impedanz gewählt sind.

3. Phasenschieber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatonsmittel nach Art eines 1schebyscheff-Transformators in Form eines Steghohlleiters ausc;ebildet sind und daß der Transformator oder ein Teil desselben gegenüber dem ilohileiter galvanisch isoliert sind.

s. Phasenschieber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum galvanischen isolieren eine dielektrische Schicht in Form einer Folie oder einer Metalloxydschicht vorgesehen sind.

5. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Justiermittel vorgesehen sind, mittels derer der gegenseitige Abstand der mindestens zwei Dioden veränderbar ist.

6. Phasenschieber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiernittel mechanisch auf die örtliche Lage mindestens einer der Dioden einwirken.

7. Phasenschieber nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiermittel einer justierbaren Diode. aus einer kreiszylindrischen Dioden-Halterung bestehen, die ein exzentrisches Verschieben der örtlichen Lage der jeweiligen Diode ni.eine zur Hohileiterlängsachse senkrecht verlaufenden Achse ermöglicht.

8. Phasenschieber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum jeweils gewünschten Beeinflussen der Dioden-Reaktanzen innerhalb der Transformationsmittel angeordnet sind.

9. Phasenschiebernach einem der Ansprüche 1 bis 8, geselmzeichnet durch die konstruktive Vereinigung mehrerer Phasenschieber dieser Art in der Weise, daß eine der Hohlleiterwändevon zwei unmittelbar benachbarten Phasenschiebern denselben gemeinsam ist.

10. Phasenschieber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirksamkeitsbereiche der Dioden in den iikroweilenfeldern der unmittelbar benacllbartenPhasenschieber unmittelbar an die gemeinsame Hohlleiterwandung angrenzen.

11. Phasenschieber nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der konstruktiven Vereinigung ein- und ausgangsseitig zusätzlich Anpassungs-Transformationsmittel vorgesehen sind