DE4427034A1 - Phasenschiebertafel mit vier Phasenzuständen und ihre Anwendung bei einer Höchstfrequenzlinse und einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Phasenschiebertafel mit vier Phasenzuständen, bei der von aktiven Halbleiterelemen­ ten Gebrauch gemacht wird. Sie bezieht sich ferner auf die Anwendung einer solchen Tafel bei der Verwirklichung einer Höchstfrequenzlinse und einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung.

Die Realisierung einer Antenne mit elektronischer Strahl­ schwenkung erfordert bekanntlich Komponenten, die an einer Höchstfrequenzwelle eine steuerbare Phasenverschiebung her­ vorrufen können. Aus der französischen Patentschrift 2.469.808 ist beispielsweise bekannt, zur Realisierung einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung eine Höchstfre­ quenzlinse zu verwenden, die aus Tafeln gebildet ist, die jeweils eine Phasenverschiebung der sie durchlaufenden Höchstfrequenzwelle herbeiführen. Diese Tafeln enthalten Leiterdrähte, die Dioden tragen, wobei die Drähte parallel zur Richtung des elektrischen Feldes der Welle angeordnet sind. Die Steuerung des Durchlaß- oder Sperrzustandes der Dioden ermöglicht es, die der einfallenden Welle von jeder der Tafeln verliehene Phasenverschiebung zwischen zwei Wer­ ten zu ändern und somit eine elektronische Strahlschwenkung zu erzielen.

Eine solche Antenne erfordert jedoch eine Anzahl von längs der Bahn der Welle angeordneten Phasenschiebertafeln, die umso größer ist, je größer die Anzahl der bestimmten Phasen­ verschiebungswerte gewünscht wird, was mit einer Erhöhung der Verluste und der Kosten verbunden ist, die eine Ein­ schränkung darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Phasenschie­ bertafel zu schaffen, mit deren Hilfe vier verschiedene Pha­ senverschiebungswerte je nach dem angelegten Steuerbefehl erhalten werden können, so daß eine merkliche Verringerung der in der vorgenannten Anwendung erforderlichen Tafel er­ zielt werden kann.

Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Phasenschieber­ tafel, die eine in einer gegebenen Richtung linear polari­ sierte elektromagnetische Welle empfangen kann; die Tafel enthält auf einem Träger angeordnete Leiterdrähte, die je­ weils wenigstens zwei Halbleiterelemente tragen, beispiels­ weise Dioden; diese Dioden sind an diese Leiterdrähte ange­ schlossen, so daß der Zustand der Dioden unabhängig vonein­ ander gesteuert werden kann, wobei jede Diode einen Durch­ laßzustand oder einen Sperrzustand haben kann. Auf diese Weise werden vier mögliche Zustände erhalten, und die geo­ metrischen und elektrischen Eigenschaften der Tafel sind derart, daß jeder dieser Zustände einem gegebenen Phasenver­ schiebungswert entspricht.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Anwendung einer solchen Tafel zur Realisierung einer Höchstfrequenzlinse des in der obenerwähnten Patentschrift erläuterten Art. Ferner bezieht sie sich auf die Anwendung einer solchen Linse für die Realisierung einer Antenne mit elektronischer Strahl­ schwenkung.

Weitere Merkmale, Besonderheiten und Ergebnisse der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles, in der auf die beigefügten Zeichnung­ en Bezug genommen ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausfüh­ rungsform der Tafel gemäß der Erfindung;

Fig. 2 das Ersatzschaltbild der Tafel von Fig. 1;

Fig. 3a und 3b schematische Darstellungen zur Veranschau­ lichung der Höchstfrequenzlinse gemäß der vorgenannten französischen Patentschrift und ihrer Anwendung bei der Realisierung einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung.

In den verschiedenen Figuren beziehen sich gleiche Bezugs­ zeichen auf gleiche Elemente.

In Fig. 1 ist eine Teilansicht einer Ausführungsform einer Tafel gemäß der Erfindung dargestellt.

Diese Tafel P enthält ein dielektrisches Substrat 1, auf dem Drähte F im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, die jeweils wenigstens zwei Halbleiterelemente D₁ und D₂ mit zwei Zuständen, beispielsweise Dioden, tragen, die beispielsweise entgegengesetzt zueinander, beispielsweise mit ihren Kathoden angeschlossen sind. Die Versorgungsspan­ nung der Dioden D₁ und D₂ wird über drei im wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zu den Drähten F verlau­ fende Leiter 51, 52 und 53 zugeführt, wobei der Leiter 53 der Mittelleiter ist. Das Substrat 4 trägt ferner an seinen zwei Rändern zwei metallische Leiter 74 bzw. 75, die im we­ sentlichen parallel zu den Leitern 51-53 verlaufen und in einem Abstand D₀ von den Leitern 51 bzw. 52 angeordnet sind. Die Leiter 51 und 53 liegen in einem Abstand D_I1 vonein­ ander, und die Leiter 53 und 52 liegen in einem Abstand D_I2 voneinander. Die Drähte F haben im wesentlichen gleiche Ab­ stände mit einer Schrittweite von a voneinander. Die Leiter 74 und 75 liegen in einem Abstand b voneinander. Aus Gründen der Klarheit der zeichnerischen Darstellung ist die Fläche der verschiedenen Leiter, die beispielsweise in Form metal­ lischer Auflagen auf dem Substrat 4 gebildet sind, in der Zeichnung punktiert dargestellt, obgleich sie nicht im Schnitt zu sehen sind.

Fig. 2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Tafel von Fig. 1 im Höchstfrequenzbereich.

Die Höchstfrequenzwelle wird bei einer Impedanz von Z = 120 πb/a und mit einer bezüglich des elektrischen Feldvektors parallel zu den Drähten F geradlinigen Polarisation an den Klemmen B₁ und B₂ empfangen; sie trifft dabei auf drei Kapazitäten C₀, C_I1, C_I2, die in Serie und parallel zu den Klemmen B₁ und B₂ geschaltet sind. Die Kapazität C₀ repräsentiert die Entkoppelungsbelagkapazität zwischen den Leitern 51 und 52 und den Leitern 74 bzw. 75; die Kapazität C_I1 ist die Belagkapazität zwischen den Leitern 51 und 53, und die Kapazität C_I2 ist die Belagkapazität zwischen den Leitern 53 und 52.

An die Klemmen der Kapazität C_I1 ist eine Diode D₁ ange­ schlossen, die ebenfalls durch ihr Ersatzschaltbild darge­ stellt ist. Letzteres ist durch eine Induktivität L₁ gebil­ det, die in Serie liegt mit:

• - einer Kapazität C_i1 in Serie mit einem Widerstand R_i1, oder
• - einem Widerstand R_d1,

je nachdem, ob die Diode D₁ in Sperrichtung oder in Durch­ laßrichtung geschaltet ist, was symbolisch durch einen Schalter 2₁ dargestellt ist.

In gleicher Weise ist an die Klemmen der Kapazität C_I2 eine Diode D₂ angeschlossen, die durch ihr Ersatzschaltbild dargestellt ist. Letzteres ist analog zu dem der Diode D₁, wobei ihre Bauelemente den Index 2 tragen.

Die Höchstfrequenz-Ausgangsspannung wird zwischen den Klem­ men B₃ und B₄, also den Klemmen der drei Kapazitäten C₀, C_I1 und C_I2 abgenommen.

Die Parameter des Dioden-Ersatzschaltbildes, beispielsweise der Diode D₁, sind wie folgt definiert:

• - Die Induktivität L₁ ist gegeben durch Darin sind:
  L_D1 die Induktivität der Diode D unter Berücksichtigung ihres Verbindungsdrahtes (F) mit den Leitern 51-53;
  a der Abstand zwischen zwei Dioden D₁;
  b der Abstand zwischen den Leitern 74 und 75;
  α ein die Wechselwirkung zwischen den Drähten F charakterisierender Koeffizient;
• - der Widerstand R_i1 ist der durch das Verhältnis a/b beeinflußte Sperrwiderstand der Diode D₁;
• - der Widerstand R_d1 ist der vom gleichen Verhältnis beeinflußte Durchlaßwiderstand der Diode;
• - die Kapazität C_i1 ist die vom Verhältnis b/a beein­ flußte Sperrschichtkapazität der Diode.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Tafel wird anschlie­ ßend erläutert, wobei in einer ersten Stufe das Verhalten einer solchen Tafel ohne die Dioden D₂ und den Leiter 53 betrachtet wird, was im Ersatzschaltbild von Fig. 2 dazu führt, daß der Block D₂ sowie die Kapazität C_I2 weggelassen werden.

Wenn die Dioden D₁ in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, ergibt sich der Blindleitwert B_d der modifizierten Schaltung von Fig. 2 wie folgt:

wobei ω die der Mittenfrequenz des Betriebsbandes der Vorrichtung entsprechende Kreisfrequenz ist.

Die Parameter der Schaltung werden so gewählt, daß B_d-0 erreicht wird, d. h. daß bei Vernachlässigung ihres Wirk­ leitwertes die Schaltung angepaßt ist oder auch mit anderen Worten, daß sie für die einfallende Höchstfrequenzwelle durchlässig ist, also weder Störreflexionen noch eine Pha­ senverschiebung einführt (dΦ_d1 = 0). Genauer gesagt wird folgendes gewählt:

LC_Iω² = 1

Dies führt zu B_d ≃ 0, unabhängig insbesondere vom Wert der Kapazität C_i1.

Wenn die Dioden in Sperrichtung vorgespannt sind, ergibt sich der Blindleitwert der Tafel wie folgt:

Bei zuvor festgelegter Kapazität C_I kann der Wert des Blindleitwertes B_R und folglich der Wert der Phasenver­ schiebung dΦ_i1, den die einfallende Höchstfrequenzwelle erfährt, durch Einwirkung auf den Wert der Kapazität C_i, das heißt durch Wahl der Diode D₁ eingestellt werden.

Auf diese Weise werden zwei Phasenverschiebungswerte erhalten: dΦ_d1 = 0 und dΦ_i1.

Wenn nun in einer zweiten Stufe das Vorhandensein der Dioden D₂ und des Mittelleiters 53 betrachtet wird, ist durch eine analoge Überlegung zu erkennen, daß bei einem Vorspannen der Diode D₂ in Durchlaßrichtung die einfallende Höchstfre­ quenzwelle keine Phasenverschiebung erfährt (dΦ_d2 = 0), während sie bei einer Vorspannung der Dioden D₂ in Sper­ richtung eine gegebene und einstellbare Phasenverschiebung (dΦ_i2) erfährt.

Wenn nun die gesamte Tafel betrachtet wird, ist zu erkennen, daß diese der sie durchlaufenden Höchstfrequenzwelle hier nach dem Steuerbefehl (Vorspannung in Durchlaßrichtung oder in Sperrichtung), der an jede der Dioden D₁ und D₂ angelegt wird, vier verschiedene Phasenverschiebungswerte aufprägen kann.

Es gilt:

• - wenn die Dioden D₁ und D₂ in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, hat die der Welle verliehene Phasenverschiebung (dϕ₁) den Wert null;
• - wenn die Dioden D₁ in Durchlaßrichtung und die Dioden D₂ in Sperrichtung vorgespannt sind, ist die eingeführte Pha­ senverschiebung (dΦ₂) die der Dioden D₂ allein, und sie hängt somit vom Wert der Kapazität C_i2 ab;
• - wenn umgekehrt die Dioden D₁ in Sperrichtung und die Di­ oden D₂ in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, ist die durch die Tafel herbeigeführte Phasenverschiebung (dΦ₃) die durch die Dioden D₁ allein herbeigeführte Verschiebung, die somit von der Kapazität C_i1 dieser Dioden abhängt;
• - wenn alle Dioden D₁ und D₂ in Sperrichtung vorgespannt sind, wird die Phasenverschiebung (dΦ₄) gleichzeitig von den Dioden D₁ und D₂ herbeigeführt und hängt somit von C_i1 und C_i2 ab.

Es sei bemerkt, daß oben der Fall beschrieben worden ist, bei dem die Parameter der Schaltung so gewählt worden sind, daß die Blindleitwerte mit dem Wert null (oder im wesent­ lichen null) so sind, daß sie den in Durchlaßrichtung vorge­ spannten Dioden entsprechen, jedoch kann natürlich auch ein symmetrischer Betrieb gewählt werden, bei dem die Parameter so bestimmt werden, daß der Blindleitwert B_R im wesentlichen annuliert wird.

Eine solche Tafel kann vorteilhafterweise bei der Reali­ sierung einer Höchstfrequenzlinse des Typs verwendet werden, der in der vorgenannten Patentschrift beschrieben und sche­ matisch in den Fig. 3a und 3b dargestellt ist.

Fig. 3a zeigt dabei einen schematischen Teilschnitt in der Ebene des elektrischen Feldes E der Höchstfrequenzwelle, und Fig. 3b zeigt den Aufbau einer Tafel, wie sie oben be­ schrieben wurde.

In Fig. 3b ist die Tafel P zu erkennen, die die Drähte F mit jeweils einer Diode D₁ und einer Diode D₂, die bei­ spielsweise an ihren Katoden verbunden sind, sowie die Leiter 51, 52 und 53 trägt.

Die Höchstfrequenzlinse von Fig. 3a enthält mehrere Tafeln P, die zwischen leitenden Platten 70, 71, 72 angeordnet sind, die die Rolle der Leiter 74 und 75 von Fig. 1 spielen. Die Gesamtheit der zwischen zwei Platten 70-72 an­ geordneten Tafeln P bildet einen Phasenschieber (d₁, d₂, d₃ . . . ).

Der Stapel aus mehreren Phasenschiebern bildet eine aktive Höchstfrequenzlinse, die bei Anstrahlung durch eine Höchst­ frequenzquelle S die Bildung einer Antenne mit elektroni­ scher Strahlschwenkung ermöglicht. Die Quelle S liefert eine elektromagnetische Welle, deren Ausbreitungsrichtung durch ein Pfeilziehen dargestellt ist und deren elektrisches Feld E senkrecht zu den Platten 70, 71, 72 . . . und parallel zu den die Dioden tragenden Drähten F verläuft.

Da die Tafeln P unabhängig voneinander gesteuert werden, ist zu erkennen, daß die Phasenverschiebungen, die sie der sie durchlaufenden Welle verleihen, von Tafel zu Tafel unter­ schiedlich sein können. Durch Anordnen mehrerer Tafeln hin­ tereinander längs der Bahn der Höchstfrequenzwelle können Phasenverschiebungen erhalten werden, die in von der Anzahl der aneinandergefügten Tafeln abhängigen Schritten von 0- 360° gehen. Es ist zu erkennen, daß die Tatsache, daß jede der erfindungsgemäßen Tafeln der sie durchlaufenden Welle vier unterschiedliche Phasenverschiebungen verleihen kann, eine Reduzierung der gesamten Anzahl der Tafeln ermöglicht. Durch Übereinanderstapeln mehrerer solcher Phasenschieber kann eine elektronische Strahlschwenkung in einer Ebene parallel zum elektrischen Feld verwirklicht werden, wie dies durch einen Pfeil 20 dargestellt ist, der die Ausbreitungs­ richtung der austretenden Welle angibt.

Die obige Beschreibung der Tafel diente lediglich als Bei­ spiel; es sind verschiedene Varianten möglich. Beispiels­ weise ist es möglich, mit einem Draht mehrere Dioden wie die Dioden D₁ in der gleichen Richtung und/oder mehrere Dioden D₂ ebenfalls in der gleichen Richtung zu verbinden; diese Abwandlung ermöglicht eine Reduzierung der äquivalenten Ka­ pazität der Schaltung und folglich eine Vergrößerung des Durchlaßbandes. Die Dioden D₁ und D₂ sind zueinander entgegengesetzt gerichtet dargestellt worden, jedoch können sie auch in Serie geschaltet werden, falls dann die Steuer­ schaltungen in entsprechender Weise angepaßt werden. Außer­ dem kann der Leiter 53 aufgespalten werden, was das Speisen der Dioden D₁ und D₂ erleichtern kann.

Claims (5)

1. Phasenschiebertafel für den Empfang einer gemäß einer gegebenen Richtung linear polarisierten elektromagnetischen Welle, mit einem dielektrischen Träger (1) sowie sich im we­ sentlichen parallel zu der gegebenen Richtung erstreckenden, elektrisch leitenden Drähten (F), die auf dem Träger ange­ ordnet sind, wobei die Drähte an im wesentlichen senkrecht zu ihnen verlaufende Steuerleiter von Halbleiterelementen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger außerdem zwei bei seinem Rand angeordnete Leiter (74, 75) aufweist, die im wesentlichen senkrecht zu den Steuerleitern verlaufen, und das die Drähte wenigstens zwei zwei Zustände aufweisende Halbleiterelemente (D₁, D₂) tragen, wobei wenigstens drei Steuerleiter (51, 52, 53) vorhanden sind, um den Zustand der Halbleiterelemente unabhängig voneinander zu steuern, wobei die geometrischen und elektrischen Eigen­ schaften der Tafel derart sind, daß jeder der Zustände der Halbleiterelemente einen gegebenen Phasenverschiebungswert (dΦ₁, dΦ₂, dΦ₃, dΦ₄) der sie durchlaufenden elektromagne­ tischen Welle entspricht.

2. Tafel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente Dioden sind.

3. Tafel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen und elektrischen Eigen­ schaften der Tafel derart sind, daß diese für einen der Zustände der Halbleiterelemente angepaßt ist.

4. Höchstfrequenzlinse für den Empfang einer Höchstfrequenz­ welle, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Phasenschie­ ber (d₁, d₂ . . . ) aufweist, von denen jeder aus mehreren Tafeln (P) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist, die im wesentlichen parallel zueinander zwischen lei­ tenden Platten (70, 71, 72) in der Richtung der Ausbreitung der Höchstfrequenzwelle angeordnet sind, wobei die Phasen­ schieber senkrecht zu dieser Richtung aufeinandergestapelt sind.

5. Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sie eine Linse gemäß Anspruch 5 sowie eine Quelle (S) enthält, die eine in dieser Richtung linear pola­ risierte elektromagnetische Welle aussenden kann, wobei die elektronische Strahlschwenkung durch Steuern des Zustandes der Halbleiterelemente in der Ebene dieser Richtung erhalten wird.