DE19608966A1 - Verfahren zur Einstellung der Phase und des Betrages eines analogen Signals und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Phase sowie des Betrages eines analogen Signals nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 6.

In vielen technischen Anwendungsfällen, insbesondere der Nachrichtentechnik, ist es erforderlich, zu einem analogen Eingangssignal ein entsprechendes analoges Ausgangssignal, dessen Betrag (Amplitude) sowie dessen Phase geändert sind, zu erzeugen. Bei elektrischen Signalen ist es bei­ spielsweise üblich, die Phase des Signals mittels entspre­ chender Reaktanzen (Induktivität, Kapazität) zu verändern. Amplituden sind beispielsweise durch Abschwächer oder Ver­ stärker veränderbar. Sollen beispielsweise gleichzeitig Phase und Amplitude geändert werden, so ist es nahelie­ gend, beispielsweise eine Reihenschaltung von einem ein­ stellbaren Phasenglied (Phasensteller) und einem nach­ geschalteten einstellbaren Verstärker zu verwenden. Mit dem Verstärker ist vorteilhafterweise eine Entkopplung der Phasen- sowie der Amplitudeneinstellung (Betragseinstel­ lung) möglich.

Derartige Anordnungen benötigen in nachteiliger Weise zwei im allgemeinen unterschiedliche Steuersignale, nämlich ei­ nes, das an die Eigenschaften des Phasenstellgliedes ange­ paßt ist, und ein anderes, das an die Eigenschaft des Am­ plitudenstellgliedes angepaßt ist.

Soll nun eine solche Phasen- sowie Amplitudeneinstellung im Hoch- oder Höchstfrequenzbereich, beispielsweise im GHz-Bereich, durchgeführt werden, so müssen bei den Pha­ sen- sowie Amplitudenstellgliedern auch deren parasitäre Eigenschaften berücksichtigt werden. Denn in diesem Fre­ quenzbereich sind Phasen- und Amplitudeneinstellungen im allgemeinen nicht vollständig unabhängig voneinander ein­ stellbar. Diese parasitären Eigenschaften sind außerdem von Herstellungs- und/oder Materialtoleranzen der verwen­ deten Bauelemente abhängig.

Diese parasitären Eigenschaften sind insbesondere dann störend, wenn zu einem Eingangssignal mehrere Ausgangs­ signale erzeugt werden müssen, bei denen in vorgebbarer Weise veränderbare Phasen- sowie Amplitudeneinstellungen durchgeführt werden müssen. Ein solcher Anwendungsfall ist beispielsweise bei der Radartechnologie bei einer soge­ nannten phasengesteuerten Antenne vorhanden. Diese besteht im wesentlichen aus einer Vielzahl von Strahlerelementen, mit denen ein elektronisch gesteuertes Schwenken des An­ tennenrichtdiagramms dadurch ermöglicht wird, daß die so­ genannte Phasen- und/oder Amplitudenbelegung der Antenne in vorgebbarer Weise gesteuert wird. Dafür ist eine ent­ sprechende Phasen- sowie Amplitudensteuerung der elektri­ schen Sende- und/oder Empfangssignale erforderlich, die zu jedem einzelnen Strahlerelement gehören.

Bei einer solchen Anordnung kann der störende Einfluß der erwähnten parasitären Eigenschaften beispielsweise durch eine Verringerung der entsprechenden Toleranzbereiche und/ oder durch Eich- sowie Abgleichvorgänge beseitigt werden. Dieser ist aber in nachteiliger Weise kostenungünstig so­ wie technisch aufwendig. Denn für die Durchführung der Eich- sowie Abgleichvorgänge ist beispielsweise für jeden Phasensteller und jeden Amplitudensteller jeweils ein zu­ gehöriger Abgleicheinsteller erforderlich, mit welchem le­ diglich die parasitären Eigenschaften ausgeglichen werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat­ tungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit dem eine Phasen- und Amplitudeneinstellung möglich wird, insbesondere bei meh­ reren gleichartigen Phasen- und Amplitudenstellgliedern, ohne daß bei diesen ein individueller Eich- und/oder Ab­ gleichvorgang erforderlich wird.

Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 6 angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ledig­ lich mit einer Art eines Steuersignals in einem weiten Be­ reich eine im wesentlichen unabhängige Einstellung der Phase und der Amplitude (Betrag) möglich wird.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß eine Herstellung derartiger Phasen- und Amplitudenstellglieder in kosten­ günstiger Weise so genau erfolgen kann, daß bei Verwendung einer Vielzahl dieser Stellglieder kein individueller Ab­ gleich erforderlich ist, um Stellglieder mit gleichen Ei­ genschaften herzustellen.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß insbesondere bei Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten ein kostengünstiger und schneller Austausch defekter Phasen- und Amplituden­ stellglieder möglich wird, ohne daß anschließend Eich­ und/oder Abgleichvorgänge erforderlich werden.

Ein vierter Vorteil besteht darin, daß eine sehr wirt­ schaftliche Lagerhaltung von Ersatzteilen möglich wird, denn es muß lediglich ein Phasen- und Amplitudensteller gelagert werden im Gegensatz zu der individuellen Lagerung der diskreten Komponenten Phasensteller sowie Amplituden­ steller.

Ein fünfter Vorteil besteht darin, daß bei einer Verwen­ dung von Phasenstellern, die lediglich aus passiven Bau­ elementen, beispielsweise Induktivitäten (Spulen) und/oder Kapazitäten (Kondensatoren), aufgebaut sind, ein hoher dy­ namischer Arbeitsbereich ermöglicht wird.

Ein sechster Vorteil besteht darin, daß sich bei Verwen­ dung von passiven, digital ansteuerbaren Phasenstellern die erreichbare Phasenauflösung um ein Bit (vorgebbares Phaseninkrement) vergrößert.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf eine schematisch darge­ stellte Zeichnung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt ein schematisch dargestelltes Blockbild zur Erläuterung der Erfindung. Ein an einem Signaleingang E anliegendes analoges Eingangssignal EG wird einer Si­ gnalaufteilung SA zugeführt und dort in zwei parallel ge­ schaltete, vorzugsweise gleiche Pfade aufgeteilt. Jeder Pfad enthält lediglich einen einstellbaren Phasensteller PH1, PH2, die vorzugsweise gleich aufgebaut sind und über zugehörige Steuersignale ST1, ST2 entsprechend der einzu­ stellenden Phasenverschiebung eingestellt werden. Die Aus­ gangssignale der Phasensteller werden in einer Signalzusammenführung SZ zusammengeführt und an einen Signalaus­ gang A gelegt.

Bei einer solchen Anordnung entstehen also aus einem ana­ logen Eingangssignal EG = A · cos(wt), wobei A den Betrag (Amplitude) und wt die Phase des Signals bedeuten, nach der Signalaufteilung SA zwei vorzugsweise gleiche Einzel­ signale E1, E2 mit E1 = E2 = A/2 · cos(wt). Nach den Pha­ senstellern PH1, PH2 entstehen daraus die zugehörigen pha­ senverschobenen Signale EA1, EA2 mit EA1 = (A/2) · cos(wt + ϕ1 und EA2 = (A/2) · cos(wt) + ϕ2), wobei ϕ1, ϕ2 die an den Phasenstellern PH1, PH2 eingestellten Phasen­ verschiebungen t, die Zeit und w die Kreisfrequenz bedeu­ ten. Nach der Signalzusammenführung SZ entsteht ein Aus­ gangssignal AS entsprechend dem Additionstheorem für Si­ nus-Funktionen entsprechend der Formel

AS = EA1 + EA2 = (A/2)[cos(wt + ϕ1) + cos (wt + ϕ2)]
= A · cos [(ϕ1-ϕ2)/2] · cos [wt + (ϕ1 + ϕ2)/2]
= B · cos (wt + 0).

Dabei entspricht der Term A · cos((ϕ-ϕ2)/2] = B dem Be­ trag (Amplitude) und der Term wt + (ϕ1 + ϕ2)/2 = wt + 0 der Phasenlage des Ausgangssignals AS bezogen auf den Be­ trag und die Phase des Eingangssignals EG. Aus diesen For­ meln ist ersichtlich, daß bei dem Ausgangssignal AS dessen Betrag und dessen Phase allein durch entsprechende Ein­ stellungen der Phasensteller PH1, PH2 geändert werden können.

Werden für die Phasensteller PH1, PH2 beispielsweise durch die Steuersignale ST1, ST2 einstellbare Verzögerungslei­ tungen verwendet, so ist die dargestellte Anordnung an sehr unterschiedliche Signale, beispielsweise elektrische oder optische oder akustische Signale, anpaßbar.

Die folgenden Ausführungsbeispiele sind insbesondere in der Radartechnologie, insbesondere im GHz-Bereich, bei­ spielsweise dem Frequenzbereich von 5 GHz bis 6 GHz, an­ wendbar.

Fig. 2 zeigt eine Zusammenstellung von möglichen Phasen­ stellern, die einzeln oder in Kombination, beispielsweise als Reihenschaltung, für jeden der Phasensteller PH1, PH2 (Fig. 1) geeignet sind.

Fig. 2a zeigt ein schaltbares Phasenglied (Phasensteller), welches einen direkten Pfad (unterer Pfad) und einen Pfad mit Verzögerungsleitung (oberer Pfad) mit vorgebbarer elektronischer Länge enthält. Wird, wie dargestellt, der obere Pfad geschaltet, so ergibt sich eine Phasenverschie­ bung entsprechend der elektronischen Länge der Verzöge­ rungsleitung.

Fig. 2b zeigt einen schaltbaren Phasensteller, bei dem zwischen zwei unterschiedlichen Filtern, die lediglich aus passiven Bauelementen aufgebaut sind, umgeschaltet werden kann. Dabei entsteht eine Phasenverschiebung, die von der Übertragungsfunktion der verwendeten Filter abhängt.

Fig. 2c zeigt einen schaltbaren Phasensteller, der aus einer unterschiedlich belastbaren HF-Leitung besteht. Diese wird beispielsweise an zwei vorgebbaren Stellen ent­ weder kapazitiv oder induktiv belastet. Ein derartiger Umschaltvorgang bewirkt für die in der HF-Leitung geführ­ ten Welle einen vorgebbaren Phasensprung.

Fig. 2d zeigt einen schaltbaren Phasensteller, der als schaltbarer Reflexions-Modulator ausgebildet ist. Dieser besteht aus einem 3dB-Koppler (3dB-Hybrid), welcher eine einfallende Welle auf zwei Pfade aufteilt, welche als HF- Leitungen ausgebildet sind und an ihren Enden einen HF-Ab­ schluß (HF-Sumpf) besitzen. An vorgebbaren Stellen dieser Pfade sind HF-Schalter (gegen Masse, Bezugspotential) vor­ handen, mit welchen die Reflexionseigenschaften der Pfade in vorgebbarer Weise geändert werden können. Die reflek­ tierten Wellen werden anschließend in den 3dB-Koppler zu einem Ausgangssignal überlagert, bei welchem in der be­ schriebenen eine schaltbare Änderung der Phasenlage er­ möglicht wird.

Fig. 2e zeigt einen aktiven Phasensteller, bei welchem ein einfallendes HF-Signal mittels eines (Feldeffekt-)Transi­ stors in zwei Pfade aufgeteilt wird, in welchen sich je­ weils ein Phasensteller (ϕ) befindet, der gegebenenfalls schaltbar ausführbar ist. Die derart phasenverschobenen Signale werden anschließend in einer Differenzverstärker­ schaltung (mit Stromquelle) zu einem Ausgangssignal zu­ sammengeführt.

Fig. 3 zeigt schaltbare Filterstrukturen, die einzeln oder in Kombination, beispielsweise als Reihenschaltung, für jeden der Phasensteller PH1, PH2 (Fig. 1) geeignet sind. Die Filterstrukturen (linke Spalte in Fig. 3) enthalten Kapazitäten (Kondensatoren) sowie Induktivitäten (Spulen), welche durch die dargestellten Feldeffekttransistoren so­ wohl als Tiefpaß LP als auch als Hochpaß HP schaltbar sind (rechte Spalte in Fig. 3). Dort sind die entsprechenden Ersatzschaltbilder angegeben sowie beispielhaft gewählte Phasenverschiebungen (in Altgrad), die im wesentlichen für eine bestimmte Frequenz gelten. Die Umschaltungen zwischen Hoch- und Tiefpaß erfolgen mittels Schaltspannungen U₁, U₂, mit welchen die Feldeffekttransistoren von einem Sperrbetrieb in den Durchlaßbetrieb umgeschaltet werden oder umgekehrt.

Derartige Filteranordnungen sind vorteilhafterweise als monolithisch integrierte Schaltungen herstellbar, insbe­ sondere bei einer industriellen Serienfertigung.

Es ist ersichtlich, daß Phase und Betrag eines analogen Signals mit derartigen Phasenstellern PH1, PH2 in einem weiteren Phasenbereich, beispielsweise im Bereich von 0° bis 360°, sowie in einem weiten Betragsbereich änderbar sind.

Das Verfahren und die Anordnung sind vorteilhafterweise in sogenannten T/R-Modulen anwendbar. Diese sind mit jeweils einem Sende-/Empfangsstrahlerelement einer phasengesteuer­ ten Antenne gekoppelt. Diese kann eine Vielzahl von Strah­ lerelementen, beispielsweise einige Hundert, besitzen. Es ist ersichtlich, daß bei einer solchen Antenne bei Verwen­ dung der Erfindung zumindest die Anzahl der erforderlichen Stellglieder sowie die zugehörigen Steuerleitungen erheb­ lich vermindert werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs­ beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere an­ wendbar. Beispielsweise ist es möglich, zusätzlich schalt­ bare Verstärker oder Abschwächer zumindest in einen der parallelen Pfade einzufügen. Damit kann beispielsweise eine Erweiterung des schaltbaren Betragsbereiches erreicht werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Einstellung der Phase sowie der Amplitu­ de eines analogen Signales, wobei mindestens ein Phasen­ steller verwendet wird, dadurch gekennzeichnet,

• - daß ein analoges Eingangssignal (EG) durch eine Si­ gnalaufteilung (SA) in zwei Einzelsignale (E1, E2) aufgeteilt wird,
• - daß bei jedem Einzelsignal (E1, E2) durch einen diesem zugeordneten Phasensteller (PH1, PH2) entsprechend der einzustellenden Phase sowie des einzustellenden Betra­ ges des Ausgangssignals (AS) eine Phaseneinstellung unter Berücksichtigung des Additionstheorems für Si­ nusfunktionen durchgeführt wird und
• - daß die phasenverschobenen Einzelsignale (E1, A2) durch eine Signalzusammenführung (SZ) zu einem Ausgangssignal (AS) zusammengeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Phasensteller (PH1, PH2) einstellbare Verzögerungslei­ tungen verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Signalaufteilung (SA) sowie Signalzusam­ menführung als Leistungsteiler ausgebildet werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal (EG) durch die Signalaufteilung (SA) in zwei gleiche Einzelsignale (E1, E2) aufgeteilt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem analogen elektri­ schen Eingangssignal (EG) als Hochpaß (HP) sowie als Tiefpaß (LP) schaltbare Filterstrukturen verwendet werden.

6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem analogen elektrischen Eingangssignal (EG) jeder Phasensteller (PH1, PH2) eine als Hochpaß (HP) oder Tief­ paß (LP) schaltbare Filterstruktur enthält, welche als passives Netzwerk aus mindestens einer Kapazität und/oder mindestens einer Induktivität aufgebaut ist und daß die Umschaltung der Filterstruktur durch mindestens einen Schalttransistor erfolgt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor als Feldeffekttransistor ausgebildet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für ein Hochfrequenzsignal die Signal­ aufteilung (SA) sowie die Signalzusammenführung (SZ) als Leistungskoppler ausgebildet sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für ein Hochfrequenzsignal zumindest ein Phasensteller (PH1, PH2) als monolithisch integrierte Schaltung ausgebildet ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Phasensteller (PH1, PH2) als Mehr-Bit-Phasensteller für einen vorgebbaren Phasenhub ausgebildet ist.