DE2041469B2

DE2041469B2 - Mikrowellensignalregler

Info

Publication number: DE2041469B2
Application number: DE19702041469
Authority: DE
Inventors: Walter August Malibu Calif. Sauter (V.St.A.)
Original assignee: American Nucleonics Corp., Woodland Hills, Calif. (V.St.A.)
Priority date: 1969-08-22
Filing date: 1970-08-20
Publication date: 1972-10-12
Also published as: US3550041A; GB1309117A; CA922389A; DE2041469A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellensignalregler, mit dem die Amplitude eines Mikrowellensignals innerhalb eines weiten Bereiches feinverstellbar ist.

Aus der USA.-Patentschrift 2 818 501 ist es bekannt, zur Einstellung der Amplitude von Mikrowellensignalen im 100-Mhz-Bereich oder darüber Ferritdämpfungselemente zu verwenden. Aus der USA.-Patentschrift 3 009150 ist eine einstellbare Abstimmeinrichtung bekannt, die zur Einstellung des Signalpegels von Mikrowellensignalen dient. Die bekannten Mikrowellensignalregler weisen jedoch eine nichtlineare Dämpfungskennlinie auf, so daß eine lineare Verstellung des Mikrowellensignalpegels Schwierigkeiten bereitet. Weiterhin weisen die bekannten Dämpfungsglieder keinen rein Ohmschen Widerstand auf, so daß eine unerwünschte Phasenverschiebung des Ausgangssignals auftreten kann. Auch ist bei den bekannten Mikrowellensignalreglern ein Polaritätsumschalter erforderlich, falls die Einstellung eines Mikrowellensignals sowohl positiver als auch negativer Polarität gefordert wird.

Dämpfungsglieder aus Festkörperelementen, etwa Feldeffekttransistoren, können bei Frequenzen von 100 Mhz oder darüber nicht mehr verwendet werden. Als zur Dämpfung von Mikrowellensignalen ist die PIN-Diode geeignet, bei der die Dämpfung eines Mikrowellensignals durch eine als Vorspannung angelegte positive Gleichspannung steuerbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer, Mikrowellensignalregler zu schaffen, mit dem der Signalpegel eines Mikrowellensignals mit positiver und negativer Polarität in einfacher Weise ohne wesentliche Phasenverschiebung linear verstellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Mikrowellensignalregler gelöst, der erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch Eingangsvorrichtungen zum Erzeugen zweier entgegengesetzte Polarität aufweisender Komponenten eines Mikrowelleneingangssignals, eine gemeinsame Ausgangsklemme, zwei Dreischichtleiter mit regelbarem Widerstand, die so geschaltet sind, daß sie HF-Signale entgegengesetzter Polarität an die gemeinsame Ausgangsklemme liefern, statische Vorspannungsvorrichtungen, die jeden der Dreischichtleiter in einem vorgewählten Leitungszustand

zur Sdtmdärvddfclung out khperrkoudfiasaioiea

3 ^l

halten, variable Voispanaungsvorrichtung, die mit 2© and 21 liegen parallel zur Sdtmdärvddfclung out den Dreischichüeitern derart verbuiuSert sind» daß sk rwischeogeschalteten Gkkhstwinsperrkoudfiasaioiea deren Leitungszustaad in entge jengesetzter Richtung 22 und 23 in Sem. Die Dioden 20 und Ii sind ia andern, wobei die Dreischichüeiter in Sperrichtung gleicher Richtung gepolt. Der HF-Ausgaag wird aa einen derart hohen Widerstand besitzen, daß sie bei 5 der gemeinsamen Klemme der Kondensatoren 22 und geeigneter Vorspannung den Durchgang vca HF-Si- 23, nämlich Klemme 24, entnommen, gnalen zur Ausgangsklemme verhindern, wobei die Die statische Gleichstroänvorspannung für die

statische Vorspannungsvorrichtung so geschaltet ist, Dioden 20 und 21 liefern zwei Quelle» 25 und 26 daß sie eine derartige negaüve Vorspannung an die über zugehörige Widerstände 27 und 28, Ein« geKathode des einen Dreischichtleiters und eine der- xo meinsame Quelle 30 liefert die Steuerspannung für artige positive Vorspannung an die Anode des an- die Dioden und ist mit diesen über zugehörige Widerderen Dreischichtleiters liefert, daß die Verstärkungs- stände 31 und 32 verbunden. Die statische (- )~ und kennünie durch den Verstärkungsnullpunkt linear ist. regelbare ( ± )-Vorspannung von den Quellen 25 und Der MikrowellensigQalregler nach der Erfindung 30 liegen aa der Kathode der Diode 20 an, während ermöglicht eine lineare Verstellung der Amplitude 15 die statische (+> und regelbare (± >Vorspannung eines Mikrowellensignals vom vollen Eingangspegel der Quellen 26 und 30 an der Anode der Diode 21 •aber Null bis zu einem dem Eiugangspegel entspre- anliegen. Die statischen VorspannungsqueUen 25 und chenden, jedoch entgegengesetzte Polarität aufweisen- 26 spannen die zugehörigen Dioden 20 und 2 t norden Ausgangspegel. Phasenverschiebungen zwischen malerweise so vor, daß der Serienwiderstand beider dem Eingangssignal und dem Au:>gaüg>signal sind 2= Dioden gleich ist. Unter diesen Umständen ist die minimal und daher vernachlässigbar. Phasenkomponente des Ausgangssi£iuü> Null. Da d\c

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung gemeinsame Steuerspannung de,^v Quelle 30 so variiert der Erfindung ist die Eingangsvorrichtung eine wird, daß eine der Dioden 20 oder 21 einen höheren Phasenumkehrvorrichtung, wobei die Lieferung von HF-Strom zur Au>gangsklemme 24 liefert, steigt das HF-Energie der einen und der anderen Polarität an »5 Ausgangssignal in Richtung derjenigen Polarität an, die gemeinsame Ausgangsklemme durch ein erstes die die PIN-Diode mit dem höheren Stromdurchgang Netzwerk erfolgt, an die Phasenumkehrvorrichtung aufweist. Der Ausgangssignalpegel ist proportional ein zweites Netzwerk angeschlossen ist, das einen zur Differenz zwischen den von den PIN-Dioden 20 dritten Dreischichüeiter mit regelbarem Widerstand und 21 erhaltenen Strömen, multipliziert mit der Imzur Lieferung von HF-Energie der einen Polarität an 30 pedanz der Last.

eine zweite Ausgangsklemme sowie einen vierten Die Kondensatoren 22 und 23 und die Vorwider-

Dreischichtleiter mit regelbarem Widerstand zur stände 27, 28, 31 und 32 sorgen für die richtigen VorLieferung von HF-Energie der anderen Polarität an spannungen und Steuerströme der PIN-Dioden die zweite Ausgangsklemme aufweist, für beide Netz- und 21, beeinflussen jedoch nicht die Eingangsseite werke eine gemeinsame Vorrichtung zur Erzeugung 35 des Transformators 11 oder die Klemme 24. einer statischen Vorspannung für die Dreischichtleiter Beim Betrieb erzeugt die Schaltung mit dem Transvorgesehen ist, durch die die Dreischichüeiter in einen formator Il zwei Signale entgegengesetzter Phase solchen Ladezustand votgespannt werden, daß da- und gleicher Amplitude aus dem ankommenden durch eine lineare Verstärkungskennlinie durch den HF-Signal, wobei die beiden Signale durch die zu-Verstärkungsnullpunkt erzeugt wird, und weiterhin 40 gehörigen Dioden 20 und 2t laufen. Wenn die Dioden eine variable Vorspannungsvorrichtung vorgesehen so vorgespannt sind, daß sie beide in gleicher Weise ist. die mit den Dreischichüeitern derart verbunden leiten, löschen sich die Signale entgegengesetzter ist, daß der Leitungszustand der Dreischichüeiter Phase gegenseitig aus, und an Klemme 24 erscheint jedes Netzwerkes geändert werden kann. keine Ausgangsspannung. Wenn die Vorspannung an

Diese besonders vorteilhafte Weiterbildung ermög- 45 den Dioden 20 und 21 durch die Steuervorspannungslicht die Erzeugung von zwei feste Phasenbeziehung quelle 30 gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung zueinander aufweisenden Ausgangssignalen mit un- geändert wird, ändert sich die Stromzufuhr zur abhängig voneinander steuerbarer Amplitude aus Klemme 24. Das Ausgangssignal an der Klemme einem gemeinsamen Mikrowelleneingangssignal. stellt eine getreue Wiedergabe des HF-Eingnngs-

Es folgt nun eine Beschreibung von Ausführungs- 50 signals dar und variiert nur hinsichtlich Amplitude beispielen der Erfindung an Hand der Zeichnungen. und Polarität. In der Zeichnung ist das Phasen-Fig. 1 ist ein elektrisches Schaltdiagramm einer umkehrgerät 11 als einfacher Transformator dur-Ausführungsform der Erfindung; gestellt. Für Mikrowellenfrequenzen, wie sie bei der

Fi g. 2 ist ein elektrisches Schaltdiagramm einer vorliegenden Erfindung verwendet weiden, soll jeweiteren Ausführungsform der Erfindung; :>5 doch besser ein Differentialtransforniator oder eine

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Betriebs- andere für Mikrowellen geeignete Ausführung eines charakteristik der Schaltung aus F i g. 1 oder 2; Transformators verwendet werden.

F i g. 4 ist eine vergrößerte schematische Dar- F i g. 1 zeigt die grundsätzliche Schaltungsauslegung

stellung einer PIN-Diode, die für die vorliegende Er- zur Dämpfung eines HF-Signals mit minimaler oder findung Verwendung findet. 60 vernachlässigbar kleiner Phasenverschiebung. Die

In Fig. 1 ist ein Doppeldämpfungskreis 10 mit Schaltung zeichnet sich aus durch eine gleichförmige einem Transformator 11 gezeigt, der eine Primär- Regelung des HF-Pcgels innerhalb eines breiten Pegelwicklung 12 und eine mit Mittelabgriff versehene Se- bereichs mit sanfter Polaritätsumkehr. I⁷Ur die Polarikundärwicklung 13 enthält. Der Mittelabgriff der Sc- tälsumkehr ist keine Schaltervorrichtung erforderlich, kundärwicklung 13 ist geerdet. Die Enden der Sekun- 65 Die Charakteristik der Schaltung nus Fig. 1 ist in därwicklung stellen Bezugsspannungsklemmen dar, Fig. 3'gezeigt und stellt eine sanfte geschwungene die zur Vereinfachung als Klemme 14 (180°) und S-Kurve mit einem mittleren linearen Bereich dar, — —τ mc\ K»,„?r.ViTifti werden. Die ΡΪΝ-Dioden der etwa bei dem Steuergleichstrom Null liegt und

die zur Vereinfachung au. *"^c"""^w *Γ λ _N■ _D'_ioden
Klemme 15 (0^c) bezeichnet werden. Die PIN Dioden

von etwa — 2 bis +2,5VoIt Ausgangsspannung reicht und dabei eine Steigung von etwa 12,5/1 aufweist. Dieser lineare Bereich A ist der normale Betriebsbereich des Signalreglers.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in der Schaltung aus F i g. 2 gezeigt. Mit dieser Schaltung lassen sich aus einem einzigen HF-Eingangssignal zwei unabhängig gedämpfte HF-Ausgangssignale ableiten. Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung eignet sich insbesondere für eine Ent-Störungsanlage. Die Schaltung aus Fig. 2 ist prinzipiell ähnlich der Schaltung aus Fig. 1, wobei gleiche Elemente durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Die Schaltung verwendet einen ähnlichen HF-Transformator Il mit einem geerdeten Mittelabgriff an der Sekundärwicklung 13 und einer (nicht gezeigten) Primärwicklung. Die Enden der Sekundärwicklung sind als Klemmen 14 und 15 bezeichnet. Zwischen den Klemmen 14 und 15 befinden sich zwei PIN-Dioden-Netzwerke, die ähnlich dem Diodennetzwerk aus F i g. 1 sind. Das eine Netzwerk enthält die Diode 20, Kondensator 22, Klemme 24, Kondensator 23 und Diode 21. Das zweite Netzwerk enthält eine Diode 120, Kondensator 122, Ausgang 124, Kondensator 123 und Diode 121. Die beiden Netzwerke haben gemeinsame statische Vorspannungsquellen 25 und 26, ähnlich F i g. 1. Die Vorspannung für die Dioden 20 und 21 wird von den Quellen 25 und 26 über Widerstände 27 und 28 geliefert, während die entsprechende Vorspannung für die Dioden

120 und 121 von den Quellen 25 und 26 über zugehörige Widerstände 127 und 128 geliefert wird. Ähnlich wie in F i g. 1 ist eine variable Vorspannung für die Dioden 20 und 21 über Quelle 30 und Vorwiderstände 31 und 32 vorgesehen. Eine zweite variable Vorspannungsquelle 130 liefert die Steuervorspannung für die Dioden 120 und 121 über zugehörige Widerstände 131 und 132.

Wie aus einem Vergleich mit F i g. 1 ersichtlich ist, wird das HF-Signal, das am Transformator des Eingangsgeräts 11 anliegt, gemäß dem an Klemme 30 anliegenden Steuersignal gedämpft und erscheint an der Ausgangsklemme 24. In ähnlicher Weise wird das gleiche, am Transformator 11 anliegende HF-Signal in dem Schaltkreis gedämpft, der die Dioden 120 und

121 mit dem Steuersignal von Klemme 130 enthält und ein Ausgangssignal an Klemme 124 liefert. Die beiden Ausgangssignale sind miteinander und mit dem HF-Eingangssignal in Phase, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich Amplitude und/oder Polarität, was von den betreffenden Gleichspannungssteuersignalen abhängt.

Die Ausführungsformen aus F i g. 1 und 2 haben beide die gleiche, in F i g. 3 gezeigte Betriebscharakteristik, wobei die Schaltung aus F i g. 2 zwei Kanäle schafft, die jeder einen unabhängig voneinander gesteuerten Ausgang haben. Beispielsweise liefert ein an Klemme 30 anliegendes Gleichspannungssteuersignal von +2 Volt einen Ausgang von 5 V_efl an Klemme 24. Gleichzeitig liefert ein an Klemme 130 anliegendes Gleichspannungssignal von — 2 Volt ein HF-Signal umgekehrter Polarität mit einem Pegel von etwa — 4 V_el1. Eine Änderung des einen Steuersignals beeinflußt nicht das Signal im anderen Netzwerk.

Die Kennlinie aus F i g. 3 enthält man mit der Schaltung aus F i g. 1 und 2 bei Verwendung folgender Komponenten:

Diode 20 und 21 1842-22 Unitrode

Kondensator 22 und 23 510 pF

Widerstände 27 und 28 68 kOhm

Widerstände 31 und 32 2 kOhm

Versorgung 25 —15 V Gleichspannung

Versorgung 26 +15 V Gleichspannung

Versorgung 30 ± 14 V Gleichspannung

Wicklung 13 0,15 mH

Ein wesentlicher Bestandteil der Signalregler von F i g. 1 und 2 sind die PIN-Dioden. Ihre besondere Beschaffenheit bedingt die überlegenen Eigenschaften des HF-Signalreglers zur Polaritätsumkehr in der vorliegenden Schaltungsanordnung. Die PIN-Diode ist, wie schon ihr Name sagt und wie F i g. 4 zeigt, eine Diode mit einem p-Bereich 40 und einem n-Bereich.42, die durch einen Intrinsic-Bereich 41 mit regelbarem Widerstand getrennt sind. Die Dioden, die durch den anliegenden Gleichspannungs-Steuerstrom geregelt werden, wirken als variabler Widerstand in beiden Richtungen. Ihr Widerstand liegt bei vollem Leistungszustand in der Größenordnung von 0,1 Ohm. Wenn sie in Sperrichtung vorgespannt sind, können sie Signale bis zu 1200 Volt sperren. Die Dioden weisen Zeitperioden in der Größenordnung von Mikrosekunden auf, in denen hohe HF-Signale mit minimaler Verzerrung oder Gleichrichtung durchgelassen werden. Die Klemmenanschlüsse 43 und 44 sind metallurgisch mit den zugehörigen p- und n-Bereichen verbunden. Die Diode ist normalerweise ii ein Glasgehäuse eingeschlossen, das mit der Dioden anordnung verschmolzen sein kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellensignalregler, gekennzeichnet durch Eingangsvorrichtungen (11) zum Erzeugen zweier entgegengesetzte Polarität aufweisender Komponenten eines Mikiowelleneingangssignals, eine gemeinsame Ausgangsklemme (24), zwei Dreischichtleiter (20, 21) mit regelbarem Widerstand, die so geschaltet sind, daß sie HF-Signale entgegengesetzter Polarität an die gemeinsame Ausgangsklemme Jiefem, statische Vorspannungsvorrichtuagen (25, 26), die jeden der Dreischichtleiter in einem vorgewählten Leitungszustand halten, variable Vorspannungsvorrichtungen (30), die mit den Dreischichtleitern derart verbunden sind, daß sie deren Leitungszustand in entgegengesetzter Richtung ändern, wobei die Dreischichtleiter (20, 21) in Sperrrichtung einen derart hohen Widerstand besitzen, daß sie bei geeigneter Vorspannung den Durchgang von HF-Signalen zur Ausgangsklemme verhindern, wobei die statische Vorspannungsvorrichtung (25, 26) so geschaltet ist, daß sie eine derartige negative Vorspannung an die Kathode des einen Dreischichtleiters und eine derartige positive Vorspannung an die Anode des anderen Dreischichtleiters liefert, daß die Verstärkungskennlinie durch den Verstärkungsnullpunkt linear ist.

2. Mikrowellensignalregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Vorspannungsvorrichtung (30) eine Quelle für positiven, negativen oder Null-Strom ist und an beiden Dreischichtleitern (20, 21) derart gleichzeitig anliegt, daß der Leitungszustand der beiden Dreischichtleiter gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung geändert wird.

3. Mikrowellensignalregler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Gleichspannungssperrvorrichtungen (22, 23) zwischen den durch Vorspannung gesteuerten Elektroden der ersten und zweiten Dreischichtleiter (20, 21).

4. Mikrowellensignalregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsvorrichtung (11) eine Phasenumkehrvorrichtung ist, wobei die Lieferung von HF-Energie der einen und der anderen Polarität an die gemeinsame Ausgangsklemme (24) durch ein erstes Netzwerk erfolgt, an die Phasenumkehrvorrichtung ein zweites Netzwerk angeschlossen ist, das einen dritten Dreischichtleiter (120) mit regelbarem Widerstand zur Lieferung von HF-Energie der einen Polarität an eine zweite Ausgangsklemme (124) sowie einen vierten Dreischichtleiter (121) mit regelbarem Widerstand zur Lieferung von HF-Energie der anderen Polarität an die zweite Ausgangsklemme (124) aufweist, für beide Netzwerke eine gemeinsame Vorrichtung (25, 26) zur Erzeugung einer statischen Vorspannung für die Dreischichtleiter vorgesehen ist, durch die die Dreischichtleiter in einen solchen Ladezustand vorgespannt werden, daß dadurch eine lineare Verstärkungskennh'nie durch den Verstärkungsnullpunkt erzeugt wird, und weiterhin eine variable Vorspannungsvorrichtung (30) vorgesehen ist, die mit den Dreischichtleitern derart verbunden ist, daß der Leitungszustand der Dreischichtleiter jedes Netzwerkes geändert werden kann,

5. Mikrowellensignalregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Dreischichtleiter eine PIN-Diode vorgesehen ist

6. Mikrowellensignalregler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Vorspannungsvorrichtung aus zwei unabhängigen Spannungsquellen (30, 130) besteht, durch die die Amplitude und Polarität des Ausgangssignals an der ersten und zweiten Ausgangsklemme (24, 134) derart unabhängig gesteuert werden kann, daß zwei Ausgangssignale geschaffen werden, die hinsichtlich ihrer Phase und Frequenz von dem HF-Eingangssignal abhängig sind, jedoch untereinander und gegenüber dem Eingangssignal eine andere Amplitude aufweisen.