DE4427034A1 - Phasenschiebertafel mit vier Phasenzuständen und ihre Anwendung bei einer Höchstfrequenzlinse und einer Antenne mit elektronischer Strahlschwenkung - Google Patents
Phasenschiebertafel mit vier Phasenzuständen und ihre Anwendung bei einer Höchstfrequenzlinse und einer Antenne mit elektronischer StrahlschwenkungInfo
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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 DI1 vonein
ander, und die Leiter 53 und 52 liegen in einem Abstand DI2
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, CI1, CI2, 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
CI1 ist die Belagkapazität zwischen den Leitern 51 und 53,
und die Kapazität CI2 ist die Belagkapazität zwischen den
Leitern 53 und 52.
An die Klemmen der Kapazität CI1 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 Ci1 in Serie mit einem Widerstand Ri1, oder
- - einem Widerstand Rd1,
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 CI2 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, CI1
und CI2 abgenommen.
Die Parameter des Dioden-Ersatzschaltbildes, beispielsweise
der Diode D₁, sind wie folgt definiert:
- - Die Induktivität L₁ ist gegeben durch
Darin sind:
LD1 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 Ri1 ist der durch das Verhältnis a/b beeinflußte Sperrwiderstand der Diode D₁;
- - der Widerstand Rd1 ist der vom gleichen Verhältnis beeinflußte Durchlaßwiderstand der Diode;
- - die Kapazität Ci1 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 CI2 weggelassen
werden.
Wenn die Dioden D₁ in Durchlaßrichtung vorgespannt sind,
ergibt sich der Blindleitwert Bd 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 Bd-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 (dΦd1 = 0). Genauer gesagt wird
folgendes gewählt:
LCIω² = 1
Dies führt zu Bd ≃ 0, unabhängig insbesondere vom Wert der
Kapazität Ci1.
Wenn die Dioden in Sperrichtung vorgespannt sind,
ergibt sich der Blindleitwert der Tafel wie folgt:
Bei zuvor festgelegter Kapazität CI kann der Wert des
Blindleitwertes BR und folglich der Wert der Phasenver
schiebung dΦi1, den die einfallende Höchstfrequenzwelle
erfährt, durch Einwirkung auf den Wert der Kapazität Ci, das
heißt durch Wahl der Diode D₁ eingestellt werden.
Auf diese Weise werden zwei Phasenverschiebungswerte
erhalten: dΦd1 = 0 und dΦi1.
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 (dΦd2 = 0),
während sie bei einer Vorspannung der Dioden D₂ in Sper
richtung eine gegebene und einstellbare Phasenverschiebung
(dΦi2) 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 Ci2 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 Ci1 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 Ci1 und Ci2 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 BR 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.
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