DE1591030C

DE1591030C - Semiconductor phase shifter

Info

Publication number: DE1591030C
Authority: DE
Inventors: Roland Sartrouville Palazo Marcel Bourg la Reine Milard, (Frank reich)
Original assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Current assignee: Compagnie Francaise Thomson Houston SA
Publication date: 1971-04-15

Description

Die Erfindung geht aus von einem Halbleiter-Phasenschieber zur Erzeugung eines wahlweisen Phasensprunges um 180° in einem breiten Frequenzband, von. beispielsweise mehreren Oktaven, für den Dezimeter- und Zentimeterwellenbereich mit einer einseitig durch ein Kurzschlußstück abgeschlossenen Koaxialleitung, zu deren Innenleiter mindestens ein Halbleiter, wie Festkörperdiode oder Varactordiode, in Serie liegt und die mit ihrem offenen Ende mit einer besonderen Schaltung, wie einem Ferritzirkulator, einem 3-db-Koppler, einem magischen T oder ähnlichem, verbunden ist, wobei ferner eine Steuerschaltung zur Erzeugung der den bzw. die Halbleiter in Durchlaß- oder in Sperrichtung vorspannenden Spannung vorgesehen ist.The invention is based on a semiconductor phase shifter for generating an optional phase jump by 180 ° in a wide frequency band, from. e.g. several octaves, for the decimeter and centimeter wave range with a one-sided terminated by a short-circuit piece Coaxial line, the inner conductor of which is at least one semiconductor, such as a solid-state diode or varactor diode, is in series and the open end with a special circuit, such as a ferrite circulator, a 3-db coupler, a magic T or the like, and a control circuit for generating the semiconductor (s) in Forward or reverse biasing voltage is provided.

Zahlreiche Hochfrequenzschaltungen verwenden eine wahlweise Phasenverschiebung von 180°, sei es bei der übertragung, sei es bei der Reflexion eines Signals. Ferner machen einige neuere Techniken der Hochfrequenzmodulation von Modulatoren mit besonderen Eigenschaften Gebrauch, die Signale mit sehr breitem Frequenzspektrum liefern. Ein an Oberwellen besonders reiches Frequenzspektrum ist das der Form sin U/U. Ein Mittel, um diese Spektralverteilung zu erhalten, besteht darin, auf zufällige oder praktisch zufällige Art mit einer Videofrequenz/ und einer Dauer 1// die Phase einer Trägerwelle der Frequenz F konstanter Amplitude um π = 180° zu verschieben, wobei die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Phasenzustände 0 oder π für jeden derselben gleich groß ist.Numerous high-frequency circuits use an optional phase shift of 180 °, be it in the transmission or in the reflection of a signal. In addition, some newer radio frequency modulation techniques make use of modulators with special properties which provide signals with a very wide frequency spectrum. A frequency spectrum of the form sin U / U is particularly rich in harmonics. One means of obtaining this spectral distribution is to shift the phase of a carrier wave of frequency F of constant amplitude by π = 180 ° in a random or practically random way with a video frequency / and a duration 1 //, with the probability of occurrence the phase states 0 or π is the same for each of them.

Bei gewissen Geräten und insbesondere im Falle von Störsystemen kann sich die Frequenz F der Trägerwelle in einem breiten Hochfrequenzbereich, beispielsweise in einem Verhältnis von 1 bis 5, ändern. im Falle der Benutzung von wahlweise um 180° drehenden Phasenschiebern müssen diese somit eine konstante differentielle Phase von π in dem betreffenden großen Frequenzband liefern. Ferner muß die Umschaltzeit zwischen den beiden Phasenzuständen im Verhältnis zu deren äußerst kurzer Dauer ausreichend gering bleiben.In the case of certain devices and in particular in the case of interference systems, the frequency F of the carrier wave can change in a wide high frequency range, for example in a ratio of 1 to 5. in the case of the use of phase shifters which optionally rotate by 180 °, these must therefore supply a constant differential phase of π in the relevant large frequency band. Furthermore, the switching time between the two phase states must remain sufficiently short in relation to their extremely short duration.

Die derzeitigen Ausführungen solcher wahlweise um 180° drehenden Phasenschieber sind gewöhnlich recht aufwendig und in ihren Abmessungen unhand-Hch, besitzen begrenzte Konstanz der Eigenschaften und eine verhältnismäßig beschränkte spektrale Breite.Current designs of such optional 180 ° rotating phase shifters are common quite expensive and cumbersome in their dimensions, have limited constancy of properties and a relatively limited spectral width.

Insbesondere die beiden letztgenannten Nachteile weist beispielsweise eine Schaltung auf, wie sie aus den ausgelegten Unterlagen der deutschen Patentanmeldung S 17220 VI11 a/2 la⁴ bekannt ist. Es wird dort eine Blindwiderstandsanordnung angeführt, die aus einem Hochfrequenzleitungsstück, insbesondere einer koaxialen Leitung und wenigstens einem mit ihr galvanisch gekoppelten, von einer Steuergröße beeinflußten Gleichrichter besteht. Bei dieser Schaltung tritt zwar am Leitungseingang ein Scheinwiderstand auf, dessen Blindanteil sich in Abhängigkeit von der Steuergröße ändert, und es ist somit denkbar, daß bei geeigneter Auslegung sich auch eine wahlweise Phasenverschiebung von 180° erzielen läßt. Dieses Verhalten weist die Schaltung jedoch infolge der transformierenden Wirkung der Leitungsstücke und des relativ hohen induktiven Blindwiderstandes ⁶S der Serienschaltung aus Gleichrichter und Mittelleiter nur in einem sehr schmalen Frequenzbereich auf. Sie eignet sich daher nicht als frequenzkompensierter Phasenschieber für einen Frequenzbereich, dessen Grenzen sich wie 1 :5 verhalten.In particular, the two last-mentioned disadvantages have, for example, a circuit as is known from the documents laid out in German patent application S 17220 VI11 a / 2 la ⁴ . A reactance arrangement is cited there which consists of a high-frequency line piece, in particular a coaxial line and at least one rectifier which is galvanically coupled to it and influenced by a control variable. In this circuit, an impedance occurs at the line input, the reactive component of which changes as a function of the control variable, and it is therefore conceivable that, with a suitable design, an optional phase shift of 180 ° can also be achieved. However, due to the transforming effect of the line sections and the relatively high inductive reactance ⁶ S of the series circuit of rectifier and center conductor, the circuit exhibits this behavior only in a very narrow frequency range. It is therefore not suitable as a frequency-compensated phase shifter for a frequency range whose limits behave like 1: 5.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Phasenschieber der eingangs genannten Art zu schaffen, der unter Vermeidung vorstehend aufgeführter, den bislang bekannten Phasenschiebern anhaftenden Nachteile ein breites Nutzfrequenzband von mehr als einer Oktave und geringe Umschaltzeit besitzt.The invention is based on the object of creating a phase shifter of the type mentioned at the beginning, while avoiding the above-mentioned disadvantages inherent in the previously known phase shifters has a wide usable frequency band of more than an octave and short switching time.

Diese Aufgabe ist bei dem einleitend angeführten Phasenschieber dadurch gelöst, daß erfindungsg«- mäß der Halbleiter und die Abmessungen des ihn mit dem Kurzschlußstück verbindenden Innenleiter-.stückes derart gewählt sind, daß die BeziehungenIn the phase shifter mentioned in the introduction, this object is achieved in that the invention according to the semiconductor and the dimensions of the inner conductor .stückes connecting it to the short-circuit piece are chosen such that the relationships

L 4, Z₀ ^ — und L = CZ₀ L 4, Z ₀ ^ - and L = CZ ₀

"¹M t- " ¹ M t-

erfüllt sind, worin Z₀ .der Wellenwiderstand der Koaxialleitung, ω_Μ die höchste Kreisfrequenz, beiare fulfilled, where Z ₀ .the characteristic impedance of the coaxial line, ω _Μ the highest angular frequency at

der der Phasenschieber noch arbeiten soll, —77 derthat the phase shifter should still work, -77 the

kapazitive Blindwiderstand des Halbleiters im Sperrzustand und m_siL der induktive Blindwiderstand der Serienschaltung aus dem Halbleiter im Durchlaßzustand und dem Innenleiterstück ist.capacitive reactance of the semiconductor in the blocking state and m _si L is the inductive reactance of the series circuit comprising the semiconductor in the on state and the inner conductor piece.

Die so gebildete Schaltung nach der Erfindung besitzt einen Reflexionskoeffizienten gleichen Werts, jedoch umgekehrten Vorzeichens, wenn man die Richtung der Vorspannung des Halbleiters umkehrt. Diese Schaltung erzeugt in einem großen Frequenzbereich stehende Wellen durch vollständige Reflexion der Hochfrequenzwelle, mit oder ohne Vorzeichenumkehr, je nach der Polarität der an dem Halbleiter anliegenden Videofrequenzsteuerspannung.The circuit according to the invention thus formed has a reflection coefficient of the same value, but of the opposite sign if the direction of the biasing of the semiconductor is reversed. This circuit generates standing waves in a wide frequency range through complete reflection of the high frequency wave, with or without sign reversal, depending on the polarity of the semiconductor applied video frequency control voltage.

Um die in Sperrichtung der Halbleiter zulässige Hochfrequenzleistung zu erhöhen, ist es weiterhin von Vorteil, wenn in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung zwei gegensinnig hintereinanderge-'schaltete Halbleiter in Reihe mit dem Innenleiter und einem zwischen ihnen liegenden Leiterabschnitt vorgesehen sind, an den die Steuerspannung für die Halbleiter angelegt wird, wobei deren Rückleitung in der Nähe des dem Kurzschlußstück abgewandten Halbleiters erfolgt.In order to increase the high frequency power permissible in the reverse direction of the semiconductors, it continues to be It is advantageous if, in an expedient development of the invention, two oppositely connected one behind the other Semiconductors in series with the inner conductor and a conductor section lying between them are provided to which the control voltage for the semiconductors is applied, with their return line takes place in the vicinity of the semiconductor facing away from the short-circuit piece.

Um die in Durchlaßrichtung zulässige Hochfrequenzleistung zu steigern, sind bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung, der Halbleiter bzw. die beiden Halbleiter durch mehrere gleichsinnig einander parallelgeschaltete Halbleiter ersetzt.In order to increase the permissible high-frequency power in the forward direction, an advantageous Formation of the invention, the semiconductor or the two semiconductors by several in the same direction to one another replaced semiconductors connected in parallel.

Werden als Halbleiter in ihrem Durchlaßbereich benutzte Varactordioden verwendet, erhält man besonders geringe Umschaltzeiten, die ohne weiteres in der Größenordnung von einigen Nanosekunden liegen können.If varactor diodes are used as semiconductors in their pass band, one obtains special short switching times, which are easily in the order of magnitude of a few nanoseconds be able.

In der nachstehenden Beschreibung der Zeichnung sind Phasenschieber der, erfindungsgemäßen Art in mehreren beispielsweise gewählten Ausführungsfbrmen schematisch und im Schaltbild veranschaulicht. Es zeigtIn the following description of the drawing, phase shifters of the type according to the invention are shown in FIG several exemplary selected embodiments schematically and illustrated in the circuit diagram. It indicates

F i g. 1 vereinfacht im Schnitt einen Phasenschieber nach der Erfindung,F i g. 1 simplifies in section a phase shifter according to the invention,

Fig. 2 einen Phasenschieber gemäß.der Erfindung im Schnitt in einer besonders vorteilhaften Ausführungsforni, 2 shows a phase shifter according to the invention in section in a particularly advantageous embodiment,

F ig. J ein allgemeines Schaltschcma für einen Phasenschieber nach der Erfindung bei einer llochfrequenziibertragung. Fig. J a general circuit diagram for one Phase shifter according to the invention for a hole frequency transmission.

Fig. 4 eine Zusammenschaltung eines Phasenschiebers nach der Erfindung mit einem Ferritzirkulator, 4 shows an interconnection of a phase shifter according to the invention with a ferrite circulator,

Fig. 5 eine Zusammenschaltung von Phasenschiebern gemäß der Erfindung mit einem 3-db-Koppler und5 shows an interconnection of phase shifters according to the invention with a 3-db coupler and

Fig. 6 eine Zusammenschaltung von Phasenschiebern gemäß der Erfindung mit einer Hybridverbind ang.6 shows an interconnection of phase shifters according to the invention with a hybrid connection ang.

Der Betrieb eines wahlweise um 180° drehenden Phasenschiebers gemäß der Erfindung im Dezimeterwellenbereich basiert auf der Phasendifferenz, die bei Reflexion sich auf einer übertragungsleitung einstellt, die entweder offen oder an ihrem Ende kurzgeschlossen ist. Diese Phasendifferenz ist gleich 180°, unabhängig von der Frequenz des übertragenen Signals.The operation of an optionally rotating by 180 ° Phase shifter according to the invention in the decimeter wave range is based on the phase difference at Reflection occurs on a transmission line, which is either open or short-circuited at its end. This phase difference is equal to 180 °, regardless of the frequency of the transmitted signal.

Bei der in F i g. 1 vereinfacht wiedergegebenen Anordnung eines Phasenschiebers gemäß der Erfindung ist eine Koaxialleitung mit dem Innenleiter 31 und dem Außenmantel 32 an ihrem einen Ende durch ein Kurzschlußstiick 33 abgeschlossen. Nahe diesem Kurzschlußstück und in Reihenschluß mit dem Innenleiter 31 ist ein Halbleiter 34 geschaltet. Das Steuersignal für den Halbleiter 34 wird von einer hier nicht beschriebenen Steuerschaltung geliefert. Ferner sind hier nicht die verschiedenen zugeordneten Schaltungen wie Anpassungsglieder mit Viertelwellenstichleitungen beschrieben, die dieses Steuersignal dem im Innern der Koaxialleitung angeordneten Halbleiter zuzuführen gestatten. Der Halbleiter 34 besitzt zwei Betriebszustände, die durch die Richtung der angelegten Steuerspannung bestimmt sind. Im Sperrzustand entspricht somit die Koaxialleitung einer offenen Leitung und im Durchlaßzustand einer kurzgeschlossenen Leitung. Halbleiter, wie Festkörperdioden, sind für Hochfrequenzschaltungen dieser Art besonders geeignet. Entsprechend der Richtung der Vorspannung besitzen sie entweder einen hohen oder einen geringen Scheinwiderstand. Der Reflexionskoeffizient besitzt den Wert In the case of the in FIG. 1 shows a simplified arrangement of a phase shifter according to the invention is a coaxial line with the inner conductor 31 and the outer sheath 32 at one end through a Short circuit 33 completed. Close to this short-circuit piece and in series connection with the inner conductor 31, a semiconductor 34 is connected. The control signal for the semiconductor 34 is not given by one here described control circuit supplied. Also, here are not the various associated circuits as described adapters with quarter-wave stubs that this control signal to the Allow to supply semiconductor arranged inside the coaxial line. The semiconductor 34 has two operating states that are determined by the direction of the applied control voltage. In the locked state The coaxial line thus corresponds to an open line and, in the on state, to a short-circuited line. Semiconductors, such as solid state diodes, are particularly suitable for high-frequency circuits of this type. According to the direction of the They have either a high or a low impedance bias. The reflection coefficient has the value

in diesem Ausdruck bedeutet Z die Serienimpedanz des Halbleiters und Z₀ den Wellenwiderstand der Koaxialleitung. Man kann annehmen, daß der Halbleiter sich in Sperrichtung wie ein hoher kapazitiver Blindwiderstand des Wertes \/j<»C und in Durchlaßrichtung etwa wie ein Ohmscher Widerstand mit geringem Wert R verhält. Diese Bedingungen werden praktisch von Halbleitern, wie Dioden, erfüllt, insbesondere, wenn ihre Abmessungen gegenüber der Wellenlänge der sich auf der Koaxialleitung fortpflanzenden Welle verhältnismäßig gering sind. Bei umgekehrter Vorspannung ist der Wert der Impedanz Z = l//(i)C gewöhnlich sehr groß gegenüber dem Wellenwiderstand Z₀ der Koaxialleitung, und der Reflexionskoeffizient hat dann den Wert r, — 1 -JlZ₀O)C, wobei der Ausdruck 2Z₀HiC klein gegenüber 1 ist.In this expression, Z denotes the series impedance of the semiconductor and Z ₀ denotes the characteristic impedance of the coaxial line. One can assume that the semiconductor behaves like a high capacitive reactance of the value \ / j <»C in the reverse direction and roughly like an ohmic resistance with a low value R in the forward direction. These conditions are practically fulfilled by semiconductors such as diodes, especially if their dimensions are relatively small compared to the wavelength of the wave propagating on the coaxial line. With reverse bias, the value of the impedance Z = 1 // (i) C is usually very large compared to the characteristic impedance Z _{0 of} the coaxial line, and the reflection coefficient then has the value r, - 1 -JlZ ₀ O) C, where the expression 2Z ₀ HiC is small compared to 1.

In Durchlaßrichtung ist der Widerstand des Halbleiters gering und gewöhnlich sehr klein gegenüber dem Wellenwiderstand Z₀ der Leitung. Der in Reihe zwischen dem Halbleiter 34 und dem Kurzschlußstück 33 geschaltete Leiterabschnitt 311 hat einen geringen induktiven Blindwiderstand /<»L, der ebenIn the forward direction, the resistance of the semiconductor is low and usually very small compared to the characteristic impedance Z _{0 of} the line. The conductor section 311 connected in series between the semiconductor 34 and the short-circuit piece 33 has a low inductive reactance / <»L, which is just that

falls als klein gegenüber Z₀ angenommen ist. Unter diesen Bedingungen besitzt der Reflexionskoeffizient den Wertif is assumed to be small compared to Z _0. Under these conditions, the reflection coefficient has the value

ι L. -^2<I>L ^r2 - - ^l + J —7 ·ι L. - ^{2 <I> L} ^r 2 - - ^l + J -7 ·

Wenn die Selbstinduktion L des Leiterabschnitts 311 die Gleichung L = CZ\ erfüllt, erzeugt -der Phasenschieber eine genaue Drehung der PhaseWhen the self-induction L of the conductor section 311 satisfies the equation L = CZ \ , the phase shifter produces an accurate rotation of the phase

um 180° zwischen den beiden Betriebszuständen des Halbleiters.by 180 ° between the two operating states of the semiconductor.

Dieses Ergebnis ist unabhängig von der Frequenz. Solange die vorstehenden Bedingungen genügend genau erfüllt sind, erhält man mit hoher Genauigkeit eine Phasenverschiebung um 180° in einem sehr breiten Frequenzband. Beispielsweise kann man durch numerische Berechnung zeigen, daß die Phasenverschiebung bis auf 1 oder 2° in einem Bereich von 160 bis 800 MHz für eine Sperrkapazität C von 1 Picofarad eintritt.This result is independent of the frequency. As long as the above conditions are sufficient are met exactly, a phase shift of 180 ° in a very wide range is obtained with high accuracy Frequency band. For example, one can show by numerical calculation that the phase shift up to 1 or 2 ° in a range from 160 to 800 MHz for a blocking capacitance C of 1 picofarad occurs.

Der Verwendungsbereich eines solchen Phasenschiebers ist im wesentlichen durch die Eigenschaften der Halbleiter bestimmt. Um nämlich die BedingungenThe range of use of such a phase shifter is essentially due to the properties of the Semiconductors determined. Namely the conditions

nCnC

Z₀ undZ ₀ and

Z₀ Z ₀

zu erfüllen, ist es notwendig, im Bereich sehr hoher Frequenzen Halbleiter zu verwenden, die eine sehr geringe Sperrkapazität besitzen. Demzufolge muß der Wert von L geringer sein. Für Anwendungen im Zentimeterwellenbereich kann der Leiterabschnitt 311 sehr klein sein oder sogar entfallen. An der oberen Bereichsgrenze wird dann der induktive Blindwiderstand durch die inneren Anschlüsse des Halbleiters erzeugt, und dieser liegt unmittelbar an dem Kurzschlußstück 33. In dem vorgesehenen breiten Frequenzbereich setzt sich somit der Wert L entweder aus der Serienschaltung der Selbstinduktivität des Halbleiters 34 mit der des Leiterabschnittes 311 zusammen oder ist an der Bereichsgrenze gleich derjenigen des Halbleiters 34 allein. Bei Anwendungen im Dezimeterwellenbereich ist dieser Wert L praktisch gleich dem des Leiterabschnitts 311.To meet, it is necessary in the range of very high frequencies to use semiconductors that have a very low blocking capacitance. As a result, the value of L must be smaller. For applications in the centimeter wave range, the conductor section 311 can be very small or even omitted. At the upper limit of the range, the inductive reactance is generated by the inner connections of the semiconductor, and this is directly on the short-circuit piece 33. In the intended wide frequency range, the value L is thus either a series connection of the self-inductance of the semiconductor 34 with that of the conductor section 311 together or is equal to that of the semiconductor 34 alone at the range limit. In the case of applications in the decimeter wave range, this value L is practically the same as that of the conductor section 311.

Der Leiterabschnitt 311 kann ein zwischen den Halbleiter 34 und das Kurzschlußstück 33 eingefügter Leiter oder ein Abschnitt des Innenleiters sein.The conductor portion 311 may be one inserted between the semiconductor 34 and the short-circuit piece 33 Be a conductor or a section of the inner conductor.

Eine der Schaltung der F i g. 1 gleichwertige Schaltung ist jene, bei der ein Halbleiter 34 mit einem Leiterabschnitt 311 verbunden ist und diese Zusammenschaltung im Nebenschluß zu einem Ende des Innenleiters der offenen (herlaufenden) Koaxialleitung liegt. Eine solche Schaltung liegt im Rahmen vorliegender Erfindung.One of the circuit of FIG. 1 equivalent circuit is that in which a semiconductor 34 with a conductor section 311 is connected and this interconnection is shunted to one end of the inner conductor the open (running) coaxial line. Such a circuit is within the scope of the present invention Invention.

Die verwendeten Halbleiter sind vorzugsweise Festkörperdioden oder Varactordioden, die in ihrem Durchlaßbereich benutzt werden. Letztere lassen insbesondere außerordentlich geringe Umschaltzeiten zu, die einige Nanosekunden erreichen können. Die Videofrequenz-Steuersignale des Halbleiters wer-The semiconductors used are preferably solid-state diodes or varactor diodes, which are in their Passband can be used. The latter allow, in particular, extremely short switching times too, which can reach a few nanoseconds. The video frequency control signals of the semiconductor are

6c den über eine angepaßte Hochfrequenzschaltung, wie eine Viertelwellenstichleitung, angelegt. Bei großen Wellenlängen kann zwecks Minderung des Raumbedarfs der Stichleitung der betreffende Innenleiter schraubenförmig verlaufen. Die angelegte Hochfre-6c via an adapted high-frequency circuit, such as a quarter-wave stub, laid out. In the case of long wavelengths, the space requirement can be reduced of the stub line, the inner conductor in question run helically. The applied high frequency

⁶S quenzleistung ist beschränkt durch die Grenzdaten des benutzten Halbleiters. In Sperrichtung bildet die Durchbruchsspannung die Grenze, in Durchlaßrichtung iler maximal zulässige Durchlaßstrom. ⁶ S quency performance is limited by the limit data of the semiconductor used. In the reverse direction the breakdown voltage forms the limit, in the forward direction it is the maximum permissible forward current.

Die von der Leitung verarbeitbare Leistung kann auf verschiedene Weise erhöht werden. Gemäß der Schaltung der Fi g. 2 sind zwei Halbleiter 341 und 342 gegensinnig hintereinandergeschaltet. Bei veränderter Steuerspannung kann somit die Hochfrequenzspannung verdoppelt werden. Die Stcuerspannung wird zwischen die beiden Halbleiter über den Innenleiter 361 einer Viertelwellenslichleitung an den Leitcrabschnitt 312 des Innenleiters 31 der Koaxialleitung angelegt. Die Stromrückführung Tür den Halbleiter 341 erfolgt über einen zweiten Anschluß, dessen Innenleiter 362 über das Element 352 auf dem elektrischen Potential des Außenmaniels 32 der Koaxialleitung liegt. Die elektrische Trennung der Steuerschaltung von der Koaxialleitung erfolgt über eine entsprechende Hochfrequenzschaltung. Diese Trennung ist auf vereinfachte Weise in F i g. 2 durch den Abstand zwischen dem den ersten Anschluß abschließenden Element.351 und dem.benachbarten Teil des Außenmantels 32 schemalisch wiedergegeben, wobei die Kapazität zwischen diesen Teilen hochfrequenzmäßig einem Kurzschluß entspricht.The power that can be processed by the line can be increased in various ways. According to the circuit of Fi g. 2, two semiconductors 341 and 342 are connected in series in opposite directions. If the control voltage is changed, the high-frequency voltage can thus be doubled. The control voltage is applied between the two semiconductors via the inner conductor 361 of a quarter-wave optical line to the conductor section 312 of the inner conductor 31 of the coaxial line. The current return to the semiconductor 341 takes place via a second connection, the inner conductor 362 of which is at the electrical potential of the outer maniel 32 of the coaxial line via the element 352. The electrical separation of the control circuit from the coaxial line takes place via a corresponding high-frequency circuit. This separation is shown in a simplified manner in FIG. 2 by the distance between the element terminating the first connection. 351 and the neighboring part of the outer jacket 32 are shown schematically, the capacitance between these parts corresponding to a short circuit in terms of high frequency.

Um die in Durchlaßrichtung zulässige Leistung zu erhöhen, lassen sich entweder Halbleiter mit größerer Grenzfläche und somit größerer Sperrkapazität oder an Stelle eines einzelnen mehrere einander parallelgeschaltete Halbleiter verwenden, vorausgesctzl, daß die Wärmeverlustleistung abgeführt werden kann. Einen wesentlichen Einfluß auf die maximal verarbeitbare Leistung hat der Wert des Wellenwiderstandes der Leitung. Dies ist ohne weiteres klar, wenn man berücksichtigt, daß der durch den Halbleiter in Durchlaßrichtung fließende Strom mit wachsendem Wellenwiderstand abnimmt, während die über dem Halbleiter auftretende Sperrspannung mit wachsendem Wellenwiderstand zunimmt. Für einen bestimmten Wert des Wellenwiderstandes Z₀ ergibt sich also die bestmögliche Ausnutzung der Grenzdaten des Halbleiters. Die Leitung verarbeitet dann die dem Halbleiter maximal zumutbare Leistung, die in diesem Augenblick in Sperrichtung und in Durchlaßrichtung gleich groß ist. Die bereits erwähnte Gleichung L = CZl, in der L die Induktivität des Leiterabschnittes 311 bezeichnet,, ist somit vollständig bestimmt, sofern der Phasenschieber für maximale Leistung ausgelegt werden soll; spwohl C als auch Z₀ liegen nämlich im' Sinne des Vorhergesagten nach der einmal getroffenen Wahl des Halbleiters fest.In order to increase the permissible power in the forward direction, either semiconductors with a larger interface and thus a larger blocking capacity or, instead of a single one, several semiconductors connected in parallel can be used, provided that the heat loss can be dissipated. The value of the wave resistance of the cable has a significant influence on the maximum power that can be processed. This is immediately clear when one takes into account that the current flowing through the semiconductor in the forward direction decreases with increasing characteristic impedance, while the reverse voltage occurring across the semiconductor increases with increasing characteristic impedance. For a certain value of the characteristic impedance Z ₀ , the best possible utilization of the limit data of the semiconductor results. The line then processes the maximum power that can be reasonably expected of the semiconductor, which at this moment is the same in the reverse direction and in the forward direction. The already mentioned equation L = CZl, in which L denotes the inductance of the conductor section 311 , is thus completely determined if the phase shifter is to be designed for maximum power; For both C and Z ₀ are fixed in the sense of what has been predicted once the semiconductor has been selected.

Solche Phasenschieber können, wie beschrieben, koaxial aufgebaut werden. Es ist jedoch auch möglich, sie dreiplattig im Zuge einer Bandleitung anzuordnen. Zur Verwendung mit Sendeeinrichtungen muß solchen Phasenschiebern ein besonderer Stromkreis 4 zugeordnet werden, wie dies Fig. 3 zeigt. Der Stromkreis 4 bewirkt die Kopplung zwischen dem HF-Generator 1 und dem Phasenschieber 3 sowie zwischen diesem Phasenschieber 3 und dem Verbraucher 2. Er muß ferner für eine gute Entkopplung zwischen dem Generator 1 und dem Empfänger 2 sorgen. Die HF-Ubertragungsleitungen 1 bis 4 und 4 bis 2 sind rcfiexionsfrei angepaßt, auf der an den Phasenschieber angeschlossenen Leitung 3 bis 4 bilden sich stehende Wellen aus. Für den besonderen Stromkreis 4 gibt es mehrere Lösungen.Such phase shifters can, as described, be constructed coaxially. However, it is also possible to arrange them in three plates in the course of a ribbon line. Must be used with broadcast equipment a special circuit 4 can be assigned to such phase shifters, as FIG. 3 shows. the Circuit 4 causes the coupling between the HF generator 1 and the phase shifter 3 as well between this phase shifter 3 and the consumer 2. He must also for a good decoupling between the generator 1 and the receiver 2. The RF transmission lines 1 to 4 and 4 to 2 are adapted to be rcfiexion-free, on the Line 3 to 4 connected to the phase shifter form standing waves. For the special one Circuit 4 has several solutions.

Eine erste Lösung ist schematisch in F i g. 4 wiedergegeben. Sie besteht darin, einen Ferritzirkulator zu verwenden, dessen Arbeitsweise an sich bekannt ist. Die durch den Generator 1 erzeugte HF-Welle läuft in Richtung des eingezeichneten Pfeils um zu dem Phasenschieber 3, der sie unter Umkehr ihrer Phase um .τ reflektiert, wenn sich die Vorspannung des oder der Halbleiter des Phasenschiebers 3 umkehrt. Bei einer videofrequenten Steuerspannung mehr oder minder zufälligen Charakters erzielt man eine entsprechende Modulation der Phase der von dem Zirkulator 4 zu dem Verbraucher 2 übertragenen Welle.A first solution is shown schematically in FIG. 4 reproduced. It consists in using a ferrite circulator whose mode of operation is known per se. The HF wave generated by the generator 1 runs in the direction of the arrow drawn in order to the phase shifter 3, which they reversing their phase by .τ when the bias of the or the semiconductor of the phase shifter 3 reverses. With a video frequency control voltage more or of a less random character one obtains a corresponding modulation of the phase of the Circulator 4 to the consumer 2 transmitted wave.

Gemäß dem Schaltbild der Fig. 5 besteht eine weitere Lösung in der Verwendung eines 3-db-Kopplers als besonderer Stromkreis 4. Diese Lösung benötigt zwei Phasenschieber 301 und 302, gestattet jedoch, die von dem Generator 1 erzeugte, an den Phasenschiebern anliegende. Gesamtleistung zu verdoppeln. Die Halbleiter der Phasenschieber 301 und 302 müssen gleichphasig gesteuert werden, und die elektrischen Längen der beiden .Fortpflanzungswege müssen einander gleich sein. Sind die Phasenschieber 301 und 302 einander gleich, so sind die Längen der Leitungen L₁ und L₁ zwischen dem Koppler 4 und den Phasenschiebern 301 und 302 ebenfalls einander gleich, so daß L₁- = L₂ ist.According to the circuit diagram of FIG. 5, a further solution is the use of a 3-db coupler as a special circuit 4. This solution requires two phase shifters 301 and 302, but allows the one generated by the generator 1 to be applied to the phase shifters. Double overall output. The semiconductors of the phase shifters 301 and 302 must be controlled in phase, and the electrical lengths of the two propagation paths must be equal to one another. If the phase shifters 301 and 302 are equal to one another, the lengths of the lines L ₁ and L ₁ between the coupler 4 and the phase shifters 301 and 302 are also equal to one another, so that L ₁ - = L ₂ .

Eine weitere Lösung ist in Fi g.Vi veranschaulicht und besteht in der Verwendung einer HF-Falle oder eines magischen T. Diese Schaltung benötigt, wie im Falle der F i g. 5, zwei Phasenschieber 301 und 302. Wenn die Längen L₁ und L₁ zwischen der HF-Falle 4 und den Phasenschiebern um eine Viertelwellenlänge der sich fortpflanzenden Welle verschieden sind, so sind die Halbleiter der Phasenschieber gleichphasig zu steuern. Für einander gleiche Längen müssen sie gegenphasig gesteuert werden.Another solution is illustrated in FIG. VI and consists in the use of an RF trap or a magic T. This circuit requires, as in the case of FIG. 5, two phase shifters 301 and 302. If the lengths L ₁ and L ₁ between the HF trap 4 and the phase shifters are different by a quarter wavelength of the propagating wave, the semiconductors of the phase shifters are to be controlled in phase. For lengths that are the same, they must be controlled in phase opposition.

Bei den hier beispielsweise wiedergegebenen verschiedenen Lösungen ist ganz allgemein der Nutzfrequenzbereieh bzw. die Bandbreite durch den jeweiligen besonderen Stromkreis 4 begrenzt. Die Schaltung der HF-Falle oder des magischen T läßt keine sehr großen Durchlaßbandbreiten erzielen. Die Lösung mit dem 3-db-Koppler ist zu bevorzugen. Bei einem 3-db-Koppler der Länge A/4 wird die wahlweise Phasenverschiebung um π über einen Frequenzumfang von einer Oktave erreicht. Bei einem 3-db-Koppler der Länge 3 λ/4 können zwei Oktaven überstrichen werden.In the various solutions presented here for example, the useful frequency range or the bandwidth is limited by the particular circuit 4 in each case. The circuit of the HF trap or the magic T does not allow very large bandwidths to be achieved. The solution with the 3-db coupler is preferable. With a 3-db coupler of length A / 4, the optional phase shift of π is achieved over a frequency range of one octave. With a 3-db coupler of length 3 λ / 4 , two octaves can be swept over.

Im Italic eines einen oder mehrere parallelgeschaltete Halbleiter verwendenden Phasenschiebers kann die Hochfrequenzschaltung, die die videofrequente Sleuerspannung anzulegen gestattet, vorteilhaft an einem entfernteren Teil der Leitung in einem Bereich normaler Fortpflanzung wie auf der Verbindung 1 bis 4 oder 4 bis 2 angeschlossen sein. Die Gefahr von Verstimmungen, die zu Phasendrehungen führen, läßt sich dadurch bei den erfindungsgemäßen Phasen-Schiebern, bei denen sich stehende Wellen ausbilden, vermeiden.In the italic of a phase shifter using one or more semiconductors connected in parallel, the high-frequency circuit that allows the video-frequency voltage to be applied can advantageously be connected to a more distant part of the line in an area of normal propagation such as on connection 1 to 4 or 4 to 2. The risk of detunings that lead to phase rotations can thereby be avoided with the phase shifters according to the invention, in which standing waves are formed.

Derartige, einer passenden Koppelschaltung zugeordnete Phasenschieber werden im Dezimeter-'und Zcntimeterwellenbereich dazu verwendet, wahlweise Phasenverschiebungen der sich fortpflanzenden Welle von 180° in einem sehr breiten Frequenzband mit äußerst geringen Umschaltzeiten zu erzielen. Die Phasenverschiebung wird durch Änderung der Vorspannung des an die Halbleiter angelegten videoficqucnten Signals gesteuert. Die Phasenschieber bilden feste Stromkreise einfachen Aufbaus und geringen Raumbedarfs. Sie können beispielsweise bei Störsyslcmen, Annäherungszündern, Störradars.Such phase shifters assigned to a suitable coupling circuit are in decimeter-'and Centimeter wave range used to selectively phase shifts of the propagating wave of 180 ° in a very wide frequency band with extremely short switching times. the Phase shift is achieved by changing the bias voltage of the video components applied to the semiconductors Signal controlled. The phase shifters form solid circuits of simple construction and little space required. You can, for example, with jamming systems, proximity detonators, jamming radars.

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Speisung von Gitterantennen usw. Anwendung finden. Ferner kann eine solche Schaltung als Modulator mit Trägerunterdrückung eingesetzt werden, wobei die erhaltenen Seitenbänder der Phasenmodulation der HF-Trägerwelle durch Änderung des Leitzustandes der Halbleiter entsprechen. Derartige Schaltungen, die mit weiteren Schaltungen — wie beschrieben — und gegebenenfalls mit Filtern verbunden sind, gestatten ein mehr oder minder breites Nutzfrequenzband auszuwählen. Ihr Wirkungsgrad ist sehr hoch und kann ohne weiteres eine Mischsteilheit von 3,3 db auf jedem Seitenband erreichen.Feeding grid antennas, etc. are used. Such a circuit can also be used as a modulator can be used with carrier suppression, the sidebands obtained being the phase modulation correspond to the HF carrier wave by changing the conductivity state of the semiconductors. Such circuits, which are connected to other circuits - as described - and possibly with filters allow a more or less wide usable frequency band to be selected. Your efficiency is very high and can easily achieve a mixing slope of 3.3 db on each sideband.

Claims

Patent claims:

1. Semiconductor phase shifter to generate an optional phase jump of 180 ° in a wide frequency band, for example several octaves, for the decimeter and tensimeter wave range with a coaxial line terminated on one side by a short-circuit piece, the inner conductor of which is at least one semiconductor, such as solid-state diode or varactor diode , is in series and which is connected at its open end to a special circuit, such as a ferrite circulator, a 3-db coupler, a magic T or the like, furthermore a control circuit for generating the semiconductor (s) in pass-through or in the reverse biasing voltage is provided, characterized in that the semiconductor (34) and the dimensions of the inner conductor piece (311) connecting it to the short-circuit piece (33) are selected in such a way that the relationships

oi _M h ^ Z ₀

and L =

are fulfilled, where Z _{0 is} the wave resistance of the coaxial line, ω _Μ the highest angular frequency,

at which the phase shifter should still work,

is the capacitive reactance of the semiconductor in the blocking state and w _M L is the inductive reactance ·. resistance of the series circuit of the semiconductor in the on state and the inner conductor piece (311) is.

■.

2. Phase shifter according to claim 1, characterized characterized in that it is constructed with three plates in the form of a stripline.

3. phase shifter according to claim 1, characterized in that two opposite directions one behind the other

other semiconductors (341, 342) connected in series with the inner conductor (31) are provided with an inner conductor section (312) lying between them, to which the control voltage for the semiconductors, with their return line via the short-circuit piece (33) remote semiconductor (341) takes place. · · ■.

4. phase shifter according to claim 1 or 3, characterized in that the (semiconductor (34) 'or. the two semiconductors (341, 342) by several parallel-connected in the same direction Semiconductors are replaced.

5. Phase shifter according to one of claims 1, 3 or 4, characterized in that the wave resistance the coaxial line is determined so that it takes into account the maximum power process the limit values of the forward current and the reverse voltage of the semiconductor can.

6. Phase shifter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the or the

Used semiconductors in their pass band. Are varactor diodes.

1 sheet of drawings

109 616/184