FI105613B - Vaimentimen säätöominaisuuksia parantava kytkentä - Google Patents

Description

105613

Vaimentimet! säätöominaisuuksia parantava kytkentä - Koppling som förbätt-rar justeringsegenskaper för en attenuator Tämän keksinnön kohteena on vaimenninkytkentä, erityisesti SHF-taajuusalueelle 5 tarkoitettu pin-diodivaimenninkytkentä, jonka kytkennän avulla voidaan parantaa vaimentunen säätöominaisuuksia.

•

Vaihemoduloitujen lähetteiden, kuten esim. QPSK ja QAM, vastaanotossa tarvitaan ilmaisimelle lineaarisissa asteissa vahvistettu ja sopivalle tasolle säädetty signaali. 10 Vastaanottimeen tulevan lähetteen taso voi muuttua vastaanoton aikana. Jotta ilmaisimen otossa oleva signaalitaso olisi vakio, tarvitaan automaattisesti toimiva tason säätöjäijestelmä (AGC; Automatic Gain Control). Säätöjärjestelmä on takaisinkytketty, joka takaisinkytkentä kompensoi vastaanotetun lähetteen amplitudin muutoksia vastaanottimen vahvistusta muuttamalla. Tavallisesti vahvistuksen ohjaustieto 15 saadaan jännitteenä. Samoin integroidut piirit, joissa on AGC-toiminta, ovat yleisesti jänniteohjattuja. Oleellista säätöjäijestelmässä on, että säätösilmukka on stabiili ja että vahvistus- ja vaihevarat ovat riittävän suuret kompensoimaan silmukan komponenttien toleranssit ja mahdollisen epälineaarisuuden.

20 Suurilla taajuuksilla eräs tavallisimmista signaalitason säätöön käytetyistä komponenteista on diodi. Erityisesti pin-diodi soveltuu hyvin käytettäväksi mikroaaltopiireissä. Sitä käytetään muun muassa tasasuuntaajana, modulaattorina, vaimentimena, kytkimenä, vaiheensiirtimenä ja rajoittimena. Tässä tarkastellaan pin-diodin käyttöä vaimenninsovelluksissa.

·. - 25

Pin-diodivaimenninta voidaan ohjata sen läpi kulkevaa tasavirtaa säätämällä. Pin-diodeja käsittävässä diodivaimentimessa diodeja voidaan kytkeä signaalitielle sarjaan tai rinnan. Suurilla taajuuksilla sarjaankytkennässä maksimivaimennusta rajoittaa diodin kapasitanssi. Vastaavasti rinnankytkennässä maksimivaimennusta rajoit-30 taa diodin induktanssi kotelointi mukaan lukien. Suurilla taajuuksilla rinnankytken- • ' tää rajoittaa induktanssin lisäksi biasointikytkentöjen vuoksi tarvittavan kondensaat torin hajainduktanssi. Kondensaattori voidaan mitoittaa siten, että mitoituksessa • huomioidaan myös syntyvä hajainduktanssi, jolloin kondensaattori saadaan sarjare-sonanssiin käytetylle taajuudelle. Tällöin muodostuu niin kutsuttu imupiiri. Kun 35 taajuusalue on laaja, ei tämä menetelmä toimi, koska saavutettava vaimennus riippuu voimakkaasti taajuudesta.

• Vaimentimessa on myös mahdollista kytkeä pin-diodeja sekä Saijaan että rinnan, jolloin saavutettavissa oleva suurin vaimennus huononee edellä mainituista syistä 2 105613 nopeasti taajuuden kasvaessa. Laajakaistaisissa sovelluksissa tämä ei ole toivottavaa. Mikäli käytetään Saijaan kytkettyjä diodeja ja jokaisen yksittäisen diodin kuor-maimpedanssi on kapasitiivinen, saavutetaan edellistä konfiguraatiota huomattavasti tasaisempi taajuusvaste.

5

Pin-diodin ollessa saijaelementtinä suurin vaimennus riippuu diodin kapasitanssista estotilassa ja pienin vaimennus diodin impedanssista suurimmalla virralla. Kuor-maimpedanssi vaikuttaa sekä suurimpaan että pienimpään vaimennukseen. Radiotaajuuksilla vaimentunen säätöalue saattaa diodin kapasitanssista johtuen olla melko 10 pieni, jolloin tarvittavan säätöalueen toteuttamiseksi voidaan tarvita usean diodin sisältävä vaimentimien sarjakytkentä. Kuvassa 1 on esitetty eräs tekniikan tason mukainen vaimenninkytkentä.

Kuvassa 1 esitetty vaimenninkytkentä koostuu kolmesta pin-diodista Di, D2, D3, 15 jotka on kytketty sarjaan. Diodit biasoidaan biasointijännitteellä Ubias biasointipiirin kautta, johon kuuluvat kondensaattori Cb ja vastus Rb. Säätöjännitteellä UAgc ohjataan vaimentunen toimintaa vastuksen Ro kautta. Impedanssit Zls Z2 ja Z3 esittävät diodien kuormaimpedansseja. Kuormaimpedanssit Zi, Z2 ja Z3 eivät välttämättä ole fyysisiä komponentteja, minkä vuoksi ne on erotettu kuvassa 1 esitetystä piiristä 20 katkoviivalla. Impedanssit voidaan myös lisätä vaimenninpiiriin fyysisinä komponentteina, jolloin voidaan saada aikaan parempi jännitejako diodien välillä. Impedanssit Zj, Z2 ja Z3 esittävät lähinnä suurilla taajuuksilla vaimenninpiirin komponenteissa syntyviä häiriöitä, kuten hajakapasitansseja ja -induktansseja. Kondensaattorit Ci ja C2 toimivat erotuskondensaattoreina, joilla erotetaan biasointitarkoitukseen 25 käytettävä tasajännite muista piireistä.

Tunnetusti diodin läpi kulkeva virta kasvaa eksponentiaalisesti jännitteen funktiona. Diodin sijaiskytkennän kapasitanssi rajoittaa vaimennusaluetta, jolloin hyödyllistä vaimennusaluetta vastaava jännitteen muutos diodin napojen yli on varsin pieni. 30 Tämän seurauksena diodin jännite on lähellä niin kutsuttua kynnysjännitettä. Kytkettäessä useita vaimentimia sarjaan, kuten kuvassa 1 esitetyssä kytkennässä, kulkee ,·' sama biasointivirta kaikkien diodien Di, D2, D3 läpi, jolloin kaikkien diodien jännite on lähellä kynnysjännitettä. Diodin tai diodien Di, D2, D3 biasointivastuksen Rb resistanssin on oltava pieni, jotta saadaan riittävä virta vaimentunen minimivaimen-35 nuksen pienentämiseksi. Vastuksen RB ollessa pieni säätöjännitteen UAgc vaimenti-men toimintaa vastaava säätöalue on rajoittunut pieneen osaan säätöjännitteen ko-konaisalueesta. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että vaimentimen vahvistuksen muutos dG/dU ei ole vakio vaan on voimakkaasti riippuvainen jännitteen UAgc ar- 3 105613 vosta. Tästä johtuen AGC-säätöjärjestelmässä ilmenee pyrkimystä epästabiilisuu-teen, mikä muuttaa tasosta riippuen muun muassa jännitteen Uagc asettumisaikaa.

Tämän keksinnön tavoitteena on esittää menetelmä diodivaimentimen biasoimiseksi, 5 jolla AGC-säätöjäijestelmän stabiilisuutta sekä eräissä tapauksissa myös säätötark-kuutta voidaan parantaa. Edelleen keksinnön tavoitteena on esittää vaimenninpiiri, jossa sovelletaan keksinnön mukaista biasointimenetelmää.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan kytkemällä vaimenninelimien yhteyteen biasoin-10 tielimet, joiden kautta osa biasointivirrasta voidaan johtaa, jolloin vaimenninelimet alkavat johtaa erikseen AGC-säätöpiirin ohjaamana vaimennustilanteessa.

Keksinnön mukaiselle biasointimenetelmälle on tunnusomaista se, mitä ori esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaiselle vai-15 menninpiirille on tunnusomaista se, mitä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 4 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön muita edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukainen biasointijäqestely on huomattavasti yksinkertaisempi kuin 20 vastaavat tekniikan tason mukaiset ratkaisut. Edelleen keksinnön mukaisella ratkaisulla voidaan parantaa pin-diodeihin perustuvan vaimentunen säätöominaisuuksia. sillä keksinnön mukaisella järjestelyllä voidaan säätöjärjestelmän stabiilisuutta parantaa ja säätöjännitteen UAGc muutoksesta johtuvaa säätöjyrkkyyden muutosta pienentää.

25 ; Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin viittaamalla oheisiin ku viin, joissa kuva 1 esittää tekniikan tason mukaista vaimenninkytkentää, 30 kuva 2 esittää keksinnön periaatekuvaa, kuva 3a esittää erästä ensimmäistä keksinnön mukaista vaimenninkytkentää ja kuva 3b esittää erästä toista keksinnön hiukaista vaimenninkytkentää.

Kuvassa 2 on esitetty keksinnön periaatteellista kytkentää. Tässä esimerkinomaises-35 sa kytkennässä on kytketty neljä vaimenninelintä 23 sarjaan sisäänmenon IN ja ulostulon OUT välille. Vaimenninelimet 23 voivat olla esim. pin-diodeja tai joitakin muita suurtaajuisiin sovelluksiin vaimennintarkoitukseen sopivia komponentteja. Vaimenninelimet 23 asetetaan toimintatilaan biasointielimien 22 avulla, joiden bia-sointielimien 22 kautta syötetään vaimenninelimille 23 biasointivirta, joka muodos- 4 105613 tetaan biasointipiirissä 21. Biasointielimet 22 voivat olla esim. vastuksia. Jokaisen vaimenninelimen 23 biasointielin 22 eroaa toisista, jotta biasointi voidaan toteuttaa jokaiselle vaimenninelimelle 23 erikseen, jolloin yksi vaimennin-elin 23 kerrallaan alkaa johtaa takaisinkytkentäsilmukan AGC ohjaamana. Esimerkiksi, jos biasointie-5 liminä 22 ovat vastukset ja vaimennineliminä 23 diodit, on vastusten arvot mitoitettu toisistaan eroavaksi siten, että jokaisen diodin läpi kulkeva biasointivirta eroaa toisistaan. Tällöin piirin vaimennuksen muutos tapahtuu edullisesti yhdessä diodissa kerrallaan.

10 Kuvassa 3a on kytketty kolme vaimenninelintä 23, jotka tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa ovat pin-diodeja Di, D2, D3, estosuuntaisesti sarjaan sisäänmenon IN ja ulostulon OUT välille. Sarjaankytkennän ensimmäiseen päähän on kytketty ensimmäinen erotuskondensaattori Ci ja sarjaankytkennän toiseen päähän on kytketty toinen erotuskondensaattori C2. Ensimmäisen kondensaattorin Q toisen pään ja 15 ensimmäisen pin-diodin Di ensimmäisen pään, katodin, väliin on kytketty biasoin-tipiiri 21, joka tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa koostuu ohituskonden-saattorista Cb ja biasointivastuksesta RB. Joissakin tapauksissa ohituskondensaattori CB voidaan jättää pois. Biasointipiirin 21 kautta tuodaan vaimenninpiirille biasoin-tivirtaa asetusjännitteestä UBias, joka on edullisesti tasajännitettä. Tässä esimerkin-20 omaisessa suoritusmuodossa toisen vaimennindiodin D2 rinnalle on kytketty vastus R.31 ja kolmannen vaimennindiodin D3 rinnalle on kytketty vastus R32. Kolmannen vaimennindiodin D3 toisen pään, anodin, ja toisen kondensaattorin C2 ensimmäisen pään välille on kytketty takaisinkytkentänä takaisinkytkentäjännite UAgc, joka jännite tuodaan vastuksen Ro kautta vaimenninpiiriin. Takaisinkytkentä voidaan ottaa 25 esim. suurtaajuussovelluksissa käytetyn ilmaisimen ulostulosta. Alan ammattimie-; helle on selvää, että vaikka tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa ei ensim mäisen vaimennindiodin Di rinnalle ole kytketty vastusta, voidaan se tehdä tässä esitettävän keksinnöllisen ajatuksen siitä muuttumatta.

30 Kuvassa 3b on esitetty eräs toinen esimerkinomainen vaimenninjärjestely. Vaimen-ninjärjestely koostuu kolmesta pin-diodista Di, D2, D3, jotka on asetettu sarjaan edellä esitetyn mukaisesti. Kuvan 3b vaimenninkytkentä käsittää biasointipiirin, joka koostuu biasointikondensaattorista CB ja biasointivastuksesta Rb. Biasointivastus RB on kytketty ensimmäisestä päästään biasointijännitteeseen UBias ja toisesta 35 päästään ensimmäisen pin-diodin Di ensimmäisen pään ja erotuskondensaattorin Ci väliin. Kolmannen vaimennindiodin D3 toiseen päähän on kytketty erotuskonden-saattoij C2, joiden diodin D3 ja kondensaattorin C2 väliin on kytketty takaisinkytkentäjännite Uagc vastuksen Ro kautta. Kuvassa 3b esitetyn vaimenninkytkennän ensimmäisen vaimennindiodin D] toisen pään ja toisen vaimennindiodin D2 ensimmäi- > 5 105613 sen pään väliseen kytkentäpisteeseen on kytketty vastus R33, joka vastus on toisesta päästään kytketty vakiojännitteeseen eli tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa biasointijännitteeseen Ubias Toisen vaimennindiodin D2 toisen pään ja kolmannen vaimennindiodin D3 ensimmäisen pään väliseen kytkentäpisteeseen on niin ikään 5 kytketty vastus R34, joka vastus on toisesta päästään kytketty vakiojännitteeseen Ubias-

Vaimennindiodien D1? D2, D3 lukumäärä ei ole mitenkään sidottu kolmeen vaan vaimenninelimiä 23 voidaan käyttää sopiva määrä kunkin sovelluksen mukaan. Alan 10 ammattimiehelle on selvää, että vaimenninelimien 23 yhteyteen kytkettyjen biasoin-tielimien 22 eli tässä esimerkinomaisessa suoritusmuodossa vastusten R31, R32; R33, R34 lukumäärä on sidoksissa vaimenninelimien 23 lukumäärään. Kuvan 3a mukaisessa järjestelyssä vastusten R31 ja R32 resistanssit voidaan keksinnöllisen ajatuksen puitteissa mitoittaa erisuuruisiksi, jotta jokaisen vaimennindiodin Dj, D2, D3 läpi 15 kulkee eri virta. Alan ammattimiehelle on selvää, ettei kuvan 3b järjestelyssä vastusten R33 ja R34 tarvitse olla resistanssiltaan samansuuruisia. Yksi vaimenrtinelin 23, edullisesti ensimmäinen, voidaan jättää ilman biasointielintä 22. Edullisimmin kaikki biasointivirrat ovat erisuuruisia, mutta alan ammattimiehelle on selvää, että ainakin yksi biasointivirta on erisuuruinen kuin ainakin yksi muu.

20

Alan ammattimiehelle on selvää, että kuvissa 3a ja 3b esitetyissä kytkennöissä on jätetty esittämättä kuvan 1 mukaiset impedanssit Zi, Z2 ja Z3, jotka edullisesti esittävät piiriin kuuluvissa elimissä syntyviä hajakapasitansseja ja hajainduktansseja. . Keksinnön eräässä suoritusmuodossa piiriin voidaan lisätä sopivasti mitoitettuja im-25 pedansseja tarvittava määrä, millä voidaan parantaa diodien välistä jännitejakoa. Impedansseina voidaan käyttää esim. sopivasti valittuja kondensaattoreita kunkin sovelluksen tarvitsema määrä.

Vastuksia .mitoitettaessa otetaan huomioon ainakin vaimenninelimien 23 lukumäärä 30 ja ominaisuudet, kuten estotilan kapasitanssi. Eräs ensimmäinen vastusten mitoitustapa on se, että pienimmän vastuksen resistanssi mitoitetaan niin, että suurin saavutettava vaimennus pienenee tietyn tapauskohtaisesti hyväksyttävän määrän, esim. 1 dB. Diodin ominaisuudet huomioon ottaen seuraavan vastuksen arvo on aina edellistä useita kertoja suurempi. Eräs toinen mitoitustapa on sellainen, että pienin resis-35 tanssiarvo mitoitetaan siten, että pienin saavutettava vaimennus kasvaa hyväksyttävän määrän, esim. 1 dB. Diodien ominaisuudet huomioon ottaen seuraavan vastuksen arvo on edellistä useita kertoja suurempi. Vastukset voidaan mitoittaa myös toisin kuin tässä on esimerkinomaisesti esitetty.

Λ 6 105613

Tarkastellaan seuraavassa edellä esitettyjen piirien toimintaa. Kuvassa 3a esitetyn piirin sisäänmenoon IN syötetään radiotaajuista signaalia, esim. taajuudeltaan SHF-taajuusalueelle (Super High Frequencies) kuuluvaa signaalia. Piirin pin-diodit Dls D2, D3 biasoidaan biasointipiirin kautta, josta syötetään piiriin tasajännitettä. En-5 simmäinen pin-diodi Di päästää koko biasointivirran lävitseen. Toinen pin-diodi D2 päästää osan lävitseen ja osa menee vastuksen R3i kautta. Kolmas pin-diodi D3. päästää jälleen osan alkuperäisestä biasointivirrasta lävitseen ja osa kulkee vastuksen R32 kautta. Huomattavaa on, että kaikkien vaimennindiodien läpi kulkee erisuuruinen virta, koska rinnankytkettyjen vastusten resistanssiarvot eroavat toisistaan.

10 Piirin vaimennus riippuu siitä, kuinka suuri jännite-ero vaimenninelimien 23 päiden välillä vallitsee. Mitä suurempi virta vaimenninelimien 23 läpi kulkee, sitä pienempi on vaimennus, koska vaimenninelimien 23 suurtaajuinen resistanssi on tällöin pienimmillään. Kondensaattorit Ci ja C2 estävät vaimenninpiirissä olevan tasajännit-teen, kuten biasointijännitteen, pääsyn vaimenninpiirin jälkeisille piireille. Konden-15 saattorit Cj ja C2 päästävät sisäänmenoon IN syötetyn radiotaajuisen signaalin vaimentuneena vaimenninpiirin jälkeisille piireille. Kuvassa 3b esitetty piiri toimii vastaavasti.

Edellä esitetystä biasointimenettelystä seuraa, että takaisinkytkentäjännitteen Uagc 20 ohjaamana vaimennusta pienennettäessä alkaa yksi vaimennindiodi Di, D2, D3 kerrallaan johtaa. Vasta kun ensimmäisen johtavan diodin suurtaajuinen resistanssi on pienentynyt merkittävästi, alkaa ketjussa seuraavan diodin virta kasvaa ja vastaavasti resistanssi pienetä. Järjestelyllä saavutetaan se etu, että vaimennuksen muutos tapahtuu pääasiassa yhdessä diodissa kerrallaan muiden vaimennuksen ollessa lähellä 25 minimiä tai maksimia. Näin vaimentunen vahvistuksen muutos dG/dU pienenee, ei-; kä se muutu yhtä voimakkaasti kuin piirissä, jossa kuvattua biasointijärjestelyä ei ole.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri suoritusmuodot eivät rajoitu 30 edellä esitettyihin esimerkkeihin vaan että ne voivat vaihdella oheisten patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Edelleen alan ammattimiehelle on selvää, että edellä esitettyjen esimerkkien komponentteja ei ole mitenkään sidottu vaan keksinnön mukainen ratkaisu voidaan toteuttaa kaikilla keksinnön käyttötarkoitukseen soveltuvilla komponenteilla. Myöskään vaimenninelimien 23, ja 35 siten myös biasointielimien 22, lukumäärää ei ole mitenkään rajattu vaan niiden lukumäärä riippuu vaimentunen sovelluskohteen vaatimuksista.

Claims (8)

1. Menetelmä vaimenninpiirin biasoimiseksi, joka vaimenninpiiri käsittää ainakin kaksi sarjaankytkettyä vaimenninelintä (23), tunnettu siitä, että ainakin yhden vai- 5 menninelimen (23) biasointivirta säädetään erisuuruiseksi kuin ainakin yhden muun vaimenninelimen (23) biasointivirta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kunkin vaimenninelimen (23) biasointivirta säädetään erisuuruiseksi kuin muiden vaimennine- 10 limien (23) biasointivirta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että biasointivirtaa säädetään johtamalla virtaa vaimenninelimen (23) ohi biasointielimen (22) avulla.

4. Vaimenninpiiri, joka käsittää ainakin kaksi sarjaankytkettyä vaimenninelintä (23), tunnettu siitä, että ainakin yhden vaimenninelimen (23) yhteyteen on kytketty ainakin yksi biasointielin (22) kyseisen vaimenninelimen (23) biasointivirran säätämiseksi erisuuruiseksi kuin ainakin yhden muun vaimenninelimen (23) biasointi-virta. 20

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen vaimenninpiiri, tunnettu siitä, että biasoin-tielin (22) on ainakin resistiivinen elin.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen vaimenninpiiri, tunnettu siitä, että vaimenni-25 nelin (23) pin-diodi.

7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen vaimenninpiiri, tunnettu siitä, että ainakin yksi biasointielin (22) on kytketty rinnan vaimenninelimen (23) kanssa.

7 105613

8. Patenttivaatimuksen 4 mukainen vaimenninpiiri, tunnettu siitä, että useamman kuin yhden vaimenninelimen (23) ainakin toisen pään ja biasointivirran säätöjännit-teen (Ubias) sisääntulon välille on kytketty ainakin yksi biasointielin (22). i 8 105613