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12-2012

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HF-Praxis 12-2012

Applikationen

Applikationen Mikrowellen-Dämpfungsglieder Zum Aufbau von Dämpfungsgliedern für den Mikrowellenbereich eignen sich PIN-Dioden ganz besonders. Sie können im Bereich von 200 MHz bis 40 GHz eingesetzt werden und sind in den verschiedensten Konfigurationen erhältlich. Shunt-Mounted Reflective Attenuator Bild 1: Struktur des shunt-mounted reflective Attenuators Im einfachsten Fall wird mindestens eine PIN-Diode quer in eine Übertragungsleitung gelegt. Wie Bild 1 zeigt, benötigt man beidseitig eine kapazitive Kopplung und eine Drossel zur HF-belastungslosen Zuführung des Schaltstroms. Je mehr Dioden man parallel legt und je höher der Strom ist, umso näher kommt man an den Kurzschlussfall heran. Die ankommende HF-Leistung wird allerdings in diesem Idealfall nicht in Wärme gewandelt, sondern vollständig reflektiert. Die Methode verbindet Einfachheit, Breitbandigkeit, Schnelligkeit und die Fähigkeit, hohe Pegel zu blockieren. Ihr Nachteil ist die Störung der Anpassung. Je nach elektrischer Länge des Leistungsstücks zwischen Quelle und Dämpfungsglied kann der praktische Kurzschluss in einem Extremfall 1:1 zur Quelle transformiert werden (Länge im Halbwellenraster) oder in einem zweiten Extremfall so transformiert werden, dass die Quelle völlig entlastet wird wie bei Leerlauf (Leitung im Viertelwellenraster). indes erhalten. Da die HF-Belastung sich nun auf zwei Teile des Dämpfungslieds gleich verteilt, ist ein noch höherer Leistungspegel möglich. Die Linearität ist exzellent, das Verhältnis von oberer zu unterer Einsatzfrequenz beträgt bis zu 3. Diese Bauteile sind für Frequenzen zwischen 500 MHz und 40 GHz lieferbar. Array-Dämpfungsglied Bild 3: Der 3-Array-Attenuator Hier handelt es sich um ein erweitertes shuntmounted Dämpfungsglied. Man bringt über Dioden schaltbare Widerstände ein, welche die extreme Fehlanpassung verhindern. Diese Dämpfungsglieder sind in einfacher Ausführung über eine Oktave einsetzbar. Mit speziellem Aufwand bei den Dioden und erweitert mit Transformatoren, ist es möglich, über mehrere Oktaven ein gutes SWR und präzise Dämpfungseigenschaften zu erzielen. Dämpfungsglieder mit T- und Pi-Struktur PIN-Dioden bestehen aus einer Zone mit positiver Dotierung (P), Intrinsic (I, Eigenleitung) und einer negativ dotierten Zone (N). Mit diesen Komponenten kann man Dämpfungsglieder bauen, die über weite Frequenzbänder bis in den GHz-Bereich einsetzbar sind. Hersteller bieten solche Baugruppen in verschiedenen Konfigurationen an, um dem Anwender eine optimale System-Performance zu ermöglichen. Die meisten Designs sind mit analoger oder digitaler Steuermöglichkeit verfügbar und arbeiten korrekt über mehrere Oktaven, sodass Multibandbetrieb mit hoher oder moderater Umschaltgeschwindigkeit möglich ist. Der Beitrag wirft einen Blick auf die bekanntesten Attenuator-Topologien und deren Leistungsfähigkeit. Microwave Attenuators: Application Notes www.herley.com Balance-Dämpfungsglied Bild 2: So ist der balanced Attenuator aufgebaut In Bild 2 sieht man zwei shunt-mounted Dämpfungsglieder über zwei Quadratur- Hybridkoppler mit je 3 dB Dämpfung verkoppelt. Auf diese Weise lässt sich die (extreme) Fehlanpassung vermeiden und durchweg die Systemimpedanz wahren, sodass die Leitungslänge zwischen Quelle und Attenuator nun keine Rolle mehr spielt. Der Aufwand hat sich deutlich erhöht, und eine Grunddämpfung muss in Kauf genommen werden. Die sonstigen Vorteile des shunt-mounted Dämpfungsgliedes bleiben Bild 4a: So ist der T-pad-Attenuator aufgebaut Bild 4b: So ist der Pi-pad-Attenuator aufgebaut 22 hf-praxis 12/2012

Applikationen Mit diesen Konfigurationen kann man den breitesten Frequenzbereich abdecken. In beiden Fällen findet man Dioden längs und quer im Signalpfad, siehe Bild 3 und 4. Sie dienen als steuerbare Widerstände. Dazu wählt man die DC-Steuerströme in die Anschlüsse „Shunt” und „Series” so, dass sich differentielle Widerstände der Dioden gemäß den bekannten Festwiderstands-Dämpfungsgliedern ergeben. Mit negativer Spannung an „Shunt” und mit sehr hohem Serien-Strom erhält man fast 0 dB Dämpfung. Der T-Attenuator verlangt den geringsten Aufwand, erlaubt die kürzeren Verbindungen und ist bezüglich parasitärer Reaktanzen weniger kritisch. Diese Dämpfungsglieder werden für Frequenzen zwischen 200 MHz und 18 GHz angeboten und bieten sehr gute Dämpfungseigenschaften bei moderater Schaltschnelligkeit. Switched-Bit-Attenuator Bild 5: Aufbau des switched-Bit Attenuators Wenn man ein Dämpfungsglied für große Leistungen und hohe Schaltgeschwindigkeit benötigt, dann ist nur die Lösung gemäß Bild 5 möglich. Diese Struktur kombiniert ein oder mehrere Tandem-Paare von SP2T- Schaltern bei theoretisch verlustloser Verbindung an einem Ausgangs-Paar (Pfad unten) und Einsatz eines festen Attenuators im anderen Paar. Dabei werden die PIN-Dioden nicht als variable Widerstände genutzt, sondern als Schalter. Dies erlaubt höchste Reaktionsschnelligkeit beim Umschalten. Die maximal verarbeitbare Leistung wird praktisch von der Belastbarkeit des festen Dämpfungsglied bestimmt und nicht von den Dioden. Bei näherer Betrachtung fallen Nachteile auf. So gehen die Dioden-On-Widerstände in die Dämpfung mit ein. Eine präzise Abstufung ist daher mehr oder weniger unmöglich. Dazu trägt auch die Abhängigkeit des On- Widerstands von der durchgehenden HF- Bild 6: Phasenverhalten einiger Dämpfungsglieder der Firma GMC Leistung bei. Weiter sind die Kosten dieser Lösung vergleichsweise erheblich. Man denke hier auch an die Steuersignal-Quelle. Steuersignal-Quellen Die aufgezeigten Attenuator-Konfigurationen stellen recht verschiedene Anforderungen an ihre Steuersignale. Die Hersteller bieten daher optimierte Steuersignal-Quellen mit analogen oder digitalen Eingängen an. Erste zeichnen sich durch hohe Linearität aus. Manche Bausteine müssen durch Treiber ergänzt werden. Die meisten digitalen Dämpfungsglieder sind für 8-Bit-TTL-Pegel verfügbar. Damit ist ein Dämpfungsglied realisierbar, das den Bereich von 60 dB in 0,25-dB-Schritten abdeckt. Es gibt aber auch Attenuator- Ausführungen mit Schrittweiten von nur 0,1 oder 0,05 dB. Außer Switched-Bit-Designs sind alle PIN- Dioden-Dämpfungsglieder von analoger Natur. Daher ist hier die Auflösung grundsätzlich begrenzt durch den Digital/Analog- Wandler, den der Treiber benutzt. Ein guter Treiber besitzt Kompensationselemente zur Reduzierung des Temperatureinflusses auf den Attenuator. Er muss thermisch mit diesem gekoppelt sein, damit die Kompensation greift. Weiter zeichnet sich ein guter Treiber durch kurze Schaltzeiten und optimale Impedanz aus. Phasenverhalten Ein idealer Attenuator verursacht keine Phasendifferenz zwischen Ein- und Ausgangssignal. Es gibt eine spezielle Klasse von Dämpfungsgliedern welche diesem Ideal sehr nahe kommt [1]. Grundsätzlich jedoch bewirken alle Dämpfungsglieder eine Phasenänderung bei Änderung der Dämpfung. Wie das in der Praxis aussehen kann, darüber informiert Bild 6. In erster Linie ist die Streukapazität der PIN-Diode dafür verantwortlich. Ihr Minimierung ist leider nicht möglich. hf-praxis 12/2012 23

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