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3-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik

Messtechnik Phasenschieber-Grundlagen Bild 4: Darstellung eines Signals im Polardiagramm Phasenschieber sind eine kritische Komponente in vielen HF- und Mikrowellen- Systemen. Zu den Applikationen gehören z.B. die Kontrolle der relativen Phase jedes Elements einer Phase-Array-Antenne oder eines steuerbaren Übertragungs-Links. Aber was ist ein Phasenschieber, bzw. noch grundlegender: Was ist Phase Die Phase eines einzelnen Signales ist bedeutungslos, bis es mit einem anderen Signal verglichen wird. Wenn wir uns eine Sinuswelle im Zeitbereich ansehen hätten wir einen Anblick in Bild 1. Bild 1: Einzelne Sinusschwingung Wenn wir eine zweite Sinusschwingung mit einer 90° Phasenverschiebung gegenüber der ersten hinzufügen, ergibt sich die Darstellung in Bild 2. Wenn die Phase des zweiten Signals variiert oder verschoben wird, sieht man, wie sich die Sinuswelle relativ zur ersten Sinusschwingung bewegt. Unter Verwendung des Applikationsberichts: „Phase Shifter Fundamentals“, TeleApp #003, Telemakus, www.Telemakus.com Bild 2: Zwei gegeneinander phasenverschobene Schwingungen Bild 3: Die Phase des zweiten Signals wird verschoben Phase ist daher der Bruchteil einer Wellenlängen-Differenz zwischen den beiden Signalen und kann sich zwischen 0 und 360 Grad (°) ändern. Mit Grad werden auch Winkel gemessen. Dies führt zu einem alternativen Weg die relative Phase eines Systems zu sehen. Wenn wir daran denken, dass ein einzelner Ton eine Amplitude und eine Phase haben kann, dann können wir das Signal in einem Polardiagramm wie in Bild 4 darstellen. Zwei Signale mit gleicher Amplitude und einer Phasendifferenz von 90° zeigt Bild 5. Wenn wir die Phase eines der Signale rotieren lassen oder verschieben, dann sehen wir das Signal um 360° um den Plot rotieren. Bild 5: Zwei Signale im Polardiagramm, von denen eines rotiert. Dies führt uns zu einer Möglichkeit, wie ein Vektor-Netzwerk-Analyzer (VNA) Phase und Amplitude auf einem polaren Display darstellt (siehe Bild 6). Der Marker zeigt einen 45°-Offset relativ zum Referenzton des Instruments. Wie bauen wir einen Phasenschieber Eine populäre Methode verwendet einen 90°-Hybridkoppler und zwei Varaktordioden in einer Anordnung gemäß Bild 7. Eine Varaktordiode verhält sich bekanntlich wie eine spannungsgesteuerte Kapazität, wenn sie im Sperrbereich betrieben wird. Das 90°-Hybrid ist so verbunden, dass das gekoppelte Ausgangssignal maximal groß wird, wenn sich eine totale Reflektion des Signals an den Durchgangsports und den isolierten Ports ergibt. Mit zwei Kondensatoren an diesen Ports wird die Leistung praktisch zu 100% reflektiert, da die Kondensatoren so gewählt wurden, dass sie eine sehr niedrige Impedanz bei der Betriebsfrequenz haben. Wenn die 24 hf-praxis 3/2015

Messtechnik Bild 6: Darstellung auf einem VNA Bild 10: VNA-Plot des Auslöschbereichs Bild 7: Grundschaltung eines Phasenschiebers Spannung erhöht wird, sinkt die Kapazität ab und mit ihr die Phase der Reflektion. Die Kapazität ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der angelegten Spannung und daher ist die Phasen-Spannungs- Funktion nichtlinear. Eine einzelne Stufe kann, wie gezeigt wurde, einen Phasenbereich von ungefähr 100° haben. Daher müssen, um einen Bereich von vollen 360° abzudecken, vier Stufen in Serie geschaltet werden, wie es Bild 8 zeigt. Die Einfügungsdämpfung jeder Stufe beträgt ungefähr 1 dB, so dass vier Stufen einen Verlust von knapp 4 dB bewirken. Diese Dämpfung tendiert dazu, noch größer zu werden, wenn wir höhere Frequenzen verwenden. Die Hybridkoppler werden unter Verwendung von 2 ¼ Lambda Wellenlängen langen Übertragungsleitungen hergestellt und sind typscherweise auf eine Oktave Bandbreite oder weniger beschränkt. Der Telemakus TEP2000-4 zum Beispiel hat einen Frequenzbereich von 1 - 2 GHz und eine Einfügungsdämpfung von 4 dB aber der TEP8000-6 mit einem Frequenzbereich von 4 – 8 GHz hat einen noch höheren Verlust von 6 dB. Wenn zwei Signale mit unterschiedlichen Phasen kombiniert werden, kann das resultierende Signal durch den folgenden Ausdruck beschrieben werden: A c = A 1 sin (wt+Θ) + A 2 sin (wt+φ) (1) Darin ist wt eine zeitvariable Funktion, Θ und φ sind die beiden Phasen und A 1 und A 2 die beiden Amplituden. Wenn wir A 1 = A 2 wählen und Θ – φ = 180°, dann ergibt sich ein interessantes Ergebnis: Ac = 0 (2) Die Amplitude sinkt auf 0 ab und das Signal verschwindet. In der Praxis ist eine vollständige Auslöschung jedoch aufgrund der nicht perfekten Schaltungen unmöglich zu erreichen. Dabei geht es vor allem um Leckströme und die Schwierigkeit die gleiche Amplitude und entgegengesetzte Phase aufrecht zu erhalten. Praktisch ausgeführte Schaltungen können jedoch durchaus 30 dB Auslöschung oder mehr jederzeit erreichen. Dieser Effekt wird daher in sehr großem Umfang genutzt, z.B. in Hochleistungs-Linearverstärken. Eine Demonstration der Auslöschung kann man mit einem TEP4000-5 und einem TEA13000-12 durchführen. Siehe Bild 9. Bei dieser Schaltung kann man, wenn sie mit einem VNA ausgemessen wird, einen breiten Unterdrückungsbereich von mehr als 30 dB erkennen. Dies ist ein Plot von S21 mit Dämpfung und Phase, optimiert für die Signalauslöschung. Ein anderer Effekt tritt auf, wenn die Amplituden und Phasen exakt gleich sind: A C = 2A (3) In diesem Fall wird die Amplitude verdoppelt, was ideal für die Leistungsaddition in einem Hochleistungsverstärker ist. Das Diagramm in Bild 11 zeigt eine typische Phase Array Antenne, die mit 8 Elementen arbeitet. Jedes Element besteht aus einer Dipolantenne und einem 360° Phasenschieber . Eine Schaltung zur Leistungsverteilung liefert an jedes Element ein identisches Signal. Die Richtung des kombinierten Bild 8: Mehrstufiger Phasenschieber für 360° Bild 9: Demonstration der Signalauslöschung hf-praxis 3/2015 25

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