SE521870C2 - Ferroelektrisk modulator - Google Patents

Description

25 30 52; 870 höga frekvenser, kan dessa material implementeras i en hel mängd mikrovågskomponenter. Detta dokument införlivas härmed som hänvisning.

Vi undersökning av teknikens ståndpunkt hittas åtskilliga dokument som diskuterar till exempel fasskiftning. En mikrovågsfasskíftare, som innehåller en transmissionsledningssektion som innefattar ett ferroelektriskt material på en dielektriskt stöd beskrivs till exempel i ett ryskt dokument SU 1352562. Denna fasskiftare innehåller vidare en andra transmissions- ledningssektion kopplad till den första sektionen och med absorberande element vid ändarna, eller på kopplingsdelen av den andra linjesektionen.

Det yrkas emellertid att olika kombinationer av amplitud- och fasmodulation kan erhållas, men dokumentet varken indikerar någon detaljerad i praktiken fungerande modulator som använder ett sådant ferroelektriskt material, eller visas heller inte något lämpligt material för en sådan mikrovågsfunktion.

Ett annat ryskt dokument, SU 1193738, visar ett mikrovågfasskiftningsnät som innefattar ett dielektriskt substrat överdraget med ferroelektrisk film och vilket nät har en komplementär transmissionsledning som består av tre metallremsor separerade med gap. Det påstås att de olika kombinationerna av amplitud- och fasmodulering kan erhållas för att kompensera parasitisk amplitudmodulation, och även mikrovågsamplituden kan effektivt styras.

Den enda egenskap som givits är emellertid att fasskiftningsanordningen har ett gap åtminstone två gånger större än det andra gapet i den komple- mentära transmissionsledningen.

I enlighet med ett tredje ryskt dokument, SU 1030889, har det fasskiftande nätet sitt fasskiftningsområde utökat medan dess anpassningsförmåga förbättrats upp till flertalet oktaver, dess fysiska storlek är liten och det funktionella hastighet är förbättrad, för användning i fasmodulation och kommutering av mätningar samt för kommunikationsteknologi. I enlighet med dokumentets titel rör det radiokommunikation i UHF-bandet, men inte mikrovågstillämpningar. Huvudegenskapen i denna presentation är att 10 15 20 25 30 5213870 anordningen har inskårningar i ömsesidigt motstående metallremsor som bildar periodiska strukturer.

Ett dokument, US-A-4 445 098 visar en metod och en apparat för en snabb dubbeltoroidmikrovågsfasskiftare. Dokumentet beskriver en fasskiftare som innehåller ett linjäriserande PROM, en DAC och en förstärkare kopplade till en ferritfasskiftare. Detta PROM utgör ett programmerbart minne som innehåller en unik linjäriseringsfunktion för fasskiftaren. En fasskiftare som använder ferromagnetism kommer emellertid att fortfarande vara avsevärt långsam och befinns inte vara särskilt praktisk för fasmodulation av snabba bitströmmar på en bårvåg.

Slutligen visar ett amerikanskt patent US-A-5 210 775 en n/4-skifts QPSK- modulator och kommunikationsapparat för att ta emot digitala signaler och utmata en modulerad signal i enlighet med var och en av två inmatade digitala signaler som representerar en kvadratursignal.

Det finns därför fortfarande ett önskemål om en anordning som år i stånd att modulera en mikrovågssignal från en snabb bitström av storleks- ordningen hundratals MHz och mer, utan behovet av en konventionell frekvensuppkonvertering, för att erhålla en bättre tillförlitlighet och stabilitet än en konventionell lösning kommer att erbjuda, till och med vid en lägre kostnad.

SUMMERIN G Ändamålet med den föreliggande uppfinningen är alltså att möjliggöra att på en mikrovågsbärvåg direkt på arbetsfrekvensen modulera en informations- signal från en digital bitström utan användningen av en konventionell uppkonverteringskedja eller frekvensmultiplikation efter moduleringen. I enlighet med uppfinningen tillhandahålls en snabb ferroelektrisk fasväxlare och driven med en variabel spänningskälla styrd direkt av den digitala bitströmmen som representerar informationen som skall moduleras. 10 15 20 25 30 Förfarandet enligt den föreliggande uppfinningen fastställs genom de oberoende patentkraven 1 och 2, och ytterligare steg fastställs av de bero- ende patentkraven 3 till 6.

Ett arrangemang för att modulera en mikrovågsbärvåg med en snabb digital bitström i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs av de oberoende patentkraven 7 och 8, medan ytterligare utföringsformer av arrangemanget innefattas av de beroende patentkraven 9 till 12.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen tillsammans med ytterligare syftemål och fördelar med denna förstås bäst genom hänvisning till nedanstående beskrivning läst tillsammans med de bifogde ritningarna, i vilka: FIG. 1 illustrerar en grundläggande utföringsform av ett förfarande och ett arrangemang för direkt modulation av en mikrovågsbärvåg i enlighet med den föreliggande uppfinningen, FIG. 2 illustrerar en ytterligare utföringsform av förfarandet och arrangemanget för direkt modulation av en mikrovågsbärvåg inbegripande vidare ett linjäriseríngssteg, samt FIG. 3 illustrerar en utföringsform av en ferroelektrisk lins för direkt modulation av en mikrovågsbärvåg och en samtidig styrning av strålningslobsriktningen.

DETALJERAD BESKRIVNING I enlighet med förfarandet enligt den föreliggande uppfinningen och ett arrangemang enligt den föreliggande uppfinningen tillämpas digital modula- tion av en mikrovågssändare direkt på mikrovågsbärvågen som sänds. I FIG. 1 demonstreras ett grundläggande schema som illustrerar förfarandet liksom det grundläggande arrangemanget. Míkrovågsfrekvensen genereras med den bärvågsfrekvens som skall sändas med hjälp av en mikrovågsradiofrekvens- 10 15 20 25 30 52; 870 källa 1. Mikrovågsradiofrekvenskällan 1 i FIG. 1 innehåller den nödvändiga effektförstärkningen för att erhålla den önskade mikrovägsbärvågseffektnivån.

En modulatoranordning 3 är placerad mellan radiofrekvenskällan l och en antennanordning för att utstråla mikrovågseffekten. En digital signal bildas genom en sekvens pulser, vilka i sin tur representerar binära värden noll och binära värden ett, påläggs ett förstärkarsteg 5 för att erhålla den nödvändiga alternerande spänningsnivån som representerar denna binära sekvens. För- stärkaranordningen 5 påför denna alternerande spänningsnivå tvärs över modulatoranordningen 3. Modulatoranordningen består i en belysande utföringsform av en skiva genom vilken mikrovågsbärvågen passerar på sin väg till den strålande antennanordningen 7. I en annan utföringsform kan modulatorskivan placeras framför en radiatoranordning. Modulatoranord- níngsskivan innefattar en tunn film av ferroelektriskt material, vilket även kan tillhandahållas med ett högtemperatursuperledarmaterial (HTSC) för att erhålla låga förluster och impedansanpassning till omgivningen. I enlighet med teknikens ståndpunkt tillhandahåller ett ferroelektriskt material, t.ex.

SiTiOs, ett substrat för ett deponerat HTSC-material, såsom YBa2Cu3O7-s (YBCO) or Tl-Ba-Ca-Cu-O (TBCCO) för att därvid skapa en lämplig skiva för modulatoranordningen 3. Modulatorskivan är vidare försedd med parvisa elektroder för att pålägga en alternerande spänningsnivå tvärs över den ferroelektriska skivan för att erhålla ett fasskift för mikrovågsbärvågen som passerar genom skivan.

Den skapade ferroelektriska skivan tillhandahåller ett mycket högt frekvensgensvar på den alternerande spänningsnivån pålagd tvärs över modulatoranordningen 3 och kommer i denna mod att verka som en mycket snabb fasmodulator av den pålagda mikrovågsbärvågen. Denna operations- mod kommer att vara ideell för direkt överföring av digital information till mikrovågsbärvågen. Följaktligen genom att styra denna alternerande spän- ningsnivå i enlighet med den fodrade fasmodulationen kommer det resultera i en snabb direkt modulation av mikrovågsbärvågen. I den grundläggande utföringsformen i enlighet med förfarandet kommer att uppnås en väldefi- nierad fasmodulation (PM) för denna enbits digitala bitström för att i detta fall lO 15 20 25 30 sszg s7o grundmässigt tillhandahålla enkla PSK-symboler som skall demoduleras med en mottagare för mikrovågen modulerad på detta sätt.

I FIG. 2 demonstreras en ytterligare utföringsform av det föreliggande upp- finningsmässiga förfarandet innefattande tillägg av en linjäriserande koppling, vilken i sin tur styr en digital-till-analog omvandlare 9 inbegripande den nödvändiga förstärkaren för att skapa den variabla spänningen pålagd den ferroelektriska modulatorn. I en belysande utföringsform som använder det föreliggande uppfinningsmässiga förfarandet utgörs den linjäriserande kopplingen av ett programmerbart läsminne ll, ett PROM eller ett EPROM/EEPROM, av en typ väl känd för en fackman i digital teknik. I ett praktiskt fall kan ett skiftregister anslutas till den digitala bitströmmen. Detta skiftregister utmatar sedan till modulatoranordningen bitarna som bildar de individuella FSK-symbolerna.

Följaktligen, kommer en modulator som använder det föreliggande uppfinningsmässiga förfarandet tillhandahålla en enkel och billig anordning för att erhålla en tillförlitlig och stabil modulation direkt på en mikrovågsbärvåg vid arbetsfrekvensen. Ingen uppkonvertering genom blan- dare eller frekvensmultiplikation efter modulationssteget behöver användas för att alstra en modulation av informationen som skall överföras, till exempel via en mikrovågslänk. Den spänningsstyrda modulatorskivan av ferroelektriskt material placeras helt enkelt vid ett strategiskt läge i matningsledningen till antennen. I en ytterligare utföringsform av den föreliggande uppfinningen kan till och med modulationsskivan 3 vara placerad mycket nära framför antennaperturen, t.ex. i en hornantenn för en enkel realisering av modulationen av en digital bitström på en utstrålad bärvåg. Det skall noteras att moduleringselementet 3 inte verkar som en lins, och påverkar allmänt inte formen på strålen. En ferroelektrisk anordning kan emellertid till och med utgöra en kombination av en modulerande anordning och en lins, genom att även ta med i beräkningen användningen av ferroelektriska material som en linsanordning genom att lägga till två spänningsstyrda ledande galler till en ferroelektrisk skiva i enlighet med teknikens ståndpunkt. lO 15 20 25 30 524 870 FIG. 3 demonstrerar en struktur för en kontinuerligt svepande ferroelektrisk lins. Linsen innefattar en ferroelektrisk skiva 50 försedd på varje sida med ett respektive trådgaller 12 och 14. Gallret 14 innehåller högkonduktíva trådar 24 matade med hjälp av en resístiv träd 25. Gallret 12 innehåller resistiva trådar 34 matade genom högkonduktíva trådar 32 vid ändarna av dessa. Trådarna 24, 34 i de två uppsättningarna trådar löper parallellt med varandra. Genom att skapa en spänningsgradient över respektive galler som påverkar skivans 50 dielektriska konstant kommer detta arrangemang att vara i stånd att styra det utgående riktningen för en strålning som passerar linsen. Denna strälningslob styrs i ett plan vinkelrätt mot skivan 50 och mot gallertrådamas riktning med hjälp av en spänning Ux. På likande sätt kommer strålningsloben att styras i ett plan vinkelrätt mot skivan 50 men parallellt mot gallertrådarnas riktning med hjälp av en spänning Uy. För att erhålla låga förluster och ingen ändring av polariteten för E-fältet när spänningarna Ux och Uy sveps, påförs normalt en förspänningskälla 40 (Ubias) av storleksordningen 5 till 10 kV mellan de två spänningskällorna 26 och 36. Symbolerna visade indikerar helt enkelt att denna förspänning är ansluten inom de variabla spänningskällomas spänningsområde, lämpligen vid en mittpunkt. På motsvarande sätt indikeras genom jordningen vid symbolen för förspän- ningskällan hur anordningen enligt den belysande utföringsformen är refererad till systemjord.

För att erhålla en impedansanpassning mot omgivningen, kommer det i de flesta fallen vara nödvändigt att täcka ytan av linselementet 50 på ena eller båda sidorna med en transformator 60. Denna transformator ändrar, stegvis eller kontinuerligt, impedansnivån så att reflektioner, när den utbredande vågen går in i eller lämnar den ferroelektriska skivan 50, blir tillräckligt låga inom arbetsfrekvensområdet. Genom placering av en ferroelektrisk lins med en modulatoranordning 3 framför radiatorn erhålls ett kombinerat arrange- mang. I detta fall kan genom linsen med en ferroelektrisk anordning 3 styrd enligt FIG. 1 en fasmodulation av en passerande mikrovågsbärvåg erhållas samtidigt som att strålningsvinkeln kan styras genom linsarrangemanget. lO 15 20 25 30 f 521 870 s Modulatoranordningen 3 kan i en belysande utföringsform ha en motsvarande uppbyggnad som linsen enligt FIG. 3. En skillnad är att modulator- anordningen 3 är försedd med två lika parallella galler av högkonduktiva trådar som matas vid en ände av en annan högkonduktiv anslutning och styrspänningen ansluts då till de två galleranslutningarna så att potential- differensen verkar över hela den ferroelektriska skivan som utgör modulator- anordningen. För att även erhålla mindre förluster för ett modulatorelement 3 i ett läge i matningsledningen till antennen kan liknande impedansanpass- ningstransformatorer mot omgivningen användas för modulatorelementet som för linsanordningen beskriven. Det skall även noteras att om modulatoranordningen kombineras med en linsanordning måste riktningen för alla gallertrådar vara parallell. I en föredragen utföringsform används linselementet framför strålningselementet samtidigt som en modulator- anordning genom att pålägga den variabla spänningen som representerar informationssignalen överlagrad på förspänningssignalen. I detta fall behövs endast de två ursprungliga parallella gallren 12 och 14 i linsanordningen med en ferroelektrisk skiva. Dessutom kommer ett sådant arrangemang att introducera mindre bärvågsförluster.

En av de dominanta fördelarna med den föreliggande uppfinningen är att en mikrovågskälla med hög effekt kan användas framför modulatoranordningen för att därmed direkt erhålla den önskade mikrovågseffekten i den utsända signalen utan användning av någon efterföljande förstärkning. Det kommer emellertid att vara uppenbart för fackmannen att en ytterligare förstärkare kan fortfarande om önskvärt insättas efter modulatorelementet. Modulator- anordningen kan placeras vid ett lämpligt läge i en vågledare som matar mikrovågsstrålningsanordningen, eller kan den till och med placeras framför en väl kollimerad stråle från en mikrovågsantenn, t.ex. ett horn eller vilken som helst annan lämplig strålningsanordning väl känd av en fackman. En annan egenskap är den enkla kopplingen som behövs för att erhålla den önskade modulationen. l beskrivningen har modulation av typ PSK diskuterats för enkelhets skull, men fackmannen kommer att inse att en s¿1 870 mångfald av andra väl kända modulationsprinciper, t.ex. QPSK, även kan erhållas med det föreliggande förfarandet och arrangemanget.

Det kommer att inses av fackmannen att olika modifikationer och ändringar kan göras i den föreliggande uppfinningen utan avvikelse från dess omfatt- ning, som definieras genom de medföljande patentkraven.

Claims (12)

lO 15 20 25 30 s2¿ 870 PATENTKRAV

1. Förfarande för direkt modulation av en mikrovågsbärvåg från en snabb digital bitström, kännetecknat av stegen: alstring av en mikrovågsbärvåg med en önskad effektnivå vid en önskad arbetsfrekvens, påläggande av mikrovågsbärvågen på en ingångssida av ett ferroelektriskt element (3) tillämpat som en moduleringsanordning, opererande av det ferroelektriska elementet med hjälp av en variabel spänningskälla (5), varvid spänningskällan styrs av den snabba digitala bitströmmen som representerar informationen som skall moduleras, varjämte spänningskällan därvid alstrar en alternerande spänningsnivå som representerar den digitala bitströmmen, utmatning av en resulterande fasmodulerad mikrovågsbärvågssignal från det ferroelektriska elementet (3) till en mikrovågsstrålare (7) för utsändning av mikrovågen försedd med modulationsinformationen.

2. Förfarande för direkt modulation av en mikrovågsbärvåg från en snabb digital bitström, kännetecknat av stegen: alstring av en mikrovågsbärvåg med en önskad effektnivå vid en önskad arbetsfrekvens, påläggande av den alstrade mikrovågseffekten till en strålaranordning, påläggande av mikrovågsbärvägen från strålaranordningen till en ingångssida av ett ferroelektriskt element (3) för att tillämpas som en moduleringsanordning genom insättning av den ferroelektriska anordningen är framför strålaranordningen, opererande av det ferroelektriska elementet med hjälp av en variabel spänningskälla (5), varvid spänningskällan styrs av den snabba digitala bitströmmen som representerar informationen som skall moduleras, varjämte spänningskällan därvid alstrar en alternerande spänningsnivå som represen- terar den digitala bitströmmen, lO 15 20 25 30 5211870 utmatning av en resulterande fasmodulerad mikrovågsbärvågssignal från det ferroelektriska elementet (3) som då utstrålar en mikrovåg försedd med en fasmodulerad information.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av det ytterligare steget med styrning av den altemerande spänningsnivån i enlighet med den erfordrade fasmodulationen av mikrovågsbärvågen som passerar den modulerande anordningen för att erhålla en önskad modulationsfasdevíation för mikrovågsbärvågen som utsänds.

4. Förfarande enligt krav 3, kännetecknat av det ytterligare steget med anslutning av utmatningen från ett linjäriserande programmerbart minne till en kombinerad D / A-omvandlare och förstärkare (9) för skapande av den styrda variabla spänningen pålagd det ferroelektriska elementet.

5. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat av det ytterligare steget med kombinerande av det ferroelektriska elementet med ett ferroelektriskt linsarrangemang för ytterligare styrning av den utstrålade mikrovågens riktning.

6. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat av det ytterligare steget med opererande av en ferroelektrisk lins (50) som modulerande element genom påförande av den styrda variabla spänningsnivån överlagrad på en förspänning.

7. Arrangemang för direkt modulation av en mikrovågsbärvåg med en informationssignal, kännetecknat av en míkrovågsgenerator (1) som lämnar en önskad mikrovågsbärvågs- effekt vid en önskad arbetsfrekvens, en mikrovàgsutstrålande anordning (7) för utstrålning av effektnivån alstrad av mikrovågsgeneratorn, ett ferroelektriskt element (3) placerat mellan mikrovågsgeneratorn och den mikrovågsutstrålande anordningen, lO 15 20 25 30 5% 87” :iïifír»:íí lï:ísv:í::i a en variabel spänningskälla (5, 9) styrd av informationssignalen, varvid spänningskällan styr dielektriska egenskaper för det ferroelektriska elementet (3) för att pålägga en fasmodulatíon på mikrovågsbärvågen som går genom det ferroelektriska elementet.

8. Arrangemang för direkt modulation av en mikrovågsbärvåg med en informationssignal, kännetecknat av en míkrovägsgenerator (1) som lämnar en önskad mikrovågsbärvågs- effekt vid en önskad arbetsfrekvens, en mikrovågsutstrålande anordning (7) för utstrålning av effektnivån alstrad av mikrovågsgeneratorn, ett ferroelektrískt element (3) placerat nära framför den mikrovågs- utstrålande anordningen (7), en variabel spänningskälla (5, 9) styrd av en digital bitström, varvid spänningskällan styr dielektriska egenskaper för det ferroelektriska elementet (3) för att pålägga en fasmodulatíon på en utstrålad mikrovågsbärvåg som går genom det ferroelektriska elementet.

9. Arrangemang enligt krav 7 eller 8, kännetecknat av att informationssignalen är en snabb digital bitström.

10. Arrangemang enligt krav 9, kännetecknat av att den digitala bitströmmen är ansluten via ett linjäriserande programmerbart minne anslutet till en kombinerad D /A-omvandlare och förstärkare (9), som skapar en styrd variabel spänningsnivå som påläggs det ferroelektriska elementet (3).

11. Arrangemang enligt krav 8, kännetecknat av att det ferroelektriska elementet (3) framför den strålande anordningen (7) vidare är kombinerat med en ferroelektrisk lins (50) som styr den mikrovågsutstrålande anordningens (7) strålningslob.

12. Arrangemang enligt krav 11, kännetecknat av att det den ferroelektriska linsen (50) även fungerar som modulerande element genom lO påläggande av förspänningen. den styrda 5213870 variabla spänningsnivån överlagrad på