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Die Erfindung betrifft eine Mischerschaltung mit Vorverstärker gemäß den
Oberbegriffen von Patentanspruch 1.
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In der Hochfrequenztechnik werden Empfangssignale, z. B. aus Empfangsantennen
kommend, aus ihrem ursprünglichen Frequenzbereich, z. B. radio frequency (RF)
oder Hochfrequenz (HF) in einen anderen Frequenzbereich, auch als intermediate
frequency (IF) oder Zwischenfrequenz bezeichnet, umgesetzt, um weiterverarbeitet
zu werden. Diese Umsetzung erfolgt in einem Mischer, der das RF-Signal und ein
Lokaloszillatorsignal (LO-Signal) zusammenführt. Das dabei erzeugte
Zwischenfrequenzsignal weist dabei zwei Komponenten mit den Frequenzen fLO + fRF und fLO -
fRF auf.
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Solche Mischer werden üblicherweise als passive Mischer oder aktive Mischer
betrieben, wobei in den Schaltungen Halbleiter-Bauelemente (Dioden und Transistoren)
eingesetzt werden.
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In bekannten Mischerschaltungen werden das RF-Signal und das LO-Signal auf
unterschiedlichen Pfaden dem Mischer zugeführt, wobei das RF-Sigal in einem
Vorverstärker, üblicherweise ein Low Noise Amplifier (LNA), verstärkt wird (Fig. 1). Das LO-
Signal weist dabei einen für den Betrieb des Mischers nötigen Pegel auf.
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Bei einer Ausführung des Mischers als sogenannten unbalancierten Mischer, ist der
Mischer üblicherweise derart ausgelegt, dass das LO-Signal und das RF-Signal auf
eine gemeinsame Leitung zusammengeführt werden und dem Halbleiter-Bauelement
zugeführt werden (Fig. 2). Hierbei werden üblicherweise Richtkoppler oder
Netzwerkelemente ohne Frequenzfilterung (Diplexer-Filter) verwendet. Hierbei kann das RF-
Signal mit geringer Dämpfung nur dann durch den Mischer geleitet werden, wenn die
Kopplung des LO-Signals schwach ist, d. h. der Richtkoppler RK (Netzwerkelement)
weist eine hohe Koppeldämpfung auf. Es ist somit am Eingang des Richtkopplers
oder Netzwerkelements eine hohe LO-Signalleistung nötig. Diese Erhöhung der
Leistungsanforderung wird üblicherweise durch zusätzliche Verstärkerstufen erfüllt, die
üblicherweise in den LO-Baugruppen integriert sind.
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In Gruppenantennen mit mehreren Empfängerkanälen und mehreren
Mischerschaltungen erweist es sich hierbei als nachteilig, dass aufgrund des hohen
Signalleistungsbedarfs weitere Verstärkerstufen benötigt werden, was einen erheblichen
baulichen Aufwand bedeutet und sehr kostenintensiv ist.
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Es sind weitere Schaltungen mit Mischern bekannt, wobei die Mischer abgesetzt von
einer Versorgungsstation über Leitungen mit RF- und LO-Signalen versorgt werden.
Solche Mischerschaltungen werden z. B. in Phased Array-Gruppenantennen-
Systemen mit Sende-Empfangs-Modulen und optischer Übertragung
(Glasfaserleitung) der Signale eingesetzt. Hierbei erweist es sich als nachteilig, dass entweder
zwei getrennte Leitungen für LO- und RF-Signal geführt werden müssen oder bei
Verwendung einer gemeinsamen Leitung ein Frequenz-Diplexer zur Trennung
benutzt werden muß, was vor allem bei geringem Frequenzabstand sehr schwierig und
aufwendig ist (Fig. 3). Außerdem müssen vor allem in faseroptischen
Übertragungssystemen die Pegel beider Signale durch jeweils einen Vorverstärker angehoben
werden, was ebenso einen erheblichen baulichen Aufwand bedeutet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Mischerschaltung mit einem
geringen baulichen Aufwand und einer reduzierten Zahl von benötigten
Verstärkerstufen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit der Mischerschaltung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine für das RF-Signal und das LO-Signal gemeinsame Leitung
vorhanden, welche mit dem Eingang des Vorverstärkers verbunden ist. Des weiteren
ist erfindungsgemäß eine weitere für das RF-Signal und das LO-Signal gemeinsame
Leitung vorhanden, welche den Ausgang des Vorverstärkers mit dem Eingang des
Mischers verbindet.
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Am Ausgang des vorteilhaft rauscharmen Vorverstärkers ist der LO-Signalpegel
somit auf den für den Betrieb des Mischers, welcher vorteilhaft ein aktiver Mischer ist,
nötigen Pegel angehoben. Der Mischer wird in diesem Fall auch als ein
unbalancierter Mischer bezeichnet. Der Vorteil hierbei ist, dass der am Eingang des
Vorverstärkers benötigte Pegel um den Faktor der Leistungsverstärkung des Vorverstärkers
niedriger liegt. Hierdurch wird der bauliche Aufwand erheblich reduziert. Somit
werden weniger Verstärkerstufen benötigt, wodurch die baulichen Kosten erheblich
gesenkt werden. Auch bei Verwendung der erfindungsgemäßen Mischerschaltung in
Gruppenantennen mit mehreren Mischerschaltungen mit entsprechendem
Leistungsbedarf kann die Zahl der benötigten Verstärkerstufen reduziert werden.
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Das RF- und das LO-Signal werden in dem gemeinsamen Vorverstärker ohne
gravierende Einbußen in der Verstärkung, Rauschzahl und im Dynamikbereich verstärkt.
Vorteilhaft liegt der Pegel des LO-Signals, welches üblicherweise einen größeren
Pegel als das RF-Signal aufweist, deutlich unterhalb des Kompressionspunktes des
Vorvestärkers. Am Eingang des Vorverstärkers liegt der Rauschpegel des LO-Signals
vorteilhaft unterhalb des Rauschpegels des RF-Signals.
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Die erfindungsgemäße Verstärkung des RF- und LO-Signals in einem gemeinsamen
Vorverstärker ist aufgrund der niedrigen benötigten LO-Signalleistung insbesondere
für die Verwendung in aktiven Mischern geeignet. Es ist aber auch möglich, dass das
erfindungsgemäße Konzept in anderen Mischerschaltungen, z. B. passive Mischern
verwendbar ist.
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In geeigneten Schaltungen ist es möglich, durch Filterung des LO-Signals den
Rauschpegel des LO-Signals zu reduzieren.
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Es ist ferner möglich, mittels im Signalverlauf vor und/oder hinter dem Vorverstärker
befindlicher Filter, insbesondere steilflankige Filter, die Spiegelfrequenz-Signale zu
unterdrücken.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung werden anhand
von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 einen Mischer mit Vorverstärker gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 2 einen beispielhaften unbalancierten aktiven Mischer mit Richtkoppler als
RF/LO-Diplexer gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 3 einen abgesetzten Mischer mit einer Versorgungsstation und Frequenz-
Diplexer gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 4 eine erfindungsgemäße Mischerschaltung mit einem Vorverstärker zur
Verstärkung des LO-Signals und des RF-Signals,
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Fig. 5 eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Mischerschaltung mit
einem Vorverstärker zur Verstärkung des LO-Signals und des RF-Signals,
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Fig. 6 eine vorteilhafte Mischerschaltung mit Versorgungsstation und abgesetztem
Mischer.
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Fig. 1 zeigt einen Mischer mit Vorverstärkung gemäß dem Stand der Technik. Der
Mischer MIX besitzt dabei zwei Eingänge, durch welche dem Mischer das RF-Signal
und das LO-Signal zugeführt werden. Am Ausgang des Mischers MIX wird das
Zwischensignal IF erzeugt. Ein Eingang des Mischers MIX für das RF-Signal ist dabei mit
dem Ausgang des Vorverstärkers LNA verbunden, dessen Eingang mit dem RF-
Signal der Empfangsantenne (nicht dargestellt) gespeist wird. Der andere Eingang
des Mischers MIX wird mit dem LO-Signal gespeist.
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In Fig. 2 ist ein beispielhafter unbalancierter aktiver Mischer mit Richtkoppler als
RF/LO-Diplexer gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Hierbei wird ein Transistor T
über einen Richtkoppler RK, der das RF- und das LO-Signal auf eine gemeinsame
Leitung zusammenführt (Diplexer) an seiner Basis B gespeist. Dieses
Schaltungsprinzip wird auch als additive Mischung bezeichnet.
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Fig. 3 zeigt eine Mischerschaltung mit einem von einer Versorgungsstation
abgesetztem Mischer gemäß dem Stand der Technik. In der Versorgungsstation VS
werden das LO- und RF-Signal mit den Frequenzen f1 und f2 zusammengeführt und über
eine Leitung L in einen Frequenz-Diplexer FD gespeist. In dem Frequenz-Diplexer
erfolgt eine Trennung der Signale und somit der Frequenzen f1 und f2 auf zwei
Leitungen. Jedes Signal wird in je einer Leitung geführt und je einer Verstärkerstufe
zugeführt, in der das jeweilige Signal verstärkt wird. Anschließend werden die
verstärkten Signale jeweils einem eigenen Eingang im Mischer MIX zugeführt.
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Eine erfindungsgemäße Mischerschaltung mit einem Vorverstärker, welchem das RF-
und LO-Signal auf einer gemeinsamen Leitung zugeführt werden, ist in Fig. 4
dargestellt. Der Eingang des Vorverstärkers LNA wird über eine einzelne Leitung L1 mit
dem RF- und LO-Signal gespeist. Der Ausgang des Vorverstärkers LNA ist durch die
Leitung L2 mit einem Eingang des Mischers MIX verbunden. Der Ausgang des
Mischers MIX liefert das Zwischensignal IF. Aus der erfindungsgemäßen Schaltung wird
deutlich, dass hierbei zur Verstärkung des RF- und LO-Signals lediglich ein einziger
Vorverstärker LNA notwendig ist. Außerdem werden die beiden Signale auf einer
jeweils gemeinsamen Leitung L1 und L2 dem Vorverstärker LNA und dem Mixer MIX
zugeführt.
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In Fig. 5 ist eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen
Empfängerschaltung mit einem einzigen Vorverstärker zur Verstärkung des RF- und LO-Signals
gezeigt. Ein Richtkoppler RK befindet sich im Signalverlauf vor dem einzigen
Vorverstärker LNA. In dem Richtkoppler RK werden das RF-Signal, welches z. B. von einer
Empfangsantenne EA kommt, und das LO-Signal auf eine gemeinsame Leitung L1
zusammengeführt. Diese Leitung L1 wird dem Eingang des Vorverstärkers LNA
zugeführt. Der Ausgang des Vorverstärkers LNA ist über eine weitere Leitung L2 mit
dem Eingang des Mischers MIX verbunden, an dessen Ausgang die
Zwischenfrequenz IF erzeugt wird.
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Der Richtkoppler dient in dieser Ausführung als Diplexer. Es können allerdings auch
andere vorteilhafte Diplexer-Ausführung verwendet werden, z. B. kapazitive Koppler,
Leitungsverzweigungen, Brückenschaltungen, Übertrager oder Filterdiplexer.
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Fig. 6 zeigt eine vorteilhafte Mischerschaltung mit Versorgungsstation und
abgesetztem Mischer. In der Versorgungsstation VS werden wie bei Fig. 3 bereits erläutert,
das RF- und das LO-Signal auf eine gemeinsame Leitung L zusammengeführt. Diese
Leitung L1 wird mit einem Eingang eines Vorverstärkers LNA verbunden, welcher das
RF- und das LO-Signal verstärkt. Eine weitere Leitung L2 verbindet den Ausgang des
Vorverstärkers LNA mit einem Eingang des Mischers MIX. Am Ausgang des Mischers
MIX wird die Zwischenfrequenz IF erzeugt.