DE19724844A1 - Mehrfach-Gegentaktmischer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrfach-Gegentaktmischer mit insbesondere einem Doppel-Gegentaktmischer mit mindestens zwei Transistorpaaren, wobei eine Ankopplung dieser Transistoren an Schlitzleitungen vorgesehen ist.

Stand der Technik

Mikrowellenmischer weisen im allgemeinen Schottky- Sperrschichtdioden als Mischerelemente auf. Zur Verbesserung des Großsignalverhaltens und der Unterdrückung unerwünschter Ausgangssignale werden solche Mischer oft in Gegentakt- oder Doppelgegentaktanordnung benutzt. Die starke Nichtlinearität von Dioden wird benutzt, um eine gewünschte Mischerausgangsfrequenz zu erzeugen. Aber diese Nichtlinearität verursacht auch viele unerwünschte Mischprodukte. Bei einem Doppel-Gegentaktmischer gemäß der EP-274 073 B1 ist eine hohe Leistung des Lokaloszillators (LO) für eine hohe Linearität notwendig. Dadurch ist nur eine begrenzte Unterdrückung von RF/LO-Mischprodukten möglich.

Aus IEEE, Microwave Theory and Techniques, MTT-35, S. 895-898 ist ein Gegentaktmischer bekannt, der zur Unterdrückung von Intermodulationsprodukten den Kanalwiderstand von GaAs MESFETS als Mischerelemente benutzt. Das LO-Signal moduliert den Widerstand des Drain-Source-Kanals. Zur 180°- Phasenverschiebung der den Steuerelektroden zugeführten LO- Signale ist ein Balun vorgesehen.

In IEEE MTT-S Digest 1988, S. 1097-1100 sind Gegentakt- und Doppel-Gegentaktmischer mit MESFETS beschrieben. Diese Mischer erreichen zwar eine hohe Bandbreite, weisen aber wegen ihrer komplizierten Technologie Nachteile auf. Für die Streifenleiter-Baluns werden doppelseitige Substrate benutzt, außerdem werden getwistete flexible Substrate verwendet.

Aus IEEE, MTT-43, Februar 1995 "X-Band Double Balanced Resistive MESFET-Mixer with very low Intermodulation" und IEEE, MTT-S Digest 1991, "Double Balanced Coplanar Image Rejection Mixer uses monolithic MESFET quad" sind Doppel- Gegentaktmischer bekannt, welche ein einziges MESFET-Quad benutzen. Allerdings benötigen diese Mischer Leitungskreuzungen innerhalb des Quad, was bezüglich unerwünschter Signalinterferenzen nachteilig ist. Der aus vorgenannter MTT-43 Veröffentlichung bekannte Mischer weist eine sehr geringe Bandbreite auf und ist daher für Breitbandanwendungen nicht brauchbar.

Aus dem Konferenzband zur 23rd European Microwave Conference, Madrid 1993, "Balanced resistive MESFET-Mixer in Uniplanar Technology" sowie aus der DE 43 21 190 C2 ist ein breitbandiger Gegentakt-MESFET-Mischer bekannt, der für die direkte Frequenzumsetzung in Fernmeldesatelliten für das Ku- Band geeignet ist. Dieser Mischer ist in uniplanarer Technologie realisiert, was die Herstellung sehr vereinfacht. Die Zuführungsleitungen zu den Gegentakt- Transistoren bestehen dort aus Schlitzleitungen und koplanaren Streifenleitungen.

Vorteile der Erfindung

Mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 läßt sich eine verbesserte Unterdrückung unerwünschter Mischprodukte erreichen. Das Lokaloszillatorsignal LO und alle zugehörigen Harmonischen sind im Gegensatz zur Realisierung gemäß DE 43 21 190 C2 breitbandig durch die Art der Ankopplungen zu den T- Verzweigungen kurzgeschlossen. Dadurch ist eine zusätzliche Unterdrückung des Lokaloszillatorsignals LO und der zugehörigen Harmonischen am Mischerausgang erreicht. Der Mischer nach der Erfindung ist dadurch auch für sehr hohe Lokaloszillatorfrequenzen geeignet. Mit den Maßnahmen der Erfindung sind keine Überkreuzungen der Lokaloszillator- Zuführungen zu den Steueranschlüssen der Transistoren notwendig. Dadurch ist eine einfache Integration von Einzeltransistoren wie auch von MMIC-Quads möglich unter Vermeidung unerwünschter Querkopplungen wie bei üblichen Doppel-Gegentaktmischern, beispielsweise dem Mischer gemäß vorgenannter MTT-43 Veröffentlichung. Durch die uniplanare Realisierung ist eine einfache Übertragung in ein MMIC- Design möglich.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für einen Doppel- Gegentaktmischer,

Fig. 2 eine Modifikation mit einem einzigen MMIC-Chip,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel nach Fig. 2,

Fig. 5 einen Detailausschnitt für die Ankopplung eines MESFET-Chips,

Fig. 6 die Phasenbeziehungen der an den T-Verzweigungen auftretenden Signale,

Fig. 7 die Trennung der Mischersignale durch das Magische-T,

Fig. 8 ein Schaltbild eines teilweise MMIC integrierten Doppel-Gegentaktmischers und

Fig. 9 die Einbaulage des MMIC-Schaltkreises.

Erläuterung von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild eines Doppel- Gegentaktmischers unter Verwendung von MESFET-Transistoren dargestellt, welcher für eine einfache planare Integration geeignet ist. Die Source-Anschlüsse S benachbarter Transistoren (Transistorpaare) sind miteinander verbunden. Die Steueranschlüsse (Gateanschlüsse) der jeweiligen Transistorpaare sind ebenfalls miteinander verbunden und werden vom Lokaloszillatorsignal LO gleichphasig angesteuert. Den Drainanschlüssen D wird jeweils das RF- Signal zugeführt. Die im Prinzipschaltbild gezeigten Übertragerelemente bestehen wie nachfolgend noch erläutert wird aus koplanaren Leitungen und Koppelelementen über die auch die Ankopplung des RF-Signals und des Lokaloszillatorsignals LO sowie die Auskopplung des Zwischenfrequenzsignals IF erfolgt.

Fig. 2 zeigt eine Modifikation dieser Anordnung, die auch für die Verwendung eines einzigen MMIC-Chips mit vier integrierten MESFETS (MMIC Quad) anstelle von vier einzelnen MESFETS geeignet ist.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Mischer nach der Erfindung dargestellt, dessen Topologie elektrisch mit dem Prinzipschaltbild von Fig. 1 übereinstimmt. Für die Zuführung der Signale von außen sind jeweils gekoppelte koplanare Leitungen 1, 2 und 3 vorgesehen. In die Leitung 1 wird ein Signal einer ersten Frequenz (RF-Signal) und in die Leitung 3 ein Signal einer zweiten Frequenz (LO-Signal) eingespeist. Die Auskopplung des Mischersignals, bei Herabmischung das Zwischenfrequenzsignal, erfolgt über die Koplanarleitung 2. Die Leitungen 1 und 2 sind über eine Verzweigung 4, hier in Form eines Magischen-T, zusammengefaßt. Die Schlitzleitungsausgänge des Magischen-T führen über zwei Schlitzleitungen 5 und 6 jeweils zu T- Verzweigungen 7 und 8, an deren Verzweigungsarme jeweils ein Transistorpaar 9 und 10 bzw. 11 und 12 über deren zweite Anschlüsse angekoppelt sind. In den gezeigten Ausführungsbeispielen werden MESFET-Transistoren verwendet. Die Ankopplung der zweiten Anschlüsse (Drain-Elektroden) an die Schlitzleitungen 5 und 6 erfolgt über Bonddrähte, die zu den gegenüberliegenden Masseflächen der Schlitzleitungen 5 und 6 an den T-Verzweigungen 7 und 8 führen. Die Schlitzleitungen 5 und 6 sind im Ausführungsbeispiel ausgehend von den Schlitzleitungsausgängen des Magischen-T zuerst als gekoppelte Schlitzleitungen bis zu einer Verzweigung 13 geführt. Ab der Verzweigung 13 knicken die Schlitzleitungen 5 und 6 rechtwinklig ab und verlaufen als einfache Schlitzleitungen in einem Viertelkreis bis zu den T-Verzweigungen 7 und 8. Die Steuerelektroden der Transistorpaare 9, 10 bzw. 11, 12 sind über Bonddrähte an jeweils einen Wellenleiter 14, 15 - hier in Form einer koplanaren Leitung- gekoppelt. Diese Leitungen enden gegenüber den T-Verzweigungen 7 und 8. Sie münden von den Transistorpaaren aus gesehen in einer Verzweigung 16 nach der sie als koplanare Streifenleitung bis zu einem Übergang 17 von einer koplanaren Streifenleitung auf eine koplanare Leitung geführt sind. Der Übergang 17 sorgt für die Anbindung der Streifenleiter 14 und 15 an die koplanare Leitung 3. Kondensatoren 18 und 19 entkoppeln die koplanare Schlitzleitung 3 gleichstrommäßig von der koplanaren Streifenleitung 14, 15. Über die Anschlüsse 19 und 20 erfolgt die Gleichspannungsversorgung der Transistorpaare. Die Enden der Streifenleiter 14 und 15 führen gegenphasige LO-Signale und zwar derart, daß das obere Transistorpaar 9, 10 gleichphasig angesteuert wird und das untere Transistorpaar 11, 12 gegenphasig angesteuert wird. Diese Ausbildung vermeidet Leitungsüberkreuzungen im Bereich der Transistoren, so daß auch der Einbau einzelner MESFETS sehr einfach ist. Durch diese Ansteuerung und der Auslöschung der zwei Gegentaktsignale an den T-Verzweigungen 7 und 8 entsteht ein inhärenter Kurzschluß für das LO-Signal an den Drain-Anschlüssen der Transistoren des Doppel- Gegentaktmischers.

Die Sourceelektroden der Transistoren 9, 10, 11, 12 sind durch den Aufbau der Transistoren direkt mit der Maßefläche auf der sie aufliegen verbunden (Source via Holes), so daß keine zusätzlichen Bonddrähte zur Massefläche benötigt werden. Die Verzweigungsarme der T-Verzweigungen 7 und 8 sind endseitig jeweils durch einen Leerlauf abgeschlossen. Hierzu sind an den Enden der Schlitzleitungen nach den T- Verzweigungen 7 und 8 Kreissegmente 21, 22, 23 und 24 vorgesehen, deren Radius etwa einem Viertel der Betriebswellenlänge entspricht. Die Kreissegmente sind von den Enden der Verzweigungsarme ausgehend gegenüber der Zone in der sich die Transistoren 9, 10, 11, 12 befinden nach außen geknickt, damit keine Störbeeinflussung im Bereich der Transistoren auftritt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 zeigt einen Doppel- Gegentaktmischer, der auf dem Prinzipschaltbild nach Fig. 2 beruht. Die Transistoren 9, 10, 11 und 12 sind hier als Quartett, insbesondere als MMIC-Quad ausgebildet. Die Streifenleitungen 14 und 15 sind hier nicht wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 verzweigt, sondern enden gemeinsam zwischen den hier parallel und einander gegenüberliegend angeordneten T-Verzweigungen 7 und 8. Sie verjüngen sich an ihren Enden. Die einzelnen Schlitzleitungen 5 und 6 ab der Verzweigung 13 sind in jeweils einem Halbkreis zu den T-Verzweigungen 7 und 8 hin geführt. Ansonsten entspricht die Anordnung gemäß Fig. 4 der Anordnung gemäß Fig. 3.

Fig. 5 zeigt in einem Detailausschnitt die Ankopplung des MESFET-Quads mit den Transistoren 9, 10, 11, 12 an die Schlitzleitungen 5 und 6 sowie an die Steifenleiter 14 und 15. Die Bonddrähte von den Drainelektroden D zu den Masseflächen überkreuzen jeweils die Verzweigungsarme der T- Verzweigungen 7 und 8. Die Gateelektroden führen paarweise zu einem Streifenleiter 14 bzw. 15. Die im Bereich der T- Verzweigungen 7 und 8 der Schlitzleitungen 5 und 6 zu dieser Anordnung gehörigen Phasenbeziehungen zwischen den Signalen am RF-Eingangstor 24 und Mischsignalausgangstor 25 sowie dem LO-Signal am Eingangstor 27 sind in Fig. 6 durch Pfeile dargestellt. Nicht ausgefüllte Pfeile gehören zum Signal am RF-Eingangstor 24, voll ausgefüllte Pfeile zum Signal am Mischsignalausgangstor 25 und Pfeile mit dünnem Pfeilspitzenträger zum LO-Signal. Das RF-Signal vom Eingangstor 24 wird in gleicher Phase an das obere und untere Transistorpaar gekoppelt. Aufgrund der Gegenphasenansteuerung der beiden Transistorpaare durch das LO-Signal erscheint das Mischersignal ± RF ± LO in der oberen Schlitzleitung 5 in Gegenphase zum entsprechenden Mischersignal in der unteren Schlitzleitung 6.

Fig. 7 zeigt die Signaltrennung durch das Magische-T 4 und die entsprechenden Phasenbeziehungen.

Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird für die Aufteilung des LO-Signals in zwei gegenphasige Pfade ein Balun verwendet. Dieser Balun sorgt auch für den Übergang von der gekoppelten koplanaren Schlitzleitung 3 auf die koplanaren Streifenleiter 14 und 15. Wie zuvor sorgen die Kondensatoren 18 und 19 den in den koplanaren Streifenleitern 14 und 15 zur Trennung des LO-Signals und Masse vom Gleichspannungspotential für die Steuerelektroden der Transistoren.

Der Mischer gemäß der Erfindung besitzt die gleichen Breitbandeigenschaften wie der aus vorgenanntem Konferenzband zur 23rd European Microwave Conference, Madrid, 1993 oder aus DE 43 21 190 C2 bekannten Gegentaktmischer hat aber außerdem die Vorteile eines Doppel-Gegentaktmischers, d. h. eine hohe Unterdrückung unerwünschter Mischprodukte und Harmonischer des LO-Signals.

Die Realisierung des Mischerprinzips nach der Erfindung in MMIC-Technik ist sehr vorteilhaft. Wenn jedoch ein solcher Mischer für relativ niedrige Betriebsfrequenzen zu dimensionieren ist, können abweichende Anpassungsmaßnahmen als die zuvor verwendeten Anpassungsmaßnahmen mit Leitungsstücken vorteilhaft sein, um große MMIC-Chipgrößen zu vermeiden. So kann vorteilhafter Weise der aus Leitungsstücken bestehende Balun durch kleinere aktive Transformationsschaltungen ersetzt werden, etwa gemäß IEEE, MTT-36, Dezember 1988, S.1948 bis 1957. Solche aktiven Transformationsschaltungen können in kompakter Bauweise auf einen GaAs-Chip realisiert werden. Aktive Baluns beeinflussen zwar das Intermodulationsverhalten des Mischers nachteilig, wenn sie jedoch im Zuführungspfad des LO-Signals verwendet werden und eine gute Symmetrie gewährleistet ist, entstehen keine Nachteile hinsichtlich des Intermodulationsverhaltens des Mischers. Aus Gründen von Aufbaugröße und Intermodulationsverhalten wird vorzugsweise ein MESFET-Quad und ein Balun für das LO-Signal mit konzentrierten aktiven Elementen gewählt mit Unterbringung in einem gemeinsamen MMIC-Chip. Die Integration der vier MESFETS als einziger Quad in einem Chip optimiert die Mischersymmetrie wegen der nahezu idealen Anpassung der individuellen Transistorparameter.

Fig. 8 zeigt das Schaltbild und Fig. 9 die Einbaulage eines teilweise MMIC-integrierten Doppel-Gegentaktmischers, beispielsweise für das Ku-Band, der aus einem MMIC-Baustein 26 (dick umrahmt) und uniplanaren Wellenleitern 29 (gestrichelt)als externe Beschaltung besteht. Der Balun für das LO-Signal besteht aus aktiven Elementen in Form von Feldeffekttransistoren, die aus kombinierten Gate- und Source-Grundschaltungen bestehen. Eine solche Anordnung besitzt eine inhärente breitbandige 180°-Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen, die zu den Steueranschlüssen des MESFET-Quad geführt sind.

Die Erfindung wurde bisher anhand eines Doppel- Gegentaktmischers erläutert. Die Erfindung kann entsprechend auch für Mehrfach-Gegentaktmischer z. B. Vierfach- Gegentaktmischer oder Gegentaktmischer noch höherer Ordnung eingesetzt werden.

Claims (14)

1. Mehrfach-Gegentaktmischer insbesondere Doppel- Gegentaktmischer mit mindestens zwei Transistorpaaren (9, 10, 11, 12), von denen jeweils ein erster Anschluß auf gleichem Potential liegt, wobei für jedes der Transistorpaare die jeweils zweiten Anschlüsse der Transistoren an je einen Verzweigungsarm einer T-Verzweigung (7, 8) von mindestens zwei Schlitzleitungen (5, 6), über die ein Signal einer ersten Frequenz zuführbar ist, angekoppelt sind und wobei die Steueranschlüsse der Transistoren mit einem Signal einer zweiten Frequenz beaufschlagbar sind, derart, daß die Transistoren der Transistorpaare untereinander gleichphasig und bezüglich unterschiedlicher Transistorpaare gegenphasig ansteuerbar sind.

2. Mehrfach-Gegentaktmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigungsarme der T-Verzweigungen (7, 8) endseitig jeweils leerlaufend abgeschlossen sind.

3. Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung des Mischerausgangssignals und zur Zuführung der ersten Frequenz ein Magisches-T (4) in koplanarer Schlitzleitungstechnik vorgesehen ist, wobei die beiden Schlitzleitungsausgänge des Magischen-T (4) über die Schlitzleitungen (5, 6) zu den Verzweigungsarmen der T- Verzweigungen (7, 8) führen.

4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzleitungen (5, 6) ausgehend von den Schlitzleitungsausgängen des Magischen-T (4) zuerst als gekoppelte Schlitzleitungen geführt sind und daß die gekoppelten Schlitzleitungen nach einer Verzweigung (13) als ungekoppelte Schlitzleitungen bis zu den T-Verzweigungen (7, 8) geführt sind.

5. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Transistorpaare als Transistorquartett die Führung der einfachen Schlitzleitungen (5, 6) insbesondere über jeweils einen Halbkreis derart erfolgt, daß die Verzweigungsarme der T-Verzweigungen (7, 8) parallel und gegenüberliegend zu liegen kommen.

6. Mischer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zueinander parallelen Verzweigungsarmen der T- Verzweigungen (7, 8) die Enden koplanarer Wellenleiter (14, 15) angeordnet sind und daß die Transistorpaare (9, 10, 11, 12) jeweils zwischen einen der Wellenleiter (14, 15) und einen der Verzweigungsarme eingebaut sind.

7. Mischer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leerlaufenden Abschlüsse der Verzweigungsarme der T-Verzweigungen (7, 8) als Kreissegmente mit einem Radius von etwa einem Viertel der Betriebswellenlänge ausgebildet sind, die von den Enden der Verzweigungsarme (7, 8) ausgehend gegenüber der Zone in der sich die Transistoren (9, 10, 11, 12) befinden nach außen geknickt sind.

8. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zuführung der gegenphasigen Signale zu den Steuerelektroden der Transistorpaare (9, 10, 11, 12) ein Balun vorgesehen ist, der das auf dem koplanaren Wellenleiter (3) zugeführte Signal der zweiten Frequenz in zwei zueinander gegenphasige Pfade (14, 15) aufteilt.

9. Mischer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Balun einen Übergang von einer gekoppelten koplanaren Schlitzleitung (3) auf koplanare Streifenleiter (14, 15) aufweist.

10. Mischer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die koplanaren Streifenleiter (14, 15) jeweils Kondensatoren (18, 19) eingefügt sind.

11. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (9, 10, 11, 12) des Doppel-Gegentaktmischers als Transistorquartett in einem MMIC-Chip realisiert sind.

12. Mischer nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Balun als aktive Schaltung insbesondere in MMIC-Technik realisiert ist.

13. Mischer nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (9, 10, 11, 12) des Doppel- Gegentaktmischers und der Balun in einem gemeinsamen MMIC- Chip angeordnet sind.

14. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gekennzeichnet durch die Ausbildung der Transistoren (9, 10, 11, 12) des Doppel-Gegentaktmischers als MESFET-Transistoren mit resistiver Kanalsteuerung.