DE19921438A1 - Überlagerungsstufe für Hochfrequenzempfänger - Google Patents
Überlagerungsstufe für HochfrequenzempfängerInfo
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Abstract
Bei einer Überlagerungsstufe mit einer den Ausgang des Mischers breitbandig abschließenden Weiche ist zwischen Weiche und nachfolgendem Zwischenfrequenzfilter ein Widerstand vom Wert der Systemimpedanz angeordnet, der mit einem auf die Zwischenfrequenz abgestimmten Resonanzelement so zusammengeschaltet ist, daß er bei der Zwischenfrequenz für das Nutzsignal minimale Dämpfung besitzt und bei allen anderen Frequenzen den Ausgang des Mischers mit der Systemimpedanz abschließt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Überlagerungsstufe für Hochfrequenzempfänger laut
Oberbegriff des Hauptanspruches.
Überlagerungsstufen dieser Art sind als sogenannte Diplexer bekannt. Ein breitbandiger
Abschluß des Mischerausganges unabhängig vom Eingangswiderstand des ZF-Filters
sowohl im Durchlaß- als auch im Sperrbereich ist bisher nur mit relativ hohem
Schaltungsaufwand unter Verwendung von mehreren Quarzfiltern und breitbandigen
Phasendrehschaltungen möglich (Meinke/Grundlach, Taschenbuch der
Hochfrequenztechnik, 5. Auflage, Seite Q22, Bild 8).
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Überlagerungsstufe zu schaffen, bei welcher mit
minimalem Schaltungsaufwand der Mischer gleichbleibend mit der Systemimpedanz
abgeschlossen ist und die minimale Durchgangsdämpfung aufweist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Überlagerungsstufe laut Oberbegriff des
Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Überlagerungsstufe gewährleistet mit geringem
Schaltungsaufwand, daß der Mischerausgang nicht nur im Durchlaßbereich, sondern
auch im gesamten Sperrbereich mit der Systemimpedanz, im allgemeinen also mit 50
Ohm, abgeschlossen ist. Topographisch ergeben sich in Abhängigkeit von dem
Impedanzverhalten des ZF-Filters und des Kompensationselementes mit den beiden
Schaltungsvarianten Serienwiderstand bzw. Querwiderstand insgesamt acht
Schaltungsmöglichkeiten gemäß der Tabelle nach Fig. 1. Je nachdem, ob das ZF-Filter
sich wie ein Serienkreis (niederohmig im Durchlaßbereich, hochohmig im Sperrbereich)
oder wie ein Parallelkreis (hochohmig im Durchlaßbereich, niederohmig im
Sperrbereich) verhält und je nachdem, ob das mit dem Widerstand zusammenwirkende
Resonanzelement sich wie ein Serienkreis oder Parallelkreis verhält, müssen
entsprechende Impedanzinverter zwischengeschaltet werden, die in bekannter Weise
z. B. aus diskreten Bauelementen aufgebaut sind und ein Verhalten wie eine λ/4-Leitung
aufweisen, also aus einer hochohmigen Impedanz eine niederohmige Impedanz erzeugen
und umgekehrt. Das Resonanzelement ist durch bekannte Maßnahmen von parasitären
Resonanzen frei gemacht und sein Impedanzniveau kann mit Hilfe einer
Transformationsschaltung entsprechend gewandelt werden, d. h. durch eine zusätzliche
Transformationsschaltung kann das Impedanzniveau des Resonanzelementes mit einem
konstanten Faktor multipliziert oder dividiert werden, je nachdem, ob der den
Weichenausgang abschließende ohmsche Widerstand ein Serienwiderstand oder ein
Parallelwiderstand ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild einer üblichen Überlagerungsstufe, wie sie
beispielsweise in einem Hochfrequenzempfänger benutzt wird. Das Eingangssignal E
wird in einem Mischer 1, beispielsweise einem passiven Ringmischer, mit der Frequenz
eines Überlagerungsoszillators 2 auf eine Zwischenfrequenz ZF umgesetzt. Der
Ausgang des Mischers 1 ist über eine breitbandige Weiche 3 (Duplexer bzw. Diplexer)
abgeschlossen. Bei dieser bekannten Anordnung findet das bei der Mischung
entstehende zweite Seitenband für höhere Empfangsfrequenzen einen reellen Abschluß
mit der Systemimpedanz, für tiefe Empfangsfrequenzen (abweichend von der Frequenz
Null) dagegen einen komplexen, von der Systemimpedanz abweichenden Abschluß. Die
Weiche 3 kann aus einer Kombination von Hoch- und Tiefpaß oder Bandpaß mit
Bandsperre und Abschluß entsprechend der Systemimpedanz bestehen, wie dies
beispielsweise bei Detlef Lechner, Kurzwellenempfänger, Militärverlag der Deutschen
Demokratischen Republik, 2. Auflage auf Seite 118/119 beschrieben ist.
Wenn das Zwischenfrequenzfilter 5 direkt über die breitbandige Weiche 3 mit dem
Ausgang des Mischers 1 verbunden wird, so werden die dynamischen Eigenschaften des
Mischers bei Aussteuerung nahe der Zwischenfrequenz durch das sich stark ändernde
Impedanzverhalten des Filters negativ beeinflußt. Um dies zu vermeiden, ist zwischen
der Weiche 3 und dem ZF-Filter 5 eine Schaltung 4 eingefügt, die gemäß der Tabelle
nach Fig. 1 in Abhängigkeit von nicht änderbaren Parametern der übrigen Schaltung
eine unterschiedliche Topologie aufweist, jedoch jeweils das gleiche Ergebnis bringt.
Die Schaltung 4 besteht gemäß Fig. 3 aus maximal einem Resonanzelement KE, einem
ohmschen Widerstand R vom Wert der Systemimpedanz und maximal zwei
Impedanzinvertern I1 und I2. Die jeweiligen Kombinationen dieser Elemente ergeben
sich aus der Tabelle nach Fig. 1.
Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Überlagerungsstufe und zwar für einen hochwertigen Hochfrequenzempfänger, der mit
einer Eingangsfrequenz E zwischen 0 und 30 MHz betrieben wird, eine
Zwischenfrequenz ZF von 80 MHz aufweist und ein ZF-Filter 5 mit
Serienkreisverhalten aufweist. Als Resonanzelement KE wird ein Einzelquarz 7 mit
Serienkreisverhalten benutzt. Der Widerstand R ist in Reihe zwischen Weiche 3 und
ZF-Filter 5 angeordnet.
Dieses Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 entspricht in der Tabelle dem Fall 5.
Das ZF-Filter 5 ist beispielsweise als mehrpoliges Quarzfilter ausgebildet und auf die
ZF-Mittenfrequenz abgestimmt. Es wird vorzugsweise ein Quarzfilter mit Quarzen
hoher Leerlaufgüte und damit geringer Durchgangsdämpfung benutzt, was
beispielsweise mit Quarzen im fünften Oberton erreicht wird. Solche Filter haben die
Eigenschaft, daß sie im Durchlaßbereich einen nahezu reellen Eingangswiderstand vom
Wert der Systemimpedanz, beispielsweise 50 Ohm, besitzen, im Sperrbereich jedoch
eine zunehmend hochohmig werdende Impedanz mit abnehmendem Realteil aufweisen.
Da in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Längswiderstand R kompensiert werden
soll, muß diese Eingangsimpedanz des ZF-Filters von hochohmig in niederohmig
invertiert werden. Zu diesem Zweck ist ein Impedanzwandler I1 zwischengeschaltet,
der als λ/4-Wandler aus diskreten Bauelementen aufgebaut ist, wie dies beispielsweise
bei Peter Vizmuller, RF Design Guide-Systems, Circuits and Equations Artech House
Publishevs, 1. Auflage 1995, Seite 165 beschrieben ist.
Parallel zum ohmschen Serienwiderstand R ist über einen Impedanztransformator 6 der
Einzelquarz 7 geschaltet, der auf die ZF-Mittenfrequenz abgestimmt ist. Mit einer
einstellbaren Parallelinduktivität 8 kann die störende Parallelkapazität kompensiert
werden, mit einem einstellbaren Serienkondensator 9 kann die Mittenfrequenz und mit
einem einstellbaren Serienwiderstand 10 die Betriebsgüte zu Lasten einer etwas höheren
Durchgangsdämpfung fein angepaßt werden. Das Übersetzungsverhältnis des
Transformators 6 bestimmt im wesentlichen die Betriebsgüte der Übertragung im
Längszweig.
Der Einzelquarz 7 besitzt bei der Serienresonanzfrequenz eine niedrige Impedanz, die
hauptsächlich bestimmt wird durch seinen Verlustwiderstand. Diese im Durchlaßbereich
niedrige Impedanz wird über den Transformator 6 noch weiter heruntergewandelt und
als extrem niedriger Wert dem Widerstand R parallelgeschaltet, d. h. der Widerstand R
wird bei der ZF-Mittenfrequenz praktisch kurzgeschlossen und verliert dadurch seine
dämpfende Wirkung. Bei allen Frequenzen verschieden von der Mittenfrequenz wird
der Quarz sehr hochohmig und der Widerstand R zunehmend wieder als
Abschlußwiderstand für die Weiche 3 wirksam. Dies gilt für Frequenzen in
unmittelbarer Nähe des Durchlaßbereiches des ZF-Filters 5. Für größere
Frequenzablagen von der Mittenfrequenz wirkt die Weiche 3 als klassischer Abschluß
für den Mischer 1.
Durch die einfache Anordnung eines Serienwiderstandes R und eines Einzelquarzes 7
wird damit breitbandig ein gleichbleibender Abschluß des Mischers mit der
Systemimpedanz erreicht und damit eine konstante Umsetzdämpfung und auch ein
gleichbleibendes Intermodulationsverhalten unabhängig von der Lage der die
Intermodulation erzeugenden Signale. Für noch höhere Ansprüche kann anstelle eines
Einzelquarzes auch ein aus mehreren Quarzen aufgebautes Quarzfilter benutzt werden.
Die breitbandige Weiche 3 kann aus handelsüblichen Kondensatoren und Spulen
aufgebaut werden, da die hierdurch entstehende geringe Leerlaufgüte bei der
erfindungsgemäßen Anordnung nicht weiter ins Gewicht fällt.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen hochwertigen Spektrumanalysator mit
einer Eingangsfrequenz E beispielsweise zwischen 0 und 3 GHz, einer
Zwischenfrequenz ZF von 4 GHz und einem ZF-Filter 5 mit Parallelkreisverhalten. In
diesem Fall wird als Resonanzelement KE ein keramischer Einzelresonator 12 mit
Parallelkreisverhalten benutzt und wiederum ein zwischen Weiche und ZF-Filter
geschalteter ohmscher Serienwiderstand R. Dies entspricht dem Fall 4 nach der Tabelle
in Fig. 1. Die Reihenschaltung des Resonators 12 mit einem λ/4-
Leitungstransformator 13 überbrückt den ohmschen Widerstand R, auch hier kann zu
Abgleichzwecken ein Serienkondensator 14 zwischengeschaltet sein. Damit wird bei der
Zwischenfrequenz der Widerstand R wieder kurzgeschlossen und auf davon
abweichenden Frequenzen jeweils mit seinem der Systemimpedanz entsprechenden Wert
wirksam. Die Betriebsgüte kann durch Veränderung der Länge der λ/4-Leitung
entsprechend eingestellt werden.
Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit für einen parallel zum Ausgang der Weiche 3
geschalteten ohmschen Widerstand R, der in Reihe zur Primärwicklung eines
Impedanztransformators 6 geschaltet ist. Die Sekundärwicklung des
Impedanztransformators 6 ist mit einem auf die Zwischenfrequenz abgestimmten
Schwingkreis 15 verbunden. Bei der Zwischenfrequenz wird also in Reihe zum
Widerstand R ein hochohmiger Widerstand wirksam. Diese Ausführung entspricht dem
Fall 1 der Tabelle gemäß Fig. 1.
Claims (7)
1. Überlagerungsstufe mit einer den Ausgang des Mischers (1) breitbandig
abschließenden Weiche (3) und einem Zwischenfrequenzfilter (5),
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Weiche (3) und Zwischenfrequenzfilter (5) ein Widerstand (R) vom Wert
der Systemimpedanz angeordnet ist, der mit einem auf die Zwischenfrequenz
abgestimmten Resonanzelement (KE, 7, 12) so zusammengeschaltet ist, daß er bei der
Zwischenfrequenz für das Nutzsignal minimale Dämpfung besitzt und bei allen anderen
Frequenzen den Ausgang des Mischers (1) mit der Systemimpedanz abschließt.
2. Überlagerungsstufe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Zwischenfrequenzfilter (5) und Widerstand (R) und/oder zwischen
Resonanzelement (KE, 7, 12) und Widerstand (R) ein Impedanzinverter (I1, I2)
angeordnet ist.
3. Überlagerungsstufe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Resonanzelement ein auf die Zwischenfrequenz abgestimmter Quarz (7) ist.
4. Überlagerungsstufe nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Quarz (7) über einen Transformator (6) parallel zum Widerstand (R) geschaltet
ist.
5. Überlagerungsstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Zwischenfrequenzfilter (5) im Sperrbereich hochohmig ist und zwischen
Widerstand (R) und Zwischenfrequenzfilter (5) ein Impedanzwandler (I1) mit dem
Verhalten einer λ/4-Leitung angeordnet ist.
6. Überlagerungsstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Resonanzelement ein keramischer Resonator (12) ist, der in Reihe mit einer
λ/4-Leitung parallel zu dem in Reihe zwischen Weiche (3) und ZF-Filter (5)
angeordneten Widerstand (R) geschaltet ist.
7. Überlagerungsstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Widerstand (R) parallel zum Ausgang der Weiche (3) angeordnet ist und das
Resonanzelement (KE) Parallelresonanzcharakter besitzt und über einen
Impedanztransformator in Reihe zum Widerstand (R) geschaltet ist (Fig. 6).
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