DE19921438A1 - Überlagerungsstufe für Hochfrequenzempfänger - Google Patents

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).