DE2119210C3 - Kopplungsanordnung für eine Mikrowellen-Mischerschaltung mit Hilfe eines aus einem gyromagnetischen Werkstoff bestehenden Körpers - Google Patents

Description

Wl

Die Erfindung betrifft eine Kopplungsanordnung für eine Mikrowellen-Mischerschaltung, bestehend aus einem Verkopplungsraum, in dem in einer ersten Ebene über einen Eingangsleiter ein hochfrequentes Signal eingeführt und über einen in einer zur ersten Ebene in einem gewissen Abstand und parallel zu dieser liegenden zweiten Ebene angeordneten u:id senkrecht zum Eingangsleiter geführten Ausgangsleiter ausgeführt ist und zwischen dem Eingangs- und Ausgangsleiter zur Verkopplung ein aus einem gyromagnetischen Werkstoff bestehender Körper angeordnet und senkrecht zu den genannten Ebenen vormagnetisiert ist.

Ein derartiger gyromagnetischer Werkstoff besteht z. B. aus Yttrium-Eisen-Granat und ein mit einem derartigen Werkstoff aufgebautes Filter wird ruch als sogenanntes YIG-Filter bezeichnet Derartige Filter sind aus der US-PS 34 35 385 und aus der US-PS 34 00 343 bekannL In der zuletzt genannten US-PS sind im Verkopplungsraum senkrecht aufeinander stehende Leiterbahnen angeordnet, die in parallel zueinander in einem gewissen Abstand liegenden Ebenen liegen. An den Kreuzungsstellen sind die sogenannten YIG-Kugeln zur Kopplung bzw. zur Verkopplung der beiden Leiter angeordnet Um eine derartige Verkopplung wirkungsvoll zu erreichen, müssen die aus dem gyromagnetischen Werkstoff bestehenden YIG-Kugeln vormagnetisiert werden. Daher wird bei dem bekannten Stand der Technik senkrecht zu den Ebenen ein magnetisches Feld angelegt Auf diese Weise kann ein Bandfilter im Hochfrequenzbereich erreicht werden, wenn neben diesen beschriebenen Verkopplungsraum ein zweiter gleichartiger ausgebildet wird, wobei die Verbindung zwischen den beiden Räumen durch einen schmalen Bandleiter erfolgt der durch eine Ausnehmung in den Räumen derart hindurchgeführt ist, daß ausschließlich eine Verbindung über diesen Leiter und nicht über irgendwelche anderen Wege gegeben ist. Eine derartige Kopplungsanordnung eignet sich besonders zur Anwendung im Mikrowellenbereich. Weiterhin sind bereits sogenannte Mischschaltungsanordnungen unter Verwendung eines Diodenmischringes bekannt, bei denen der Diodenmischring aus vier in Reihe geschalteten Dioden besteht Je zwei sich gegenüberliegende Anschlüsse dieses Diodenmischringes sind jeweils an die Sekundärwicklung eines Übertragers geführt Die Primärwicklung des eiirtn Übertragers ist mit der Einspannungsspannung bzw. der Signalquelle verbunden und die Primärwicklung des anderen Übertragers mit dem Oazillator. Auf diese Weise gelangen an sich gegenüberliegenden Anschlüssen des Diodenmischringes einmal eine Eingangsfrequenz und einmal eine Oszillatorfrequenz, und es entsteht nunmehr eine Zwischenfreqiienz bzw. eine Mischfrequenz, die an Anzapfungen der Übertrager abgenommen werden kann. Die Verwendung von derartigen Übertragungen ergibt aber Schwierigkeiten bei höheren Frequenzen, weil nämlich jeder Übertrager infolge des verwendeten Eisens nur über einen gewissen Frequenzbereich reicht. Ein weiterer Nachteil einer derartigen Schaltungsanordnung besteht darin, daß die beiden Mittenanzapfungen an den Übertrager nicht geerdet sind und daher das Ausgangssignal keinen festen Bezugspunkt hat

Es ist weiterhin aus der US-PS 33 27 220 eine Mischerschaltungsanordnung bekannt bei der dem oben genannten Mangel dadurch begegnet wird, daß Ferrite mit einem besonders hohen μ verwendet werden. Infolge des hohen μ kann in einem bestimmten Frequenzbereich dann die Windungszahl in einem derartigen Übertrager sehr weit herabgedrückt werden und das bekannte Beispiel in dieser US-PS zeigt für die Ankopplung eines Oszillators zwei Übertrager, wobei die Windungszahl für die Ankopplung des Oszillators nur eins beträgt. Es ist weiterhin ein dritter Übertrager zur Symmetrierung erforderlich und es sind in diesem ausbalancierten Mischerkrcis ferner zwei Dioden

angeordnet, zwischen denen das Eingangssignal mit der Eingangsfrequenz und das Ausgangssignal mit der Ausgangsfrequenz gleichzeitig abgenommen werden. Um aber nun zu verhindern, daß das Eingangssignal direkt auf den Ausgang gelangt, müssen aufwendige Filter im Signalweg vorgesehen werden, und zwar zwischen der Eingangssignalquelle und der Ankopplungsstelle an die Mischerschaltungsanordnung und dann zwischen der Ankopplungsstelle der Mischeranordnung und dem Ausgang. Im Signalweg liegen also zwei dämpfende Bandfilter. Neben diesem Nachteil ist die Anordnung nach der US-PS 33 27 220 nur bis zu relativ niedrigen Frequenzen verwendbar, da nämlich der Frequenzbereich durch das μ des verwendeten Ferrites für die Übertrager bestimmt wird.

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, unter Ausnutzimg der eingangs genannten Eigenschaften der Gyromagnetischen Werkstoffe eine vor allen Dingen im Mikrowellenbereich mit Vorteil anwendbare Mischerschaltungsanordnung anzugeben, bei der im Signalweg keine dämpfenden Filter liegen und bei der der Frequenzbereich auch nicht durch Übertrager bzw. der in diesen verwendeten Ferrite bestimmt und damit eingeschränkt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe bestehen bei einer Kopplungsanordnung der eingangs genannten Art der Eingangsleiter aus zwei symmetrisch zu einer Symmetrieebene des Körpers angeordneten Leiterbahnen, die gleichzeitig mit einem Oszillator und zwei sich gegenüberliegenden Anschlüssen eines Diodenmischringes verbunden sind, dessen andere sich gegenüberliegende Anschlüsse mit einer Signalquelle verbunden sind, der Ausgangsleiter aus einer Leiterbahn besteht, die an der einen Seite des Verkopplungsraumes geerdet ist, und der Körper derart vormagnetisiert ist, daß eine Eigenresonanzstelle des Körpers mit der Mischfrequenz zusammenfällt

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann eine Kopplungsanordnung der eingangs genannten Art derart ausgebildet sein, daß der Eingangsleiter und der Ausgangsleiter aus je zwei symmetrisch zu einer Symmetrieebene des Körpers angeordneten Leiterbahnen bestehen, die Leiterbahnen des Eingangsleiters gleichzeitig mit einem Oszillator und zwei sich gegenüberliegenden Anschlüssen eines Diodenmischringes verbunden sind, dessen andere sich gegenüberliegende Anschlüsse mit einer Signalquelle verbunden sind, die Leiterbahnen des Ausgangsleiters gleichzeitig mit den sich gegenüberliegerden Anschlüssen eines zweiten Diodenmischringes verbunden sind, dessen andere sich gegenüberliegende Anschlüsse mit einem Ausgang verbunden sind, und der Körper derart vormagnetisiert ist, daß eine Eigenresonanz des Körpers mit der Mischfrequenz zusammenfällt

Auf diese Weise wird insgesamt eine Mischeranordnung erhalten die einmal in der oben zur ersten Ausführungsart genannten eine Mischfrequenz und damit eine Zwischenfrequenz liefert, die wegen der Ausnutzung der Eigenresonanz in dem gyromagnetischen Körper frei von Frequenzen anderer Mischprodukte ist und aufgrund der Ausbildung der Kopplungsanordnung mit geringster Dämpfung abertragen wird.

In der zweiten Ausbildung der Kopplungsanordnung nach der Erfindung kann die erhaltene Mischfrequenz einem zweiten Dtodcnmischring zugeführt werden, und da an diesen ein zweiter Oszillator angeschlossen ist, kann diese zweite Mischrrequenz, d. h. diese Zwischenfrequenz, wieder auf eine weitere Signalfrequenz z. B.

heruntergemischt werden, wie am Schluß der Beschreibung noch näher beschrieben wird.

Die Wirkung der Kopplungsanordnung nach der Erfindung besteht darin, daß die Ströme, die in den

beiden Leiterbahnen dieselbe Richtung haben, ein derartiges magnetisches Feld in dem Körper erzeugen, daß ein Ausgangssignal entsteht, während gleiche und in entgegengesetzter Richtung verlaufende Ströme wegen der Symmetrie ein derartiges Feld nicht erzeugen

lu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine bekannte Mischeranordnung mit einem

aus vier Dioden bestehenden Mischring,

F i g. 2 eine Kopplungsanordnung nach der Erfindung, verbunden mit einem Diodenmischring, zum Erhalt eines Mischsignals,

Fig.3 und 4 Kopplungsanordnungen nach der

Erfindung mit einer Darstellung der < erkopplungsraumes, und

F i g. 5 eine Kopplungsanordnung nach der Erfindung, bei der die Eingangsseite und Ausgangsseite je mit einem Diodenmischring verbunden sind.

r> Fi g. < zeigt eine bekannte Mischschaltung mit vier in Reihe geschalteten Dioden Äi, R₂. ^₃ und Ra. Die Verbindungspunkte a und csind über die Leiter Gi und G₂ mit der Sekundärwicklung des Transformators 7· verbunden. Genauso sind die Punkte L· und d über die

jo Leiter G₃ und Ga mit der Sekundärwicklung des Transformators T₂ verbunden. Die Signalquelle 5 ist an die Primärwicklung des Transformators Tj angeschlossen und der lokale Oszillator L an die Primärwicklung des Transformators T₂. Das Ausgangssignal ist über die

r> Leiter Gs und G_b und die Ausgangsklemmen U\ und U₂ von den Mittenanzapfungen M\ und M₂ an den Sekundärwicklungen der Transformatoren 7Ί und T₂ abnehmbar.

Im Betrieb fließen über die Leiter Gi und Gi Ströme

mit Signalfrequenzen, die gleich und in Gegenphase sin.-. Ebenso fließen über die Leiter G₃ und G₄ gleiche und gegenphasige Ströme mit der Frequenz des lokalen Oszillator«. L In den Ausgangsleitern G5 und Ge treten somit keine Ströme mit diesen Frequenzen auf und die

■»-' Schaltung ist somit eine Ringschaltung. Demgegenüber haben die Mischprodukte, deren Ströme über die Leiter Cn und G₆ fließen, dieselbe Phase in den Leitern Gi und G₂ bzw. G₃ und G₄. Die Mittenanzapfungen M\ und M₂ haben dabei ein schwebendes Potential. Dies ergibt

"><> Schwierigkeiten bei hohen Frequenzen im Hinblick auf das Balancieren der Primärwicklungen infolge der kapazitiven Kopplung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen.

F i g. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Mischschaltung.

">'. Die Signalquelle S und der lokale Oszillator L sind v/ieder über die Leiter Gi und Gi bzw. G₃ und G₄ mit dem Ring aus den Dioden R₁, R₂, Rj und A₄ verbunden. Die Signalquelle 5 und der lokale Oszillator L können elektrisch völlig bymmetrisch mit geerdetem Symme triepunkt ausgeführt werden.

Zwischen dem lokalen Oszillator L und dem Diodenmischring sind die Leiterbahnen U₃ und G₄ mit einem eine Kugel K aus YIG-Material (»Yttrium-Eisen-Granat«) enthaltenden Kristallfilter gekoppelt. Die Leiterbahnen G₃ und Ga können beispielsweise als Bandleitungen über einer geerdeten, leitenden Platte A mit einer dielektrischen Zwischenschicht D ausgeführt sein, wie im Schnitt senkrecht zu den Leitern in F i g. 3

dargestellt ist. Die Leiterbahnen Gj und G₄ sind, wie aus F i g. 3 ersichtlich, der vertikalen Symmetrieebene durch den Körper K gegenüber symmetrisch angeordnet. Die Kugel K ist durch nicht näher dargestellte Mittel in der Richtung des Pfeiles H mit einer derartigen Stärke magnetisch vorpolarisiert, daß bei einer der gewünschten Mischfrequenz (Zwischenfrequenz) entsprechenden Frequenz eine magnetische Eigenresonanz des Körpers K auftritt.

Ferner ist eine Leitbahn G-, vorgesehen, die in einer senkrecht auf den Leiterbahnen Gj und Ga stehenden Ebene eine Schleife um die Kugel K herum bildet und die somit magnetisch nicht mit diesen Leitern gekoppelt ist. Eine derartige Kopplung kann nur über die Kugel K zustande kommen.

Wie bekannt, beschreibt der magnetische Vektor in einem vorpolarisierten magnetischen Werkstoff eine Präzessionsbewegung um die Richtung der Vorpolarisation unter Einfluß eines magnetischen Wechselfeldes mit senkrecht zur Vorpolarisationsrichtung verlaufenden Komponenten, und diese Präzessionsbewegung ist am stärksten bei der sogenannten magnetischen Eigenresonanzfrequenz, die abhängig von der Stärke der Vorpolarisation ist.

Wie im vorhergehenden bemerkt, werden in den I citerbahnen Gi und G₄ gegenphasige Ströme mit der Frequenz des Oszillators L fließen.

Wie in F i g. 3 gestrichelt dargestellt, verlaufen die Kraftlinien des magnetischen Feldes, das durch diese Ströme erzeugt wird, in der Kugel K im wesentlichen parallel zur Richtung H der Vorpolarisation, während die Querkomponenten wegen der Symmetrie einander entgegenwirken, so daß im ganzen keine Präzession des magnetischen Vektors in der Kugel K auftritt und auch keine Ausgangsspannung in der der Leiterbahn G·, erzeugt wird.

Demgegenüber sind Zwischenfrequenzströme in Phase in den Leiterbahnen Gj und G₄ und erzeugen ein magnetisches Feld, dessen Kraftlinie die Leiterbahnen Gj und Ga umfassen und die in der Kugel K quer zur Richtung Hstehen, wie in Fig.4 dargestellt ist. Es wird also keine Präzession des magnetischen Vektors auftreten, wodurch Komponenten des magnetischen Feldes parallel zu den Leiterbahnen Gj und G₄ und somit senkrecht zur Schleife der Leiterbahn Gs entstehen, so daß darin eine Ausgangsspannung erzeugt wird.

F i g. 5 zeigt eine Weiterbildung der Kopplungsanordnung nach F i g. 2, und entsprechende Elemente sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Es handelt sich um eine doppelte Mischschaltung mit zwei lokalen Oszillatoren L und L\. An Stelle einer einzigen Ausgangsleiterbahn G^ sind hier zwei Leiterbahnen G? und Gg vorgesehen, die die Leiterbahnen G> und Ga beim Kristallelement K senkrecht kreuzen und die genau wie die Leiterbahnen Gi und G₄ einer Symmetrieebene ^r) durch die Kugel K hindurch gegenüber symmetrisch angeordnet sind und somit auf entsprechende Weise magnetisch mit dem Element Kgekoppelt sind.

Ein Ende der Leiteibahnen Gt und Gs ist mit einem lokalen Oszillator L\ verbunden und das andere EnHi^{1 :}st

κι mit einem zweiten Diodenmischring aus vier in Keine geschalteten Dioden /?s, Rh, Ri und R» verbunden.

Die Ausgangsklemmen U\ und Uj sind mit einer anderen Diagonale der Ringschaltung verbünden.
Die den Leiterbahnen Gi und Gg vom Generator L\

i") zugcfiihrten Ströme sind in Gegenphase und erzeugen wegen der symmetrischen Anordnung in der Kugel K keine Präzessionsbewegung des magnetischen Vektou, wie im Fall der Leiterbahnen Uj und Ga anhand der F i g. 3 erörtert wurde.

2" Die gl"'chphasigen Ströme in den Leiterbahnen G] und Gt erzeugen genau wie bei der Anordnung nach F i g. 2 eine Präzession des magnetischen Vektors in der Kup»! K entsprechend der Frequenz des gewünschten Mischprodukts in dem ersten Diodenmischring R\ — R_t.

?) Diese Präzession erzeugt ihrerseits gleichphasige S'~; me in den Leiterbahnen Gi und G%. Den Klcnmen e und g dw zweiten Diodenmischringes wird somit das Signal des lokalen Oszillators L₁ in Gegenphase und das Mischprodukt des ersten Diodenmischringes in Phase

ι» zugeführt. Hierdurch wird in dem zwrii"! Diodenmischring ein neues Mischprodukt gebildet, das an den Klemmen U\ und U₂ abgenommen werden kann.

Diese doppelte Mischschaltung ist insbesondere als Eingangsmischschaltung für einen Fernsehempfänger

r. geeignet, weil es damit möglich ist, ohne Umschaltung abgestimmter Kreise nur durch Änderung der Frequenz eines Oszillators L über alle Fernsehbänder abzustimmen. In diesem Fall ist die Signalquelle S des Eingangssignals zwischen 50MHz und 900MHz. Das

■»<> YIG-Kristallfilter hat beispielsweise eine Frequenz von 2000 MHz.

Durch Änderung der Frequenz des lokalen Oszillators L zwischen 2050MHz und 2900MHz kann das Eingangssignal somit zu einer ersten Zwischenfrequenz

-■ von 2000MHz transformiert werdea Wenn die Frequenz des lokalen Oszillators L\ eine feste Größe von 1965 MHz hat, wird das erste Zwischenfrequenzsignal von 2000 MHz in der zweiten Mischstufe zu einer zweiten Zwischenfrequenz von 35 MHz entsprechend

ϊο der normalen Zwischenfrequnez von Fernsehempfängern wieder herunter transformiert

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kopplungsanordnung für eine Mikrowellen-Mischerschaltung, bestehend aus einem Verkopplungsraum, in den in einer ersten Ebene über einen Eingangsleiter ein hochfrequentes Signal eingeführt und über einen in einer zur ersten Ebene in einem gewissen Abstand und parallel zu dieser liegenden zweiten Ebene angeordneten und senkrecht zum Eingangsleiter geführten Ausgangsleiter ausgeführt ist und zwischen dem Eingangs- und Ausgangsleiter zur Verkopplung ein aus einem gyromagnetischen Werkstoff bestehender Körper angeordnet und senkrecht zu den genannten Ebenen vormagnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der '? Eingangsleiter aus zwei symmetrisch zu einer Symmetrieebene des Körpers (K) angeordneten Leiterbahnen (Ch, C₄) besteht, die gleichzeitig mit einem Osziihtor (L) und zwei sich gegenüberliegenden Anschlüssen (b, feines Diodenmischringes (R\, Rl A3, Ra) verbunden sind, dessen andere sich gegenüberliegende Anschlüsse (a, c) mit einer Signalquelle (S) verbunden sind, der Ausgangsleiter aus einer Leiterbahn (Gs) besteht, die an der einen Seite des Verkopplungsraumes geerdet ist, und der Körper (K) derart vormagr.etisiert ist, daß eine Eigenresonanzstelle des Körpers (K) mit der Mischfrequenz zusammenfäll).

2. Kopplungsanordnung, bestehend aus einem Verkopplungsraum, in den in einer ersten Ebene über einen Emgangsleiter ein hochfrequentes Signal eingeführt und über eitxn in e.^:.ier zur ersten Ebene in einem gewissen Abstand und parallel zu dieser liegenden zweiten Ebene ange· idneten und senkrecht zum Eingangsleiter geführten Ausgangsleiter J5 ausgeführt ist und zwischen dem Eingangs- und Ausgangsleiter zur Verkopplung ein aus einem gyromagnetischen Werkstoff bestehender Körper angeordnet und senkrecht zu den genannten Ebenen vormagnetisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß ■»» der Eingangsleiter und der Ausgangsleiter aus je zwei symmetrisch zu einer Symmetrieebene des Körpers f/^J angeordneten Leiterbahnen (G₃, G* und Gi, Gs) bestehen, die Leiterbahnen (Gj, Ga) des Eingangsleiters gleichzeitig mit einem Oszillator (L) *^r> und zwei sich gegenüberliegenden Anschlüssen (b, d) eines Diodenmischringes (R\, R2, R-i, Rj) verbunden sind, dessen andere sich gegenüberliegende Anschlüsse (a, c) mit einer Signalquelle (S) verbunden sind, die Leiterbahnen (Gi, Gb) des Ausgangsleiters ^r>" gleichzeitig mit den sich gegenüberliegenden Anschlüssen /e,£>eines zweiten Diodenmischringes (R% Re, Ri, Rs) verbunden sind, dessen andere sich gegenüberliegende Anschlüsse (f, h) mit einem Ausgang verbunden sind, und der Körper (K) derart vormagnetisiert ist, daß eine Eigenresonanz des Körpers (K) m\l der Mischfrequenz zusammenfällt.