DE2235906C3 - Gegentaktmischstufe - Google Patents

Description

Aus der US-PS 29 43 192 ist eine in Hohlleitertechnik ausgeführte Gegentaktmischstufe bekannt, mit einem Richtkoppler, dessen Eingängen die zu überlagernden Eingangssignale zugeführt werden, und mit zwei Mischdioden, die mit entgegengesetzter Polung an je einen Ausgang des Richtkopplers angeschlossen sind und deren andere Enden an eine Ausgangsleitung für das Überlagerungssignal angekoppelt sind. Ferner ist aus der US-PS 35 34 267 eine in »strip line«-Technik ausgebildete Gegentaktmischschaltung für Mikrowellen bekannt, deren Elemente in einem Halbleitersubstrat aus Galliumarsenid ausgebildet sind. Schließlich ist aus der US-PS 34 37 935 eine ebenfalls in »strip Hne«-Technik ausgeführte Mikrowellenmischschaltung mit Varaktordioden bekannt, die jedoch nach einem anderen Prinzip arbeitet.

Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit in Koplanartechnik aufgebauten Schaltungen, bei denen andere Probleme auftreten, wie aus den folgenden vergleichenden Ausführungen hervorgeht.

Die Theorie für die Konstruktion im Gegentakt arbeitender Zwischenfrequenz-Mischstufen ist in dem Buch »Microwave Mixers« von R. V. Pound und in zahlreichen technischen Aufsätzen beschrieben. Im Zusammenhang mit solchen Gegentaktmischstufen oder »Brückenmischern«, bei denen geringe Abmessungen und die Ausführung in integrierter Mikrowellenschaltungstechnik wünschenswert sind, wurde bereits die Technologie der Mikrostrip-Wellenleiter angewendet. ZF-Gegentaktmischstufen in Mikrostrip-Ausführung enthalten einen Masseleiter auf einer Seite eines dielektrischen Substrats und eine komplexe Schaltung aus streifenförmigen Leitern auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Dielektrikums. Gewöhnlich besceht die Leiterschaltung aus einem 3-db-Richtkoppler mit zwei Eingangs- und zwei Ausgangsöffnungen. Ein Signal der Frequenz Z₁ wird auf den ersten Eingang und ein Signal der Frequenz /_a auf den zweiten Eingang gekoppelt. An jedem der beiden Aasgangsarme des Richtkopplers ist eine Mikrowellendiode mit nichtlinearer Kennlinie mit dem Miasseleiter gekoppelt, auf die beide zugeführten Signale gegeben werden. Dabei entsteht unter anderem ein Signal mit der Differenzfrequenz /„ der beiden Frequenzen /₂ und /,, das durch ein Tiefpaßfilter entnommen wird, welches die Frequenzen /, und /₂ nicht durchläßt. Ein bei Mischstufen in Mikrostrip-Ausführung auftretendes physikalisches Problem liegt im Anschluß der in Querzweigen liegenden Dioden an den Masseleiter, der ja auf der anderen Seite des Dielektrikums liegt. Bei Koplanarwellenleitern und Schlitzwellenleitern befindet sich hingegen der Masseleiter auf derselben Oberfläche wie die Leiterschaltung, so daß hier der Anschluß der Dioden an Masse einfacher ist.

Ein weiteres Problem ist der physikalische Aufbau enes wirksamen Mikrostrip-Tiefpaßfilters, welches aus einer Reihenschaltung einer Mikrostrip-Leitung niedrigen Wellenwiderstandes mit einer Mikrostrip-Leitung hohen Wellenwiderstandes besteht. Die Größe des Wellenwiderstandes einer Mikrostrip-Leitung hängt von der Breite des streifenförmigen Leiters ab. Wenn die Breite des Streifenleiters wächst und alle anderen Größen konstant bleiben, dann nimmt der Wellenwiderstand dieser Leitung ab. Bei

höheren Mikiowellenfrequenzen erreicht die Breite 14 jeweils beide Signale vorhanden. Zwischen den

der Leitung niedrigen Wellenwiderstaades jedoch Ausgängen 13 und 14 und dem Ausgangsnetzwerk

eine unerwünschte Resonanzbedingnng. Die Art der 15 liegt jeweils eine widerstandsbehaftete Mikro-

Mikrowellenausbreitung bei Koplanar- und Schlitz- wellendiode D₁ bzw. D, in Reihe. Infolge ihrer nicht-

wellenleitern bietet hier eine Lösung dieser Probleme 5 linearen Kennlinie mischt jede Diode die LO- und

an. Ein Koplanarwellenleiter ist in der US-PS RF-Signale miteinander und erzevgt ein ZF-Signal

35 60 893 beschrieben. Eine Beschreibung eines der Frequenz/₃. Der Phasenunterschied zwischen den

Schlitzwelle.ileiters befindet sich in einem Aufsatz beiden ZF-Signalen beträgt 180°. Daher besteht ein

von Elio A. Mariani u. a. mit dem Titel »Slot Line Verfahren zur Kombination der von den beiden Di-

Characteristics«, der in der 1969er Ausgabe von io öden D₁ und D₂ erzeugten ZF-Signale darin, zwi-

IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech- sehen dem Richtkoppler 12 und dem Ausgangsnetz-

niques, S. 1091, veröffentlicht ist. werk die eine Diode entgegengesetzt der anderen

Aufcab Diode zu polen. Das Ausgangsnetzwerk ist eine Filter-

* schaltung, die nur die gewünschte ZF-Frequenz ;₃

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt 15 durchläßt.

die Aufgabe zugrunde, praktikable Maßnahmen an- Fig. 2 zeigt eine Gegentaktmischstufe, bei welcher

zugeben, mit Hilfe deren sich eine Gegentaktmisch- alle Bauelemente auf einer Oberfläche eines dielek-

stufe in fertigungstechnisch einfacher Weise in Ko- trischen Substrats 31 angeordnet sind. Die passiven

planartechnik, bei der sämtliche leitenden Flächen Elemente der Gegentaktmischstufe werden durch

auf ein und derselben Seite eines dielektrischen Sub- *° dünne streifenförmige Leiter gebildet, welche die

strates liegen, aufbauen läßt. Mikrowellenenergie längs vorbestimmter Wege füh-

_v .. ren. Einige der streifenförmigen Leiter sind Masse-

^le leiter 32, während andere einen Nebenleitungsricht-

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen er- koppler (branch line coupler) 20 und eine Tiefpaßgibt sich ein sehr einfacher Aufbau der Gegentakt- 25 filterschaltung 23 bilden. Die physikalischen Größen mischschaltung, der sich mit niedrigen Fertigungs- des Nebenleitungsrichtkopplers 20 werden durch die kosten auch in großen Stückzahlen realisieren läßt, Koplanar-Wellenleitertechnik bestimmt. Zur Realiwie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Aus- sierung der physikalischen Eigenschaften der Tiefführungsbeispiels ohne weiteres ersichtlich ist. Weiter- paßfilterschaltung 23 wird die Technik der Schlitzbildungen der Erfindung, deren Vorteile ebenfalls aus 30 Wellenleiter herangezogen. Die Tiefpaßfilterschaltung der nachfolgenden Beschreibung hervorgehen, sind in 23 stellt einen effektiven Kurzschluß für Mikrowelden Unteransprüchen beschrieben. lenfrequenzen und eine gute Übertragungsleitung für _ „ jT-cj ZF-Frequenzen /, dar. Zur Technik der Koplanar-Darstellung der Erfindung Wellenleiter und der Schlitz-Wellenleiter sei auf die

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun an 35 weiter oben angeführte Literatur hingewiesen.

Hand der F i g. 1 und 2 erläutert. Es zeigt Ein Koplanar-Wellenleiter ist eine Einrichtung zur

F i g. 1 das prinzipielle Schaltbild einer Gegentakt- Fortleitung von Mikrowellenenergie in quasi-trans-

mischstufe, versal-elektromagnetischem Ausbreitungsmodus. Ein

F i g. 2 eine Draufsicht auf ein dielektrisches Sub- Koplanar-Wellenleiter besteht aus einem schmalen strat, auf welchem eine Gegentaktmischstufe durch 40 stufenförmigen Mittelleiter, der zwischen zwei breieine Kombination von Kopianar- und Schlitzwellen- ten streifenförmigen Masseleitern auf einer Oberleitern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung fläche eines dielektrischen Substrats aufgebracht ist. gebildet ist. Alle Leiter sind koplanar und zueinander parallel.'

Der Mikrowellenmischer ist eine Einrichtung, bei Wenn ein Potentialunterschied zwischen dem Mittelweicher ein nichtlineares Bauelement dazu verwendet 45 leiter und den Masseleitern besteht, wird Mikrowelwird, um ein Mikrowellensignal (HF-Signal) einer lenenergie längs des Schlitzes übertragen, der den Frequenz /, in ein Signal einer anderen Frequenz f, Mittelleiter von den Masseleitern trennt. Das elekumzusetzen. Ein Bauelement, welches die geforderte trische Feld einer Mikrowelle verläuft zwischen dem nichtlineare Strom/Spannungskennlinie aufweist, ist schmalen mittleren leitenden Streifen und den Massez. B. eine widerstandsbehaftete Mikrowellendiode. 50 leitern. Das elektrische Feld erzeugt eine Unstetig-Die Diode erzeugt ein viele Frequenzen enthaltendes keit in der Verschiebungsstromdichte der leitenden Signal, wenn ihr ein Signal der Frequenz /₂ aus einem Streifen, und bei relativ hohen Frequenzen werden lokalen Oszillator (LO-Signal) und ein Mikrowellen- dadurch Mikrowellen-Magnetfelder in derselben signal der Frequenz /, (HF-Signal) zugeführt wird. Ebene und derselben dielektrischen Oberfläche her-Eine Zwischenfrequenz-Mischstufe (ZF-Mischstufe) 55 vorgerufen, die die leitenden Streifen trägt. Ein relaist ein Mischer dieses Typs. Bei der ZF-Mischstufe tiv breiter Masseleiter, der durch einen schmalen kann die Frequenz /., des Ausgangssignals die Diffe- Spalt von einem einzigen relativ schmalen streifenförrenz zwischen der Mikrowellenfrequenz (HF) und migen Leiter getrennt ist, kann als modifizierter der Oszillatorfrequenz (LO) sein. Koplanur-Wellenleiter gelten. Der Wellenwiderstand

F i g. 1 zeigt das Schema einer ZF-Gegentaktmisch- 60 eines Koplanar-Wellenleiters hängt hauptsächlich von

stufe. Die Mikrowellenenergie eines einem der ge- der Größe der Dielektrizitätskonstante, der Breite

trennten Eingänge 10 oder 11 des 3-db-Richtkopp- des Mittelstreifens und dem Abstand zwischen den

lers 12 zugeführten Signals wird mit gleichem Lei- Masseleitern und dem Mittelstreifen ab.

stungspegel auf die Ausgänge 13 und 14 des Rieht- Ein Schlitz-Wellenleiter besteht aus einem schma-

kopplers 12 übertragen. Wenn also ein LO-Signal der 65 len Schlitz oder Spalt zwischen zwei relativ breiten

Frequenz Z₂ auf einen Eingang 10 und ein HF-Signal streifenförmigen Leitern auf einer Oberfläche einer

der Frequenz /, auf einen zweiten Eingang 11 ge- dielektrischen Platte. Wenn ein Potentialunterschied

wird, dann sind an beiden Ausgängen 13 -jnd zwischen den beiden streifenförmigen Leitern be-

5 6

steht, wird Mikrowellenenergie längs des Schlitzes stand von A/4 vom abgeschlossenen Ende ein effek-

zwischen den beiden streifenförmigen Leitern fort- tiver Mikrowellenkurzschluß entsteht. Daher stellt

geleitet. Das elektrische Feld einer Mikrowelle ver- das Tiefpaßfilter 23 einen effektiven Mikrowellen-

läuft quer zum Schlitz, während bei relativ hohen kurzschluß für HF-Frequenzen /, dar und ist mit

Mikrowellenfrequenzen das magnetische Feld in 5 seinem Leiter 28 gleichzeitig der Masseleiter für den

einer Ebene senkrecht zum Schlitz verläuft. Der zweiten Koplanar-Nebenleitungsarm 27 des Richt-

Wellenwiderstand eines Schlitz-Wellenleiters hängt kopplers 20. Der Spalt zwischen dem zweiten Ne-

hauptsächlich von der Größe der Dielektrizitätskon- benleitungsarm 27 und dem Leiter 28 ist ausschlag-

stante, der Dicke des dielektrischen Substrats, der gebend für den Wellenwiderstand des Nebenleitungs-

Breite des schmalen Schlitzes und der Betriebsfre- io arms.

quenz ab. Sowohl Schlitz-Wellenleiter als auch Die Breite des Leiters 28 des Tiefpaßfilters ist Koplanar-Wellenleiter führen Mikrowellenenergie größer als die Breite der leitenden Elemente des längs eines Schlitzes, der zwei streifenförmige Leiter Richtkopplers. Die Folge ist, daß die Grenzbedinauf der Oberfläche eines dielektrischen Substrats von- gungen für den Koplanar-Wellenleiter nicht mehl einander trennt. Bei beiden Wellenleitertypen hat der 15 vorhanden sind. Daher sind für die Berechnung des Masseleiter eine relativ große Breite. Die elektrischen Wellenwiderstands des Leiters 28 die für Schlitz-Eigenschaften eines Koplanar-Wellenleiters ändern Wellenleiter vorgesehenen Methoden heranzuziehen, sich, wenn die Breite des Nicht-Masseleiters ausrei- Der Wellenwiderstand des Leiters 28 ergibt sich aus chend groß wird, um die Fortleitung einer Mikro- der Parallelschaltung der Schlitz-Wellenleiter, die von welle nach dem Schlitzleitungsmodus zu erlauben. ao den schmalen Schlitzen 29 und 30 zu beiden Seiten Der Wellenwiderstand des Koplanar-Wellenleiters, des Leiters 28 und den Masseleitern 32 gebildet sind, der die Eingänge 21, 22 und die Hauptleitungsarme Der Wellenwiderstand dieser Parallelschaltung ist 24, 25 des Richtkopplers 20 bildet, beträgt 50 Ohm. relativ niedrig ausgelegt. Die Reihenschaltung eines Der Wellenwiderstand des Koplanar-Wellenleiters, Wellenleiters niedrigen Wellenwiderstands mit einem der die Nebenleitungsarme 26, 27 des Richtkopplers 25 Wellenleiter relativ hohen Wellenwiderstands stellt bildet, beträgt 35 Ohm. Die elektrische Länge aller ein Tiefpaßfilter dar, welches nur ein begrenztes Band Arme des Richtkopplers 20 ist im wesentlichen A/4, von Mikrowellenfrequenzen passieren läßt. Daher wobei A die Wellenlänge in dem Koplanar-Wellen- wird das zweite Tiefpaßfilterelement 39 in Reihe leiter bei der HF-Betriebsfrequenz darstellt. Der WeI- zum eisten Tiefpaßfilterelement, nämlich dem Leiter lenwiderstand des Koplanar-Wellenleiters läßt sich 3° 28, geschaltet. Das zweite ausgangsseitige Element 39 aus Kurven ermitteln, die sich in einem Aufsatz mit des Tiefpaßfilters 23 ist ein Koplanar-Wellenleiter dem Titel »Coplanar Waceguide: A Surface Strip mit hohem Wellenwiderstand.

Transmission Line Suitable for Nonreciprocal Gyro- Das von den Mischdioden D₁ und D₂ erzeugte magnetic Device Applications« von CP. Wen be- Signal hat eine Gleichstromkomponente. Eine Mefinden. Dieser Aufsatz wurde veröffentlicht in »IEEE 35 thode zur notwendigen Ableitung der Gleichstrom-Transactions On Microwave Theory an Techniques«, komponente nach Masse besteht darin, das LO-Signal Bd. MTT — 17, Nr. 12, Dezember 1969, S. 1087. der Mischstufe über ein gleichstromdurchlässiges ko-Zwei Mikrowellendioden D₁ und D₂ mit nicht- axiales Bauelement 31 zuzuführen, welches ein Milinearen Kennlinien sind zwischen einen Nebenlei- krowellensignal von einem Eingang 40 zu einem tungsann 27 des Kopplers 20 und das Tiefpaßfilter 4° Ausgang 33 längs des Mittelleiters 34 einer Koaxial-23 geschaltet. Eine Klemme jeder Diode D₁ und D₂ leitung überträgt. Es besitzt ferner eine Leitung 35 liegt am Schnittpunkt des Nebenleitungsarms 27 mit hoher Induktivität, die vom Mittelleiter 34 zu einem einem Hauptleitungsarm 24 bzw. 25. Diese Dioden- dritten Anschluß 36 führt. Die relativ hohe Impeklemmen sind somit voneinander durch eine elek- danz der Leitung 35 gegenüber Mikrowellen verhintrische Länge von im wesentlichen A/4 getrennt. 45 dert, daß Mikrowellenenergie zum Anschluß 36 über-A ist die Koplanar-Wellenlänge bei der HF-Eingangs- tragen wird. Wenn jedoch der dritte Anschluß 36 frequenz. Die zweite Klemme jeder Diode liegt am durch einen Kurzschluß 37 abgeschlossen ist, bildet ersten Element 28 des Tiefpaßfilters 23. Die Dioden der Gleichstromabzweiger einen Weg zur Ableitung sind gegensinnig gepolt, damit die von ihnen erzeugte der Gleichstromkomponente der von den Dioden D₁ ZF-Frequenz phasengleich zusammengefaßt werden 50 und D₂ erzeugten Signale nach Masse,
kann. Das erste Element des Tiefpaßfilters 23 ist ein In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform Leiter 28, der mit den Masseleiteni 32 je einen enthält die Gegentaktmischstufe einen 3-db-Neben-Schlitz-Wellenleiter niedrigen Wellenwiderstandes leitungsrichtkoppler und einen außerhalb der Mischbildet Der Leiter 28 hat eine elektrische Länge L stufe liegenden Rückschluß für Signale der Zwischenvon A/4, (A = die Wellenlänge der HF-Eingangsfre- 55 frequenz /₃. Es sei jedoch hervorgehoben, daß die quenz im Schlitz-Wellenleiter). Die Länge L des Lei- Erfindung ebenso auch andere 3-db-Richtkopplerunc ters 28 wird gemessen vom Anschlußort der Dioden andere Methoden zur Herstellung eines ZF-Rück-D₁ und D₂ bis zum Ende 38, wo sich der Wellen- Schlusses umfaßt. Vorstehend ist im .einzelnen niehl widerstand relativ stark erhöht. Die relativ hohe auf die Verbindungen zum Anlegen des HF-Signals Mikrowellenimpedanz wird durch den verhältnis- 60 an den Eingang 22 und zur Entnahme des Ausmäßig breiten Spalt zwischen dem Ende des ersten gangssignals am Filter 23 eingegangen worden, denn Leiters 28 und dem Masseleiter 32 gebildet Eine solche Verbindungen können entsprechend den jerelativ hohe Impedanz als Abschluß am Ende einer weiligen Umständen durch bekannte koaxiale odei Mikrowellenleitung hat zur Folge, daß in einem Ab- andere Einrichtungen hergestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Gegentaktmischstufe mit einem Richtkoppler, dessen Eingängen die zu überlagernden Eingangssignale zugeführt werden, und mit zwei Mischdioden, die mit entgegengesetzter Polung an je einen Ausgang des Richtkopplers angeschlossen sind und deren andere Enden an eine Ausgangsleitung für das Überlagerungssignal angekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei der in Koplanartechnik auf nur einer Seite eines dielektrischen Trägers (31) ausgebildeten Schaltung der Richtkoppler (26) mit zwei schmalen, im Abstand zu breiteren Massestreifen (32) verlaufenden Signalleiterstreifen (24, 25) ausgebildet ist, deren einen Enden die Eingangssignaie zugeführt werden und deren andere Enden über je eine der Mischdioden (D₁, D_a) an ein Ende eines kreiteren Leiters (28) angeschlossen sind, dessen a° •nderes Ende mit der Ausgangsleitung verbunden ist und dessen beide Seitenflächen ebenfalls im Abstand zu den Masseleiterstreifen (32) verlaufen und mit diesen einen für das Überlagerungssignal durchlässigen Tiefpaß (23) in Schlitzwellenleiter- as technik (Schlitze 29, 30) bilden.

2. Gegentaktmischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei schmalen Signalleiterstreifen (24, 25) am Eingang und am Ausgang des Richtkopplers (20) im Abstand einer viertel Wellenlänge der Eingangssignalfrequenz durch zwei schmale, ebensolange Querleiterstreifen (26, 27) miteinander verbunden sind, deren eingangsseitiger (26) mit einem im Abstand von ihm angeordneten Masseleiter (32) und deren ausgangsseitiger (27) mit dem einen Ende des breiten Leiters (28) des Tiefpasses (23) jeweils einen koplanaren Wellenleiter bilden.

3. Gegentaktmischstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangssignale dem Richtkoppler (20) über Eingangsleitungen zugeführt werden, die durch je einen, im Abstand zu je einem der Masseleiter (32) verlaufenden schmalen Leiterstreifen (21 bzw. 22) gebildet werden.

4. Gegentaktmischstufe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die schmalen Signalleiterstreifen (21, 22, 24, 25) aufweisenden Wellenleiter einen Wellenwiderstand von 50 Ohm haben und daß die die Querstreifen (26, 27) aufweisenden Wellenleiter einen Wellenwiderstand von 35 Ohm haben.

5. Gegentaktmischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß (23) durch die Reihenschaltung eines λ/4-Wellenleiters (28, 32) niedrigen Wellenwiderstandes mit einem Wellenleiter (39, 32) hohen Wellenwiderstandes gebildet wird.

6. Gegentaktmischstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter hohen Wellenwiderstandes durch einen schmalen Leiterstreifen (39), der an die Mitte des ausgangsseitigen Endes des breiten Leiters (28) des Tiefpasses (23) angeschlossen ist und in dem an dieses Ende angrenzenden Bereich einen größeren Abstand von den Masseleitern (32) hat, gebildet wird.

Stand der Technik