DE2356447A1 - Hohlleitermischer - Google Patents

Description

Patentanwalt

7000 Stuttgart 30 . _t
Kurze Straße 8

G-.F. Craven - E.E. Thomas - M.F. Berger 26-4-1

HTTEEHATIOIiAL STAETOABD ELECTEIC COBPOEATIOF, HEW YOEK

Hohlleitermisclier

Die Erfindung betrifft einen Hohlleitermischer.

Es ist bekannt, daß bei der Mischung zweier Frequenzen eine Anzahl neuer Frequenzen entstehen, von denen die folgenden für die Erfindung von Bedeutung sind. Wenn f die Frequenz des Eingangssignals und f die Frequenz des Oszillators ist, dann entstehen durch Mischung:

die Zwischenfrequenz f_T_, = f - f

lü s ο

die Summenfrequenz f + f
^- . s ο

die Spiegelfrequenz 2f - f = f + (f _ f ) = f + .f

u ο U (J S O^- _L_c

7-1/1-73 409820/0930

vo/poe _ 2 -

bei
Bei einem Mischer, dem zwischen Signalquelle und Mischer eine Einwegleitung, ein Zirkulator oder dgl. geschaltet ist, werden sowohl die Summenfrequenz, als auch die Spiegelfrequenz von der Einwegleitung vollständig absorbiert.

Im allgemeinen ist die Anwendung von Einwegleitungen dann wünschenswert, wenn die Eingangsanpassung unabhängig von kleineren Schwankungen der elektrischen Werte der Mischdiode vorgenommen werden muß. Wenn dieser Vorteil "bei
gleichzeitiger Verminderung der Mischverluste erhalten
"bleiben soll, die man durch reaktives Abschließen der
Spiegelfrequenz erhält, dann ist eine komplizierte Schaltung notwendig. Man benötigt zusätzlich eine Bandsperre zwischen Einwegleitung und Mischer, die auf die Spiegelfrequenz abgestimmt ist. Eine solche Mischerschaltung
mit Bandsperre ist bekannt, sie hat aber einige Nachteile. Der schwerwiegendste Nachteil ist der, daß es
zwar möglich ist, die Spiegelfrequenz allein abzuschließen. Als Folge hat aber der Hohlleiter bei der
Summenf requenz einaa anderen. Modus und im Hohlleiter existieren dann mindestens zwei oder mehr Moden nebeneinander. Damit ist ein zufriedenstellendes Abschließen der Summenfrequenz nicht möglich; in bestimmten Fällen treten dadurch zusätzliche Probleme bei der Gruppenlaufzeit des Mischers auf.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mischeranordnung anzugeben, die einen einwandfreien Abschluß bei der Summenfrequenz aufweist. Die Aufgabe wird durch die im Anspruch angegebene Schaltung gelöst.

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Der erfindungsgemäße Hohlleitermischer hat den Vorteil, daß seine elektrischen Größen innerhalb eines "breiten Scheinwiderstandsbereiches auf einfache Weise geändert werden können.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert:

lig. 1 'eine Seitenansicht der Ausführungsform eines Hohllextermxschers,

lig. 2 einen Schnitt durch den in lig. 1

gezeigten Mischer in der Ebene B-B,'

Eig. 3 einen Schnitt durch den in lig. 1

gezeigten Mischer in der Ebene A-A,

lig. 4-9 Darstellungen, die zur Erläuterung

der Wirkungsweise des Mischers dienen,

lig. 10 eine Mischkennlinie,

lig. 11 eine Anordnung zum Nachweis der Theorie des Mischers,

lig. 12 eine Kennlinie zur lig. 11,

lig. 13 das Schnitt-Diagramm des Mischers nach lig. 1 und

lig. 14 eine Hohlleiteranordnung mit Querschlitz.

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Ii. Ji'. uraveii (L-\->—ι—

Die in den Mg. 1, 2 und 3 gezeigte Mischeranordnung; ist ausgelegt für eine Signalfrequenz f_g = 7 570 GHz und eine Oszillatorfrequenz f = 7 500 GHz. Dann ist die Zwischenfrequenz ι-™ = 70 GHz, die Summenfrequenz f_g + f_Q = 15 070 GHz und die Spiegelfrequenz 2 f_Q - f_g = 7 4-30 GHz.

Der eigentliche Mischer enthält ein mit einem Plansch abgeschlossenes Hohlleiterstück 1 mit rechteckigem Querschnitt, das so ausgelegt ist, daß seine Grenzfrequenz größer als die Signalfrequenz und als die Oszillatorfrequenz ist. Der Hohlleiter ist so gezeichnet, daß seine "breiten Seiten waagrecht liegen. In den Hohlleiter ragen durch die untere Wand Kapazitätsschrauben 2. In der oberen Wand des Hohlleiters sind zwei schmale Längsschlitze 3 und 4, deren Mitten sich auf der Höhe des Mittelpunktes von jeweils einer der "beiden mittleren Kapazitätsschrauben 2 "befinden. Eine Mischdiode 5 ist unmittelbar neben der Ebene, in der der Schlitz 3 liegt, angeordnet. Über den Schlitzen 3 und 4-sind Hohlleiterstücke 6 bzw. 7? die rechteckige Querschnitte haben, angeordnet. Die Hohlleiterstücke 6 und 7 enthalten einstellbare Kapazitätsschrauben 8 und 9, und sie sind mit leitenden Platten 10 und 11 abgeschlossen. Die elektrischen Werte und die Wirkungsweise dieser beiden Arme werden weiter unten ausführlich beschrieben. Es sei hier nur festgestellt, daß der eine als Abschluß für die Spiegel- und die Summenfrequenz und der andere als Sperre für die Oszillatorfrequenz dient.

Die Signalfrequenz wird an das linke Ende und die Oszillatorfrequenz an das rechte Ende des Hohlleiterstücks 1 gelegt. Die Energieübertragung durch den Hohlleiter bei den beiden Frequenzen wird durch Einstellen der Kapazitätsschrauben 2 erreicht, so daß die Hohlleiterabschnitte auf beiden Seiten der Mischdiode 5 Grenzfrequenzhohlleiterbandpässe darstellen,

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deren Mittenfrequenzen die Signalfrequenz und die Oszillatorfrequenz sind. Die Wirkungsweise solcher Hohlleiterbandpässe ist in der DT-OS 1 541 937 ausführlich beschrieben.

Der Bandpaß auf der Signalseite hat zwei Aufgaben. Es ist zweckmäßig, zwischen dem Mischer und dem Eingangsflansch, mit dem die Verbindung zur Einwegleitung für das Signal vorgenommen wird, ein kurzes Hohlleiterstüek zu verwenden. Dieser Hohlleiterabschnitt muß auf Kesonanz abgestimmt sein, damit die Energie übertragen werden kann. Darüber hinaus erfüllt der Bandpaß eine wichtigere Aufgabe dadurch, daß er als breite Bandsperre für unerwünschte harmonische Frequenzen wirkt ( in diesem Ausführungsbeispiel Frequenzen über 10 GHz). Wenn der Bandpaß nicht so ausgebildet wäre, dann wurden sich die hohen Frequenzen mit den harmonischen der Oszillatorfrequenz mischen und man würde unerwünschte Zwischenfrequenzen erhalten. Breite Durchlaßbereiche für Signal- und Spiegelfrequenzen stellen sicher, daß, vom Mischer aus gesehen, der Scheinwiderstand der Quelle bei den Signal- und Spiegelfrequenzen im wesentlichen gleich dem der Einwegleitung ist, die mit dem Eingangsflansch verbunden ist«

Die Anpassung einer in Grenzfrequenzhohlleiterbandpässen angeordneten Mischdiode ist in der DT-OS 1 766 322 ausführlich beschriebene Ist die Mischdiode an die beiden Frequenzen angepaßt, dann kann man die Zwischenfrequenz . von der Mischdiode 5 über einen Tiefpaß 12, der sich in einem Koaxialanschlußstück 13 befindet, abnehmen =

Bevor das Abschließen der Spiegelfrequenz beschrieben wird, wird die Wirkungsweise des Mischers mit Hilfe der Fig. 4 bis 9 erläutert. In Fig. 4 sieht man, daß die Mischdiode 5 quer über dem schmalen Längsschlitz 3 in einer breiten Wand des Hohlleiters 1 angeordnet ist. Die wirkung des Schlitzes im Hohlleiter ist besser verständlich, wenn man die Grenzfrequenzresonanz von einem Standpunkt aus betrachtet, der sich von dem in der ersten oben genannten Offenlegungsschrift etwas unterscheidet.

Wenn man eine, wie in Fig. 5 gezeigte, dünne Scheibe eines Grenzfrequenzhohlleiters entlang ihrer Querachse betrachtet, dann stellt sie eins Übertragungsleitung dar, die kürzer als eine halbe Wellenlänge ist, d.h. (0 < ^) (weil die Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz liegt).

Fügt man, wie in Fig. 6 gezeigt, eine Kapazität C hinzu, dann kann dadurch die elektrische Weglänge solange vergrößert werden, bis sie eine halbe Wellenlänge beträgt, d.h. 0+0=2 ist, wobei 0 die elektrische Weglänge ist, die durch C hinzugekommen ist. Die Resonanz wird durch die Umgebung auf beiden Seiten der Scheibe etwas beeinflußt. Auf diese Weise erreicht man die Resonanzbedingung. Obwohl diese Darstellungsart vereinfacht ist, so ist sie doch ein Ausgangspunkt, der zu neuen Konfigurationen führt. Zum Beispiel kann eine Übertragungsleitung, die kurzer als eine halbe Wellenlänge ist, dadurch zum Schwingen gebracht werden, daß man, wie in Fig. 7 gezeigt, in Reihe geschaltete Induktivitäten hinzufügt", so daß 2( 2 + 0-j) = \ ist, wobei 0^ die elektrische Weglänge ist, die durch eine Induktivität hinzugekommen ist. Die für Querresonanz in einem Grenzfrequenzhohlleitez* notwendigen, in Seihe geschalteten Induktivitäten können, xfie in Fig. 8 gezeigt, durch einen Längsschlitz,, der kurzer als | ist, verwirklicht werden.

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Es Ist offensichtlich., daß der in Fig. 8 gezeigte schmale Schlitz ein idealer Ort für die Verbindung von kleinen Haitieiterelementen, wie z.B. Mischdioden, mit dem Hohlleiter darstellt. Die Diode kann, wie in Fig. 9 gezeigt, direkt am Schlitz angeordnet sein, wodurch die Leitungsinduktivität des Elementes EuIl wird. Mischer mit großer Bandbreite können auf diese ¥eise realisiert werden.

Für "bestimmte Anwendungen sind Mischer mit schmaler Bandbreite zweckmäßiger; wenn der Mischer ohne Last eine hohe Güte hat, dann kann er als Endresonator in einem Grenzfr.equenzhohlleiterbandpaß verwendet werden,, Mit Last kann die Güte durch einfaches Kurzschließen des Schlitzes erhöht werden, wodurch dann zu wenig Lastinduktivität da ist, so daß keine Querresonanz entsteht«

Damit Resonanz entsteht, muß eine Abstimmschraube hinzugefügt werden. Man kann natürlich einen großen Bereich für die Güte bei Last dadurch erreichen, daß das Verhältnis der beiden Parameter Schlitzlänge und Eindringtiefe der Abstimmschraube eingestellt x-jird. Der in der Praxis erreichbare Bereich für die Güte bei Last liegt zwischen 3 und 300, wobei die obere Grenze von der Güte des Resonators ohne Last und. von den zulässigen Verlusten abhängt. Fig. 10 zeigt die Mischkennlinie für einen Mischer mit mittlerer Bandbreite, der Schlitz und Abstimmschraube hat.

Bei dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Mischer ist der Resonator sowohl an die Signalquelle,· als auch an den Oszillator angeschlossen. Ein dritter Arm 6, der außen an der oberen Breitseite angebracht ist, ist notwendig, um Abstrahlung vom Schlitz zu vermeiden. In diesem Arm befinden sich die Spiegel- und Summenabschlußschaltungen.

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Die Theorie und die Anwendung von Abschlüssen für die Spiegelfrequenz werden u.a. "beschrieben in den Aufsätzen von M.E. Barber "Noise Figure and Conversion Loss of the Schottky Barrier Mixer Diode", Trans. M.T.T. (I.E.E.E.) Mtt-15, ITr. 11, KOv. 1967, und von K.M. Johnson "X-Band Integrated Circuit Mixer with Reactively Terminated Image", Trans. M.T.T. (I.E.E.E.) MTT-16, Nr. 7, JuIi 1968. Johnson diskutiert verschiedene Arten von Abschlüssen und zeigt, daß der Abschluß durch Kurzschließen den Vorteil hat, daß der Scheinwiderstand der Zwischenfrequenz kleiner ist.

Die Kombination Abschluß der Summenfrequenz und Abschluß der Spiegelfrequenz durch Kurzschließen ist bezüglich der Mischverluste und damit bezüglich der Rauschzahl sehr vorteilhaft.

Bei dem oben beschriebenen Mischer ist die Länge des Hohlleiterstücks 6 sogewählt, daß die Spiegelfrequenz kleiner als die Grenzfrequenz ist; das Hohlleiterstück arbeitet also bei der Spiegelfrequenz als sogenannter Grenzfrequenzhohlleiter, und das Abschließen der Spiegelfrequenz durch Kurzschließen geschieht einfach mit der Kapazitätsschraube 8. Dieser Grenzfrequenzresonator ist so abgestimmt, daß er bei der Spiegelfrequenz schwingt und damit schließt er die Mischdiode 5 kurz . Die Länge /■ zwischen der Abstimmschraube 8 und dem Schlitz 3 bestimmt die Bandbreite, innerhalb also der Kurzschluß aufrecht erhalten wird. Der Wert ist nicht kritisch, aber wenn er zu klein ist, dann stimmt die Anpassung an die Oszillatorfrequenz nicht mehr. Wenn /zu groß ist, dann ist die Bandbreite des Mischers ungünstig. Das Kurzschließen der Summenfrequenz erreicht man auf eine andere Weise. Der Querschnitt des Hohlleiterstücks 6, das zweckmäßig, aber nicht notwendig, gleich dem des Hohlleiterstücks 1 ist, ist so gewählt, daß im Gegensatz

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zur Spiegelfrequenz, die kleiner als die Grenzfrequenz ist, die Summenfrequenz größer als die Grenzfrequenz ist. Bei der Summenfrequenz arbeitet der Hohlleiter also konventionell, und das Kurzschließen in der Ebene der Mischdiode 5 erreicht man dadurch,· daß in geeignetem Abstand von der Mischdiode (elektrisch eine halbe Wellenlänge, wobei man beachten muß, daß durch die Kapazitätsschraube der physikalische Abstand anders ist) die Platte1D angeordnet wird.

In Fig. 11 ist mit 14 ein Schieber bezeichnet, der im Yersuch anstelle" der Platte 10 verwendet wurde. Fig. 12 zeigt die Abhängigkeit von der Änderung des Abstandes zwischen Schieber und Mischdiode bei einer Summenfrequenz von 15 24-3 GHz und mit 7 /ρ ='Ί»25 an. Man sieht, dnß der Abstand zwischen den Maxima ziemlich genau der Hohlleiterwellenlänge bei der Summenfrequenz entspricht. Der Versuch ist jedoch nicht genau, weil die-zweite Harmonische der Öszillatorfrequenz unmittelbar daneben liegt. Um die Theorie zu bestätigen, war es deshalb notwendig, einen Bandpaß mit kleiner Bandbreite zwischen die Mischdiode und den Kurzschlußschieber zu schalten. Messungen mit der Oszillatorfrequenz und mit der Summenfrequenz (wobei jedesmal der. Bandpaß an die Frequenz angepaßt wurde), bestätigen die Theorie.

Die Grenzfrequenz des rechteckigen Hohlleiterstücks 7 größer als die Oszillatorfrequenz, un die.zugehörige Kapazitätsschraube 9 ist so eingestellt, daß der Hohlleiter als Grenzfrequenzsperrkreis für die Oszillatorfrequenz wirkt. Dieser Sperrkreis ist nicht notwendig, er wird nur dann benötigt, wenn bei begrenzter Oszillatorenergie ein Energieverlust der Signalquelle vermieden werden soll.

In den folgenden Tabellen sind Werte angegeben, die die Verbesserung zeigen, wenn ein Mischer, wie er in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, mit der oben beschriebenen' Abschlußeinrichtung für die Spiegelfrequenz versehen wird.

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- 10 -

4	VJl	dB	3,	3	dB
7	,5	dB	6,	3	dB
7	Λ	dB	6,	1	dB

In der ersten Spalte stehen die Werte für einen Mischer ohne Spiegelfrequenzabschluß, d.h. wenn die Spiegelfrequenz von der Signalquelle absorbiert wird, und in der zweiten Spalte stehen die Werte für einen Mischer mit Kurzschluß für die Summen- und die Spiegelfrequenz.

Mischverluste
Rauschzahl (gerechnet)
Rauschzahl (gemessen)
Scheinleitwert der Zwischenfrequenz (normiert und auf
eine 50-SiLeitung bezogen> 0,12 + j,0,13 0,17 +

Diese Werte ergaben sich mit einer Schottky-Barrierdiode bei einer ZF-Eauschzahl von 2,5 dB und einem Dioden-Rauschverhältnis von 1,2.

Wie oben schon erwähnt wurde, hat das Abschließen der Spie-gelfrequenz durch einen Kurzschluß die gewünschte Wirkung, daß der ZF-Scheinwiderstand der Diode niedriger wird. In Fig. 13 ist dieser Vorteil, verglichen mit dem Abschließen der Spiegelfrequenz durch einen Widerstand, gezeigt.

Statt des oben beschriebenen Längs Schlitzes kann auch ein, in Fig. 14 gezeigter Querschlitz 15 verwendet werden. Die Wirkungsweise bei einem Querschlitz ist ähnlich der bei einem Längsschlitz, mit Ausnahme davon, daß der Querschlitz länger als £ sein muß. Das kommt daher, daß der Schlitz ein in Reihe geschalteter kapazitiver Blindwiderstand sein muß (X - 2 X_Q), um zu erreichen, daß Grenzfrequenzresonanz auftritt. Ein einfacher, unbelasteter Schlitz, wie oben be-

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schrieben, würde notwendigerweise breiter als der. Hohlleiter sein. dh. in die Seitenwände übergehen, und deshalb bevorzugt man einen hanteiförmigen Schlitz.

Obwohl der Mischer mit hanteiförmigem Schlitz sehr ähnlichdem mit geraden Schlitz ist, so ist doch die Flexibilität kleiner, weil die Güte ohne Last nicht in gleicher ¥eise wie beim Längsschlitz geändert werden kann. Mischer mit Querschlitz werden deshalb vorzugsweise dort verwendet, wo eine große Bandbreite erwünscht ist=,

Im oben beschriebenen Mischer ist es durch Verwendung von Frequenzen, die sowohl kleiner als auch größer als die Grenzfrequenz des Hohlleiters sind, möglich, das Absehließen der Summen- und der Spiegelfrequenz unabhängig voneinander vorzunehmen. Es können dabei, wie oben beschrieben, Frequenzen abgeschlossen werden, die ungefähr eine Oktave voneinander entfernt sind. Wenn der Hohlleiter dagegen nur konventionell arbeitet, dann tritt die Summenfrequenz in zwei Moden auf, und dies ist nicht beherrschbar.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   Hohlleitermischer, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischdiode (5) ₅ an der die Zwischenfrequenz (fjj<) abnehmbar ist, unmittelbar neben, einem Resonanzschlitz (3) angeordnet ist, der sich in einer Wand eines Grenzfrequenzhohlleiterstücks (1) befindet, daß der vor der Mischdiode liegende, zur Zuführung der Signalfrequenz (f ) dienende Grenzfrequenzhohl-

   leiterabschnitt und der hinter der Mischdiode liegende, zur Zuführung der Oszillatorfrequenz (f ) dienende Grenzfrequenzhohlleiterabschnitt auf die geweiligen Frequenzen abgestimmt sind, daß zum reaktiven Abschließen der Spiegelfrequenz (f_Q+fj-p) und der Summenfrequenz (f +f ) auf dem Resonanzschlitz ein Hohlleiterstück (6) sitzt, dessen Querschnitt so gewählt ist, daß seine Grenzfrequenz größer als die Spiegelfrequenz und kleiner als die Summenfrequenz ist, daß in dem Hohlleiterstück eine kapazitive Schraube (8) angeordnet ist, derart, daß es als auf die Spiegelfrequenz abgestimmter Grenzfrequenzresonator arbeitet, und daß in dem Hohlleiterstück oberhalb der kapazititven Schraube eine leitende Platte (10) angeordnet ist, derart, daß es bei der Summenfrequenz konventionell arbeitet.
2. 2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand des Grenzfrequenzhohlleiters ein zweiter Resonanzschlitz (4) vorgesehen ist, daß auf dem Schlitz ein zweites Hohlleiterstück (7) sitzt, dessen Querschnitt so gewählt ist, daß seine Grenzfrequenz größer als die

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   Oszillatorfrequenz ist, und daß in dem. Hohlleiterstück eine kapazitive Schraube (9) angeordnet ist, derart, daß es als Grenzfrequenzsperrkreis für die Oszillato^rfrequenz wirkt..
3. 3. Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , ■ daß der Schlitz oder beide Schlitze ein schmaler unbelasteter Längsschlitz oder schmale unbelastete längsschlitze sind.
4. 4. Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz oder beide Schlitze ein hanteiförmiger Querschlitz oder hanteiförmige Querschlitze sind.

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