DE2539611A1

DE2539611A1 - Mischstufe

Info

Publication number: DE2539611A1
Application number: DE19752539611
Authority: DE
Inventors: Yoichi Kaneko; Katsuhiro Kimura; Keiro Shinkawa; Chiuichi Sodeyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-09-06
Filing date: 1975-09-05
Publication date: 1976-04-01
Also published as: JPS5129809A; US4031472A; JPS5336284B2; DE2539611B2

Description

Mischstufe

Die Erfindung betrifft eine Mischstufe für Punkeinrichtungen, insbesondere eine Mischstufe mit einem aus Mikrostrip-Leitungen gebildeten Differentialringübertrager ("rat-race").

Häufig wird ein j5-dB-Leistungsverteiler in einer Mischstufe zur Frequenzwandlung oder -umsetzung eines Signals mit sehr hoher Frequenz verwendet. Vorteilhaft dient ein Differentialringübertrager als ein solcher 3-dB-Leistungsverteiler, da der Differentialringübertrager im Vergleich mit herkömmlichen Zweigleitungs-Kupplern in einem breiten Frequenzbereich stabil betreibbar ist. Der Differentialringü^l^tr-^ger hat beispielsweise einen Aufbau gemäß in W.H. Leighton, jr., et al, "Junetion Reactance and Dimensional Tolerance Effects on X-Band 3-dB Directional Couplers", IEEE TRANSACTION ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, Band MTT-19, Nr. 10, Oktober 1971, S. 818 - 824.

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Der dort beschriebene Differentialringübertrager besteht aus einer durch eine Mikrostrip-Streifen-Leitung gebildeten geschlossenen Schleife, deren Länge das Dreifache der halben Wellenlänge eines zu verarbeitenden Hochfrequenzsignals ist, und aus vier Mikrostrip-Leitungen, deren Impedanz das l/V^-fache der Impedanz der die geschlossene (Ring-)Schleife bildenden Mikrostrip-Leitung ist und die an der geschlossenen Schleife, kurz Ringschleife, in Abständen einer Viertel-Wellenlänge angeschlossen sind, beginnend von einer beliebigen Sollstelle an der Ringschleife. Bei diesem Differentialringübertrager wird bei Anlegen eines Signals an die erste dieser vier Leitungen jeweils die Hälfte der zugeführten Leistung in die zweiten und in die vierte Leitung übertragen, während in die dritte Leitung kein Signal übertragen wird.

In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung sind die Hauptteile einer Mischstufe mit einem solchen DifferentiaIring-Übertrager dargestellt. In der in Fig. 1 dargestellten Mischstufe bilden Mikrostrip-Leitungen 1, 2, 3, 4, 5 den Differentialringübertrager. Bei der in Flg. 1 dargestellten Bauart sind die Leitungen 3 und 5 gleichlang und sind einerseits mit der Leitung 1 und andererseits mit einem Anschluß von Dioden β bzw. 7 verbunden. Tiefpaßfilter 8 und 9 sind mit den anderen Anschlüssen der Dioden β bzw. ¹J verbunden, um Zwischenfrequenzsignale von den Dioden 6 und 7 zu erhalten. Die Dioden 6 und 7. sind gegeneinander geschaltet, so daß Zwischenfrequenzsignale der gleichen Phase durch Phasendrehung eines Hochfrequenz-Eingangssignals durch den DifferentiaIringübertrager erreichbar sind. Damit

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die Zwischenfrequenzsignale von den Tiefpaßfiltern 8 und 9 erhalten werden können, muß die Impedanz des Differentialringübertragers, von den Dioden 6 bzw. ¹J aus gesehen, gegenüber der Frequenz des Zwischenfrequenzsignals kurzgeschlossen sein. Wenn die Leitungen 4 und 2 als Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung bzw. als Überlagerungs(schwingungs)signal-Eingangsleitung gewählt sind, muß deshalb die Leitung 2 mit einem Abstimmfilter 10 verbunden sein, das einen offenen Stromkreis gegenüber der Überlagerungsschwingungsfrequenz und einen kurzgeschlossenen Stromkreis gegenüber der Zwischenfrequenz bildet. Bei der Mischstufe mit dem Aufbau gemäß Pig. I muß jedoch nachteilig ein (nicht dargestellter) Signalkombinierer, der die Zwischenfrequenz-Ausgangssignale der Tiefpaßfilter 8 und 9 miteinander kombiniert, entweder so angeordnet werden, daß er sich über die Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung 4 in den Raum über der Ebene der Mischstufe erstreckt, oder so ausgebildet werden, daß ein Zuleitungsdraht in den Bereich außerhalb der Mischstufe ragt.

Bei der Mischstufe gemäß Pig. 2 bilden Mikrostrip-Leitungen 1, 2, 3, 4 und 5 in ähnlicher Weise den Differentialringübertrager und sind Dioden 6 und 7 in ähnlicher Weise einerseits mit einem Ende der Leitungen 3 bzw. 5 verbunden. Bei der in Fig. 2 dargestellten Bauart sind die Dioden 6 und 7 mit dem anderen Anschluß an Erde bzw. Masse gelegt oder kurzgeschlossen und ist ein Tiefpaßfilter 13 mit der Überlagerungsschwingungssignal-Eingangsleitung 2 verbunden, um einen unerwünschten Leistungsverlust des durch die Leitung 4 zugeführten Hochfrequenz-Eingangs Signa Is zu vermeiden. Damit ein Zwischenfrequenz-Ausgangssignal an dem Ausgangsfilter I3 erhalten werden

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kann, müssen die übrigen Schaltungsteile außer dem Filter Ij5 offene Stromkreise gegenüber der Zwischenfrequenz sein, wenn sie von den Dioden 6 und 7 ^aus betrachtet werden. Deshalb sind kapazitive Glieder 11 und 12, die gegenüber Hochfrequenzen kurzgeschlossen sind und gegenüber Niederfrequenzen offene Stromkreise bilden, in Reihe mit den Eingangsleitungen 2 bzw. 4 geschaltet. Solche kapazitive Glieder 11 und 12 werden durch Abschneiden eines Teils geeigneter Länge von den jeweiligen Leitungen 2 und 4 gebildet. Bei der Mischstufe mit dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau werden die Zwischenfrequenzsignale, die von den Dioden 6 und 7 kommen, durch das Ausgangsfilter l~5 in einem Zustand kombiniert, in dem eine Phasendifferenz zwischen ihnen besteht, wobei eine unerwünschte Leistungsverringerung des Ausgangssignals entsteht, da sich die Abstände zwischen der Diode 6 und dem Ausgangsfilter Ij5 und zwischen der Diode 7 und dem Ausgangsfilter 1]5 unterscheiden. Diese nachteilige Wirkung wird mit zunehmender Frequenz des Zwischenfrequenzsignals ausgeprägter. Weiter müssen, da das Ausgangsfilter 13 mit der Leitung 2 verbunden ist, an dem das Übertragungsschwingungs-Eingangssignal hoher Leistung anliegt, mehrere Filter vorgesehen werden, um das Auftreten der Überlagerungsschwingungsfrequenz an den Ausgangsanschlüssen durch Streuung oder Verlust zu vermeiden.

Mischstufen mit einem Differentialringübertrager haben den Vorteil, daß das Übertragungsschwingüngssignal hoher Leistung, das durch die Dioden reflektiert werden kann, nicht in der Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung erscheint, zusätzlich zum grundsätzlichen Vorteil, daß der Differentialringübertrager über einen breiten Frequenzbereich stabil

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arbeitet. Bei einer derart aufgebauten Mischstufe ist jedoch nachteilig, daß die Zwischenfrequena-Ausgangssignaleinrichtungen nicht in der gleichen Ebene wie der Differentialringübertrager angeordnet werden können, und daß zusätzlich externe Schaltungen vorgesehen sein müssen, oder daß die Ausgangssignal-Leitungsverluste mit zunehmender Frequenz des Zwischenfrequenzsignals zunehmen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine alle Vorteile des Differentialringübertragers ausnutzende Mischstufe anzugeben, die einfach aufgebaut ist, deren Ausgangsschaltung in der Ebene der den Differentialringübertrager bildenden z. B. Mikrostrip-Leitungen angeordnet ist und bei der besondere Leitungen, die sich in den Raum oberhalb des Differentialringübertragers erstrecken, vermieden werden, wobei das gewünschte Ausgangssignal hohen Wirkungsgrad besitzt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Mischstufe mit einem durch eine Mikrostrip-Leitung gebildeten Differentialringübertrager gelöst, der eine geschlossene (Ring-)Schleife bildet und vier mit der Ringschleife verbundene Mikrostrip-Leitungen aufweist, wobei zwei Dioden jeweils mit einem Anschluß an der jeweiligen vorbestimmten Mikrostrip-Leitungen angeschlossen und mit dem anderen Anschluß geerdet sind, wobei eine Zwischenfrequenzsignal-Ausgangsleitung mit einer geeigneten Stelle der geschlossenen Schleife des Differentialringübertragers verbunden ist und wobei eine der mit einer Diode verbundenen vorbestimmten Mikrostrip-Leitungen um eine halbe Wellenlänge des Hochfrequenz-Eingangssignals langer ist als die andere mit der

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anderen Diode verbundene vorbestimmte Mikrostrip-Leitung.

Die Erfindung gibt also eine Mischstufe an, bei der ein Hochfrequenzsignal und ein Überlagerungsschwingungssignal jeweils an eine Anschluß- oder Torschaltung dines Differentialringübertragers mit vier Torschaltungen angeschlossen ist, wobei die anderen beiden Torschaltungen an einem Ende mit jeweils geerdeten Dioden verbunden sind. Ein Zwischenfrequenzsignal wird von einem mit einer Ringschleife des Differentialringübertragers verbundenen Filter erhalten. Der Abstand der beiden gekrümmten Übertragungswege zwischen der Anschlußstelle des Filters und den Dioden ist so gewählt, daß beide gleich sind, und die beiden gekrümmten Übertragungswege zwischen den Anschlußstellen des Filters und der Hochfrequenzsigna1-Eingangstorsschaltung haben eine Wegdifferenz einer halben Wellenlänge des Hochfrequenzsignals.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisch Schaltungsanordnungen herkömmlicher Mischstufen mit einem Differentialringübertrager;

Fig. 3 bis 5 schematisch Schaltungsanordnungen erfindungsgemäßer Mischstufen.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellten herkömmlichen Mischstufen mit einem Differentialringübertrager wurden bereits weiter oben erläutert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Fig. 3 bis 5 erläutert.

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Die Fig. 3 zeigt die Hauptbauteile oder -elemente eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mischstufe, wobei für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet sind.

Der Aufbau gemäß Fig. 3 zeichnet sich dadurch aus, daß die Leitung 5 die halbe Wellenlänge des Hochfrequenz-Eingangssignals länger ist als die der Leitung 3, wobei die Leitungen 3 und 5 am Außenende mit je einem Anschluß der Dioden 6 bzw. 7 verbunden sind, deren anderer Anschluß geerdet ist und die gegeneinander geschaltet sind.

Die Erfindung zeichnet sich weiter dadurch aus,daß ein Tiefpaßfilter 14 zum Erhalten des Zwischenfrequenzsignals an der geschlossenen oder Ringschleife 1 des Differentialringübertragers an einer Stelle angeschlossen ist, die zur Leitung 3 zentralsymmetrisch gegenüber der Mitte der Ringschleife 1 ist.

Gemäß Fig. 3 werden das Hochfrequenzsignal und das Ausgangssignal des (nicht dargestellten) Übertragungsoszillators an die Leitungen 4 bzw. 2 gelegt. Das Tiefpaßfilter 14 ist an der Ringschleife 1 an einer Stelle angeschlossen, an der eine Wegdifferenz einer halben Wellenlänge des Hochfrequenz-Eingangssignals zwischen den Weglängen der beiden gekrümmten Übertragungswege besteht, die von der Eingangstorschaltung für das Hochfrequenzsignal zum Filter führen. Deshalb hat die Leitung des Hochfrequenz-Eingangssignals, das durch einen der Wege tritt, einen Phasenunterschied von I8o gegenüber dem durch den anderen Weg tretenden Signal, weshalb sie sich folglich im wesentlichen auslöschen oder aufheben. Das gleiche erfolgt mit der Leistung des Über lager ungsschwingungsfrequenz -Eingangs Signa Is.

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Daraus folgt, daß das Filter 14 erfindungsgemäß an einer Stelle angeordnet ist, an der jede nachteilige Wirkung der Betriebseigenschaften des Differentialring Ubertragers auf das äußerste verringert ist und an der Auftreten von durch das Filter 14 reflektierter Hochfrequenzleistung an der Hochfrequenz-Eingangstorschaltung verhindert und diese Leistung an den Dioden 6 und 7 anlegbar ist. Da das Filter 14 eine Impedanz hat, die gegenüber der Hochfrequenz einen offenen Stromkreis bildet, wird weiter die Hochfrequenzeigenschaft oder -kennlinie nicht beeinträchtigt.

Das Hochfrequenz-Eingangssignal und das Überlagerungsschwingungs-Eingangssignal, die am Differentialringübertrager anliegen, werden gemäß der Leistungsverteileigenschaft des Differentialringübertragers aufgeteilt und die geteilten Hälften werden an die Dioden 6 und 7 angelegt. Die Leistung des Übertragungsschwingungsfrequenzsignals, das durch die Dioden 6 und J reflektiert wird, erscheint nicht in der Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung 4, obwohl die Leitung 5 um eine halbe Wellenlänge des Hochfrequenzsignals länger ist als die Leitung 3· Zwischenfrequenzsignale mit einer Frequenzkomponente,die der Frequenzdifferenz zwischen der Hochfrequenz und der Überlagerungsschwingungsfrequenz entspricht, treten an den Dioden 6 und 7 auf und werden miteinander kombiniert über das Tiefpaßfilter 14 abgegeben, da die Dioden 6 und 7 an einem Ende geerdet sind und die Eingangsleitungen 2 und 4 gegenüber der Zwischenfrequenz durch das Vorsehen von kapazitiven Gliedern 11 und 12 einen offenen Stromkreis bilden. Weiter sind die Zwischenfrequenzsignale frequenzunabhängig gleichphasig und können wirksam miteinander kombiniert werden,

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um das zusammengesetzte Ausgangssignal zu bilden, weil nämlich die Leitung 5 relativ zur Leitung 3 um eine halbe Wellenlänge des Hochfrequenzsignals erweitert ist und deshalb die gekrümmte Weglänge zwischen der Diode 6 und dem Filter 14 gleich der gekrümmten Weglänge zwischen der Diode 7 und dem Filter 14 ist.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Leitung 5 gegenüber der Leitung 3 um eine halbe Wellenlänge des Hochfrequenzsignals verlängert und ist die Lage des Filters 14 symmetrisch zur Leitung 3« Selbstverständlich kann auch die Leitung 3 gegenübeijder Leitung 5 um eine halbe Wellenlänge des Hochfrequenzsignals verlängert und die Lage des Filters 14 symmetrisch zur Leitung 4 sein, um die gleiche Wirkung zu erreichen.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 kann in der in Fig. 4 gezeigten Weise geändertisein, wenn die Frequenz des Zwischen-

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frequenzsignals so niedrig ist, daß es als nahezu Gleichspannungs- bzw. -stromsignal betrachtet werden kann, da dann der Abstand zwischen der Diode und dem Filter nicht berücksichtigt werden muß. In Fig. 4 sind die Leitungen 3 und 5* die mit den Dioden 6 bzw. ¹J verbunden sind, gleichlang und ist das Niederfrequenzsignal-Ausgangsfilter 14 in der gleichen Stellung wie in Fig. 3 angeordnet. Die Mischstufe gemäß Fig. 4 ist vorteilhaft, da deren Größe kleiner ist als die herkömmlicher Mischstufen ist und da das Ausgangsfilter 14 einfach ausgebildet sein kann.

Die Anordnung gemäß Fig. 4 kann auch in der in Fig. 5 gezeigten Weise geändert sein, wenn das NiederfrequenzsignaΙΑ usgangs filter 14 die Impedanz eines idealen offenen Schaltkreises gegenüber dem Hochfrequenzsignal besitzt. Gemäß Fig.

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ist ein derartiges Niederfrequenzsignal-Ausgangsfilter 15 mit der geschlossenen oder Ringschleife 1 des DifferentiaIringübertragers an einer Stelle verbunden, die zur Leitung k zentralsymmetrisch gegenüber der Mitte der Ringschleife 1 ist, so daß die von den Dioden 6 und 7 kommenden Niederfrequenzsignale gleichphasig miteinander kombiniert werden und das so erhaltene zusammengesetzte Ausgangs signal durch das A us gangs filter 15 abgegeben werden kann. Da das Ausgangsfilter 15 an einer Stelle ist, bei der die Leistung des Hochfrequenzsignals, das durch die beiden Übertragungswege tritt, maximal ist, ist die Leistungsverteileigenschaft des Differentialringübertragers jedoch nachteilig beeinflußbar, wenn das Filter 15 keine Impedanz zur Bildung eines idealen offenen Schaltkreises gegenüber dem Hochfrequenzsignal besitzt. Trotzdem ist die in Fig. 5 gezeigte Mischstufe vorteilhaft gegenüber der gemäß Fig. 2, da sie ausreichend miniaturisiert werden kann.

Gemäß der Erfindung ist also eine Mischstufe mit einem Differentialringübertrager vorgesehen, der eine Mikrostrip -Leitung, die eine geschlossene Schleife bildet, sowie vier Mikrostrip-Leitungen, die mit der geschlossenen Schleife verbunden sind, enthält, wobei ein an einem Ende geerdetes Diodenpaar jeweils am anderen Ende mit den vorbestimmten der Mikrostrip-Leitungen verbunden sind, die eine Wegdifferenz einer halben Wellenlänge des Hochfrequenz-Eingangs signals besitzen, wobei eine Ausgangs leitung für ein Niederfrequenzsignal an der geeignetsten Stelle der geschlossenen Schleife des Differentialringübertragers angeschlossen ist. Deshalb vermeidet die Erfindung das bisher notwendige besondere Vorsehen einer getrennten Schaltung,

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die sich über der Ebene des Differentialringübertragers erstreckt, was einen komplexen Schaltungsaufbau ergibt. Weiter vermeidet die Erfindung weitere Nachteile der herkömmlichen Mischstufen einschließlich einer unerwünschten Verringerung der Signalskombinationswirkung infolge der Phasendifferenz der Niederfrequenz -A us gangssignale der Dioden. Gemäß der Erfindung können die Eigenschaften des Differentialringübertragers vollständig ausgenutzt werden,was eine Mischstufe ergibt, die in einem breiten Frequenzbereich stabil betreibbar ist.

Die Erfindung wurde anhand einer planar aufgebenden Mischstufe für einen Betrieb im Ultrahochfrequenzbereich erläutert, bei der Mikrostrip-Leitungen die grundlegenden Bauteile sind. Jedoch kann die Erfindung auch wirksam bei einer Mischstufe mit Koaxialleitungsaufbau angewendet werden.

Claims

Patentansprüche

( 1.yMischstufe mit einem Differentialringübertrager, der enthält:

eine eine geschlossene Ringschleife bildende erste übertragungsleitung einer Gesamt-Umfangslänge gleich der Dreifachen der halben Wellenlänge des Hochfrequenzsignals, das frequenzumgesetzt wird,

eine zweite Übertragungsleitung, die an einem Ende mit der ersten Übertragungsleitung verbunden ist und einer Impedanz gleich der l/V2-fachen Impedanz der ersten Übertragungsleitung,

eine dritte, eine vierte und eine fünfte übertragungsleitung, die an einem Ende mit der ersten Übertragungsleitung so zueinander angeordnet verbunden sind, daß sie hintereinander vom Anschlußpunkt der zweiten Übertragungsleitung in der genannten Reihenfolge entlang der ersten Übertragungsleitung in einem gekrümmten Abstand zueinander gleich einer viertel Wellenlänge des Hochfrequenzsignals angeordnet sind, wobei die dritte, die vierte und die fünfte Übertragungsleitung die Impedanz der zweiten Übertragungsleitung besitzen,

zwei Dioden, deren einer Anschluß geerdet und deren

anderer Anschluß am anderen Ende der dritten bzw. der fünften Übertragungsleitung angeschlossen ist und

eine Einspeiseeinrichtung zum Einspeisen des Hochfrequenzsignals in entweder die zweite oder die vierte Übertragungsleitung und zum Einspeisen eines überlagerungsschwingungssignals in die jeweils andere Übertragungsleitung, um das Hochfrequenzsignal in ein Zwischenfrequenzsignal umzusetzen,

gekennze lehnet

durch ein mit der ersten Übertragungsleitung (1) verbundenes Filter (14; 15) zum selektiven Durchlaß des Zwischen-

frequenzsignals, , , _Λ _ , _

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wobei die gekrümmten Übertragungswege zwischen der Anschlußstelle des Filters (14; 15) und einer der Dioden (6, 7) und zwischen der Anschlußstelle des Filters (14; 15) und der anderen Diode (7, 6) gleich sind (Fig. 3-5).
2. Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (l4j 15) mit der durch die erste Übertragungsleitung (1) gebildeten geschlossenen Ringschleife an einer Stelle verbunden ist, an der sich einer der gekrümmten Übertragungswege zwischen dem Filter (14; 15) und der Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung (4) von dem anderen gekrümmten Übertragungsweg um genau die halbe Wellenlänge des Hochfrequenzsignals unterscheidet.

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4*4

Le e rs e i t θ