DE2607116C2

DE2607116C2 - Hochfrequenzmischer mit wenigstens einem Yttrium-Eisengranat-Abstimmelement

Info

Publication number: DE2607116C2
Application number: DE2607116A
Authority: DE
Inventors: Richard C. Healdsburg Calif. Keiter
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1975-02-25
Filing date: 1976-02-21
Publication date: 1985-03-14
Also published as: FR2302622A1; GB1507771A; FR2302622B3; CA1060956A; JPS617763B2; JPS51108508A; US3973204A; DE2607116A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzmischer mit wenigstens einem Yttrium-Eisengranat-Abstimmelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Yttrium-Eisengranat-Abstimmelemente werden üblicherweise in elektronisch abstimmbaren Bandfiltern für Mikrowellen-Schaltungsanordnungen verwendet. In Breitband-Mikrowellengeräten, beispielsweise Empfängern und Spektrumanalysatoren, werden diese abstimmbaren Bandfilter häufig in oder vor den Hochfrequenz-Eingangsschaltkreisen als abstimmbare Einschaltelemente verwendet, um sicherzustellen, daß dem Instrumenteneingang zu einem Zeitpunkt nur ein schmales Frequenzband zugeführt wird. Diese Frequenzeinengung ist insbesondere bei Breitband-Überlagerungsgeräten nützlich, da sie dazu beiträgt, störende Zwischenfrequenzsignale zu unterdrücken, weiche bei der Mischung des lokalen Oszillatorsignales mit unerwünschten Eingangssignalen entstehen.

Ein Hochfrequenzmischer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus US-PS 35 62 651 bekannt. Bei dem

ίο bekannten Mischer handelt es sich um einen Gtgentaktmischer (balanced mixer), bei welchem die Vorrichtung zum Mischen des hochfrequenten Eingangssignales mit einem von einem lokalen Oszillator abgegebenen Treibersignal zwei Halbleiterdioden aufweist, die jeweils mit einem Ende einer um die Yttrium-Eisengranat (YIG)-Kugel verlaufenden Auskoppelschleife verbunden sind. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Dioden und der Auskoppelschleife wird dabei mittels Koaxialkabeln hergestellt. Der lokale Oscillator ist ebenfalls über ein Koaxialkabel mit einem symmetrisch zur YIG-Kugel liegenden Punkt der Auskoppelschleife verbunden und das Zwischenfrequenzsigna! erscheint an der Verbindung zweier Blockkondensatoren, welche jeweils über eine der beiden Halbleiterdioden mit einem Ende der Auskoppelschleife verbunden sind.

Ein Nachteil des bekannten Mischers besteht darin, daß er keine hinreichend flache Frequenzkennlinie aufweist, d. h. der Sigalpegel ändert sich über dem Abstimmbereich des Geräts. Ursache für die Änderungen

jo des Signalpegels sind u. a. stehende Wellen in den Übertragungsleitungen zwischen Halbleiterdioden und Abstimmelement.

Durch das Auftreten von stehenden Wellen wird auch der Umsetzverlust des Mischers, d. h. das Verhältnis der

J5 Leistung des Eingangssignales zur Leistung des Zwischenfrequenzsignales, in unerwünschter Weise erhöht. Eine Möglichkeit zum Vermindern der geschilderten Linearitätsschwankungen der Frequenzkennlinie bestünde darin, in die Wellenleitung Abschwächer zum Absorbieren eines Teiles der reflektierten Signale einzufügen. Durch diese zusätzliche Absorption wurden jedoch die Rauschzahl und der Umsetzverlust der Anordnung erhöht.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugründe, einen Hochfrequenzmischer gemäß dem Oberbegriff zu schaffen, der einfacher aufgebaut ist, eine flachere Frequenzkennlinie aufweist und geringere Umsetzverluste hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch

so die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1. Der Schaltungsaufbau ist einfacher, da das Ausgangssignal des lokalen Oszillators und das durch die Mischung entstehende Zwischenfrequenzsignal über denselben Signalweg in entgegengesetzten Richtungen zu der Halbleiterdiode bzw. von dieser weg über die Auskoppelschleife des Abstimmelementes und die mit dieser verbundene Wellenleitung übertragen werden und infolgedessen sich die Zahl der zu dem Absiimmelemerii führenden Anschlüsse verringert.

Weiterhin ermöglicht es diese Schaltungsanordnung, das nicht mit dem Abstimmelement verbundene Ende der Halbleiterdiode unmittelbar mit Masse zu verbinden, wobei die Verbindung in einfacher Weise durch Anbringen dieses Endes an dem Mischergehäuse geschehen kann. Da die Länge der Verbindung zwischen Diode und Masse dann im wesentlichen gleich Null ist, können sich nier keine stehenden Wellen ausbilden, so daß damit eine flache Frequenzkennlinie und geringe

Umsetzverluste des Mischers gewährleistet sind. Im Gegensatz dazu sind bei dem bekannten Hochfrequenzmischer die Halbleiterdioden mit dem Abstimmelement über Koaxialkabel verbunden, auf denen sich im allgemeinen stehende Wellen ausbilden.

Durch Verwenden nur einer einzigen Halbleiterdiode verringert sich ebenfalls der Umsetzverlust gegenüber dem bekannten Mischer, bei welchem die Hochfrequenzsignale auf zwei Signalwege aufgeteilt werden und somit an zwei Leitungen und an zwei Dioden Verluste erleiden.

Hochfrequenzmischer mit nur einer einzigen Halbleiterdiode sind zwar an sich bekannt, beispielsweise aus Meinke/Gundlach: »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik« 1962, Seite 1298 und »the microwave journal« März 1969, Seite 134, jedoch weisen diese bekannten Mischer kein Abstimmelement auf, und sie sind in einer von der Erfindung wesentlich verschiedenen Schaltungskonfiguration aufgebaut.

Der erfindungsgemäße Mischer weist ein mit der Auskoppelschleife über die Wellenleitung verbundenes Koppiungsnetzwerk auf, weiches im wesentlichen ausschließlich das Zwischenfrequenzsignal an dx; Ausgangsklemme des Hochfrequenzmischers gelangen läßt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Anspruch 3 wird der Abstand zwischen der Halbleiterdiode und der Verbindungsstelle des Reihenwiderstandes mit dem Bandfilter derart bemessen, daß an der Verbindungsstelle ein Stromminimum des Zwischenfrequenzsignales auftritt und damit der Leistungsverlust dieses Signales an dem Reihenwiderstand möglichst klein gehalten wird. Durch die Impedanztransformation mittels des Bandfilters wird eine möglichst verlustfreie Leistungsübertragung des Zwischenfrequenzsignales an den Ausgang des Filters erreicht.

Gemäß Anspruch 4 kann vorzugsweise vorgesehen werden, daß der Abstand zwischen der Halbleiterdiode und dem Abstimmelement kleiner ist als ein Achtel der Wellenlänge bei der höchsten vorkommenden Eingangsfrequenz. Es läßt sich zeigen, daß auf diese Weise die Linearitätsdchwankungen der Frequenzkennlinie infolge stehender Wellen weniger als 3 dB betragen.

Es versteht sich, daß zum Erreichen einer größeren Selektivität des Abstimmelementes mehrere YIG-Kugeln zusammengeschaltet werden können, wobei sich die Halbleiterdiode in unmittelbarer Nähe einer dieser Kugeln befindet.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert; es .ieigen

Fig. 1—2 eine teilweise perspektivische und teilweise schematische Ansicht eines YIG-Filters, welches mit einem Mikrowellen-Mischer verbunden ist,

Fig. 3 eine Schnittansicht der Anordnung gemäß Fig. 2,

F i g. 4 eine Teilschnittansicht der Anordnung gemäß F ig. 2,

r i g. 5 eine Aufsicht auf einen Richtkoppler und ein Bandfilter.

Ein mittels einer YIG-Kugel abgestimmter Mischer 10 mit einem Eingang 12 ist mit einem Eingangskopplungsschaltkreis 14 durch eine Wellenleitung 16 verbunden. Der Eingangskopplungsschaltkreis 14 koppelt die Signale am Eingang 12 mit der YIG-Kugei 18. und die Signale werden aus der YIG-Kugel 18 durch eine Kopplungsschleife 20 ausgekoppelt. Eine Mischdiode 22 ist in Reihe mit der Kopplungsschleife 20 verbunden, die wiederum mit einer Wellenlei.i,ng 24. beispielsweise einem Koaxialkabel, verbunden ist. Die Diode 22 besteht vorzugsweise aus einer »hot-carrier«-Diode.

Die Mittenfrequenz des Durchlaßbandes des YIG-Filters wird durch das von einem Elektromagneten 26 erzeugte Magnetfeld bestimmt, welcher die Polstücke 28 und 30 sowie eine Magnetspule 32 umfaßt. Der Abstimmstrom für das YIG-Filter wird der Magnetwicklung 32 durch eine Stromquelle 34 für den Abstimmstrom zugeführt.

ίο Die Wellenleitung 24 ist mit einer Schaltung 35 durch einen Stecker 90 verbunden, der wiederum mit einem Arm eines Richtkopplers 38 mit einem Schaltkreis 35 verbunden ist. Die Leistung des lokalen Oszillators wird der Schaltung 35 durch einen lokalen Oszillator 37 über eine Eingangsklemme 36 zugeführt, die mit einem weiteren Arm des Richtkopplers 38 verbunden ist, der durch einen Widerstand 39 abgeschlossen wird. Die Leistung des lokalen Oszillators fließt durch den Richtkoppler 38 und die Wellenleitung 24 in die Kopplungsschleife 20 und die Diode 22. In der Diode 22 mischt sich das Eingangssignal, welches durch dif YIG-Kugel gekoppelt worden ist, mit dem Signa! des lokalen Oszillators und erzeugt verschiedene Mischprodukte. Das Signal des lokalen Oszillators gelangt nicht durch das YIG-Filter zum Eingang 12, da das Filter auf eine andere Frequenz als diejenige des lokalen Oszillators abgestimmt ist.

Um die Ausbildung von stehenden Wellen zwischen der YIG-Kugel 18 und der Diode 22 herabzusetzen.

wird der Abstand zwischen der Diode und der YIG-Kugel kleiner als ein Achtel der Wellenlänge bei der höchsten Eingangsfrequenz gehalten. Daher würde bei einem Mischer für Eingangssignale bis zu 18GHz der Abstand zwischen der Diode und der YIG-Kugel weniger als 2 mm betragen. Das räumliche Verhältnis der Diode 22 zu der YIG-Kugel und der Kopplungsschleife geht aus den nachfolgenden Figuren hervor. Wie vorher erwähnt wurde, sind die sich aus der Kombination des Eingangssignales und des Signales des lokalen Os7Ülators ergebenden Mischsignale auch auf der Kopplungsschleife 20 und daher auf der Wellenleitung 24 vorhanden, riese Signale werden durch den Richtungskoppler 38 zu einem Widerstand 40 und einem Bandpaßfilter 42 übertragen, welches Kondensatoren 44 und 46 und eine Reiheninduktivität 48 aufweist. Der Widerstandswert des Widerstands 40 ist der gleiche wie der Wellenwiderstand der Wellenleitung 24, typischerweise 50 Ohm.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Mischer für ein Eingangssignal im Bereich von 1,5 bis 18 GHz, ein ggfs. frequenzvervielfachtes Signal des lokalen Oszillators im Bereich von 1.8 bis 4.3GHz und eine Zwischenfrequenz von etwa 320MHz ausgelegt. Die Zwischenfrequenz wird im allgemeinen beträchtlich kleiner »',s die Frequenzen des lokalen Oszillatorsignales und des Eingangssignales gewählt, so daß durch die Wellenleitung 24 ür>r^rtragene Signale mit Ausnahme des Zwischenfrequenzsignales in der Regel wesentlich höhere Frequenzen als die Zwischenfrequenz aufweisen. Der Kapazitätswert des Kondensators 44 ist derart

bo ausgewählt, daß dieser als Kurzschluß bei Frequenzen über der Zwischenfrequenz wirkt und Signale mit höheren Frequenzen durch den Widerstand 40 absorbiert weiden. Bei der Zwischenfrequenz befindet sich die Induktionsspule 48 in Resonanz mit den Kondensatoren

b5 44 und 46 und bildet ein Bandpaßfilter.

Bei der Zwischcnfrecpenz erscheint die Diode 22 als hohe Impedanz von beispielsweise 150 0hm verglichen mi' dem Wellenwiderstand der Wellenleitung 24 von

beispielsweise 50 Ohm. Die Lunge der Wellenleitung 24 ist derart ausgewählt. d;iß dor Abstand /wischen der Diode 22 und dein Schaltungsknoten 50 die Hälfte der Wellenlänge oder ein ganz/ahliges Vielfaches der halben Wellenlänge des Zwischenfrequen/signales betrügt. ^r> Das Bandpaßfiltcr 42 transformiert die relativ hohe Impedanz der Diode bei der Zwischenfrequenz hinab auf eine l.astimpedanz am Verbindungsglied 104 von typischerweise 50 Ohm. Diese Impedanzäiuleriing erzeugt ein Stehwellen-Muster auf der Wellcnleitung 24 und da ι ο die Wellcnlcitung eine Länge entsprechend einer halben Wellenlänge aufweist, ergibt sich am Schaltungsknoten 50 ein Stromminimum und ein Spannungsniaximum. Durch das Stromminimum an diesem Punkt wird der LeistungsverliiM des Zwischenfrequenzsignals durch ι j den Widerstand 40 minimal.

Wenn die Diode 22 eine hot-carrier-Diode ist. muß ihr eine Vorspannung zugeführt werden. Die Diodenvorspannung kann durch die Kopplungsschleife 20, die Weiienieitung J4 und den Schaltkreis 35 zugeführt werden. indem der '\usgangdes Filters42durch eine Induktionsspule 54 mit einer Quelle 52 für die Diodenvorspannung verbunden wird. Die Induktionsspule 54 schwächt die Zwischenfrequer.zanteile der Signale ab und isoliert die Stromquelle für die Diodenvorspannung von den I lochfrequenzsignalen.

Fig. 2 stellt schematisch eine vergrößerte Aufsicht auf einen durch eine YIG-Ktigel abgestimmten Mischer dar. Der YIG-Filterabschnitt enthält drei YIG-Kugeln anstelle einer einzigen Kugel gemäß Fig. 1. Obgleich jo nur eine YIG-Kul. -I erforderlich ist, kann ein selektiveres Filter durch Verwendung von zusätzlichen YIG-Kugeln geschaffen werden. Die Eingangswellenleitung 16 ist mit einer ersten Koppliingssehleife 60 um eine erste YIG-Kugel 62 verbunden. Die YIG-Kugel ist in einem Gehäuse 64 auf einer Befestigungsstange 66 angeordnet, die beispielsweise aus Berylliumoxid bestehen kann, so daß diese elektrisch isoliert aber thermisch leitend ist. Die Befestigungsstange 66 wird fest in einem Loch im Gehäuse 64 gehalten.

Eine zweite Kopplungsschleife 68 koppelt die Signale von der YIG-Kugel 62 zur YIG-Kugel 70 in einem zweiten Hohlraum im Gehäuse 64. Die YIG-Kugel 70 ist im Gehäuse 64 auf einer 3efestigungsstange 72 angeordnet. Die Signale von der YIG-Kugel 70 werden wiederum durch eine Kopplungsschleife 74 zu einer dritten YIG-Kugel 18' übertragen, die auf einer Stange 76 in einem dritten Hohlraum im Gehäuse 64 angeordnet ist. Gemäß Fig. 1 verbindet die zweite Kopplungsschleife 20 um die Kugel 18' den Mittelpunktsleiter der koaxialen Übertragungsleitung 24 mit der Diode 22, die sich neben dem Hohlraum mit der YIG-Kugel 18' befindet.

F i g. 3 zeigt eine Querschnittsansicht der Anordnung in Fig. 2, aus welcher die räumliche Anordnung von zwei YIG-Kugeln und von den diese umgebenden Kopplungsschleifen hervorgeht. Die Kopplungsschleife ist beispielsweise an jedem Ende 78 und 80 durch Befestigung an einem Gehäuse 64 geerdet und gelangt durch einen Durchgang 82 zwischen den Hohlräumen, die die YIG-Kugeln 18' und 70 enthalten.

F i g. 4 ist eine Querschnittsansicht der Einzelheiten der Befestigung der Diode 22 im Gehäuse 64. Die Diode ist als »beam lead«-Vorrichtung ausgebildet, und der eine Strahlenleiter 84 ist an der Kopplungsschleife 20 und der andere Strahlenleiter 86 direkt an dem Gehäuse befestigt.

F i g. 5 ist eine vergrößerte Aufsicht auf einen Schaltungsaufbau 35, wie er schematisch aus Fig. 1 hervorgehl. Die Schaltung ist auf einem Substrat 89aufgebaul welches sich in einem Gehäuse 91 befindet und enthäl verschiedene Ablagerungen von Leitermaterialicn um Widerstandsmaierialien. Ein Verbindungsglied 90 ist zu Verbindung mit der Weiienieitung 24 mit einer Streifen leitung 92 verbunden, wobei ein Teil der Strcifenloitunj einen Arm des Kichtkopplers 38 bildet. Die Streifenlei lung 92 endet in zwei Widerstandsschichten 40' und 40" die in paralleler Form den Widerstand 40 ausbilden Diese Widerstandsschichten sind wiederum mit Kon densatoren 44' bzw. 44" verbunden. Diese Kondensato ren können mit mehreren Schichten von Bariumtitanac aufgebaut sein und durch Lederstreifen 94 bzw. 96 mi dem Gehäuse 91 verbunden sein.

Die Induktionsspule 48 wird durch einen über Leite 98 und 100 mit Kondensatoren 44' und 44" verbundener Draht gebildet. Die Induktionsspule 48 ist auch mit ei nein Bloekkondensator 47 LUif einem Befestigungsstet 102 verbunden. Der Kondensator 47 ist mit einem Stek ker tö4 verbunden, der die Äusgangskiemme für da; Zwischenfrequenzsigrial bildet. FJn anderer Teil des dii Induktionsspule 48 bildenden Drahtes ist mit dem Kon densator 46 verbunden, der mit dem Gehäuse 91 übci eine Masseleitung 103 verbunden ist. Das Induktionselc ment 54 wird durch einen mit dem Induktionselement 4} verbundenen feinen Drain und eine Durchführung 1Oi gebildet, welche die Diodenvorspannung von der Span nungsquelle 52 aufnimmt. Ein weiterer Arm des Rieht kopple.s 38 wird durch einen zweiten Streifenleiter 1Oi gebildet, der an einem Ende mit einem Stecker 36 ver bunden ist. der das Signal des lokalen Oszillators auf nimmt, und das andere Ende ist mit einem Abschlußwi derstand 39 verbunden, der über das Gehäuse 91 geer det ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hochfrequenzmischer mit wenigstens einem Yttriurn-Eisengranat-Abstimmelement. wobei das Abstimmelement, eine Einrichtung zum Koppeln eines Eingangssignales an das Abstimmelement, eine um einen Teil des Umfangs einer Yttrium-Eisengranat-Kugel des Abstimmelements verlaufende Leiterschleife zum Auskoppeln des Ausgangssignales des Abstimmelementes und eine mit der Leiterschleife verbundene nichtiineare Mischervorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, mit einer Einrichtung zum Übertragen eines Oszillatorsignales an die Mischervorrichtung und mit einer mit der Leiterschleife verbundenen WeI-lenieitung zum Übertragen des beim Mischen des Ausgangssignales des Abstimmelementes mit dem Oszillatorsignal entstehenden Zwischenfrequenzsignals von der Mischervorrichtung an eine Anschlußklemme außerhalb des Gehäuses, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

das eine Ende der Leiterschleife (20) ist über eine als Mischervorrichtung verwendete Halbleiterdiode (22) an Masse geschaltet,

das andere Ende dieser Leiterschleife (20) ist über eine Wellenleitung (24), einen Richtkoppler (38) zur Einspeisung des Oszillatorsignales und einen in Reihe geschalteten Widerstand (40) als reflexionsfreier Abschluß der Wellenleitung (24) an ein Bandfilter (42) für das 7wischenfrequenzsignal angeschaltet.

2. Hochfrequenzmischer nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Bandfilter (42) für das Zwischenfrequesizsignal jzweils einen Kondensator (44, 46) gegen Masse am Eingang und am Ausgang und eine Induktivität (48) im Längszweig aufweist.

3. Hochfrequenzmischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Halbleiterdiode (22) und der Verbindungsstelle (50) des Reihenwiderstandes (40) mit dem Bandfilter (42) gleich der halben Wellenlänge oder deren ganzzahligem Vielfachen bei der Zwischenfrequenz ist und daß das Bandfilter so ausgelegt ist, daß die Impedanz der Halbleiterdiode (22) bei der Zwischenfrequenz transformiert wird auf die Impedanz am Ausgang (104) des Bandfilters.

4. Hochfrequenzmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Halbleiterdiode (22) und dem Abstimmelement (18) kleiner ist als ein Achtel der Wellenlänge bei der höchsten vorkommenden Eingangsfrequenz.