DE2608939C3 - Mischer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Mischer bestehend aus zwei Teilmischern, deren Hochfrequenzsignaleingänge über gleich lange Leitungen miteinander verbunden und deren Zwischenfrequenzsignale einander überlagert sind, wobei eines der Zwischenfrequenzsignale eine Phasenverschiebung um π/2 erfährt und auf die ein Oszillatorsignal eines Oszillators in zwei gegeneinander phasenverschobene Signalanteile aufgeteilt ist.

Mischer dieser allgemeinen Art sind vielgestaltig und können jeweils auf gewünschte Forderungen zügeschnitten werden. Mischer für sehr hohe Frequenzen werden heute meist wie gedruckte Schaltungen hergestellt, wobei auf der Oberseite der Trägerplatte die Leitungszuge und auf der Unterseite eine die ganze Fläche bedeckende Folie aufgebracht sind.

Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Mischer wird von zwei Ausführungsformen ausgegangen. Die eine Ausführungsform ist aus der Zeitschrift AEÜ Bd. 25 (1971) S. 52 bis 53 bekanntgeworden. Bei diesem Mischer handelt es sich um die Anwendung der subharmonischen Frequenz als Oszillatorfrequenz. Man hat einen Oszillator, der auf einer vorbestimmten Frequenz schwingt, und verwendet zum Mischen nicht seine eigene Schwingfrequenz, sondern am Mischer selbst entsteht durch die Anordnung der Dioden die Oberwelle dieses Oszillators und diese ist mit dem ankommenden Hochfrequenzsignal überlagert, das das Basisband aufmoduliert hat. Daraus erhält man dann das Zwischenfrequenzsignal, das in den nachfolgenden Stufen weiter verarbeitet wird. Die Verwendung der Oberwelle des Steueroszillators hat den Vorteil, daß man damit den Rauschabstand der Mischanordnung wesentlich verbessern kann.

Die zweite Ausführungsform ist aur Proce. 1971: European Microwave Conference, Stockholm Oxley, Lord, Ming, Clarke: Image Recovery Mixers bekanntgeworden. In diesem Bericht ist ein Mischer beschrieben, der aus zwei Teilmischern besteht, wobei beide Teilmischer so gegeneinander geschaltet sind, daß das Spiegelsignal am Eingang des hochfrequenten Empfangssignales kompensiert wird, wodurch das das ankommende hochfrequente Empfangssignal schwächende Spiegelsignal, das im Mischer entsteht, kompensiert wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den prinzipiell bekannten Mischer zur Unterdrückung der Spiegelfrequenz so auszubilden, daß er auch noch sehr rauscharm ist, so daß dieser Mischer gegenüber den herkömmlichen, die die beiden Eigenschaften der Spiegelfrequenzunterdrückung und Rauscharmut nicht miteinander vereinen, gerade bei hoher Kanalzahl eine verbesserte Übertragungsqualität aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Teilmischer zwei antiparallel geschaltete Dioden enthält, die durch eine subharmonische Frequenz des Oszillatorsignals gesteuert sind, daß die Zwischenfrequenzsignalausgänge der Teilmischer an eine Koppelanordnung angeschlossen sind, die gleichzeitig die beiden Zwischenfrequenzsignale um π/2 gegeneinander phasenverschiebt, und daß eine weitere Koppelanordnung das Oszillatorsignal in zwei um π/4 gegeneinander phasenverschobene Signalanteile auf die Teilmischer aufteilt.

Zweckmäßige Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Diese gleichzeitige Anwendung beider Mischverfahren ist nicht nur eine einfache Zusammenschaltung zweier bekannter Mischer zu einem neuen Mischer, sondern es ergibt sich aus dieser Kombination beider und des neuen Aufbaues in Streifenleitungstechnik eine besonders günstige, auch den großen Anforderungen gerecht werdende Ausfütirungsform eines Mischers für sehr hohe Frequenzen, mit dem es gelungen ist, noch nachweisbare Spiegelsignalanteile völlig zu vermeiden.

Anhand von Ausführungsbeispielen soll der Erfindungsgegenstand noch näher erläutert werden. In den Zeichnungen sind in den einzelnen Figuren dargestellt, und zwar:

in der F i g. I ein Schaltschema des Mischers nach der Erfindung,

in der Fig. 2 der Aufbau eines Mischers in

Streifenleitungstechnik,

in der Fig.3 ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Mischers nach der Erfindung, ebenfalls in Streifenleitungstechnik und

in der F i g. 3a einen Ausschnitt aus der F i g. 3 über die Diodenanordnung.

In der F i g. 1 der Zeichnung ist der Mischer nach der Erfindung in einem Prinzipschaltbild wiedergegeben. Dieser Mischer besteht aus den beiden Teilmischern Ml, M2 die symmetrisch zueinander zusammengeschaltet sind. Hierbei sind das Oszillatorsignal der Frequenz fhi und die Zwischenfrequensanschlußklemme (ZF über jeweils 3dB-Koppler an die beiden Teilmischer M1 und M 2 angeschlossen.

In dem Zuführungszweig des Oszillatorsignals fhides Teilmischers M1 ist eine Verzögerungsleitung L eingeschaltet, die die Aufgabe hat, die Phasenbilanz für die Spiegelsignale an der Verbundklemme A der Leitungsverzweigung des Hochfrequeniisignales frf so abzustimmen, daß sich die beiden Spiegelsignale fsp aus den beiden Teilmischern M1 und M 2 kompensieren.

Bei dem Mischer werden besondere Dioden verwendet, die in einem relativ großen Strom- und Spannungsbereich einen exponentiellen Verlauf haben. Diese Dioden sind antiparallel geschaltet. Trifft eine positive Halbwelle des Oszillatorsignales fhi auf die eine Diode, so erzeugt sie einen positiven Impuls; die negative Halbwelle liegt im Sperrbereich der Diode, aber an der antiparallel geschalteten zweiten Diode entsteht ein zweiter Impuls gleicher Form. Da die Folgefrequenz dieser Impulse dadurch doppelt so groß ist wie die Frequenz des aussteuernden Oszillatorsignales fhi, braucht man zur Erzeugung eines zeitabhängigen Leitwertes mit der Frequenz 2 fhi nur noch die halbe Frequenz fhi. Deshalb wählt man von vornherein ein Oszillatorsignal auf der halben Frequenz, bzw. die beiden Antiparalleldioden können subharmonisch angesteuert werden.

Die Anwendung der subharmonischen Ansteuerung des Mischers hat noch weitere Vorteile:

1. Die Oszillatorsignalerzeugung ist häufig um so einfacher, je niedriger die Oszillatorfrequenz ist. Bei Vervielfachung kann man dadurch eine Verdopplerstufe einsparen.

2. Theoretisch entsteht an den antiparallelgeschalteten Dioden keine Komponente der Ausgangsfrequenz 2 fhi und folglich wird in der Praxis nur wenig Leistung dieser Frequenz vom Mischei abgegeben.

3. Das Rauschen des Oszillators wird nicht in die Nutzsignal-Frequenzbereiche umgesetzt. In diesem Punkt sind die gleichen Vorteile gegeben, wie bei Gegentaktmischern, die mit einem Oszillatorsignal der doppelten Frequenz von fhi ausgesteuert worden.

4. Die Schaffung eines Gleichstromweges für den Diodenrichtstrom ist nicht erforderlich.

Der Hauptnachteil ist der geringe Dynamikbereich. Dieser Nachteil läßt sich aber beseitigen, indem die Dioden mit einer negativen Vorspannung versehen werden, so daß der Arbeitspunkt im Sperrbereich liegt. Den selben Effekt zur Vergrößerung des Dynamikbereiches kann man dadurch erreichen, daß jede der beiden antiparallelen Dioden durch gleichsinnig, in Reihe geschaltete Dioden ersetzt werden. Im einfachsten Fall werden pro Richtung zwei seriell angeordnete Dioden benutzt. Diese Anordnung läßt sich schaltungstechnisch besonders gut mit einem Diodenquartett verwirklichen.

Bei der Frequenzumsetzung mit Schottkydioden entsteht auch Spiegelfrequenzleistung, die in einem gedachten Abschlußwiderstand des Mischers nutzlos verbraucht wird. Dadurch ist der Leistungsverlust bei der Umsetzung von Zwischenfrequenzleistung in hochfrequente Leistung und umgekehrt größer als nötig. Dieser Leistungsverlust läßt sich vermeiden, indem die vom Mischer ablaufende Spiegelfrequenzleistung reflektiert und wieder in hochfrequente bzw. Zwischenfrequenzleistung umgesetzt wird. Hierzu muß der gedachte Abschlußwiderstand des Mischers bei der Spiegelfrequenz als Blindzweipol ausgeführt werden. Dies erfordert eine Filterschaltung, da die anderen Komponenten ungestört zwischen Mischer und dem gedachten Abschluß des Mischers übertragen werden müssen.

Bei diesem Verfahren werden zwei gleiche Mischer verwendet, deren Oszillatorsignale so gegeneinander phasenverschoben sind, daß zwischen den beiden Leitwertfunktionen eine zeitliche Verschiebung um fhi/8 besteht.

Bei konventionellen Mischern muß die Phasenverschiebung zwischen den beiden Oszillatorsignalen der Frequenz 2 fhi π/2 betragen, bei Mischern mit antiparallelen Dioden und subharmonischer Steuerung muß sie gleich π/4 sein.

Bezeichnet man den Mischer, dessen Leitwertfunktion um fhi/8 voreiit, als Mischer I, so ergibt sich rechnerisch, daß bei der Aufwärtsfrequenzumsetzung die hochfrequenten Signale, bei der Abwärtsfrequenzumsetzung die Zwischenfrequenzsignale der beiden Mischer gegeneinander um .τ/2 verschoben sind. Dies ist ein unerwünschter Nebeneffekt. Man kann ihm aber begegnen, indem man auf der Zwischenfrequenzseite der Mischer einen um π/2 phasenverschiebenden Leistungsteiler bzw. Leistungssummierer (etwa einen 3-dB-Richtkopp!er oder ein π/2-Ringhybrid) vorsieht, der bei der Aufwärtsumsetzting die Zwischenfrequenzsignale gegeneinander um π/2 dreht und so für phasengleiche, leicht addierbare Hochfrequenzsignale sorgt und bei der Abwärtsfrequenzumsetzung die orthogonalen Zwischenfrequenzsignale ohne wesentlichen Leistungsverlust zu einem resultierenden Signal zusammenfaßt.

Der erwünschte Haupteffekt, der durch die Phasenverschiebung der beiden Oszillatorsignale zustandekommt, liegt darin, daß die Spiegelfrequenzkomponenten gegenphasig sind und sich kompensieren. Dadurch wird erreicht, daß breitbandig ein Leistungsverlust über die Spiegelfrequenz verhindert wird.

Zu den Voraussetzungen hierfür gehört vor allem, daß die Spiegelfrequenzkomponente den Mischer dort verläßt, wo die Hochfrequenzkompor.ente aus- bzw. eingekoppelt wird. Dann kann nämlich der beschriebene Effekt der Spiegelfrequenzkompensation mit der Schaltung nach Fig. 1 erzielt werden. Die Hochfrequenzatiischlüsse der beiden Mischer sind bei dieser Schaltung mit einer Leitungs-T-Verzweigung verbunden, die Zwischenfrequenzanschlüsse, wie erwähnt, mit einem 3-dB-Richtkoppler.

Die Schaltung arbeitet wie folgt:

Bei der Aufwärtsfrequenzumsetzung wird die Zwischenfrequenzleistung vom Richtkoppler in zwei um π/2 phasenverschobene Anteile aufgeteilt. Die beiden entstehenden Hochfrequenzkomponenten sind darin gleichphasig und addieren sich am äußeren Anschlußarm der T-Verzweigung. Die beiden Spiegelfrequenzkomponenten kompensieren sich dort, da sie gegenpha-

sig sind.

Bei der Abwärtsfrequenzumsetzung wird die Hochfrequenzleistung in zwei gleichphasige Anteile aufgeteilt, die den beiden Mischern zugeführt werden. Die entstehenden um π/2 phasenverschobenen Zwischenfrequenzkomponenten addieren sich durch die Phasendrehung des Leistungssummierers gleichphasig. Die Spiegelfrequenzkomponenten speisen die T-Verzweigung so, daß an der Verzweigungsstelle die Spannung gleich Null ist. Die Spiegelfrequenzanteile kompensieren sich also am äußeren Anschlußarm. Das bedeutet, daß keine Spiegelfrequenzleistung an die Umgebung abgegeben wird und ein Leistungsverlust über die Spiegelfrequenz nicht auftritt.

In der Fig.2 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiei der Erfindung in Streifenieitungstechnik dargestellt. Ausgehend von den zwei Diodenpaaren D 1 und D2, die jeweils antiparallel geschaltet sind, folgt in Richtung zur Oszillatoreingangssignalklemme fhii und fhi2 die kurzgeschlossene Ahi/4-Leitung S t. Der obere Leitungszug wird durch die Verzögerungsleitung L wegen der geforderten Phasenbilanz an der Verbundklemme A verlängert. Über einen Ringhybrid R, der auch durch einen 3-dB-Richtkoppler ersetzbar ist, ist die Oszillatorsignalklemme /Ά/angeschlossen. Der Ausgang fhii ist über einen Absorber abgeschlossen und der Ausgang fhi 2 führt zur Zuführungsklemme für das Oszillatorsignai fhi.

Auf der gegenüberliegenden Seite der beiden Diodenpaare Di und D 2 sind die beiden Teilmischer M1 und Ml über die Verbundklemme A miteinander verbunden. Die Verbundklemme A führt zur Hochfrequenzausgangsklemme frf. Außerdem ist an den Diodenpaaren Di und D2 je eine offene λ/4-Leitungs- -_; länge 52 angeschlossen, deren elektrische Länge sich auf die Frequenz fhi bezieht. Die Leitung zur Zwischenfrequenzklemme fZF führt weiter über ein Sperrfilter, bestehend aus einer λ/4-Leitungslänge 54 und einer offenen λ/4 langen Querleitung 53, deren

κι elektrisch wirksame Leitungslängen auf die Frequenz des Hochfrequenzsignales frf bezogen sind.

Die aus den beiden Teilmischern MX und M2 ankommenden Zwischenfrequenzsignalleitungen werden in einem 3-dB-Koppler oder geeigneten Koppel-

i") schaltungen miteinander verkoppelt, wobei die eine Leitung in einem Absorber und die ander Leitung an die Zwischenfrequenzsignalklemme /ZFgeführt sind.

Die Fig.3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des in der F i g. 2 dargestellten Aufbaues. Es sind hier die gleichen Bezugszeichen verwendet worden wie in der F i g. 2. Die Vereinfachung der F i g. 3 besteht darin, daß die offenen λ/4-Leitungslängen 52 der beiden Teilmischer M1 und M2 übereinandergeklappt sind, so daß es bei dieser Ausführungsform nur noch eine Leistung 52 gibt. Diese Anordnung hat noch den großen Vorteil, daß nicht mehr getrennte Diodenpaare Di und Dl verwendet werden, sondern handelsübliche Diodenquartette, die auch in der Montage eine wesentliche Vereinfachung darstellen, wie es aus der Gestaltung der F i g. 3 ohne weiteres erkennbar ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mischer bestehend aus zwei Teilmischern, deren Hochfrequenzsignaieingänge über gleich lange Leitungen miteinander verbunden und deren Zwischenfrequenzsignale einander überlagert sind, wobei eines der Zwischenfrequenzsignale eine Phasenverschiebung um π/2 erfährt und auf die ein Oszillatorsignal eines Oszillators in zwei gegeneinander phasenverschobene Signalanteile aufgeteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teiimischer (Ml, M 2) zwei antiparallel geschaltete Dioden (D 1, D2) enthält, die durch eine subharmonische Frequenz des Oszillatorsignals (fhi) gesteuert sind, daß die Zwischenfrequenzsignalausgänge der Teilmiscber an eine Koppclanordnung angeschlossen sind, die gleichzeitig die beiden Zwischenfrequenzsignale (fZF) um π/2 gegeneinander phasenverschiebt, und daß eine weitere Koppelanordnung das Oszillatorsignal in zwei um π/4 gegeneinander phasenverschobene Signalanteile auf die Teilmischer aufteilt.

2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelanordnung 3dB-Koppler oder Ringhybrids sind.

3. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die antiparallel geschalteten Dioden (Di, D2) der Teilmischer (Ml, M2) auf der Seite, der das Oszillatorsignal zugeführt ist, mit einer für das Hochfrequenzsignal kurzgeschlossenen Leitung (Si) und auf der Seite, der das Zwischenfrequenzsignal anliegt, mit einer für das Oszillatorsignal offenen Leitung (S2) und mit einem auf das Hochfrequenzsignal abgestimmten Sperrfilter be- -S5 schaltet sind.

4. Mischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrfilter aus einem für das Hochfrequnzsignal A/4 langen Leitungsstück (S4) und einer daran angeschlossenen A/4 langen offenen Querleitung (S3) besteht.

5. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung für das Oszillatorsignal eines Teilmischers (MX oder M2) eine Verzögerungsleitung (L) zwischengeschaltet ist, deren elektrisch wirksame Länge die Phasenverschiebung von π/4 zwischen den den beiden Teilmischern zugeführten Oszillatorsignalen bewirkt.

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