DE2632141C3 - Diodenmischstufe - Google Patents

Description

Für Mischstufen in Millimeterwellen-Übertragungssystemen werden gewöhnlich Halbleiterdioden verwendet. Bekanntlich werden bei diesen Frequenzen als Übertragungsleitungen gewöhnlich Hohlleiter verwendet. Für die Diode muß daher eine Diodenhalterung vorgesehen sein, weiche die Montage der Diode im Hohlleiter ermöglicht In der Zeitschrift »IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques«, Vol. 16, Nr. 5, Mai 1968, ist eine Diodenhalterung beschrieben, die in einer Mischstufe verwendet wird, deren Träger eine Frequenz /o = 51,7 GHz hat und deren Zwischenfrequenz f, gleich 13 GHz ist. Fig. 1 der Zeichnung zeigt die in diesem Aufsatz dargestellte Diodenhalterung. Sie besteht aus einer Metallplatte 1 mit einem rechteckigen Ausschnitt 2, dessen kleinste Abmessung gleich der kleinsten Abmessung des Hohlleiters RG 97IU ist, während die größere Abmessung größer als diejenige des entsprechenden Hohlleiters ist Die Diodenhalterung hat außerdem eine kreisrunde Öffnung 3 und eine Kerbe 4, in der sich der Mittelleiter 5 eines genormten Ausgangs-Koaxiajsteckers für die Zwischenfrequenz befindet Der Mittelleiter 5 ist durch einen Stift 6 verlängert, der um 90° abgewinkelt ist und durch Bohrungen 7 und 8 hindurchgeht, die im Innern der Metallplatte 1 angebracht sind- Der Stift 6 ist in den Bohrungen 7 und 8 durch ein Dielektrikum festgelegt Das mit der Wand des Ausschnitts 2 abschneidende Ende des Stiftes 6 trägt das Plättchen der Schottky-Diode, das in F i g. 1 nicht sichtbar ist

Um den besten Modulationswirkungsgrad der Diode zu erhalten, ist es bekanntlich erforderlich, zu verhindern, daß die vom Überlagerungsoszillator gelieferte Trägerfrequenz /o nicht in den Verstärker für die Zwischenfrequenz fj gelangt, wie auf Seite 1291 der

ίο Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, September 1968 erläutert ist

Aufgabe der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung ist die Schaffung einer Diodenmischstufe, weiche die Sperrung der Trägerfrequenz und die Anpassung bei der Zwischenfrequenz gewährleistet

Die Diodenmischstufe nach der Erfindung ergibt die folgenden Vorteile:

— Die bei der Zwischenfrequenz f, gewährleistete Anpassung erhöht den Umwandlungsgrad um etwa 1 dß gegenüber demjenigen, der mit der bekannten Diodenmischstufe erzielt wird;

— die vom Eingang der Diodenhalterung her gesehene Diode hat eine Impedanz, die gleich dem Wellenwiderstand der Koaxialleitung ist; die individuelle Anpassung der Diodenhalterung in Abhängigkeit von der Impedanz der verwendeten Diode ist möglich.

Vorteilhafte Weite/bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der F i g. 1 bis 5 erläutert Es zeigt

F i g. 1 die bereits erläuterte Diodenhalterung bekannterArt

Fig.2 die Diodenhalterung der Diodenmischstufe nach der Erfindung,

F i g. 3 das Ersatzschaltbild der Anpassungsschaltung bei der Zwischenfrequenz,

Fig.4 das Leitwertdiagramm der Diode bei der Zwischenfrequenz und

Fig.5 das Leitwertdiagramm der Diode mit zwischengeschalteter Anpassungsschaltung.

F i g. 1 zeigt die bereits zuvor erläuterte Diodenhalterung bekannter Art.

F i g. 2 zeigt einen S'*' nitt durch eine abgeänderte Diodenhalterung in einer Schnittansicht, die der Schnittebene ABC von Fig. 1 entspricht, wobei zur Bezeichnung gleicher Teile die gleichen Bezugszeichen wie dort verwendet sind. Die Löcher 7 und 8 haben eine Länge, die unter Berücksichtigung der Dielektrizitätskonstante des die Leiter 10 und 11 umgebenden Materials gleich einer Viertelwellenlänge ist. Der Stift 6 ist in der Öffnung 3 durch ein Golddrähtchen 9 ersetzt, das durch Thermokompression, Kleben oder Schweißen am Ende der Koaxialleitungsabschnitte 10 und M befestigt ist Die Koaxialleitungsabschnitte sind durch einen Mittelleiter gebildet, der dem Leiter 6 von Fig. 1 entspricht. Die Länge des zwischen die beiden Koaxialleitungsabschnitte eingefügten Drähtchens beträgt drei Viertel der Wellenlänge Ao in Luft bei der Trägerfrequenz & Der Ausschnitt 2, die Öffnung 3 und die Kerbe 4 haben die gleichen Abmessungen wie die entsprechenden Bestandteile der Diodenhalterung von Fig. 1. Die Diode weist in bekannter Weise ein Halbleiterplättchen 12 auf, das in Verlängerung des Leiters 11 befestigt und in eine Breitseite des Ausschnittes 2 (Hohlleiter) eingefügt ist, Ein Haardräht-

ohen 13 vervollständigt die Diode.

F i g. 3 zeigt das Ersatzschaltbild der Anordnung von Fig.2 bei der Zwischenfrequenz £ Die bei 30 dargestellte Diode ist mit dem Ausgang eines Tiefpaß-Filterglieds verbunden, das aus Kondensatoren

34 und 36 und einer Induktivität 35 besteht Die Kapazität 34 stellt den Koaxialleitungsabschnitt 8—11 dar, der parallel zur Diode 12—13 liegt Die Induktivität

35 stellt die Induktivität des Drähtchens 9 dar, und die Kapazität 36 stellt den Koaxialleitungsabschnitt 7—10 dar. Zwei KJemmen 37 und 38 stellen den Eingang der Diodenhalteirung bei der Zwischenfrequenz in der Ausgangsebene des Koaxialleitungsabschnitts 7—10 dar.

Bei der Trägerfrequenz bildet der Koaxiaüeitungsabschnitt 8— Hl₁ der an seinem oberen Ende infolge der öffnung 3 mit einer großen Impedanz belastet ist, die Rolle eines Kurzschlusses in der Ebene der die Diode tragenden Wand des Ausschnitts Z Die Kondensatoren 34, 36 und die Induktivität 35 bilden ei:i Tiefpaß-Filterglied, dessen Grenzfrequenz zwischen der Zwischenfrequenz /,und der Trägerfrequenz f₀ liegt

F i g. 4 zeigt das Leitwertdiagramm der Diode bei der Zwischenfrequenz /» wenn die Diodenhalterung in den Hohlleiter (angebaut ist Die Lage der Diode im Hohlleiter, die Länge des Haardrähtchens und der Durchmesser des Halbleiterplättchens sind in an sich bekannter Weise so bemessen, daß die Diode bei der Trägerfrequenz an den Hohlleiter angepaßt ist Zur Anpassung tier Diode an die für die Übertragung der Zwischenfrequenz /",bestimmte Koaxialleitung wird eine Impedanzmessung zwischen den Klemmen 37 und 38 vorgenommen oder, was auf das gleiche hinauskommt in der Trennebene zwischen der genormten Koaxialleitung (beispielsweise einer 50-Ohm-KoaxialIeitung) und dem Koaxialleitungsabschnitt 7—11; da der Wellenwiderstand der Koaxialleitungsabschnitte 7 und 8 und der Durchmesser des Drähtchens 9 bekannt sind, kann man daraus die Impedanz der Diode in der Nähe der Frequenz /, berechnen. Messungen, die an Diodenhalterungen bei verschiedenen Trägerfrequenzen und bei konstanter Zwischenfrequenz durchgeführt worden sind, haben gezeigt daß sich diese Impedanz wenig ändert; F i g. 4 zeigt die Impedanz einer Schottky-Diode bei 1,45 GH?.

Die verschiedenen Bestandteile 34,35 und 36 werden nach der Erfindung beispielsweise wie folgt definiert.

Jedes durch einen Koaxialleitungsabschnitt gebildete Element ist durch zwei Parameter definiert nämlich durch seinen Wellenwiderstand und seine elektrische Länge. Die elektrischen Längen sind durch die erfindungsgemäße Bedingung festgelegt daß die beiden Koaxialleitungsabschnitte eine Viertelwellenlänge und der Leiter 9 eine Dreiviertelwellenlänge haben. Technologische Erwägungen (die insbesondere durch die Drahtherstellung bedingt sind) begrenzen die Möglichkeiten der Wahl des WeÜenwiderstands des vom Leiter 9 gebildeten Leitungsabschniits. Es sind daher noch die Wellenwiderstände der den Kapazitäten

36 und 34 entsprechenden Koaxialleitungsabschnitte festzulegen. Die Kapazität 34 wirkt sich auf den Hohlleiter 2; und die bei der Frequenz /o arbeitende Übertragungsleitung aus. Es ist daher vorzuziehen, den entsprechenden Wellenwiderstand unter Berücksichti· gtirtg ihres Verhaltens bei der Frequenz /J> zu wählen. Somit verbleibt nur ein einziger Parameter.

In den folgenden Gleichungen ist die elektrische Länge jedes Elements durch den Buchstaben /

50	C
z» '	/35
50	C
	/35
	C
50

bezeichnet, dem das Bezugszeichen des Elements als Index hinzugefügt ist Die Wellenwiderstände sind mit dem Buchstaben Zund dem gleichen Index bezeichnet c ist die Lichtgeschwindigkeit Da die elektrischen s Längen klein gegen die Wellenlängen in Luft bei der Zwischenfrequenz sind, kann man schreiben:

L₃₅ =

Fig.4 zeigt in einem normierten .mith-Diagramm des komplexen Leitwerts RsZq+jX/Zo, -./obei Zo der Wellenwiderstand ist wie Z_3b bei dem obigen Beispiel graphisch bestimmt werden kann. Bei bestimmten Ausführungsformen können aber praktische Erwägungen daz-" führen, daß Za, fest vorgegeben und ein anderer veränderlicher Parameter gewählt wird. Ausgehend von dem Punkt 1 (Impedanz der Diode; siehe F i g. 3) entspricht der Bogen 41 der Auswirkung der Kapazität 34, die in bezug auf die Impedanz Zy, normiert worden ist; der Bogen 42 entspricht der Auswirkung der Induktivität 35, normiert in bezug auf Z35; und der Bogen 43 entspricht der Auswirkung der Kapazität 36, normiert in bezug auf Z-^ Da der Endpunkt des Bogens 43 notwendigerweise mit dem Punkt zusammenfallen muß, der die normierte Impedanz darstellt definiert die Verschiebung zwischen dem Bogen 42 und dem Bogen 43 die normierte Impedanz Z₃₆ der Kapazität 36.

Als Beispiel soll die Halterung für eine Schottky- Diode beschrieben werden, die als Mischstufe zwischen einer Trägerfrequenz /0 = 44 GHz und einer Zwischenfrequenz /,= 1,450 GHz verwendet wird.

Die Anode der Siliciumdiode hat einen Durchmesser von 3 μπι.

Die beiden Koaxialleitungsabschnitte 7—10 und 8—11 haben eine Länge von 0,9 mm, was einer Viertelwellenlänge in einer Koaxialleitung entspricht die ein Epoxydharz als Dielektrikum aufweist.

Die Innenleiter der beiden Koaxialleitungsabschnitte haben einen Durchmesser von 0,9 mm.

Das Golddrähtchen 9 hat einen Durchmesser von 12 μίτι und eine Länge von 5 mm, was einer Dreiviertelwellenlänge in Luft entspricht.
Die r>clialtungselemente haben die folgenden Werte:

— Der Kondensator 34 hat eine Kapazität von 1,38 Picofarad;

— der Kondensator 36 hat eine Kapazität von 0,45 Picofarad;

— die Induktivität 35 hat einen Wert von 5500 Nanohenry.

Die experimentell aufgenommene äquivalente Impe* danz der Diode beträgt 170 Ohm.

Fig.5 zeigt das am Ausgang des Koaxialleitungsab-Schnitts 7 aufgenommene Leitwertdiagrainm. Dieses läßt erkennen, daß zu beiden Seiten der Zwischenfrequenz fi die Anpassungsbedingungen im wesentlichen erfüllt sind.

Dagegen wird die Trägerfrequenz /öbeim Durchgang durch die Diodenhalterung zwangsläufig stark gedämpft, so daß ihr Pegel am Ausgang des Koaxialleitungsabschnitts 7—10 um 20 dB unter dem im Hohlleiter gemessenen Pegel liegt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Dioüen-Mischstufe zur Verwendung im MiIIimeterwellenbereich, mit einer in einem Hohlleiterabschnitt angeordneten Diode, deren eine Elektrode mit einem äußeren Anschluß über zwei Koaxialleitungsabschnitte verbunden ist, die in einer als Diodenhalterung dienenden Metallplatte ausgebildet sind und deren Mittelleiter durch einen Verbindungsleiter verbunden sind, der in einer zylindrischen öffnung der Metallplatte liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialleitungsabschnitte eine Länge haben, die einer Viertelwellenlänge in Luft bei der Trägerfrequenz entspricht, daß der Verbindungsleiter ein dünnes Drähtchen ist, dessen elektrische Länge einer Dreiviertelwellenlänge bei der Trägerfrequenz entspricht, und daß der Durchmesser des Drähtchens einerseits und der Wellenwiderstand der Koaxialleitungsabschnitte andrerseits so bemessen sind, daß die Diode am Ausgang bei der Zwischenfrequenz eine Impedanz aufweist, die gleich dem Wellenwiderstand der für die Übertragung der Zwischenfrequenz dienenden Koaxialleitung ist.

2. Dioden-Mischstufe nach A?;spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Koaxialleitungsabschnitte und der sie verbindende Verbindungsleiter ein Tiefpaß-Filterglied bilden, dessen Grenzfrequenz zwischen der Trägerfrequenz und der Zwischenfrequoiiz liegt

3. Dioden-Mischstufe nach /· jspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, rfaß die Impedanzen der (Coaxialleitungsabschnitte und der Durchmesser des Verbindungsleiters in Abhängigkeit von der Impedanz der Diode so bemessen sind, daß deren Impedanz an diejenige einer genormten 50-Ohm-Koaxialleitung bei der Zwischenfrequenz angepaßt ist