DE2633421C3

DE2633421C3 - Mikrowellen-Eingangsschaltung mit einem parametrischen Abwärtsmischer

Info

Publication number: DE2633421C3
Application number: DE2633421A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Prof. Dr.-Ing. 3012 Langenhagen Loecherer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1976-07-24
Filing date: 1976-07-24
Publication date: 1979-02-22
Also published as: CA1114023A; FR2359542B1; US4158817A; GB1590415A; DE2633421A1; DE2633421B2; SE420369B; SE7708467L; JPS5938774B2; FR2359542A1; JPS5315011A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Eingangsschaltung mit einem parametrischen Abwärtsmischer in Frequenzengleichlage zum direkten Anschluß an eine Mikrowellenantenne. Dabei ist der Mischer bei der Eingangssignalfrequenz reell abgeschlossen, und die Eingangssignalfrequenz ist nicht sehr verschieden von der Zwischenfrequenz.

Parametrische Verstärker sind an sich bekannt, beispielsweise durch [1] das Buch Varactor Applications von P. P e η f i e I d, R. P. R a f u s e, The M. I. T. Press 1962. Ferner ist es bekannt, bei Mikrowellen der Empfangsantenne einen Abwärismischer nachzuschallen. Desgleichen ist es bekannt, hierfür einen parametrischen Gleichlage-Abwärtsmischer mit reellem Spiegelfrequenzabschluß zu verwenden. [2] DE-PS 22 30 536: dieser ist allerdings nur dann rauscharm, wenn die Eingangssignalfrequenz Ai sehr viel größer als die Zwischenfrequenz f, ist (vgl. [2], Sp. 3, Gl. [5]).

Ziel der Erfindung ist es, eine Eingangsschaltung für Mikrowellen aufzuzeigen, welche verstärkt und auch dann rauscharm ist, wenn

f_s\/f.- nicht sehr groß gegen Eins ist. In diesem Fall liegen die Signalfrequenz Λι und die Spiegelfrequenz

weit auseinander
und wenn

die Rauschtemperatur Τ_ψ des Spiegelfrequenzabschlusses kleiner als die Rauschtemperatur Tp der Reaktanzdiode ist. In diesem Fall ist die Mischer-Rauschtemperatur T,„ zwar von der Größenordnung wie Tu, doch reicht dies beispielsweise bei terrestrischen Radiometeranwendungen aus.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 2 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 15 angegeben.

Die Fig. 1 zeigt die Frequenzen des gesamten Abwärtsmischers M, der aus der Kettenschaltung eines Abwärtsmischers M\ und eines Aufwärtsmischers Mi besteht, mit dem zugehörigen Irequenzschema.

Die Fig. 2 stellt das Blockschaltbild an einer, aber ungünstigen Lösung der gestellten Aufgabe dar.

In der Fig. 3 ist das Prinzipschallbild des gesamten Abwärtsmischers /Wdargestellt in seiner Ausführung als Serientyp.

In der Fig. 4 ist das Prinzipschaltbild des gesamten Abwärtsmischers M dargestellt in seiner Ausbildung als Paralleltyp.

Die F i g. 5 zeigt den gesamten Abwärtsmischer Mbci Ausbildung als Serientyp in Verbindung mit einem nachgeschalteten Verstärker K der ebenfalls als Serientyp verwirklicht ist.

Fig.6 zeigt den gesamten Abwärtsmischer M bei Ausbildung als Paralleltyp mit einem nachgeschalteten ZF-Verstärker V, der ebenfalls als Paralleltyp verwirklicht ist.

Der gesamte Abwärtsmsicher M besteht aus aus der Kettenschaltung eines Abwärtsmischers /Wi von f_y\ auf //i mit reellem Spiegcll'requenzabschluß und eines (gemäß [1], Abschn. 5.2, S. 99 ff. bekannten) konventionellen Aufwänsmischers Mi von f,\ = f-,2 auf (_n = /... Die erste Stufe ist bei der Spiegelfrequenz f_ip = f.,; - f,-mit einem reellen Widerstand R_Hp (Rauschtemperatur ^r> T_v>) abgeschlossen; sie liefert wegen fov>f,\ eine kleine Rauschzahl (vgl. [2]); außerdem liefert sie einen verfügbaren Konversionsgewinn (vgl. [3], AEU 26 [1972], H. 11, S. 475-480, Gl. [20]). Die zweite Stufe liefert für sich allein bei optimaler Dimensionierung

κι ebenfalls einen verfügbaren Konversionsgewinn und eine kleine Rauschtemperatur (vgl. [1], Abschn. 5.2.2.. S. 104 ff.); ob das aber auch noch in der Kettenschaltung gill, hängt von der Größe des »Generatorwiderstandes« R_r\\ ( = Ausgangswiderstand der 1. Stufe) ab. Eine hier

π nicht wiedergegebene theoretische Untersuchung hat geneigt, daß dies der Fall ist; der verfügbare Konversionsgewinn ist allerdings um etwa den Faktor 2 geringer als der Optimalwert fjf,\ (gemäß den Manley-Rowe-Gleichungen): die Rauschtemperatur T₁

.'ο ist nur wenig größer als die Diodentemperatur Tu: dieser Beilrag spielt aber nach der Friisschen Formel nur eine unwesentliche Rolle, da die erste Stufe Gewinn macht.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 hat gegenüber dem

2Ί ebenfalls möglichen Konzept nach F ι g. 2 folgende Vorteile:

1. Der Mischer zeigt zwar kleines Rauschen, hat aber einen Konversionsverlust (vgl. [1], Abschn. 5.4, S. 144 ff.). Dieser muß in dem nachfolgenden

κι Geradeaus-Verstärker wieder ausgeglichen werden, was evtl. einen mehrstufigen Verstärker erfordert.

2. Der Geradeaus-Verstärker muß extrem rauscharm sein, da sein Rauschbeitrag wegen des Konver-

j) sionsverlustes des Mischers wesentlich ist. Daher

muß eine sehr hohe Pumpfrequenz f_re»f,(\. a. auch /)_ν»Λι) verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist in der Anordnung nach F i g. 1 die höchste vorkommende Frequenz die Eingangssignallre-

-1(1 quenz Λι, die Pumpfrequenz f,,2 liegt sogar

wesentlich unter Λι- — IJ. U. kann man mit einer Pumpfrequenz, nämlich /),_>. auskommen und er zeugt fp\ durch eine F requenzvervielfachung niedriger Ordnung (ζ. Β. η = 3).

■r> Die Schaltung arbeitet unter der Bedingung

A.ι R« t «μ
L₁, Hs₁. ( A₁₁

a I

für Mischer ium Serieiil} ρ (Il

Is₁, (l„ 4 (jj>|

Λ, G',,, -4- G'ni

llii" Mischer uuvi l';ir;illell\p (2|

Dies folgt aus einer hier nicht wiedergegebenen theoretischen Überlegung Für den verfügbaren Konversionsgewinn der Gesamtschaltung in Fig. 1 gilt dann (in Näherung)

I,,

Mischer Λ/, : /., ,

Mischer M': L,

und für die minimale Rauschtemperatur

{' ■ '.,, i ⁴ · I₁, (4)

sowie Riι Jcr. /.itiehöriucii optimalen Generator« iderslnmj

(ι/ι — dynamische Ciiitc der Reaktaii/xiinde im Mischer '/ ■
R^ — Bahnwidersland dieser Diode).

/ahlenbeispicl: /_sl = 28 GH/; /_„ ^ 12 (ill/; /., 2 (ill/ ./,,, 24GlI/; ί/,

Dann gill

/.,,_A,.„, - 21; R₁, „,„ - / ■ K,.

504 K ilii- 7,,, 7), ■■ 290 K

224 K für 7'_S|, = 50 K; 7„ - 290 K.

7_Al„, -

Wenn die Abwärtsmischung von /',i =28GHz auf (,— 12 GHz mit dem Mischer Mi allein bewältigt wird, ergeben sich folgende Daten im Rauschminimum:

;,,, 7„ :')(> κ v,,, /„ 4S.3 κ

R,	20 · R,	2270 K.	I	2.3 ■	R,
*Q-I,*	7.S4 =		I	.7 =	493 K
K,	2.27	}	.47

ist offenbar, daß diese Lösung unbrauchbar ist. scher M\ mit reellem Spiegelabschluß (nach [2], [3]) und

In Fig. 3(4) ist das Schaltungsprinzip des gesamten einen bekannten konventionellen Aufwärtsmischer

Abwärtsmischers M vom Serientyp (Paralleltyp) darge- ohne Spiegel M_>(z. B. nach [I]). Es bedeuten: stellt. Es enthält jeweils einen bekannten Abwärtsmi-

P₁. p₂ die Pumpkreisfrequenzen = 2.-7 /,,,.2.7 I₁,-

;,. r_: die Zwischenfrequenzen = 2.7 /_:l.2n /., -~ 2n f.

Pt + Z\ = S₁ die Einiuingssignal-Kreisfrequen/ - 2n f\_t

P₁ — Z₁ die Spicgclfrcquen/ = 2 η /.,,,

Bei Nachschalten eines geeigneten, an sich bekannten Diese Eingangsschaltung hat dann nach der Friis-

ZF-Verstärkers kann in Weiterbildung der Erfindung 55 sehen Formel die Rauschtemperatur ein rauscharmer ZF-Verstärker gebildet werden, Durch (T_z, )„„„

Rauschanpassung des nachgeschalteten ZF-Verstärkers 7,„„ = T_K ,,,„.+ -—-"", (6)

wird dessen Rauschtemperatur auf ihren Minimalwert '■ ^Kl'"'·

7>,,_nm gebracht. Hierzu muß die Bedingung ^ d. h. wegen L·,. _λι.,,,. » I (nach (3))

Ra = Rs.min U²

bzw. ^ T^ * 7_A„„. (7)

λ — i.mm.u- \j_m gleichzeitig Rauschanpassung des ZF-Verstär

erfüllt sein (7?,._m,>, bzw. G₁ .„„„ ist der Eingangswiderstand kers und Leistungsanpassung des Abwärtsmischers zl bzw. -Leitwerk des ZF-Verstärkers für minimales 65 erhalten, können folgende Zusammenschaltungen geRauschen: ü ist das Übersetzungsverhältnis des wählt werden:

Übertragers zwischen Abwiirtsmischer und ZF-Verstär- Wenn man für den Abwärtsmischer einen parametri-

ker, s. die Fi g. 3 und 6). sehen Mischer vom Serientyp entsprechend F i g. 3

vähll, so muß der naehgcschaltetr Zi" Verstärker lüu Bedingung

R;

L-rfüllen. Hierin is!

Ri -

R₁

der Eingangswiderstand des ΖΓ-Verstärkers.

Ein derartiger ZF-Verstärker kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, daß als aktives Element eine Röhre verwendung findet, die in Gitter-Basis-Schaltung betrieben wird.

Bei Verwenudng eines Transistors muß dieser in Basisschaltung betrieben werden. Ferner ist es möglich, für den ZF-Verstärker einen Feldeffekttransistor in Gate-Schaltung zu benutzen.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung erhält man dadurch, daß man für den nachgeschalleien ZF-Verstärker einen parametrischen Mischerkettenverstärker verwendet, der vom Serientyp ist (Fig. 5). Dieser Verstärker besteht aus der Kettenschaltung eines parametrischen Auf- und Abwärtsmischers, dessen Dioden verschiedenartig durchgepumpt werden. Vorzugsweise dient hierfür ein gemeinsamer Pumposzillator. Derartige Mischerkettenverstärker sind bekannt durch die DE-PS 19 52 135.

Wird dagegen ein Paralleltyp als Abwärtsmischer (F i g. 4) verwendet, so muß der ZF-Verstärker die Bedingung

G₁

/m

(9)

einhalten, wobei

der Eingangsleitwert des ZF-Verstärkers ist.

Dieser ZF-Verstärker läßt sich beispielsweise dadurch verwirklichen, daß man eine Röhre in Kathoden-Basis-Schaltung benutzt. Wird als aktives Element ein Transistor verwendet, so ist dieser in Emitter-Schaltung bzw. Source-Schaltung zu betreiben.

Besonders vorteilhaft ist wieder die Verwendung eines an sich bekannten parametrischen Mischerkettenverstärkers als ZF-Verstärker, da ein derartiger Verstärker nicht reziprok ist und eine sehr gute Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang ermöglicht, durch geeignete Neutralisation seines Rückwirkungsleitwerts, wie dies beispielsweise durch die DE-PS 11 12 140 beschrieben wird. Da der Abwärtsmische'-vom Paralleltyp ist, wird zur Erzielung der gewünschten Leistungsanpassung des gesamten Mischers ein nachgeschalteter Mischerkettenverstärker vom Paralleltyp gewählt (F ig. 6).

Anhand eines in F i g. 6 dargestellten schematischen Ausführungsbeispiels soil die Erfindung kurz erläutert werden.

Als Abwärtsmischer M ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Mischer vom Paralleltyp

verwendet. Seine Misehdioden sind mit Di, D: bezeichnet. Y₁,, _{+ /i} bedeutet den komplexen Leitwert des Eingangskreises, wobei p\±z\ die Eingangssignalfrequenz bzw. die Spiegelfrequenz ist.

Der komplexe Leitwert des Zwischenfrequenzkreises bei der Zwischenfrequenz z\ ist mit Y₇\ be7eichnet. Die Spiegelkreisfrequenz ist p, — z_u der komplexe Leitwert des Spiegelkreises ist Y_p\—z\. Unter der (erfüllten) Voraussetzung, daß die Pumpkreisfrequenz f_p\ wesentlich größer als die Zwischenkreisfrequenz (_Λ ist, liegen die beiden Frequenzen

p\

um!

relativ dicht beieinander. Dann kann der Antennenwiderstand R_r\ t Zi, welcher sich auf der Antennentemperatur Ti befindet, gleichzeitig für die Bedämpfung des Spiegelfrequenzkreises benutzt werden, d. h. Tsn = T_A. Mit f_s\ = fs/, ist auch R_g « R_sp bzw. G_e = C_v und damit (1) bzw. (2) automatisch erfüllt. Mit T_sp = Ta folgt aus (4)

Λ. _T

= -Τ— IA

Jsp

i/l

T₀.

Danach ist Tkcuc etwas größer als To für Ta = Td, jedoch i. a. Tkciu< Tdfür Ta«Td-

Die Mikrowellenantenne, an welcher der gesamte Abwärtsmischer M = M\ + Mi angeschlossen ist, wurde in der Fig. 6 durch die mit 5 bezeichnete Signalquelle dargestellt. Dem als Paralleltyp ausgebildeten Abwärtsmischer M ist in der Figur ein Mischerkettenverstärker Knachgeschaltet, der vom Paralleltyp ist. Seine beiden Reaktanzdioden sind mit Cz und Ct bezeichnet. Eingangs- und ausgangsseitig hat dieser ZF-Verstärker einen auf die Zwischenfrequenz abgestimmten Parallelschwingkreis mit dem komplexen Leitwert Y₂. Die beiden Reaktanzdioden Cz und G sind über einen gemeinsamen Hilfskreis miteinander verkoppelt, welcher durch Y_pi_±7 dargestellt ist. Die Ankopplung des ZF-Verstärkers V an den Abwärtsmischer M erfolgt durch einen Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis ü². Der Ausgangsleitwert des Abwärtsmischers ist mit Ga, der Eingangsleitwert des ZF-Verstärkers Vist mit Gezeichnet.

Ünier den angegebenen Voraussetzungen können mit einer derartigen Eingangsschaltung bei Leistungsanpassung am Ein- und Ausgang und gleichzeitig großer Leistungsverstärkung Rauschtemperaturen erzielt werden, die gemäß (4) und (7) bei genügend großer Diodengüte <ji unterhalb Raumtemperatur liegen, ohne daß die Schaltung gekühlt wird.

Für riie Eingangsschaltung verwendet man vorzugsweise einen gemeinsamen Pumposzillator P, der sowohl Abwärtsmischer als auch parametrischen ZF-Verstärker pumpt.

Besonders vorteilhaft ist bei der Schaltung, daß die Pumpfrequenzen f_p\, f_P2 unterhalb der Signalfrequenzen

/il

fp\

fz\

liegen. Ferner ist die Schaltung leicht in integrierter Bauweise ausführbar.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellen-Eingangsschaltung mit einem parametrischen Abwärtsmischer in Frequenzengleichlage zum direkten Anschluß an eine Mikrowellenantenne, wobei der Mischer bei der Eingangssignalfrequenz reell abgeschlossen ist, und bei dem die Eingangssignalfrequenz nicht sehr verschieden von der Zwischenfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Abwärtsmischers vom Serientyp der Signaleingang mit dem reellen Antennenwiderstand (R_g) abgeschlossen ist, daß der Abwärtsmischer aus der Kettenschaltung eines Serientyp-Abwärtsmischers (Mi) mit einem Serientyp-Aufwärtsmischer (M2) besteht, wobei der Abwärtsmischer bei der Spiegelfrequenz ir.it einem rsellen Widerstand (R_sp) abgeschlossen ist und folgende Bedingung gilt:

Li

Rs,

wobei

fs,, =

Bahnwiderstand der Reaktanzdiode im ersten Mischer Mi,
Eingangssignalfrequenz,
Spiegelfrequenz

bedeutet.

2. Mikrowellen-Eingangsschaltung mit einem parametrischen Abwärtsmischer in Frequenzengleichlage zum direkten Anschluß an eine Mikrowellenantenne, wobei der Mischer bei der Eingangssignalfrcquenz reell abgeschlossen ist, und bei dem die Eingangssignalfrequenz nicht sehr verschieden von der Zwischenfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Abwärtsmischers vom Paralleltyp der Signaleingang mit dem reellen Antennenleitwert (G₁.) abgeschlossen ist, daß der Abwärtsmischer aus der Kettenschaltung eines Paralleltyp-Abwärtsmischcrs (Mi) mit einem Paralleltyp-Aufwärtsmischer (Mj) besteht, wobei der Abwärtsinischer bei der Spiegelfrequenz mit einem reellen Leitwert (Gs_n) abgeschlossen ist und folgende Bedingung gilt:

Lr
Li

G_1n G_m

1 .

wobei

Gin = Verlustleitwert der Reaktanzdiode im ersten Mischer Mi,

Ai = Eingangssignalfrequenz,
fs,, = Spiegelfrequc-nz

bedeutet.

3. Schaltung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpfrequenz (l),\) des ersten Mischers (Mi) durch Frequenzvervielfachung niedriger Ordnung aus der Pumpfrequenz (/),>) des /weiten Mischers (M>) gewonnen wird.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mischer (M)ein an sich bekannter.

rauschangepaßter ZF-Verslärker vom Serientyp nachgeschaltet ist, für den folgende Bedingung gilt:

R₁

R,. „„·

Λ ι

wobei
Ri-:

R,,„„,

der Eingangswiderstand des ZF-Verstärkers,

der Widerstand der Signalquelle des ZF-Verstärkers für minimales Rauschen, die dynamische Güte der Reaktanzdiode im ersten Mischer (Mi), wenn für ihren Bahnwiderstand R_si = R& angenommen ist.

bedeutet.

5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mischer (M,)ein an sich bekannter, rauschangepaßter ZF-Verstärker vom Paralleltyp nachgeschaltet ist, für den folgende Bedingung gilt:

G/.

./=1
Li

t/i

wobei

= der Eingangswert des ZF-Verstärkers, = der Leitwert der Signalquelle des ZF-Verstärkers für minimales Rauschen ist,

bedeutet.

6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker eine Röhre in Gitter-Basisschaltung verwendet wird.

7. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker ein Transistor in Basisschaltung verwendet wird.

8. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker ein Feldeffekttransistor in Gate-Schaltung dient.

9. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker ein an sich bekannter parametrischer Mischerkettenverstärker vom Serientyp dient.

10. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärkcr eine Röhre in Kathoden-Basisschaltung dient.

11. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor in Emitter-Schaltung als ZF-Verstärker dient.

12. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldeffekttransis' tr in Source-Schaltung als ZF-Verstärker dient.

13. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker ein an sich bekannter parametrischer Mischerkettenverstärker vom Paralleltyp dient.

14. Schaltung nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß für den Abiviirtsmischer und für den Mischerkettenverstärker ein gemeinsamer Pumposzillator Verwendung findet.

15. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpfrequenzen so gewählt werden, daß insgesamt ein Geradeaus-Verstärker entsteht.