DE2816586A1

DE2816586A1 - Selbstschwingende mischschaltung

Info

Publication number: DE2816586A1
Application number: DE19782816586
Authority: DE
Inventors: Mitsuhisa Shinagawa; Keiro Shinkawa; Hiroji Shoyama; Chuichi Sodeyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-04-18
Filing date: 1978-04-17
Publication date: 1978-11-23
Also published as: JPS53129512A; DE2816586C3; US4219779A; DE2816586B2; JPS608651B2

Description

HITACHI, LTD.

5-1j 1-chome, Marunouchi, Chiyoda-ku Tokyo (Japan)

Selbstschwingende Mischschaltung

Die Erfindung betrifft eine selbstschwingende Mischschaltung mit einem Feldeffekttransistor mit einem einzigen Gate, kurz Eingate-FET, insbesondere eine Mischschaltung, die für die Frequenzumsetzung eines Signals im suprahohen Frequenzband oder SHF-Band besonders geeignet ist.

Beispielsweise könnte eine im SHF-Band arbeitende Oszillatorschaltung verwendet werden, die als wesentliches Bauteil eine sogenannte Mikrostreifenleitung aufweist, die durch Leiter verschiedener Ausbildungen gebildet ist, die in planarer oder ebener Form auf einem Isoliersubstrat angeordnet sind, das eine Rückseite besitzt,

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die vollständig mit einem elektrisch leitfähigen Werkstoff beschichtet ist, sowie einen PET₃ wie das in Fig. dargestellt ist. Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besitzt der FET 1 einen Source-Anschluß 2, der geerdet ist, und einen Gate-Anschluß 3, der über Leitungen 5a und 5b, die einen Rückkopplungsweg bilden, mit einem Drain-Anschluß 4 verbunden ist. Weiter ist ein Gleichstromanteile blockierender Kondensator 5c vorgesehen. Auf diese Weise ist die Anordnung so zu sehen, als ob die Leitungen 5a und 5b für Wechselsignalkomponenten direkt miteinander verbunden sind. Das am Drain-Anschluß 4 auftretende Signal wird zum Gate-Anschluß 3 über die Leitungen 5a und 5b rückgeführt. Die Phase des zum Gate-Anschluß 3 rückgeführten Signals ändert sich abhängig von dessen Frequenz. Da eine positive Rückkopplung für ein Signal vorgegebener Frequenz auftritt, tritt eine Oszillation oder Schwingung bei einer derartigen vorgegebenen Frequenz auf. Dadurch kann durch Wählen der Länge der Leitungen 5a und 5b derart, daß positive Rückkopplung oder Mitkopplung bei einer gewünschten oder Soll-Frequenz erreicht werden kann, bei der die Schwingung auftreten soll, eine Oszillatorschaltung der gewünschten oder Soll-Frequenz erhalten werden. In Fig. 1 ist eine Einrichtung zum Anlegen einer Gleich-Vorspannung an den FET 1 nicht dargestellt. Da eine derartige Gleich-Vorspannungs-Anlegeeinrichtung für die Erfindung nicht wesentlich ist, ist sowohl eine Darstellung als auch eine Erläuterung nicht vorgesehen.

Da jedoch Signale gleicher Phase auf einer Leitung bestimmter Länge nicht stets die gleiche Frequenz besitzen, sondern ein ganzzahliges Vielfaches dieser Frequenz, kann es vorkommen, daß die Oszillator-Frequenz sich von der Soll-Frequenz unterscheidet. Da die Frequenz, bei der die Schwingung auf einfache oder leichte Weise stattfinden kann, durch die Kennlinien des tatsächlich verwendeten FET be-

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stimmt ist, ist es jedoch in der Praxis einfach, eine Oszillatorschaltung der Soll-Frequenz zu erreichen durch entsprechendes Auswählen der Art des zu verwendenden FET. Zum noch besseren Sicherstellen der Schwingung bei lediglich der Soll-Frequenz können die Rückkopplungs-Leitungen 5a und 5b in Form eines Tiefpaßfilters ausgebildet werden, um harmonische Komponenten zu sperren.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 ist als selbstschwingende Mischschaltung dadurch ausgebildet, daß eine Eingangsleitung für Hochfrequenzsignale (RF) vorgesehen ist, die mit dem Gate-Anschluß 3 verbunden ist, sowie eine Ausgangsleitung 7a vorgesehen ist, die mit dem Drain-Anschluß 4 verbunden ist und ein Tiefpaßfilter 7 aufweist, durch das ein Zwischenfrequenzsignal hindurchtreten kann. Bei einer derartigen Schaltungsanordnung ist es möglich, ein Zwischenfrequenzsignal (IF) vom Tiefpaßfilter 7 zu erreichen, das eine Frequenz entsprechend der Differenz zwischen der Frequenz des hochfrequenten Eingangssignals von der Eingangsleitung 6 und der Schwingungsfrequenz entspricht. Wenn das Zwischenfrequenzsignal so gewählt ist, daß es eine Frequenz im UHF-Band oder VHF-Band besitzt, kann das Tiefpaßfilter 7 leicht durch eine Mikrostreifenleitung ausgebildet werden. Da das Zwischenfrequenzsignal ein Ausgangssignal mit einem Gewinn bezüglich der Amplitude des Eingangs-Hochfrequenzsignals ist, wird vorteilhaft die Einsetzung bzw. Ausbildung von dem Tiefpaßfilter 7 folgenden Schaltungen erleichtert im Vergleich gegenüber einem Diodenmischer od. dgl. und das Schwingen, die Frequenzumsetzung sowie die Verstärkung können simultan in einer vereinfachten Schaltungsanordnung erreicht werden.

Die seIbstschwingende Mischschaltung kann auch dadurch erreicht werden, daß die Verbindungen zum Source-Anschluß

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und zum Gate-Anschluß 3 des FET 1 vertauscht werden.

Weiter kann auch eine Bypass-Schaltung 9 an die Eingangsleitung 6 für das Hochfrequenzsignal angeschlossen sein, wie das in Fig. 2 dargestellt ist, um Zwischenfrequenzsignale im Bypass zu führen. Diese Bypass-Schaltung 9 kann durch eine Viertelwellenlänge-Leitung 9a (λ/4) gebildet sein, die gegenüber einem Hochfrequenzsignal offen ist^und durch einen Kondensator 9b,um das Ende der Viertelwellenlänge-Leitung 9a mit Masse bzw. Erde zu verbinden, bezüglich Wechselsignalen. Der Kondensator 9b wirkt so, daß er verhindert, daß eine Gleichspannung für die Gate-Vorspannung an Masse gelegt wird, wobei die Kapazität des Kondensators 9b so gewählt ist, daß eine ausreichend niedrige Impedanz bei der Zwischenfrequenz erreicht ist. Da die Zwischenfrequenz so eingestellt ist, daß sie ausreichend niedrig im Vergleich zu den Hochfrequenzsignalen ist, kann die Länge der Leitung 9a und ein Teil der Leitung 6, der vom Gate-Anschluß 3 zum Kondensator 9b reicht, für die Zwischenfrequenzsignale außer Betrachtung bleiben. Der Gate-Anschluß 3 kann als geerdet angesehen werden. Auf diese Weise können Zwischenfrequenzsignale vom Drain-Anschluß mit hohem Wirkungsgrad abgegeben werden.

Eine selbstschwingende Mischschaltung mit dem genannten Aufbau besitzt jedoch den großen Nachteil, daß ein erhebliches Lecken des Orts-Schwingungssignals in die Hochfrequenzsignal-Eingangsschaltung auftritt über die Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung 6. Diese Schwierigkeit könnte dadurch überwunden werden, daß an die Eingangsleitung eine Trap- oder Fangschaltung 8 für das Orts-Schwingungssignal angeschlossen wird, die durch eine Leitung mit offenem Ende gebildet ist mit einer Länge, die einer Viertelwellenlänge des Schwingungs-

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Frequenzsignals entspricht, wie das in Fig. 3 dargestellt ist. Jedoch besitzt eine derartige Fangschaltung 8 einen niedrigen Gütefaktor Q und erreicht damit einen Verlust für das Hochfrequenzsignal sowie eine Dämpfung des an den Gate-Anschluß 3 angelegten Eingangssignals, was weiter dadurch verschlimmert wird, daß die Orts-Schwingungsfrequenz sehr nahe derjenigen des Hochfrequenzsignals ist. Da weiter die Oszillatorfrequenz durch die Phasenverschiebung des Signals infolge der Länge der Leitungen 5a und 5b bestimmt ist, wie das erläutert worden ist, besitzt der niedrige Gütefaktor Q dieses Rückkopplungsweges einen nachteiligen Einfluß auf die Stabilität der Oszillator- oder Schwingungsfrequenz .

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine selbstschwingende Mischschaltung für das SHF-Band vorzusehen, die nicht in der Lage ist, ein Lecken des Oszillator-Ausgangssignals in das Hochfrequenz-Eingangssignal sowie einen

Verlust des Hochfrequenzsignals zu erreichen₃und ü±_e eine hohe Stabilität der Oszillator- bzw. Schwingungsfrequenz erreicht.

Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß der Erfindung eine selbstschwingende Mischschaltung verwendet, die einen FET in Source-Schaltung oder Gate-Schaltung verwendet, wobei eine Einrichtung als Ausgangsanschluß des FET dienenden Drain-Anschluß angeschlossen ist, um ein Zwischenfrequenzsignal daran einzublenden, sowie eine Rückkopplungseinrichtung zum Rückkoppeln des Ausgangssignals von einem Ausgangs-Anschluß des FET zu einem Steuer-Anschluß, d. h. vom Drain-Anschluß zum Gate-Anschluß bei einer Source-Schaltung oder zu dem Source-Anschluß bei einer Gate-Schaltung, um dadurch eine Schwingung zu erreichen, eine Leitung zur Zufuhr eines Hochfrequenzsignals zum Gate- oder Source-Anschluß des FET und ein dielektrischer Resonator mit hohem Gütefaktor Q,

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der mit der Leitung verbunden ist. Durch geeignetes Wählen der Lage oder des Abstandes des dielektrischen Resonators vom Gate- oder Source-Anschluß kann die Oszillator- oder Schwingungsfrequenz stabilisiert werden und kann das Lecken des Orts-Oszillatorausgangssignals verringert werden ohne Verlust des Hochfrequenzsignals.

Die Erfindung gibt eine selbstschwingende Mischschaltung an, die hauptsächlich im SHP-Band arbeitet und die einen Eingate-FET sowie eine Mikrostreifenleitung besitzt. Der Gate- oder Source-Anschluß des FET ist mit einer Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung verbunden. Ein Rückkopplungsweg ist zwischen dem Drain-Anschluß und dem Gate- oder Source-Anschluß vorgesehen. Eine Zwischenfrequenz-Ausgangsleitung ist am Drain-Anschluß des FET angeschlossen. Ein dielektrischer Resonator ist mit der Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung gekoppelt zur Verbesserung der Stabilität der Oszillator- oder Schwingungsfrequenz und zur Unterdrückung eines Leckens des Orts- oder Überlagerungsoszillatorsignals.

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

Fig. 1 schematisch ein Muster- oder Schaltdiagramm

des Hauptteils einer ersten selbstschwingenden Mischschaltung mit einer FET-Oszillatorschaltung, die durch eine Mikrostreifenleitung gebildet ist und die mit einer Hochfrequenzsignal-Eingangseinrichtung und einer Zwischenfrequenzsignal-Ausgangseinrichtung versehen ist,

Fig. 2 schematisch ein Muster- oder Schaltdiagramm

des Hauptteils einer zweiten selbstschwingenden

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Mischschaltung mit einer Bypass-Schaltung zum Führen eines Zwischenfrequenzsignals im Bypass zusätzlich zur Schaltungsanordnung gemäß Pig. I,

Fig. 3 schematisch ein Muster- oder Schaltdiagramm des Hauptteils eines dritten Beispiels einer selbstschwingenden Mischschaltung einschließlich einer Fangschaltung für ein Orts-Oszillatorsignal, die durch eine Mikrostreifenleitung gebildet ist und an der Eingangsleitung der Mischschaltung gemäß Fig. 1 vorgesehen ist,

Fig. 4 schematisch ein Muster- oder Sehaltdiagramm des Hauptteils einer selbstschwingenden Mischschaltung mit einem dielektrischen Resonator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 schematisch den Hauptteil einer selbstschwingenden Mischschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die selbstschwingenden Mischschaltungen gemäß den Fig. 1-3 wurden bereits näher erläutert.

Fig. 4 zeigt schematisch in Aufsicht eine selbstschwingende Mischschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Feldeffekttransistor oder FET 1 in Source-Schaltung vorgesehen ist, wobei ein Rückkopplungsweg 5 zwischen dem Drain-Anschluß 4 und dem Gate-Anschluß 3 vorgesehen ist. Der Rückkopplungsweg 5 ist durch Leitungen 5a und 5b und einen (jieichkomponenten-Blockierkondensator 5c gebildet. Ein Tiefpaßfilter 7 für ein Zwischenfrequenzsxgnal

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ist am Drain-Anschluß 4 über eine Ausgangsleitung 7a angeschlossen. Ein dielektrischer Resonator 10 ist an einer Stelle nahe einer Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung 6 vorgesehen. Der dielektrische Resonator 10 ist durch einen festen oder räumlichen Körper, beispielsweise einen Würfel, einen Zylinder, eine Scheibe od. dgl. gebildet mit einer großen Dielektrizitätskonstante und besitzt eine Resonanzfrequenz, die durch geometrische Faktoren wie Form, Abmessung od. dgl. bestimmt ist, wie bei einem Hohlraumresonator. Ein dielektrischer Resonator aus einem Werkstoff der Ti0_o-Reihe mit einer Dielektrizitätskonstante

*und einernf/
von etwa 30" NuxTast-Gütefaktor Q von etwa 5000 bei einer Frequenz im SHF-Band ist praktisch erhältlich. Der dielektrische Resonator 10 kann wirksam in Betriebsverbindung mit der Eingangsleitung 6 gekoppelt werden durch lediglich Anordnen des ersteren nahe dem letzteren und bildet eine Fangschaltung sehr enger Bandbreite infolge dessen hohen Gütefaktors Q. Die durch den dielektrischen Resonator 10 gebildete Fangschaltung ist äquivalent einer Fangschaltung mit einer Reihen-LC-Resonanzschaltung, die die Eingangsleitung 6 an Masse legt und zeigt einen außerordentlich höheren Gütefaktor als eine LC-Bauelementen-Leitung mit gehäuften Parametern. Wenn die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators 10 so gewählt ist, daß sie gleich einer gewünschten Orts-Oszillatorfrequenz oder überlagerungs-Oszillatorfrequenz ist, ist die Eingangsleitung 6 dann mit einer Fangschaltung versehen, die mit starker oder steller Ansteuerung lediglich die Orts-Oszillatorfrequenz unterdrückt, wobei kein Einfluß auf das Hochfrequenzssignal ausgeübt wird.

Da weiter die Eingangsleitung 6 bei der Resonanzfrequenz oder bei Frequenzen sehr nahe der Resonanzfrequenz geerdet ist, kann die Impedanz der Leitung 6 bei der Reso-

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nanzfrequenz vom Gate-Anschluß 3 aus gesehen frei gewählt werden durch entsprechendes Wählen der Leitungslänge 1 zwischen der Stelle, an der der dielektrische Resonator mit der Leitung 6 gekoppelt ist, und dem Gate-Anschluß 3· Bei anderen Frequenzen als der Resonanzfrequenz kann die Impedanz der Leitung 6 vom Gate-Anschluß 3 aus gesehen gleich der charakteristischen oder Kenn-Impedanz der Leitung 6 gemacht werden durch Anschließen eines (nicht dargestellten) Impedanzelementes einer Impedanz gleich der Kenn-Impedanz an den Eingangs-Anschluß. Folglich kann lediglich das Signal der Frequenz gleich der Resonanzfrequenz einer großen Phasenverschiebung unterliegen, wodurch die Schwingungsbedingung des Rückkopplungswegs 5 innerhalb eines sehr -schmalen Frequenzbereiches eingestellt werden kann. Folglich ist die Schwingungs- oder Oszillatorfrequenz bestimmt durch die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators 10. mit hohem Gütefaktor Q, was eine sehr stark erhöhte Stabilität der Frequenz ergibt.

Eine ähnliche Wirkung kann auch bei einer Schaltungsanordnung mit geerdetem oder an Masse liegendem Gate-Anschluß 3 erreicht werden, bei dem die Verbindungen des Source-Anschlusses 2 und des Gate-Anschlusses 3 des FET 1 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 lediglich miteinander vertauscht sind.

Fig. 5 zeigt in Aufsicht ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein dielektrischer Resonator 10' mit der Hochfrequenzsignal-Eingangsleitung 6 einer selbstschwingenden Mischschaltung verbunden ist, wie gemäß Fig. k, wobei jedoch zusätzlich eine Bypass-Schaltung 9 mit der Eingangsleitung 6 verbunden ist, um ein Zwischenfrequenzsignal im Bypass zu führen. Der FET 1 ist in Gate-Schaltung angeordnet bzw. mit geerdetem Gate-Anschluß 3 versehen, wobei

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die Eingangsleitung 6 rait dem Source-Anschluß 2 verbunden ist. Selbstverständlich kann die Source-Schaltung, d. h. die Schaltung mit geerdetem Source-Anschluß Z wie gemäß Fig. 4 ebenso für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 verwendet werden. Der dielektrische Resonator 10' besitzt die gleiche Wirkung wie der dielektrische Resonator 10, der anhand der Fig. 10 erläutert worden ist. Eine verbesserte Stabilität der Oszillatorfrequenz sowie eine wirksame Unterdrückung eines Leckens des Orts-Schwingungssignals oder des uberlagerungsozsillatorsignals kann ohne Verlust für das Hochfrequenzeingangssignal erreicht werden. Weiter kann durch das Vorsehen der Bypass-Schaltung 9 zum Führen des Zwischenfrequenzsignals im Bypass das Zwisehenfrequenzausgangssignal mit hohem Wirkungsgrad abgeleitet werden.

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Leerseite

Claims

BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ PATENTANWÄLTE

Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 : üpi.-lng. R. BEETZ sen. ^ *

Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 Uipl.-Ing. K. LAMPRECHT 2 8 1 6 5 8 B

Telex 522048 - Telegramm Allpatent München Dr.-Ing. R. BEETZ jr.

Rechtsanwalt Dipl.-Phys. Dr. jur. U. HEIDRICH Dr.-Ing. W. TIMPE DipL-lng. J. SIEGFRIED 81-28. I²J 3 P ( 2 8 .1¹J 4 H ) Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN

17. April 1978 Ansprüche

Selbstschwingende Mischschaltung zur Verwendung im SHF-Band, mit einer Oszillatorschaltung, die aus einem Feldeffekttransistor (FET) mit einem Steuer-Anschluß, einem Zwischen-Anschluß und einem Ausgangs-Anschluß und einem Rückkopplungsweg gebildet ist, der zwischen dem Ausgangs-Anschluß und dem Steuer-Anschluß angeschlossen ist,

gekennzeichnet durch

eine durch eine Mikrostreifenleitung gebildete Leitung (6), die mit dem Steuer-Anschluß des FET (1) verbunden ist und dem Steuer-Anschluß ein Hochfrequenzsignal im SHF-Band zuführt,

einen dielektrischen Resonator (10, 10^f) aus einem Festkörper, der aus einem dielektrischen Wirkstoff gebildet ist und eine Resonanzfrequenz besitzt, die mit der Oszillatorfrequenz der Oszillatorschaltung übereinstimmt, wobei der dielektrische Resonator (10, 10^f) mit der Leitung (6) gekoppelt ist, und

ein durch eine Mikrostreifenleitung gebildetes Tiefpaß^filter (7), das mit dem Ausgangs-Anschluß des FET (1) verbunden ist und das Zwischenfrequenzsignal hindurchtreten läßt,

um so das Hochfrequenzsignal im SHF-Band in ein Zwischenfrequenzsignal umzusetzen.
2. Selbstschwingende Mischschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß eine Bypass-Schaltung (9)_; um das Zwischenfrequenzsignal ohne Einfluß auf das Hochfrequenzsignal im SHF-Band im Bypass zu führen, für die Leitung (6) vorgesehen ist.
3. Selbstschwingende Mischschaltung gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Bypass-Schaltung (9) eine Blockiereinrichtung (9b) für Gleichkomponenten besitzt.

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