DE2816915A1 - Mischelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mischelement, versehen mit einem ersten Hohlleiterteil für die Übertragung eines, nach ein niedrigeres Frequenzband umzuformendes Eingangssignal und einem zweiten Hohlleiterteil für die Übertragung eines, von einem Überlagerungsoszillator gelieferten Signals, welche beiden Hohlleiterteile in einen Raum münden, worin ein erster Halbleiter angeordnet ist, mit dessen Hilfe ein Ausgangssignal erhalten wird, dessen Frequenzen (f[tief]u eine lineare Kombination der Frequenzen (f[tief]s) des Eingangssignales und der Frequenz (f[tief]LO) des Überlagerungsoszillators bilden, welches Mischelement weiter mit einem Leiter für die Übertragung des genannten Ausgangssignals versehen ist.

Ein dergleiches Mischelement, wobei als Halbleiter eine Diode benutzt wird, mit deren Hilfe ein Ausgangssignal mit den Frequenzen f[tief]u = |f[tief]s - f[LO]| erhalten wird, und für die Übertragung des Ausgangssignals ein mit der Diode verbundenes Koaxialkabel benutzt wird, ist allgemein unter der Bezeichnung

"Einfachmischstufe" bekannt und fand früher oft Anwendung in Radarempfänger. Die Frequenzen des Eingangssignales und die Frequenz des Überlagerungsoszillators müssen dabei in derselben Grössenordnung liegen, also 100 Khz<f[tief]u<100 MHz. Hierdurch wurde eine sehr akzeptable Rauschzahl erhalten, dieses ist in dB ausgedrückt die Verminderung in Signal/Rauschverhältnis des Detektorempfängers, zu dem das Mischelement gehört. Um diese Resultate infolge des Auftretens des Rauschens des Überlagerungsoszillators nicht ungünstiger ausfallen zu lassen, wurden in der Praxis sogenannte "Doppelmischstufen" benutzt.

In den letzten Jahren jedoch wurden Halbleiter, vor allem "GaAs-Feldeffekttransistoren" entwickelt, die die Rauschzahl des Zwischenfrequenzverstärkers bei 1000 MHz auf 2,5 dB beschränken und bei 10 GHz auf 3 bis 4 dB. Diese Daten sind derartig, dass die Benutzung von Mischelementen, in denen Eingangssignale mit einer hohen Frequenz nach solchen mit einer Frequenz die in der Grössenordnung von einigen GHz liegt umgeformt werden, doch Vorteile bietet. Ein Vorteil bezieht sich auf die Tatsache, dass in der Praxis, z.B. bei der Telekommunikation in den Zwischenfrequenzverstärkern ein effektives Frequenzband benutzt wird, welches in der Breite ungefähr 20 % der Trägerfrequenz des Eingangssignales, worauf genannte Verstärker abgestimmt sind, beträgt; in dem Masse wie diese Frequenz höher liegt, ist das Frequenzband, absolut gesehen, breiter. Ein anderer Vorteil, der verbunden ist mit den relativ höheren Werten von f[tief]u = |f[tief]s - f[tief]LO|, ist, dass in dem Mischelement generierte Spiegelfrequenzen f[tief]sp = |2f[tief]LO - f[tief]s| unterdrückt werden können. Ungeachtet all dieser Vorteile bleibt der grösste Nachteil bestehen, nämlich die besonders grosse Rauschzahl der vorgenannten Mischelemente. So ergibt die Umsetzung von 35 GHz nach 60 MHz in einer normal gebräuchlichen Doppelmischstufe eine Rauschzahl von ca. 11 dB. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Mischelement zu schaffen, wobei die Rauschzahl, also in dB ausgedrückt die Verminderung in Signal/Rauschverhältnis, in hohem Masse beschränkt wird, hauptsächlich auch in den Fällen, wo eine Umformung nach Frequenzen in der Grössenordnung von einigen GHz gewünscht ist.

Entsprechend der Erfindung ist dazu das eingangs erwähnte Mischelement so ausgeführt, dass der ungekapselte Halbleiter auf einem in dem genannten Raum angeordneten Substrat angebracht ist, welches Substrat weiter mit zumindest zwei für Mikrowellen geeignete integrierte Übertragungsleiter (MIC, integrierte Mikrowellenschaltung) versehen ist, die eine Verbindung vom Halbleiter zu beiden Hohlleiterteilen formen.

Gekapselte Dioden, wie sie in den gangbaren Einfachmischstufen oder Doppelmischstufen benutzt werden, besitzen Abmessungen in der Grösse der benutzten Hohlleiter, mit als Konsequenz das Auftreten von ungewünschten parasitären Kapazitäten; das Weglassen der Kapselung ergibt eine Verminderung des Signal/Rauschverhältnisses um 2 bis 3 dB. Die Abmessungen von Dioden ohne Kapselung liegen in der Grössenordnung von 0,2 mm; benutzt werden können hier sogenannte "Balken-Leiter" (beam lead), Galliumarsenide (GaAs)- oder Silicium (Si)-Schottky-

Sperrschicht (Schottky barrier)-Dioden. Die Halbleiter ohne Kapselung müssen jedoch auf einem Substrat angebracht werden und erfordern die Anwendung von "Mikrostrip-Schlitzleiter"- und/oder "planparallele Wellenleiter"-Techniken. Das Anbringen von Anpassungselementen auf Abständen von einer oder mehreren Wellenlängen von gekapselten Halbleitern, wie bei der konventionellen Hohlleitertechnik, wodurch die Breitbandigkeit des Mischelementes stark angetastet wird, kann jetzt unterbleiben. So können Anpassungselemente in integrierter Mikrowellenschaltung (MIC) innerhalb des Abstandes von einer Wellenlänge des Halbleiters auf dem Substrat angebracht werden. Bemerkt sei, dass unter dem Begriff "Halbleiter ohne Kapselung" auch die Halbleiter fallen, deren Kapselung eine Einheit mit den aktiven Lagen des eigentlichen Halbleiters bildet und deren Abmessungen unter ca. 2 mm liegen.

Die Erfindung wird jetzt an Hand beiliegender Figuren näher erklärt, wobei

Fig. 1 und 2 Ausführungsbeispiele des Mischelementes entsprechend der Erfindung zeigen; während

Fig. 3 zur Erläuterung der Erfindung drei Frequenzdiagramme enthält.

Das in Fig. 1 abgebildete Mischelement ist mit einem ersten Hohlleiterteil 1 für die Übertragung eines auf ein niedrigeres Frequenzband umzuformendes Eingangssignal versehen und einem zweiten Hohlleiterteil 2 für die Übertragung eines von einem nicht in der Figur angegebenen Überlagerungsoszillator gelieferten Signales. Beide Hohlleiterteile münden in einen

Raum 3 worin ein Halbleiter 4 angebracht ist. Mit Hilfe dieses Halbleiters wird ein Ausgangssignal erhalten, dessen Frequenzen f[tief]u eine lineare Kombination der Frequenzen f[tief]s des Eingangssignals und der Frequenz f[tief]LO des Überlagerungsoszillators bilden. Das Mischelement besitzt weiter einen Leiter für die Übertragung des genannten Ausgangssignales. Auf Grund der Frequenzen dieses Ausgangssignals ist als Leiter für die hier besprochene Ausführungsform ein Hohlleiter sehr wünschenswert. Wie aus der nachfolgend zu besprechenden und in Fig. 2 abgebildeten Ausführungsform zu erkennen, ist dieses jedoch für die Erfindung belanglos. Der Raum 3 besitzt in der vorliegenden Ausführungsform die gleichen Abmessungen wie der auf diesen Raum anschliessende Hohlleiterteil 5; bei anderen Ausführungsformen des Mischelementes braucht dieses nicht der Fall zu sein.

Im Prinzip enthält das im Halbleiter 4 erzeugte Signal, jedenfalls wenn das vom Überlagerungsoszillator gelieferte Signal bedeutend stärker ist als das in Frequenz umzuformende Eingangssignal, hauptsächlich die Frequenzkomponenten f[tief]s, f[tief]LO, f[tief]s + f[tief]LO, |f[tief]LO - f[tief]s| und |2f[tief]LO - f[tief]s|. Werden f[tief]s und f[tief]LO, wie bisher gebräuchlich und in Fig. 3A dargestellt, relativ dicht beieinander gewählt, dann wird das Ausgangssignal von der Differenzfrequenz |f[tief]LO - f[tief]s| gebildet. Durch Anwendung moderner Halbleiter können auf das Mischelement anzuschliessende Zwischenfrequenzverstärker hergestellt werden, die bei Zufuhr von relativ hohen Differenzfrequenzen aus dem Mischelement, doch eine für die Praxis brauchbare Rauschzahl liefern, was dazu geführt hat, dass die Frequenzen f[tief]s und f[tief]LO nicht so dicht beieinander liegend gewählt wurden (siehe Fig. 3B). Ein besonderer Vorteil einer dergleichen Wahl ist, dass unerwünschte Frequenzen und hier besonders die Spiegelfrequenzen |2f[tief]LO - f[tief]s| ausreichend unterdrückt werden können. Wenn jedoch relativ niedrige Frequenzen für einen anzuschliessenden Zwischenfrequenzverstärker gewünscht werden, können f[tief]s und f[tief]LO so weit auseinander liegend gewählt werden, dass das Ausgangssignal durch die Spiegelfrequenzkomponente |2f[tief]LO - f[tief]s| gebildet wird, während jetzt unter den unerwünschten Frequenzen insbesondere die Differenzfrequenzen |f[tief]LO - f[tief]s| unterdrückt werden können. Diese letzte Situation ist in Fig. 3C dargestellt. Auf die Art und Weise der Unterdrückung der unerwünschten Frequenzen wird nachfolgend näher eingegangen. Im allgemeinen gilt für die Frequenzen f[tief]u des Ausgangssignals, dass f[tief]u = |f[tief]s - f[tief]LO|, wenn f[tief]s kleines Epsilon (f[tief]LO - f[tief]g, f[tief]LO + f[tief]g) und f[tief]u = |2f[tief]LO - f[tief]s|, wenn f[tief]s kleines Epsilon (2f[tief]LO - f[tief]g, 2f[tief]LO + f[tief]g), wobei f[tief]g die maximale Zwischenfrequenz ist, für die ein auf das Mischelement anzuschliessender Zwischenfrequenzverstärker eine Rauschzahl besitzt, die noch unterhalb eines festgelegten Maximalwertes liegt.

Der Halbleiter 4 befindet sich auf einem in dem Raum 3 angebrachten Substrat 6. Als Halbleiter wird, um die Verluste bei der Umformung in der Mischeinheit möglichst zu vermeiden, eine Galliumarsenid (GaAs)-Schottky-Sperrschichtdiode benutzt, obwohl Silicium (Si)-Schottky-Sperrschichtdioden ebenfalls gut brauchbar sind. Der Halbleiter ist ohne Kapselung auf dem Substrat 6 angebracht. Dieses Substrat ist mit für Mikrowellen geeignete integrierte Übertragungsleiter (MIC's) versehen, um eine Verbindung der Halbleiter zu den beiden Hohlleiterteilen möglich zu machen. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform werden die Verbindungen des Halbleiters 4 zu den Hohlleiterteilen 1 und 5 durch einen auf der einen Seite (in der Figur die Vorderseite) des Substrats angebrachten Schlitzleiter 7 gebildet, während die Verbindung des Halbleiters 4 zum Hohlleiterteil 2 durch einen an der anderen Seite (in der Figur die Rückseite) des Substrats angebrachten elektrisch abgeschlossenen Mikrostrip 8 geformt wird, welcher den Schlitzleiter 7 senkrecht oder beinahe senkrecht kreuzt. Der Mikrostrip an der Rückseite und die leitende Schicht an der Vorderseite, worin der Schlitzleiter angebracht ist, bestehen hier aus Gold. Obwohl im allgemeinen für die Verbindungen der Halbleiter zu den beiden Hohlleiterteilen Mikrostrips, Schlitzleiter und/oder planparallele Leiter benutzt werden können, ist in der in Fig. 1 abgebildeten Ausführungsform für die Verbindung des Halbleiters 4 zu den Hohlleiterteilen 1 und 5 ein Schlitzleiter gewählt worden; dieser ermöglicht sowohl über die gesamte Bandbreite des umzuformenden Eingangssignals als auch über die Bandbreite des Ausgangssignals eine sehr gute Anpassung des elektrischen Feldes in den Hohlleiterteilen (TE-Mode) an das elektrische Feld über dem Schlitzleiter. Das elektrische Feld über dem Schlitzleiter erfordert für eine derartige Anpassung keine Mode-Änderung. Es ist jedoch nicht wünschenswert um die Verbindung vom Halbleiter zum Hohlleiterteil 2 ebenfalls als Schlitzleiter auszuführen, hierdurch würde die mühsam erhaltene Anpassung der in Frequenz umzuformenden Eingangssignale und die der Ausgangssignale an den Halbleiter gestört werden; die Verbindung der Halbleiter zum Hohlleiterteil 2 ist daher als Mikrostrip ausgeführt und angebracht an - in der Figur - der Rückseite des Substrats. Eine Anpassung dieses Mikrostrips 8 an den Hohlleiterteil 2 bleibt, trotz der hierfür erforderlichen Mode-Änderung (bestehend aus einer Umsetzung der TE-Mode im Hohlleiterteil 2 in eine TEM-Mode im Mikrostrip 8), für eine einzige Frequenz, nämlich die Frequenz des Überlagerungsoszillators, wohl möglich. Verluste können jederzeit durch Erhöhung der Stärke des vom Überlagerungsoszillator stammenden Signals aufgefangen werden. Zur Vermeidung eines möglichen Übersprechens zwischen dem Schlitzleiter und dem Mikrostrip und damit einer Mode-Störung ist das Substrat relativ dick gewählt worden, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 600 µ, und die Breite des Schlitzleiters relativ schmal, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 200 µ, und muss der Mikrostrip den Schlitzleiter dort kreuzen, wo das elektrische Feld minimal ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist an dieser Stelle, gegenüber der in Fig. 2 abgebildeten Ausführungsform, der Halbleiter angebracht.

Die Anpassungsprobleme, wie sie hiervor bereits zur Sprache gekommen sind, geben an auf welche Weise für die gewünschten Frequenzen die Impedanz des Halbleiters an die charakteristische Impedanz der betreffenden Hohlleiterteile angepasst werden kann. Im Prinzip können für derartige Anpassungen sogenannte Stufentransformatoren benutzt werden, ebenso spitz zulaufende Übertragungsleitungen und offene und abge- schlossene Übertragungsleitungen in Serien- oder Parallelschaltung mit den angebrachten Verbindungen des Halbleiters zu den betreffenden Hohlleiterteilen. Da die im Mischelement auftretenden Umsetzungsverluste stark durch das Auftreten der Summenfrequenz f[tief[s + f[tief]LO und der Spiegelfrequenz |2f[tief]LO - f[tief]s| bestimmt werden, müssen diese ebenfalls mit letztgenannten Anpassungsmitteln unterdrückt werden. In dem in Fig. 1 abgebildeten Mischelement findet die Anpassung der Impedanz des Halbleiters an den Hohlleiterteil 1 für die Frequenz f[tief]s mit Hilfe der 1/4 kleines Lambda-Transformatoren 9 und 10 statt, während besonders der imaginäre Teil der Halbleiterimpedanz für diese Frequenz mit Hilfe der abgeschlossenen Übertragungsleitung 11 angepasst wird. Die Anpassung der Halbleiterimpedanz an den Hohlleiterteil 5 für die Frequenz f[tief]u = |F[tief]LO - f[tief]s| erfolgt mit Hilfe der Übertragungsleitung 12 und der spitz zulaufenden Leitung 13. Die Anpassung an den Hohlleiterteil 2 erfolgt mit der spitz zulaufenden Übertragungsleitung 14 und der 1/4 kleines Lambda-Übertragungsleitung 15. Mit Hilfe der abgeschlossenen Übertragungsleitung 16 und dem Übertragungsweg des Anschlusses der Leitung 16 an den Schlitzleiter 7 zum Halbleiter wird die Summenfrequenz f[tief]s + f[tief]LO unterdrückt, während die Spiegelfrequenz |2f[tief]LO - f[tief]s| mit Hilfe der abgeschlossenen Leitung 17 und des Übertragungsweges des Anschlusses der Leitung 17 an die Leitung 12 zum Halbleiter unterdrückt wird. Ausserdem wird die weniger auftretende Frequenzkomponente |3f[tief]LO - f[tief]s| durch Anbringen der abgeschlossenen Leitung 18 unterdrückt. Auf die Weise, wie diese genannten Anpassungen zustande kommen braucht hier nicht näher eingegangen zu werden, da dieses ausführlich in der einschlägigen Literatur angegeben ist.

In dem in Fig. 2 abgebildeten Mischelement sind auf dem Substrat 6 zwei Halbleiter 19 und 20 angebracht, welche vom gleichen Typ wie die Halbleiter 4 in der in Fig. 1 abgebildeten Ausführungsform sein können. Das Substrat 6 ist hier wiederum in einem Raum 3 angebracht worin die Hohlleiterteile 1 und 2 münden. Über den Hohlleiterteil 1 wird das in Frequenz umzuformende Eingangssignal zugeführt und über Hohlleiter 2 das vom Überlagerungsoszillator stammende Signal. Das in dieser Figur abgebildete Mischelement arbeitet als Doppelmischstufe. Die Halbleiter 19 und 20 sind hierbei symmetrisch zueinander, jeder in einer der Leitungen eines abgeschlossenen planparallelen Leiters 21 aufgenommen; diesen Kreis kann man jedoch auch als das Ende eines Schlitzleiters bezeichnen, der als geschlossene Schleife ausgeführt ist. Der Mikrostrip 8 auf - in der Figur - der Rückseite des Substrats, kreuzt den Schlitzleiter wiederum senkrecht oder nahezu senkrecht und erzeugt ein entgegengerichtetes elektrisches Feld über dem Schlitzleiter, in der die Halbleiter angebracht sind. Die Folge davon ist, wie bei den bekannten Doppelmischstufen, dass über dem einen Halbleiter ein elektrisches Feld entsteht, welches aufgebaut ist aus sich in Phase befindlichen Feldern, die von den Eingangssignalen abstammen bzw. von Signalen, die vom Überlagerungsoszillator stammen, und sich über dem anderen Halbleiter ein Feld befindet, zusammengestellt aus sich in Gegenphase befindlichen Feldern, die von den letztgenannten Signalen abstammen. Die Art der Kupplung von Mikrostrip und Schlitzleiter ist bekannt und bedarf daher ausserdem zu der in Fig.

<NichtLesbar>
abgebildeten Ausführungsform gemachten Angaben keiner weiteren Erläuterung. Die Impedanzanpassung erfolgt ebenfalls in dieser Ausführungsform wieder mit den bekannten Mitteln, einem Stufentransformator 22, den abgeschlossenen Schlitzleitern 23 und 24 und einer spitz zulaufenden Übertragungsleitung 25.

In der in Fig. 2 abgebildeten Ausführungsform ist die Frequenz der vom Überlagerungsoszillator stammenden Signale so gewählt, dass die Frequenzkomponenten der Ausgangssignale f[tief]u = |f[tief]s - f[tief]LO| oder f[tief]u = |2f[tief]LO - f[tief]s| so niedrig sind, dass diese mit Hilfe eines Koaxialleiters 26 einem angeschlossenen Zwischenfrequenzverstärker zugeführt werden können. Der Aussenleiter 27 dieser Koaxleitung ist über das Gehäuse des Substrats mit der leitenden Schicht auf - in der Figur - der Vorderseite des Substrats verbunden, während der Innenleiter 28 der Koaxleitung mit der durch den schleifenförmigen Schlitzleiter umschlossenen leitenden Schicht verbunden ist. Die Halbleiter ergeben daher, parallel geschaltet, eine Überbrückung des Koaxialkabels. Der Innenleiter 28 könnte auch auf einen, in Serie mit dem Mikrostrip 8 angebrachten, nicht abgebildeten elektrisch abgeschlossenen Mikrostrip angeschlossen werden. Das Ende 29 des Mikrostrips müsste dann über eine metallische Verbindung mit der durch den genannten schleifenförmigen Schlitzleiter umschlossenen leitenden Schicht in Verbindung stehen.

Claims (7)

1. Mischelement, versehen mit einem ersten Hohlleiterteil für die Übertragung eines, nach ein niedrigeres Frequenzband umzuformendes Eingangssignal und einem zweiten Hohlleiterteil für die Übertragung eines, von einem Überlagerungsoszillator gelieferten Signals, welche beiden Hohlleiterteile in einen Raum münden, worin ein erster Halbleiter angeordnet ist, mit dessen Hilfe ein Ausgangssignal erhalten wird, dessen Frequenzen (f[tief]u) eine lineare Kombination der Frequenzen (f[tief]s) des Eingangssignals und der Frequenz (f[tief]LO) des Überlagerungsoszillators bilden, welches Mischelement weiter mit einem Leiter für die Übertragung des genannten Ausgangssignals versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der ungekapselte Halbleiter auf einem in dem genannten Raum angeordneten Substrat angebracht ist, welches Substrat weiter mit zumindest zwei für Mikrowellen geeignete integrierte Übertragungsleitungen (MIC, integrierte Mikrowellenschaltung) versehen ist, die eine Verbindung vom Halbleiter zu beiden Hohlleiterteilen formen.

2. Mischelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die, eine Verbindung vom Halbleiter zum ersten Hohlleiterteil formende und für Mikrowellen geeignete integrierte Übertragungsleitung durch einen auf der einen Seite des Substrats angebrachten Schlitzleiter gebildet wird, worin der Halbleiter aufgenommen ist.

3. Mischelement nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die, eine Verbindung vom Halbleiter zum zweiten Hohlleiterteil formende und für Mikrowellen geeignete integrierte Übertragungsleitung durch einen, auf der anderen Seite des Substrats angebrachten elektrisch abgeschlossenen Mikrostrip gebildet wird, der den Schlitzleiter senkrecht oder beinahe senkrecht kreuzt.

4. Mischelement nach Patentanspruch 3, wobei der Leiter für die Übertragung des Ausgangssignals durch ein Koaxialkabel gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Schlitzleiters als geschlossene Schleife ausgeführt ist, und dass weiter ein zweiter Halbleiter ebenfalls ohne Kapselung vorhanden ist, und beide Halbleiter symmetrisch zueinander in dem geschlossenen Teil des Schlitzleiters angebracht sind, wobei diese so mit dem Koaxialkabel verbunden sind, dass sie, parallel geschaltet, eine Überbrückung des Koaxialkabels bilden.

5. Mischelement nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter für die Übertragung des Ausgangssignals durch ein, in den genannten Raum mündendes drittes Hohlleiterteil gebildet wird, und dass eine dritte, für Mikrowellen geeignete integrierte Übertragungsleitung auf dem Substrat angebracht ist, die eine Verbindung vom Halbleiter zum dritten Hohlleiterteil bildet.

6. Mischelement nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die, die Verbindungen vom Halbleiter zum ersten und dritten Hohlleiterteil formenden und für Mikrowellen geeigneten integrierten Übertragungsleitungen zusammen durch einen einzigen Schlitzleiter gebildet werden worin der Halbleiter aufgenommen ist.

7. Mischelement nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, das f[tief]u = |f[tief]s - f[tief]LO|, wenn f[tief]s kleines Epsilon (f[tief]LO - f[tief]g, f[tief]LO + f[tief]g) und f[tief]u = | 2f[tief]LO - f[tief]s|, wenn f[tief]s kleines Epsilon (2f[tief]LO - f[tief]g, 2f[tief]LO + f[tief]g), wobei f[tief]g die maximale Zwischenfrequenz ist, für die ein auf das Mischelement anzuschliessender Zwischenfrequenzverstärker eine Rauschzahl besitzt, die noch unterhalb des festgelegten Maximumwertes liegt.