DE2816915C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Mikrowellen-Misch- Anordnung mit den Merkmalen der Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 2.

Aus der US-PS 38 82 396 ist eine gattungsgemäße Mikrowellen-Misch-Anordnung bekannt. Bei dieser Anordnung werden das in der Frequenz umzusetzende Hochfrequenzeingangssignal sowie das zur Umsetzung verwendete Signal des Überlagerungsoszillators gemeinsam über einen Hohlleiter in einen Hohlleiterabschnitt eingespeist. Der Hohlleiterabschnitt ist auf seiner dem speisenden Hohlleiter gegenüberliegenden Seite durch eine der Abstimmung dienende bewegliche Wand abgeschlossen. Vor der Wand befindet sich ein Substrat, das sich rechtwinklig zu der Wellenausbreitungsrichtung in dem Hohlleiter erstreckt. Auf dem Substrat ist eine Mikrostreifenleitung integriert, die an eine ebenfalls auf dem Substrat vorhandene ungekapselte Halbleiterdiode angeschlossen ist. Ihr anderer Anschluß ist elektrisch leitend mit der Innenseite des Hohlleiterabschnittes verbunden. Die Streifenleitung dient der Auskopplung des abwärtsgemischten Ausgangssignals.

Um sowohl das Hochfrequenzeingangssignal als auch das Oszillatorsignal in die Mischdiode einzukoppeln, ist eine Modenänderung erforderlich, die zu Verlusten führt. Soweit die Verluste beim Oszillatorsignal auftreten, sind sie unkritisch, da sie ohne weiteres durch eine Erhöhung der Leistung des Überlagerungsoszillators ausgeglichen werden können. Die Verluste, die bei der Modenänderung des Eingangssignals entstehen, führen dagegen unmittelbar zu einer Verringerung der Empfindlichkeit der gesamten Anordnung.

Außerdem sind für die bekannte Mikrowellen-Misch-Anordnung zusätzliche Maßnahmen erforderlich, um rückwirkungsfrei das Hochfrequenzeingangssignal und das Signal vom Überlagerungsoszillator in ein und denselben Hohlleiter einzuspeisen, was im übrigen nur dann zu brauchbaren Ergebnissen führt, wenn die Frequenz des Oszillatorsignals verhältnismäßig dicht bei der Frequenz des Eingangssignals liegt.

Eine Mikrowellen-Misch-Anordnung, bei der das Hochfrequenzeingangssignal und das Oszillatorsignal getrennt voneinander zugeführt werden, ist aus der US-PS 40 00 469 bekannt. Hierbei befindet sich, in einem Hohlleiterabschnitt abgeschirmt, eine Streifenleitung, die an einem Ende über zwei Mischdioden mit der Innenwand des Hohlleiterabschnittes verbunden ist. Am anderen Ende der Streifenleitung wird das abwärtsgemischte Zwischenfrequenzsignal ausgekoppelt.

Das einzukoppelnde Hochfrequenzsignal wird über einen Hohlleiter mit einer TE₁₀-Welle an das diodenseitige Ende des Streifenleiters herangebracht, wo eine Modenänderung in eine Leitungswelle stattfindet. Auch das Signal des Überlagerungsoszillators wird als TE₁₀-Welle über einen getrennten Hohlleiter in den Hohlleiterabschnitt eingespeist, und zwar in einem mittleren Bereich, der zwischen den Dioden und der ZF-Seite liegt. Auch beim Oszillatorsignal tritt eine Modenänderung auf. Beide Signale werden als Leitungswellen an den Mischdioden gemischt, wobei an der Streifenleitung ausgebildete Siebschaltungen dafür sorgen, daß das ZF-Signal weitgehend frei vom Oszillatorsignal ist.

Zwar kann die bekannte Mikrowellen-Misch-Anordnung eine größere Frequenzdifferenz zwischen Eingangssignal und Oszillatorsignal verarbeiten, doch hat die Modenänderung beim Eingangssignal auch hier eine Verminderung der Mischempfindlichkeit zur Folge.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Mikrowellen-Misch-Anordnung der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Art so weiterzubilden, daß HF-Eingangssignale ohne Moden-Änderung rausch- und verlustarm eingekoppelt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Mikrowellen-Misch-Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 oder 2 gelöst.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 und 2 Mikrowellen-Misch-Anordnungen für große und kleine Frequenzdifferenzen zwischen dem Eingangssignal und dem Oszillatorsignal und

Fig. 3 Frequenzdiagramme.

Die in Fig. 1 abgebildete Mikrowellen-Misch-Anordnung ist mit einem ersten Hohlleiterteil 1 für die Übertragung eines auf ein niedrigeres Frequenzband umzusetzenden Eingangssignals versehen und enthält ein zweites Hohlleiterteil 2 für die Übertragung eines von einem nicht dargestellten Überlagerungsoszillator gelieferten Signals. Beide Hohlleiterteile münden in einen Raum 3, in dem ein Halbleiter 4 angebracht ist. Mit Hilfe dieses Halbleiters wird ein Ausgangssignal erhalten, dessen Frequenzen f _u eine lineare Kombination der Frequenzen f _s des Eingangssignals und der Frequenz f _LO des Überlagerungsoszillators bilden. Die Mikrowellen-Misch-Anordnung besitzt weiter einen Leiter für die Übertragung des Ausgangssignals. Aufgrund der Frequenzen dieses Ausgangssignals ist als Leiter für die hier besprochene Ausführungsform ein Hohlleiter sehr zweckmäßig. 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 Ausführungsform nach Fig. 2 die gleichen Abmessungen wie das an diesen Raum anschließende Hohlleiterteil 5; bei anderen Ausführungsformen der Mikrowellen-Misch-Anordnung braucht dies 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 der Frequenz umzuformende Eingangssignal, hauptsächlich die Frequenzkomponenten f _s , f _LO , f _s +f _LO , |f _LO -f _s | und |2f _LO -f _s |. Werden f _s und f _LO , wie bisher gebräuchlich und in Fig. 3A dargestellt, relativ dicht beieinander gewählt, dann wird das Ausgangssignal von der Differenzfrequenz f _LO -f _s gebildet. Durch Anwendung moderner Halbleiter können an die Mikrowellen-Misch-Anordnung anzuschließende Zwischenfrequenzverstärker hergestellt werden, die bei Zufuhr von relativ hohen Zwischenfrequenzen aus der Mikrowellen-Misch-Anordnung eine für die Praxis brauchbare Rauschzahl liefern, was dazu geführt hat, daß die Frequenzen f _s und f _LO nicht so dicht beieinander liegend gewählt wurden (siehe Fig. 3B). Ein besonderer Vorteil einer derartigen Dimensionierung ist, daß unerwünschte Frequenzen und hier besonders die Spiegelfrequenzen |2f _LO -f _s | ausreichend unterdrückt werden können. Wenn jedoch relativ niedrige Frequenzen für einen anzuschließenden Zwischenfrequenzverstärker gewünscht werden, können f _s und f _LO so weit auseinanderliegend gewählt werden, daß das Ausgangssignal durch die Spiegelfrequenzkomponente 2f _LO -f _s gebildet wird, während jetzt unter den unerwünschten Frequenzen insbesondere die Differenzfrequenzen f _LO -f _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 _u des Ausgangssignals: f _u = |f _s -f _LO |, wenn f _s im Bereich zwischen (f _LO -f _g , f _LO +f _g ) und f _u = |2f _LO -f _s |, wenn f _s im Bereich zwischen (2f _LO -f _g , 2f _LO +f _g ), wobei f _g die maximale Zwischenfrequenz ist, bei der ein an der Mikrowellen-Misch-Anordnung 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 Umsetzung in der Mikrowellen-Misch-Anordnung 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 6 ist mit für Mikrowellen geeigneten integrierten Übertragungsleitern (MIC's) versehen, um eine Ankopplung des Halbleiters an die beiden Hohlleiterteile zu ermöglichen. 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 6 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 6 angebrachten elektrisch abgeschlossenen Mikrostrip 8 erfolgt, der den Schlitzleiter 7 senkrecht oder beinahe senkrecht kreuzt. Der Mikrostrip 8 an der Rückseite und die leitende Schicht an der Vorderseite, auf der der Schlitzleiter 7 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 7 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 Moden-Änderung. Es ist jedoch nicht wünschenswert, die Verbindung vom Halbleiter zum Hohlleiterteil 2 ebenfalls als Schlitzleiter auszuführen, hierdurch würde die mühsam erhaltene Anpassung der in der Frequenz umzusetzenden Eingangssignale und die der Ausgangssignale an den Halbleiter gestört werden; die Verbindung der Halbleiter zum Hohlleiterteil 2 ist daher als Mikrostrip ausgeführt und - in der Figur - an der Rückseite des Substrats 6 angebracht. Eine Anpassung dieses Mikrostrips 8 an den Hohlleiterteil 2 bleibt, trotz der hierfür erforderlichen Moden-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 7 und dem Mikrostrip 8 und damit einer Moden-Störung ist das Substrat 6 relativ dick gewählt worden, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 600 µm, und die Breite des Schlitzleiters relativ schmal, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 200 µm, wobei der Mikrostrip den Schlitzleiter dort kreuzen muß, 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 eingangs bereits erwähnt sind, werfen die Frage auf, wie 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 abgeschlossene Übertragungsleitungen in Serien- oder Parallelschaltung mit den angebrachten Verbindungen des Halbleiters zu den betreffenden Hohlleiterteilen. Da die in der Mikrowellen-Misch-Anordnung auftretenden Umsetzungsverluste stark durch das Auftreten der Summenfrequenz f _s +f _LO und der Spiegelfrequenz |2f _LO -f _s | bestimmt werden, müssen diese ebenfalls mit letztgenannten Anpassungsmitteln unterdrückt werden. In der in Fig. 1 abgebildeten Mikrowellen-Misch-Anordnung findet die Anpassung der Impedanz des Halbleiters an das Hohlleiterteil 1 für die Frequenz f _s mit Hilfe von ¼λ-Transformatoren 9 und 10 statt, während besonders der imaginäre Teil der Halbleiterimpedanz für diese Frequenz mit Hilfe einer abgeschlossenen Übertragungsleitung 11 angepaßt wird. Die Anpassung der Halbleiterimpedanz an das Hohlleiterteil 5 für die Frequenz f _u = |f _LO -f _s | erfolgt mit Hilfe einer Übertragungsleitung 12 und einer spitz zulaufenden Leitung 13. Die Anpassung an das Hohlleiterteil 2 erfolgt mit einer spitz zulaufenden Übertragungsleitung 14 und einer ¼λ-Übertragungsleitung 15. Mit Hilfe einer abgeschlossenen Übertragungsleitung 16 und dem Übertragungsweg des Anschlusses der Leitung 16 an den Schlitzleiter 7 zum Halbleiter wird die Summenfrequenz f _s +f _LO unterdrückt, während die Spiegelfrequenz |2f _LO -f _s | mittels einer abgeschlossenen Leitung 17 und des Übertragungsweges des Anschlusses der Leitung 17 an die Leitung 12 zum Halbleiter unterdrückt wird. Außerdem wird die mit geringer Amplitude auftretende Frequenzkomponente |3f _LO -f _s | durch Anbringen einer 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 der in Fig. 2 abgebildeten Mikrowellen-Misch-Anordnung sind auf dem Substrat 6 zwei Halbleiter 19 und 20 angebracht, die 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, in dem die Hohlleiterteile 1 und 2 münden. Über das Hohlleiterteil 1 wird das in der Frequenz umzusetzende Eingangssignal zugeführt und über das Hohlleiterteil 2 das vom Überlagerungsoszillator stammende Signal. Die in dieser Figur abgebildete Mikrowellen-Misch-Anordnung arbeitet als Doppelmischstufe. Die Halbleiter 19 und 20 sind hierbei symmetrisch zueinander, je 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 6, kreuzt den Schlitzleiter 21 wiederum senkrecht oder nahezu senkrecht und erzeugt ein entgegengerichtetes elektrisches Feld über dem Schlitzleiter 21, in dem die Halbleiter 19 und 20 angebracht sind. Die Folge davon ist, wie bei den bekannten Doppelmischstufen, daß über dem einen Halbleiter ein elektrisches Feld entsteht, das von den sich in Phase befindlichen Feldern gebildet ist, die von den Eingangssignalen abstammen bzw. von Signalen, die vom Überlagerungsoszillator stammen, während sich über dem anderen Halbleiter ein Feld befindet, das sich aus sich in Gegenphase befindlichen Feldern aufbaut, die von den letztgenannten Signalen abstammen. Die Art der Kopplung von Mikrostrip und Schlitzleiter ist bekannt und bedarf daher außer den zu der in Fig. 1 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 _u = |f _s -f _LO | oder f _u = |2f _LO -f _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 21 umschlossenen leitenden Schicht verbunden ist. Die Halbleiter 19, 20 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 (3)

1. Mikrowellen-Misch-Anordnung zur Umsetzung eines HF- Eingangssignals in ein niedrigeres ZF-Frequenzsignal mittels eines Überlagerungsoszillatorsignals, mit einem in einem Hohlleiterabschnitt (1) angeordneten Substrat (6), auf dem wenigstens ein ungekapselter Halbleiter (4; 19, 20) angeordnet ist, sowie mit wenigstens einer ersten, auf dem Substrat (6) integrierten Übertragungsleitung (7), die an den Halbleiter (4; 19, 20) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlleiterabschnitt (3) ein erster Hohlleiter (1) zur Einspeisung des HF-Eingangssignals sowie ein zweiter Hohlleiter (2) zur Einspeisung eines Überlagerungsoszillator-Signals einmünden, daß die erste Übertragungsleitung (7) als Schlitzleitung ausgebildet ist, die den ersten Hohlleiter (1) an dem Halbleiter (4) ankoppelt, daß eine zweite als Mikrostreifenleitung ausgebildete Übertragungsleitung (8) angeordnet ist, die den Halbleiter (4) an den zweiten Hohlleiter (2) ankoppelt, daß zur Auskopplung des ZF-Frequenzsignals ein dritter Hohlleiter (5) in den Hohlleiterabschnitt (1) einmündet und über eine weitere Schlitzleitung der dritter Hohlleiter (5) an den Halbleiter (4; 19, 20) angekoppelt ist und daß die erste Schlitzleitung sowie die Mikrostreifenleitung auf dem Substrat (6) sich rechtwinklig kreuzend angeordnet sind.

2. Mikrowellen-Misch-Anordnung zur Umsetzung eines HF- Eingangssignals in ein niedrigeres ZF-Frequenzsignal mittels eines Überlagerungsoszillatorsignals mit einem in einem Hohlleiterabschnitt (1) angeordneten Substrat (6), auf dem wenigstens ein ungekapselter Halbleiter (4; 19, 20) angeordnet ist, sowie mit wenigstens einer ersten, auf dem Substrat (6) integrierten Übertragungsleitung (7), die an den Halbleiter (4; 19, 20) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Halbleiter (19, 20) symmetrisch zueinander angeordnet sind, daß in den Hohlleiterabschnitt (1) ein erster Hohlleiter (1) zur Einspeisung eines HF-Eingangssignals sowie ein zweiter Hohlleiter (2) zur Einspeisung des Überlagerungsoszillator-Signals einmünden, daß die erste Übertragungsleitung (7) als Schlitzleitung mit an einem Ende geschlossener Schleife ausgebildet ist, die den ersten Hohlleiter (1) an den Halbleiter (19, 20) ankoppelt, daß eine zweite als Mikrostreifenleitung ausgebildete Übertragungsleitung (8) angeordnet ist, die die Halbleiter (19, 20) an dem zweiten Hohlleiter (2) ankoppelt, daß zur Auskopplung des ZF-Frequenzsignals ein Koaxialkabel (27) mit seinem Außenleiter an den Hohlleiterabschnitt (1) und mit seinem Innenleiter (28) an den von der Schleife umschlossenen Bereich der ersten Schlitzleitung angekoppelt ist, und daß die erste Schlitzleitung sowie die Mikrostreifenleitung auf dem Substrat (6) sich im Bereich der Schleife rechtwinklig kreuzend angeordnet sind.

3. Mikrowellen-Misch-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzleitung sowie die Mikrostreifenleitung auf unterschiedlichen Seiten des Substrates (6) angeordnet sind.