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Breitband-Hochfrequenz-Mischer
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Die Erfindung betrifft einen Breitband-Hochfrequenz-Mischer laut Oberbegriff
des Hauptanspruches.
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Mischer dieser Art sind bekannt (Aufsatz von Bert Henderson, Mixer
Design Considerations Improve Performance", MSN, Oktober 1981, S. 103-118). Der
Anschluß des Ringmischerteils an die in diesem Frequenzbereich üblichen unsymmetrischen
meist in Mikrostrip-Technik ausgeführten Leitungen der zu mischenden Signale erfolgt
über geeignete Symmetrierglieder. Bei den bisher gebräuchlichen Mischern dieser
Art werden diese Symmetrierglieder selbst im Mikrowellenbereich noch durch konzentrierte
Spulen und Drähte realisiert, die über entsprechend kurze Drähte mit den Dioden
des Ringmischteils verbunden sind und zusammen mit diesen in kleine Gehäuse eingebaut
sind. Es ist zwar auch schon bekannt, bei einem solchen aus zwei Diodenringen bestehenden
Ringmischteil die hierzu nötigen vier einzelnen Symmetrierglieder in Mikrostrip-Leitungstechnik
auszubilden, auch bei dieser bekannten Anordnung werden die Enden der Streifenleiter
dieser Nikrostrip-Symmetrierglieder über angelötete kurze Drähte mit den Diodenanschlüssen
verbunden (US-PS 4 063 176) Diese bekannten Mischer sind selbst bei Aufbau der Symmetrierglieder
in Mikrostrip-Leitungstechnik wegen der hierbei immer noch verwendeten kurzen Verbindungsdrähte
zwischen den Leiterstreifen und den Dioden in der Praxis
nicht immer
exakt symmetrisch aufbaubar, die bekannten Mischer sind daher in der Praxis nicht
linear und es entstehen, wie Messungen gezeigt haben, in der ZF-Lage störende Oberwellen
und Nebenwellen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Hochfrequenz-Mischer zu
schaffen, der in einem breiten Frequenzband in der ZF-Lage einen hohen Oberwellen-
und Nebenwellenabstand besitzt.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Breitband-Hochfrequenz-Mischer
laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch die Kombinationsmerkmale nach dessen
kennzeichnendem Teil gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß durch den Anschluß
des ersten und zweiten Symmetriergliedes an die gleiche Diagonale des Diodenringes
diese beiden Symmetrierglieder unmittelbar in der Ebene des Mikrostrip-Substrats
ohne Kreuzung bis zu den Diodenanschlüssen geführt werden können, also auf zusätzliche
Verbindungsdrähte zwischen den Dioden und diesen beiden Symmetriergliedern verzichtet
werden kann. Damit ist es möglich, einen solchen Mischer bezüglich der Dioden mechanisch
völlig symmetrisch auf dem Substrat aufzubauen, was in dieser Technik bedeutet,
daß ein solcher Mischer auch in elektrischer Hinsicht dann völlig symmetrisch arbeitet,
also gute Linearitätseigenschaften besitzt.
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Das Ergebnis ist, daß ein nach der Erfindung aufgebauter Mischer einen
hohen Oberwellen- und Nebenwellenabstand in der Zwischenfrequenzlage besitzt.
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Ein erfindungsgemäßer Mischer kann für die verschiedenartigsten Aufgaben
in der Mikrowellentechnik benutzt
werden. Er eignet sich beispielsweise
als Eingangsmischer für Hochfrequenzempfänger, besonders vorteilhaft ist er für
die Realisierung eines Wobbelgenerators, wie dies anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispieles
beschrieben wird. Ein erfindungsgemäßer Mischer kann aber auch genauso gut als Modulator
benutzt werden, wobei in diesem Fall am ZF-Ausgang die Modulationsfrequenz und am
Eingang für den Mischoszillator die zu modulierende Sendefrequenz eingespeist wird
während am Hochfrequenzeingang das modulierte Signal abgegriffen wird.
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Die erfindungsgemäße Anordnung hat in elektrischer Hinsicht den Vorteil,
daß die beiden Eingänge über die zwischengeschalteten Symmetrierglieder trotz Zusammenschaltung
an der gleichen Diagonalen voneinander entkoppelt sind. Zwischen dem Zwischenfrequenz-Ausgang
und den Eingängen ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung immer eine Diodenstrecke
vorhanden, so daß die Zwischenfrequenz als untere Grenzfrequenz Null hat.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Fig. 1 zeigt in vergrößertem MaBstab
von etwa 10:1 die Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen-Nischer, Fig. 2 zeigt im
Detail den Anschluß des Ringmischerteils an die Streifenleiter der Symmetrierglieder.
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Der in Fig. 1 dargestellte breitbandige Hochfrequenz-Mischer ist in
Mikrostrip-Leitungstechnik auf der Oberseite eines Substrats 1 beispielsweise aus
Keramik aufgebaut, Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf das Substrat 1, dessen Rückseite
bis auf den Ringbereich 2 eine Außenleiter-Kaschierung trägt. Das Hochfrequenz-Eingangssignal
wird über eine nicht dargestellte unsymmetrische Eingang
leitung
am Eingang 3 zugeführt, das vom Lokaloszillator kommende Mischsignal wird über eine
andere unsymmetrische Leitung dem anderen Eingang 4 zugeführt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die unsymmetrische Leitung
für das Hochfrequenz-Eingangssignal beispielsweise eine senkrecht zum Substrat stehende
Mikrostrip-Leitung, deren Außenleiter mit dem rückseitigen Außenleiter des Substrats
und dessen oberer Leitungsstreifen beispielsweise über eine schmale Leiterfahne
mit dem Ende 3 des auf der Oberseite des Substrats 1 ausgebildeten Streifenleiters
galvanisch verbunden ist. Die andere unsymmetrische Eingangsleitung ist in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel als Koaxialstecker dargestellt, der auf der Rückseite des Substrats
1 angebracht ist und dessen Außenleiter mit dem rückseitigen Belag des Substrats
1 verbunden ist und dessen Innenleiter durch die Außenleiter-Aussparung 2 des Substrats
und eine Bohrung im Substrat mit dem Ende 4 des dort endenden Streifenleiters galvanisch
verbunden ist.
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Das eigentliche aus vier zu einem Ring zusammengeschalteten Dioden
bestehende Ringmischerteil 5 ist etwa in der Mitte des Substrats 1 angeordnet. Es
besteht aus vier in Fig. 2 deutlicher dargestellten Diodenchips 6, die auf einem
Trägerplättchen 7 im Quadrat angeordnet sind und von denen nach vier Seiten Anschlußfahnen
8 abstehen. Die Anoden der Dioden sind jeweils mit den Kathoden der nachfolgenden
im Ring angeordneten Dioden und mit diesen Anschlußfahnen 8 elektrisch verbunden.
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Der Anschluß der Eingänge 3 und 4 an die Diodenanschlüsse 8 des Ringmischerteils
5 erfolgt jeweils über Mikrostrip-Leitungstechnik ausgebildete Symmetrierglieder
9 bzw. 10. Das eine Symmetrierglied 9 besteht aus
einer sogenannten
Parallelverzweigung, beispielsweise einem sogenannten Wilkinsonteiler, durch den
die mit dem Eingang 3 verbundene unsymmetrische Streifenleitung 11 mit einem Wellenwiderstand
von beispielsweise 50 Ohm in zwei parallele Leitungen 12 und 13 von exakt gleicher
elektrischer Länge und mit einem Wellenwiderstand von beispielsweise wiederum 50
Ohm aufgeteilt wird. An den Enden 14 und 15 dieser beiden Verzweigungsleitungen
12 und 15 entstehen damit Ausgangssignale, die zueinander gleiche Amplitude und
gleiche Phase wie das am Eingang 3 einge speiste Hochfrequenz-Eingangssignal besitzen.
Zur An passung der Impedanz der Parallelverzweigung 11,12,13 an die Impedanz des
Eingangs 3 ist noch ein kurzes Leitungsstück 16 (Lange < @ 4)und von relativ
niedrigem Wellenwiderstand (beispielsweise kleiner als 50 Ohm3 zwischengeschaltet.
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Das zweite Symmetrierglied 10 ist wiederum als Verzweigung ausgebildet,
die jedoch so dimensioniert ist, daß an den Enden 17 und 18 der Streifenleitungen
also an den beiden verzweigten Ausgängen dieses Symmetriergliedes Signale entstehen,
die zwar gleiche Amplitude besitzen, jedoch gegenphasig (1800 phasenverschoben)
sind.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dieses zweite Symmetrierglied
als sogenannter Ringleitungskoppler, auch Ringgabel oder Rat race-Ring ausgebildet,
wie er beispielsweise in IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Oktober
1956, S. 246-252 beschrieben ist.
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Dieses Ringleitungskoppler-Gebilde 10 wird am Eingang 4 unsymmetrisch
gespeist und endet in den beiden parallelen Leiterstreifen 19 und 20, welche die
beiden gegenphasigen Signale gleicher Amplitude führen und unmittelbar ohne Unterbrechung
in die dazu parallel ausgerichteten Leiterstreifen 12 und 13 des ersten Symmetriergliedes
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abschnitte übergehen. Die elektrische Länge der ein Viertel der
Wellenlänge des geometrischen Mittels der Wellenlänge bei der unteren und oberen
Betriebsfrequenz. Der Wellenwiderstand der Ringleitung weicht, wie die Breite der
in Fig. 1 dargestellten Leiterstreifen zeigt, teilweise vom Sollwert t50/tZR Ohm)
ab, wichtig ist jedoch, daß der gesamte Aufbau bezüglich der gegenphasigen Ausgänge
17 und 18 streng symmetrisch ist.
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Das nicht benutzte Tor des Ringleitungskopplers ist über eine leerlaufende
kurze Stichleitung 21 (kürzer als ;1/4) kapazitiv abgeschlossen.
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Von der Verbindung der Enden 14, 15 und 17,18 der beiden Symmetrierglieder
führen kurze Leiterstreifen 22,23 mit einem Wellenwiderstand von m 50 Ohm und einer
Länge von z.B.
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kleiner als a #4 zu dem Diodenring 5. Auch diese beiden Leitungsstücke
22 und 25 sind bezüglich Wellenwiderstand und Länge exakt gleich, so daß die geforderte
exakte Geometrie gewahrt bleibt. Die symmetrischen Ausgänge 14,15 und 17,18 der
beiden Symmetrierglieder sind, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, unmittelbar mit der
einen Diagonalen A-B des Diodenringes 5 verbunden und zwar sind, wie Fig. 2 zeigt,
die entsprechenden Anschlußfahnen 8 der Dioden auf die am Ende etwas verbreiterten
Streifenleiter 22,23 durch ein bekanntes Bondverfahren aufgeschweißt. Die andere
Diagonale C-D des Diodenringes ist in gleicher Weise über die Anschlußfahnen 8 mit
zwei leerlaufenden Stichleitungen 24,25 durch Bonden verbunden. Diese Stichleitungen
24, 25 besitzen einen Wellenwiderstand kleiner als 50 Ohm. Die Länge dieser Stichleitungen
ist so gewählt, dass diese Stichleitungen für die an den Eingängen 3 und 4 eingespeiste
Hochfrequenz eine niedrige Eingangsimpedanz besitzen, für die Zwischenfrequenz jedoch
eine höhere Impedanz.
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Durch die aus Fig. 1 ersichtliche geometrische Ausbildung der beiden
Symmetrierglieder und der dazwischen ausgebildeten leerlaufenden Stichleitungen
24,25 ist es möglich, den Diodenring ohne sich kreuzender Anschlüsse unmittelbar
mit den Streifenleitern des Substrats 1 zu verbinden, also einfach das Trägerplättchen
7 im Sinne der Fig. 2 über die abstehenden Anschlußfahnen 8 auf die Leiterstreifen
aufzubonden. Dies gewährleistet eine exakt definierte Symmetrie der Gesamtanordnung,
worauf der angestrebte terwellen- und Nebenwellen-Abstand der Gesamtanordnung zurückzuführen
ist. Die durch den Mischvorgang sich ergebende Zwischenfrequenz wird an der Diodenring-Diagonalen
C-D über ein drittes Symmetrierglied abgegriffen, dies ist die einzige Stelle der
Gesamtanordnung, an der aus der Streifenleiterebene heraus Zuleitungen von dem Substrat
weggeführt werden müssen.
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Dieses dritte Symmetrierglied ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
durch zwei eng miteinander verdrillte Kupfer-Lack-Drähte gebildet, deren Enden galvanisch
an den Leiterbelägen 24 und 25 der Stichleitungen befestigt, beispielsweise angelötet
sind. Zur Verbesserung der Symmetrie eigenschaften dieses dritten Symmetriergliedes
26 kann über die verdrillte Doppelleitung gegebenenfalls noch ein nicht dargestellter
Ferritring geschoben werden.
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Wird ein solcher Mischer beispielsweise in einem#bbelgenerator benutzt,
so wird er über den einen Eingang 3 unsymmetrisch aus einer Hochfrequenzquelle RF,
die eine relativ kleine Ausgangsspannung liefert, und am Eingang 4 über einenan
dem dortigen Stecker angeschlossenen Lokaloszillator LO, der eine relativ große
Ausgangsspannung liefert, unsymmetrisch gespeist. Am unsymmetrischen Ausgang 27
des dritten Symmetriergliedes kann dann die erzeugte Zwischenfrequenz abgegriffen
werden. In einem
speziellen Ausführungsbeispiel wird am Eingang
3 ein Hochfrequenzeingangssignal von 4200 MHz eingespeist, am Eingang'fein veränderbares
Eingangssignal des Lokaloszillators LO von 4200 bis 6700 MHz, was eine Zwischenfrequenz
am Ausgang 27 zwischen Null und 2500 MHz ergibt. Die Schaltung ist reversibel, d.h.
jedes Signaltor des Mischers kann Eingang oder Ausgang sein, die Schaltung nach
Fig. 1 kann also sowohl als Mischer als auch als Modulator verwendet werden.
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Durch die unmittelbare Zusammenschaltung der beiden parallelen Ausgänge
des ersten und zweiten Symmetriergliedes 9 und 10 O an der einen Diodenring-Diagonalen
A-B liegt an der anderen Brückendiagonale C-D eine Wechselspannung mit der Frequenz
de r Ho der Hochfrequenzeingangsspannung RF, deren Phase im Takte der Frequenz des
Lokaloszillators LO invertiert wird. Darauf beruht die Mischwirkung.
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Am Eingang 4 ist der dort beginnende Streifenleiter 28 zu einem Kreisring
verbreitert, die dadurch gebildete Kapazität ergänzt den durch das Substrat zugeführten
Innenleiter des Steckers zu einem Tiefpaß, dessen Grenzfrequenz über der obersten
Betriebsfrequenz liegt. Das in Fig. 1 in Draufsicht gezeigte Substrat ist vorzugsweise
mit seiner als Außenleiter wirkenden Metallrückseite zusammen mit dem Stecker auf
einem nicht dargestellten darunterliegenden Metallträger aufgelötet, dessen thermischer
Ausdehnungskoeffizient dem des Substratmaterials entspricht.
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L e e r s e i t e