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Beschreibung
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Symmetrierter Mischer mit einem hybriden Transformator Die Erfindung
betrifft eine symmetrierte Mischerschaltung und insbesondere eine symmetrierte Mischerschaltung
mit einem hybriden Eingangskopplungstransformator (nachstehend Hybridtransformator
genannt) und einem Paar von Schaltelementen.
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Hybridtransformatoren werden mehr und mehr in symmetrierten Mischerschaltungen
verwendet und zwar aufgrund ihrer ausgezeichneten Oberwellenverzerrungseigenschaften.
Unter anderem ist ein Hybridtransformator nach Art einer Übertragungsleitung mit
einem Ferritkern bekannt, mit dem zufriedenstellende Ergebníse bezüglich Phaseneigenschaften
und des Verlustes an Einfügungspegel für das VHF- und das UHF-Band erzielt werden
können.
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Aufgrund der Breitbandeigenschaften ist es jedoch schwierig, die
Impedanz über den symmetrierten Ausgangsklemmen für die ZF-Signalfrequenz zu reduzieren.
Auch wenn somit rauscharme Feldeffekttransistoren mit guten Betriebseigenschaften
in der nächsten Stufe verwendet werden, ist es schwierig, den Umsetzungs-Wirkungsgrad
und damit das Nutz-/Störsignalverbältnis zu verbessern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile
üblicher symmetrierter Mischer zu verringern und eine verbesserte symmetrierte Mischerschaltung
anzugeben, die einen sehr hohen Signalumsetzungswirkungsgrad und ein sehr gutes
Nutz-/Störsignalverhältnis besitzt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein symmetrierter Mischer
auf: einen Hybridtransformator, eine Abstimmvorrichtung, die auf die ZF-Frequenz
abgestimmt ist, mehrere Schaltvorrichtungen, die zwischen die symmetrierten Ausgangsklemmen
des Hybridtransformators und die Eingangsklemmen der Abstimmvorrichtung geschaltet
sind sowie eine Impedanzvorrichtung, die über die symmetrierten Ausgangsklemmen
des Hybridtransformators gelegt ist, wobei die Impedanzvorrichtung hohe Impedanzeigenschaften
für ein Band mit HF-Signalfrequenz und mit der Ortsoszillator-Signalfrequenz und
niedrige Impedanzeigenschaften für die ZF-Signalfrequenz besitzt.
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Der weitere Bereich der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung
ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die ausführliche Beschreibung
und die speziellen Ausführungsbeispiele nur der Veranschaulichung dienen, wobei
sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daß die verschiedensten
Anderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung für den
Fachmann erkenntlich sind.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten symmetrierten Mischers,
Fig. 2 eine äquivalente Schaltung zur Veranschaulichung der Impedanzeigenschaften
des symmetrierten Mischers nach Fig. 1, gesehen von den symmetrierten Ausgangsklemmen
°1 und °2 des Hybridtransformators aus,
Fig. 3 ein Schaltbild einer
ersten Ausführungsform der symmetrierten Mischerschaltung gemäß der Erfindung, Fig.
4A ein Schaltbild eines Beispiels einer Impedanzschaltung 5, wie sie in der erfindungsgemäßen
symmetrierten Mischerschaltung Verwendung finden kann, Fig. 14B ein Schaltbild eines
anderen Beispiels der Impedanzschaltung, wie sie bei der erfindungsgemäßen symmetrierten
Mischerschaltung Verwendung finden kann, Fig. 5 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, bei dem zwei bipolare Transistoren 6 und 7 anstelle der FET 2 und
3 der Fig. 3 verwendet werden, Fig. 6 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform
der Erfindung, bei der als Schaltelemente zwei Dioden D1 und D2 Verwendung finden,
Fig. 7 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform, bei dem das Ortsoszillatorsignal
an die Gateelektroden von vier Feldeffekttransistoren 8 bis 11 angelegt wird, die
als Schaltelemente vorgesehen sind, Fig. 8 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, bei der vier bipolare Transistoren 12 bis 16 anstelle der Feldeffekttransistoren
8 bis 11 der Fig.7 verwendet werden und Fig. 9 ein Schaltbild eines letzten Ausführungsbeispiels
der Erfindung. bei dem Schaltdioden D3 bis D6 als Schaltelemente verwendet werden,
wobei das Ortsoszillatorsignal an den Dioden D3 bis D6 angelegt wird.
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Vor der Erläuterung der Ausführungsbeispiele der Erfindung sei zuerst
auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein Schaltbild einer bekannten symmetrierten Mischerschaltung
veranschaulicht.
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Bei der symmetrierten Mischerschaltung nach Fig. 1 wird ein HF-Signal
an eine Eingangsklemme 11 eines hybriden Eingangs!'upplungstr#nsformators (nachstehend
Hybridtransformator genannt) 1 angelegt. Diese HF-Eingangsklemme ist unsymmetriert
und die andere Eingangsklemme I2 des Hybridtransformators 1 ist über eine Parallelschaltung
eines Widerstands R1 und eines Kondensators C1 geerdet.
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Ein Ortsoszillatorsignal wird an einen Ortsoszillatorsignaleingang
P1 des Hybridtransformators 1 angelegt, nämlich an einen Verbindungspunkt zwischen
einem Paar von in Reihe geschalteten Wicklungen, die zwischen den Eingangsklemmen
11 und I2 vorhanden sind.
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Zwei symmetrierte Ausgangsklemmen OT und 02 des Hybridtransformators
1 sind entsprechend mit den Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren 2 und 3
verbunden, die die Eingänge zu den Signalkanälen darstellen.
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Die Drainelektroden der Feldeffekttransistoren 2 und 3, die den äußeren
Teil beider Signalkanäle darstellen, sind mit einer Abstimmschaltung 4 verbunden.
Außerdem sind die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 2 und 3 gemeinsam geerdet.
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Die Abstimmschaltung 4 hat die Form einer Parallelschaltung aus einem
Kondensator C1 und einer Spule L1, die justiert werden, um die ZF-Frequenz abzustimmen.
Eine Spule L2 ist elektromagnetisch mit der Spule L1 gekoppelt und ein in der Spule
L2 integriertes Signal wird als ein ZF-Signal abgeleitet. Außerdem wird eine +B-Spannung
an eine Anzapfung der Spule L1 angelegt, um eine Betriebs-
spannung
für die Feldeffekttransistoren 2 und 3 zu bieten.
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Ein mit dieser Klemme verbundener Kondensator C3 dient als überprüfungskondensator.
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Bei dieser Schaltung werden das HF-Eingangssignal und das Ortsoszillatorsignal
miteinander gemischt und mittels der Abstimmschaltung 4 wird ein Signal mit der
Differenzfrequenz zwischen HF-Signalfrequenz und der Ortsoszillatorsignalfrequenz
herausgezogen, um das ZF-Sigral zu erzeugen.
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Der Grund für die Verwendung eines symmetrierten Mischers mit einem
Hybrideingangstransformator 1 ist seine verhältnismäßig gute Funktion. Die Vorteile
eines symmetrierten Mischers mit Hybridtransformator sind folgende: Gute Isolation
zwischen der HF-Eingangsklemme I1 oder 12 und der Ortsoszillatorsignalklemme und
zwischen den symmetrierten Ausgangsklemmen 0 und °2' die ent-1 2' sprechend mit
den Schaltelementen verbunden sind; die Verteilung des HF-Eingangssignals auf jede
der symmetrierten Ausgangsklemmen 0 1 und O2 und die 180 0-Phasendifferenz zwischen
den verteilten HF-Eingangssignalen; die In-Phasenbeziehung zwischen den auf die
symmetrierten Ausgangsklemmmen °1 und 0 verteilten Ortsoszillatorsignalen; und daß
der Hybridtransformator gegenüber eine angepaßten Last den niedrigstmöglichen Einfügungsverlust
aufweist.
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Um diese vorgenannten vorteilhaften Eigenschaften in ausreichender
und zufriedenstellender Weise über einen großen Bereich einschließlich des VHF-Bandes
und des UHF-Bandes aufrechtzuerhalten, ist es sehr zweckmäßig, einen Hybridtransformator
nach Art einer Übertragungsleitung mit einem Ferritkern zu verwenden. Da jedoch
von einem derartigen Hybridtransformator mit einem Ferritkern Breitbandeigenschaften
verlangt werden, besitzt er eine hohe Impedanz zwischen den symmetrierten Ausgangsklemmen
0 1 und 02 bezüglich der ZF-Frequenz. Es ist somit schwie-
rig,
eine hohe Umsetzverstärkung und niedrige Rauscheigenschaften zu erhalten, auch wenn
zwei rauscharme Feldeffekttransistoren mit ausgezeichneten Eigenschaften in der
nächsten Stufe verwendet werden. Dieses Problem wird nachstehend im einzelnen unter
Bezugnahme auf die Fig. 2 erläutert.
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In Fig. 2 ist Rg die Signalquellenimpedanz in Richtung des Eingangstransformators
1 gesehen von der Seite der Feldeffekttransistoren 2 und 3 aus bezüglich der ZF-Frequenz.
In ähnlicher Weise bedeutet Rin die Eingangsimpedanz der Feldeffekttransistoren
2 und 3 vom Transformator 1 aus gesehen bezüglich der ZF-Frequenz, wobei v die Amplitude
des ZF-Signals ist, das in der Eingangsstufe (d.h. an den Source-Elektroden) der
Feldeffekttransistoren entsteht, welches Signal von dem HF-Signal und dem Ortsoszillatorsignal
abgeleitet wird. Die Stromversorgung Pin der ZF-Signalkomponente, die der Eingangsimpedanz
Rin zugeführt wird, läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken Pin = Rin V2/(RG
+ Rin) Somit ist die Bedingung für einen Maximalwert von Pin: RG=O (2) In ähnlicher
Weise wird der Störpegel der ZF-Kcmponente, der von Rg her rührt, am niedrigsten,
wenn Rg den Minimalwert besitzt.
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Um somit einen hohen Umsetzwirkungsgrad und gute Rauscheigenschaften
gegenüber der ZF-Frequenz in der symmetrierten Mischerschaltungrach Fig. 1 zu erreichen,
ist es erforderlich, die Impedanz Rg über den symmetrierten Ausgangsklemmen Ol und
°2 des Hybridtransformators 1 bezüglich der ZF-Frequenz so niedrig wie möglich oder
gleich Null zu machen. Wie zuvor erwähnt, ist es jedoch
für den
Fall eines übertragungsleitungs#Hybridtransformators mit einem Ferritkern nicht
möglich, diese niedrigen Impedanzeigenschaften über den symmetrierten Ausgangsklemmen
für die ZF-Frequenz wegen der Breitbandeigenschaften zu erreichen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme
auf die Fig. 3 bis 7 erläutert.
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Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
ein HF-Eingangssignal an eine unsymmetrierte Eingangsklemme eines Hybridtransformators
1 angelegt dessen andere Eingangsklemme I2 über eine Parallelschaltung eines Widerstands
R 1 und eines Kondensators C1 geerdet ist.
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Ein Ortsoszillatorsignal wird an eine Ortsoszillatorsignalklemme P1
des Hybridtransformators 1 angelegt, d.h. an einen Verbindungspunkt zwischen einem
Paar von in Reihe geschalteten Wicklungen, die zwischen den Eingangsklemmen 11 und
12 angeordnet sind.
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Ein Paar symmetrierter Ausgangsklemmen °1 und 02 des Hybridtransformators
1 sind entsprechend mit den Source-Elektroden der Feldeffekttransistoren 2 und 3
verbunden und stellen die Eingänge d-er Signalkanäle dar. Die Drain-Elektroden der
Feldeffekttransistoren 2 und 3 , die den äußeren Teil der beiden Signalkanäle bilden,
sind mit einer Abstimmschaltung 14 verbunden. Die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren
2 und 3 sind gemeinsam geerdet.
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Die Abstimmschaltung 14 hat die Form einer Parallelschaltung eines
Kondensators C1 und einer Spule L1, die auf ein ZF-Signal abgestimmt sind. Die Spule
L2 ist elektromagnetisch mit einer Spule L1 gekoppelt und ein in der Spule L2 integriertes
Signal wird als das ZF-Signal erzeugt. Außerdem wird eine +B-Spannung an eine Anzapfung
der Spule L1 angelegt, um eine Betriebsspannung für die
Feldeffekttransistoren
2 und 3 vorzusehen. Ein Kondensator C3 ist mit dieser Anzapfung als überbrückungskondensator
verbunden. Zusätzlich zu diesen Schaltungselementen ist eine Impedanzschaltung 5
zwischen den symmetrierten Ausgangsklemmen öl und 02 des Hybridtransformators 1
vorgesehen, um die Impedanz der Schaltung soweit wie möglich zu reduzieren. Diese
Impedanzschaltung 5 kann, wie in Fig. 4A gezeigt, die Form eines Reihenresonanzkreises
5A mit einer Spule Lo und einem Kondensator CO haben Durch Wählen der Resonanzfrequenz
der Schaltung bei der ZF-Frequenz wird der Wert von Rg in Fig. 2 für die ZF-Frequenz
fast gleich Null, so daß die Bedingung der Gleichung (2) erfüllt ist. Da außerdem
der Impedanzwert der Impedanzschaltung für das HF-Signal und das Ortsoszillatorsignal
sehr einfach groß gemacht werden kann, ist es verständlich, daß die Anordnung dieser
Impedanzschaltung keinen nachteiligen Effekt auf das HF-Signal und das Ortsoszillatorsignal
hat.
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Die Impedanzschaltung 5 kann ferner die Form eines Parallelresonanzkreises
5B, bestehend aus einer Spule Lot und einem Kondensator CO' annehmen, wie dies Fig.B
zeigt.
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In diesem Falle wird die Resonanzfrequenz der Impedanzschaltung vorzugsweise
in dem Band der HF-Eingangssignalfrequenz und der Ortsoszillator-Signalfrequenz
gewählt.
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Dieses Impedanzelement 5B weist auch hohe Impedanzeigenschaften be.üglich
des HF#-Eingangssignals und des Ortsoszillatorsignals sowie niedrige Impedanzeigenschaften
bezüglich des ZF-Signals auf. Somit wird die gleiche Arbeitsweise der symmetrierten
Mischerschaltung wie im Falle des Reihenresonanzkreises ermöglicht.
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Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, in der ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen symmetrierten Mischerschaltung gezeigt ist. Wie veranschaulicht,
besitzt diese symmetrierte Mischerschaltung im wesentlichen den gleichen Schaltungsaufbau
wie die Mischerschaltung nach Fig. 3, wobei gleiche Bezugszeichen in Fig.5 gleiche
Teile der Mischerschaltung der Fig. 3 darstellen.
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Im Falle dieser Mischerschaltung ist ein Paar von bipolaren Transistoren
6 und 7 anstelle der Feldeffekttransistoren 2 und 3 vorgesehen und die Ausgangsklemmen
des Hybridtransformators 1 sind entsprechend mit den Emittern der Transistoren 6
und 7 verbunden. Die Basen der Transistoren 6 und 7 sind miteinander verbunden und
über einen Verbindungspunkt von in Reihe geschalteten Teilerwiderständen R2 und
R3 an eine Vorspannung gelegt, die zwischen der Versorgungsleitung und Erde vorgesehen
sind. Ein Kondensator C4 liegt parallel zum Widerstand R3 als Überbrückung für den
Wechselspannungsanteil. Die Kollektoren der Transistoren 6 und 7 sind mit den symmetrierten
Eingangsklemmen der Abstimmschaltung, d.h. mit der Klemmen der Spule L1, verbunden.
Da andere Teile dieser symmetrierten Mischerschaltung identisch sind mit denjenigen
der symmetrierten Mischerschaltung der Fig.3, werden diese nicht mehr erläutert.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird das gleiche Ergebnis
durch Vorsehen eine Impedanzschaltung erzielt, wie im Falle des vorhergehenden Ausführungsbeispiels.
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Als nächstes wird auf Fig. 6 Bezug genommen, die eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. In diesem Falle sind die Feldeffekttransistoren
der Mischerschaltung ersetzt durch ein Paar von Schaltdioden D1 und D2 und die symmetrierten
Ausgangsklemmen 1 und 02 des Hybridtransformators 1 sind mit den Anoden
der
Schaltdioden D1 und D2 verbunden. Die Kathoden der Schaltdioden D1 und D2 sind entsprechend
mit den Klemmen der Spule L1 der Abstimmschaltung verbunden. Bei diesem dritten
Ausführungsbeispiel wird das Ortsoszillatorsignal über die Anzapfung der Spule L1
der Abstimmschaltung und die Ortsoszillator-Signalklemme P1 des Hybridtransformators
1 angelegt. Außerdem ist die Eingangsklemme I2 des Hybridtransformators 1 unmittelbar
geerdet.
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Die Fig. 7 bis 9 zeigen weitere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung. Diese sind dadurch gekennzeichnet, daß das Ortsoszillatorsignal an oder
über den Schaltelementen angelegt wird und eine sogenannte doppeltsymmetrierte Mischerschaltung
angewendet wird. Gemäß der Ausführungsform der Fig. 7 sind die symmetrierten Ausgangsklemmen
# 1 und 02 des Hybridtransformators entsprechend mit den gemeinsam verbundenen Source-Elektroden
der Feldeffekttransistoren 8 und 9 bzw. 10 und 11 verbunden.
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Die Drain-Elektroden der Feldeffekttransistoren 8 und 10 sind gemeinsam
mit einer Klemme der Spule L1 verbunden.
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In ähnlicher Weise sind die Drain-Elektroden der Feldeffekttransistoren
9 und 11 gemeinsam mit der anderen Klemme der Spule L1 in Verbindung. Das Ortsoszillatorsignal
wird über den gemeinsam verbundenen Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren 8
und 11 und den gemeinsam verbundenen Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren
9 und 10 angelegt. Außerdem wird eine Versorgungsspannung an die Anzapfung der Spule
L1 gelegt und die Eingangsklemme I2 des Hybridtransformators ist über eine Parallelschaltung
aus einem Kondensator C2 und einer Stromquelle 12 geerdet, die in bekannter Weise
aufgebaut ist. Die Impedanzschaltung 5 liegt über den symmetrierten Ausgangsklemmen
°1 und # 2 auch in dieser Ausführungsform und es wird einer hoher Umwandlungswirkungsgrad
und ein hohes Nutz-/Störsignalverhältnis genau wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
erzielt.
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Im Falle der Ausführungsform der Fig. 8 sind vier bipolare Transistoren
13 bis 16 anstelle der Feldeffekttransistoren 8 bis 11 der Fig. 7 vorgesehen. Die
Emitter der Transistoren 13 und 14 und der Transistoren 15 und 16 sind miteinander
verbunden und entsprechend mit den symmetrierten Ausgangsklemmen Ol und 0 des Hybridtransformators
1 verbunden. Die Basen der Transistoren 14 und 15 sind aneinandergeschaltet, ebenso
die Basen der Transistoren 13 und 16. Das Ortsoszillatorsignal wird über den gemeinsam
verbundenen Basen der Transistoren 14 und 15 und den gemeinsam verbundenen Basen
der Transistoren 13 und 16 angelegt. Die Kollektoren der Transistoren 13 und 15
sind gemeinsam mit einer Klemme der Spule L1 und die Kollektoren der Transistoren
14 und 16 gemeinsammitder anderen Klemme der Spule L1 verbunden. Da die anderen
Teile dieser Mischerschaltung identisch mit denjenigen der Mischerschaltung der
Fig. 7 sind, wird eine weitere Erläuterung weggelassen.
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Bei der Ausführungsform der Fig. 9 werden als Schaltelemente vier
Dioden D3 bis D6 verwendet. Insbesondere ist die Anode der Diode D3 und die Kathode
der Diode D4 mit der symmetrierten Ausgangsklemme °1 des Hybridtransformators 1
und die Anode der Diode D6 und die Kathode der Diode D5 mit der anderen symmetrierten
Ausgangsklemme 0. verbunden. Andererseits steht die Anode der Diode D5 und die Kathode
der Diode D3 mit einer Klemme der Spule L1 und die Anode der Diode D14 und die Kathode
der Diode D6 mit der anderen Klemme der Spule L1 in Verbindung. Bei dieser Ausführungsform
wird das Ortsoszillatorsignal zwischen der Anzapfung der Spule L1 und der Ortsoszillatorsignalklemme
P1 des Hybridtransformators 1 angelegt. Die Impedanzschaltung 5 ist über den symmetrierten
Ausgangsklemmen °1 und 02 des Hybridtransformators 1 geschaltet. Außerdem ist die
Eingangsklemme I2 des Hybridtransformators 1 geerdet. Bei dieser Ausführungsform
wird
die Schaltoperation der Dioden D bis D6 durch 3 das Ortsoszillatorsignal gesteuert.
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Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß gemäß der vorliegenden Erfindung
ein wirksamer Gebrauch gemacht wird von einem übertragungsleitungs-Hybridtransformator
mit einem Ferritkern, der sehr gute Eigenschaften für eine symmetrierte Mischerschaltung
aufweist. Außerdem wird bei einem Aufbau der symmetrierten Mischerschaltung gemäß
der Erfindung ein sehr hoher Umsetzungswirkungsgrad und ein ausgezeichnetes Nutz-/Störsignalverhältnis
erzielt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die vorangehende Beschreibung lediglich
der Veranschaulichung dient und keine Beschränkung des Schutzumfanges darstellen
soll.
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Vielmehr sind zahlreiche Äquivalente der bevorzugten Ausführungsbeispiele
möglich, die ebenfalls durch die beigefügten Patentansprüche abgedeckt werden sollen.
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