DE3687923T2

DE3687923T2 - Verteilter monolithischer mischer.

Info

Publication number: DE3687923T2
Application number: DE8686105564T
Authority: DE
Inventors: Anthony M Pavio
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1985-05-28
Filing date: 1986-04-22
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2006-04-23
Also published as: US4751744A; JPS61276404A; DE3687923D1; EP0204120B1; JPH0720018B2; EP0204120A2; EP0204120A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen monolithischen verteilten Mischer und insbesondere auf einen Mikrowellenmischer, der von einer Wanderwellenstruktur Gebrauch macht und ein Überlagerungsoszillatorsignal sowie ein Hochfrequenzsignal verarbeitet, um ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen und über einen Zwischenfrequenzausgang auszugeben, und mit mehreren Feldeffekttransistoren und konzentrierten Impedanzmitteln, die mit den mehreren Feldeffekttransistoren gekoppelt sind, um die Eingangsimpedanz über eine Bandbreite konstant zu halten, die nur durch die Grenzfrequenz der Struktur begrenzt ist.
In der Vergangenheit enthielten Mischertechnologien Einfachgate- oder Doppelgate-Feldeffekttransistoren (FETs), die in vielen Arten von Konfigurationen von Eintakt- zu Gegentakt-Ringen angewendet wurden. Keine der Technologien erzielten jedoch ein Breitbandverhalten, wobei dies Schaltungen umfaßt, die von einer extremen Symmetrierung und von Vielfachelementen Gebrauch machen. Die Anwendung der Symmetrierung ergibt insgesamt das beste Leistungsverhalten, jedoch kann sie bei Anwendung der Herstellungsverfahren monolithischer Schaltungen nicht verwirklicht werden.
Es gibt auch andere Schaltungseinschrankungen, die das Leistungsverhalten von FET-Mischern mit Einfach- oder Doppelgate begrenzen. Ein FET-Mischer mit Einfachgate ist beispielsweise in "A Microwave Distributed MESFET Mixer" (14. Europaische Mikrowellenkonferenz, September 1984, A. Tang et al) beschrieben. Der beschriebene Mikrowellenmischer weist ein konzentriertes Impedanzmittel und mehrere Einfachgate-FETs auf, die an das konzentrierte Impedanzmittel angeschlossen sind, um die Eingangsimpedanz über eine Bandbreite konstant zu halten, die nur durch die Grenzfrequenz der Struktur begrenzt ist. Mit Einfachgate-Bauelementen ist es jedoch schwierig, auch bei Symmetrierung die erforderliche Überlagerungsoszillatorenergie (LO) einzuspeisen, die für den Betrieb benötigt wird. Auch ein Breitbandverhalten kann nur schwierig erzielt werden wegen der weiten Impedanzänderungen, die am Gate- und am Drain-Anschluß eines FET auftreten.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, einen monolithischen Mischer zu schaffen, der verbesserte Impedanzanpassungseigenschaften hat.
Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß die mehreren Feldeffekttransistoren Doppel-Gate-Feldeffekttransistoren mit ersten und zweiten Gate-Anschlüssen, einem Source-Anschluß und einem Drain-Anschluß sind, wobei die Impedanzmittel mit konzentrierten Elementen ein erstes Impedanzmittel mit konzentrierten Elementen enthalten, dessen Eingang mit dem LO-Signal gekoppelt ist und dessen Ausgange mit dem jeweiligen ersten Gate-Anschluß der Feldeffekttransistoren gekoppelt sind, und ein zweites Impedanzmittel mit konzentrierten Elementen enthalten, dessen Eingang mit dem HF-Signal gekoppelt ist und dessen Ausgange mit dem jeweiligen zweiten Gate-Anschluß der Feldeffekttransistoren gekoppelt sind
Kurz gesagt umfaßt die Erfindung einen Mikrowellenmischer, der von einer Wanderwellenstruktur Gebrauch macht, um Bandbreiten- und Impedanzanpassungsproblemen abzuhelfen. Die Wanderwellenstruktur enthalt Übertragungsleitungen mit konzentrierten Elementen, die in einem gemeinsamen Substrat gebildete aktive Elemente vom Dual-Gate-Typ angeschlossen sind. Verteilte Verstärker erfordern zwar Übertragungsleitungsstrukturen auf den Drain-Seiten der Feldeffekttransistoren, jedoch wird dieses Erfordernis in dem Wanderwellenmischer eliminiert, indem die Eingangsübertragungsleitungen richtig aufgebaut werden. Wenn die frequenzabhängige Phasenverschiebung an jedem entsprechenden Abschnitt der Übertragungsleitung gleich ist, ist die Phasendifferenz zwischen f1 und f2 an jedem aktiven Bauelement gleich. Somit ist die an jedem Drain-Anschluß erzeugte ZF-Energie in Phase und kann daher mit einer einfachen Impedanzanpassungsschaltung summiert werden.
Mit dem Mikrowellenmischer ist ein Betrieb über eine sehr große Bandbreite möglich. Somit wird eine große Vielfalt von Empfangerfunktionen für EW-Systeme auf einem einzigen Chip ermöglicht, beispielsweise Phasennachlauf-HF-Umsetzer und Breitband-Aufwärtsumsetzer.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden genauen Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Mikrowellenmischers zeigt, der den Gegenstand der Erfindung bildet;
Fig. 2 ein Diagramm des Konversionsgewinns des Mikrowellenmischers von Fig. 1 zeigt; und
Fig. 3a und 3b Diagramme des Stehwellenverhältnisses für den HF-Anschluß bzw. den LO-Anschluß des Mikrowellenmischers von Fig. 1 zeigen.
Nach Fig. 1 enthält der Mikrowellenmischer 10 eine Überlagerungsoszillatorschaltung (LO-Schaltung) und eine HF-Schaltung, die wirkungsmäßig an einen Mischer angeschlossen sind, um das ankommende HF-Signal mit dem LO-Signal zur Erzeugung eines ZF-Signals zu kombinieren.
Die LO-Schaltung enthält einen Koaxialkabelanschluß 12 zum Anschließen an einen (nicht dargestellten) Überlagerungsoszillator für den Empfang von LO- Signalen mit einer vorgewählten Frequenz f1. Ein Kopplungskondensator 14 ist mit einem ersten Belag mit dem LO-Anschluß 12 und mit einem zweiten Belag mit dem Verbindungspunkt eines Gleichstromversorgungs-Potentiometer 16 und einer Übertragungsleitung 18 mit konzentrierten Elementen verbunden.
Die Übertragungsleitung 18 mit konzentrierten Elementen enthalt mehrere in Serie geschaltete T-förmige Konstant-K-Filterschaltungen 20, 22, 24 und 26 zum zeitlichen Verzögern des Anlegens der LO-Spannungen an jeden Dual-Gate-Feldeffekttransistor. Die K-Filterschaltung 20 enthält eine Spule 28, die eine an den Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Belag des Kopplungskondensators und dem Gleichstromversorgungspotentiometer 16 angeschlossene erste Klemme und eine an den Verbindungspunkt zwischen einer ersten Klemme einer Spule 30 und dem Verbindungspunkt eines ersten Gate-Anschlusses eines Dual-Gate-Feldeffekttransistors 32 und einem Massekondensator 34 angeschlossene zweite Klemme aufweist. Die Spule 30 ist mit ihrer zweiten Klemme an den Verbindungspunkt zwischen der ersten Klemme der Spule 36 und dem Verbindungspunkt eines ersten Gate-Anschlusses eines Dual-Gate-Feldeffekttransistors 38 und einem Massekondensator 40 angeschlossen. In gleicher Weise ist die zweite Klemme der Spule 36 an den Verbindungspunkt der ersten Klemme der Spule 42 angeschlossen, während die zweite Klemme der Spule 42 an den Verbindungspunkt zwischen der ersten Klemme der Spule 48 und den Verbindungspunkt zwischen einem ersten Gate- Anschluß des Feldeffekttransistors 50 und den Massekondensator 52 angeschlossen ist. Schließlich ist die zweite Klemme der Spule 48 an einen Kondensator 54 angeschlossen, wobei der Kondensator 54 über einen Widerstand 56 an Masse gelegt ist.
Die HF-Schaltung stimmt in ihrem Aufbau mit der LO-Schaltung überein, mit der Ausnahme, daß die T-förmigen Konstant-K-Filter 20', 22', 24' und 26' an die zweiten Gate-Anschlüsse der Dual-Gate-Feldeffekttransistoren 32, 38, 44 und 50 angeschlossen sind und daß die koaxiale Eingangsklemme an eine HF-Quelle angeschlossen ist.
Die Source-Anschlüsse der Dual-Gate-Feldeffekttransistoren 32, 38, 44 und 50 sind über RC-Schaltungen 58, 60, 62 und 64 an Masse gelegt, während ihre Drain-Anschlüsse gemeinsam mit dem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Belag des Kondensators 66 und der ersten Klemme der Spule 68 verbunden sind. Die zweite Klemme der Spule 68 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen an Masse liegenden Kondensator und der ersten Klemme eines Widerstandes 72 verbunden. Der Widerstand 72 ist mit seiner zweiten Klemme an die Gleichstromversorgung angeschlossen. Der zweite Belag des Kondensators 66 ist an den Verbindungspunkt zwischen einem an Masse liegenden veränderlichen Kondensator 74 und der von einem Koaxialgabel gebildeten ZF-Ausgangsklemme 76 verbunden.
Durch Anwendung der oben beschriebenen verteilten Struktur mit einer Übertragungsleitung mit konzentrierten Elementen, die an verschiedene aktive Bauelemente angeschlossen ist, kann die Eingangsimpedanz über sehr große Bandbreiten konstant gehalten werden, bis die Grenzfrequenz der Struktur erreicht ist. Das Übertragungsleitungsnetzwerk wird teilweise durch Verwendung der Eingangskapazität der aktiven Bauelemente als Nebenschluß-Blindwiderstand verwirklicht. Wenn die aktiven Bauelemente Dual-Gate-Feldeffekttransistoren sind, wird eine ähnliche Struktur zum Ankoppeln von Energie an deren zweiten Gate-Anschluß verwendet, um einen zweiten Breitbandanschluß zu erzielen. Jeder Anschluß kann für die Einkopplung des Überlagerungsoszillatorsignals (f1) benutzt werden, wobei der andere Anschluß für das Hochfrequenzsignal (f2) benutzt wird.
Im Betrieb ist die frequenzabhängige Phasenverschiebung in jedem Abschnitt 20, 22, 24 und 26 der Übertragungsleitungen 18 und 18' gleich, und die Phasendifferenz zwischen der LO-Frequenz (f1) und der Hochfrequenz (12) an jedem aktiven Bauelement (Dual-Gate-Feldeffekttransistoren 32, 38, 44 und 50) ist gleich. Somit ist die an jedem Drain-Anschluß erzeugte ZF-Energie in Phase und kann mit einer einfachen Impedanzanpassungsschaltung, beispielsweise einem Viertel Wellenlängen-Anpassungstransformator, summiert werden.
Ein frequenzskalierter Entwurf des Mikrowellenmischers (Fig. 1) mit konzentrierten Elementen ist gebaut und getestet worden. Die Schaltung (Fig. 1) zeigte ausgezeichnete Bandbreiten- und Konversionsgewinnwerte und ein niedriges Stehwellenverhältnis. Entsprechend der Berechnung war der Frequenzgang durch die Grenzfrequenz jedes Dual-Gate-Feldeffekttransistors und die Grenz- (Eck)-Frequenz der Übertragungsleitungen mit konzentrierten Elementen (äquivalent einem Tiefpaßfilter) begrenzt. Der Konversionsgewinn und das Stehwellenverhältnis sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

Claims

1. Mikrowellenmischer, der von einer Wanderwellenstruktur Gebrauch macht und ein Überlagerungsoszillatorsignal (LO-Signal) und ein Hochfrequenzsignal (HF- Signal) verarbeitet, um ein Zwischenfrequenzsignal (ZF-Signal) zu erzeugen und über einen ZF-Ausgang auszugeben, mit mehreren Feldeffekttransistoren (FET) und Impedanzmitteln mit konzentrierten Elementen, die mit den mehreren Feldeffekttransistoren gekoppelt sind, um die Eingangsimpedanz über eine Bandbreite konstant zu halten, die nur durch die Grenzfrequenz der Struktur begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Feldeffekttransistoren Doppel- Gate-Feldeffekttransistoren mit ersten und zweiten Gate-Anschlüssen, einem Source-Anschluß und einem Drain-Anschluß sind, wobei die Impedanzmittel mit konzentrierten Elementen ein erstes Impedanzmittel mit konzentrierten Elementen enthalten, dessen Eingang mit dem LO-Signal gekoppelt ist und dessen Ausgange mit dem jeweiligen ersten Gate-Anschluß der Feldeffekttransistoren gekoppelt sind, und ein zweites Impedanzmittel mit konzentrierten Elementen enthalten, dessen Eingang mit dem HF-Signal gekoppelt ist und dessen Ausgänge mit dem jeweiligen zweiten Gate-Anschluß der Feldeffekttransistoren gekoppelt sind.

2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Anschlüsse gemeinsam mit dem ZF-Ausgang über eine einfache Impedanzanpassungsschaltung verbunden sind.

3. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Anschlüsse über RC-Schaltungen mit Masse verbunden sind.

4. Mischer nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Impedanzmittel mit konzentrierten Elementen jeweils aus mehreren T-förmigen konstanten K-Filtern bestehen.

5. Mischer nach den Ansprüchen 1 bis 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselemente des Mischers in einer monolithischen Schaltung integriert sind.

6. Mischer nach den Ansprüchen 1 bis 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die monolithische Schaltung aus GaAs besteht.