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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Hybridringmischer nach der Technik
der hängenden (zwischen zwei Massenflächen getragenen) Streifenleitungen, die im Bereich der
Mikrowellen und Millimeterwellen zweckmäßig sind.
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Hybride Mischer werden in großem Umfang in verschiedenen symmetrischen
Schaltkreisgestaltungen für Mikrowellen und Millimeterwellen verwendet, einschließlich symmetrischer
Mischer, Einseitenbandmodulatoren, Phasen- und Amplitudenmonopulskomparatoren,
Frequenzmultiplexern und Filtern mit konstanter Impedanz. Verschiedene zweckmäßige Formen
von hybriden Mischern sind wohlbekannt, einschließlich des Hybridringmischers oder "Rat-Race-
Mischers", und man weiß von jeder dieser Formen, daß sie in Wellenleiter-, Koaxialleiter- oder
Streifenleiterform verwirklicht werden können.
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Der wesentliche Hybridring weist eine geschlossene Schleife einer Übertragungsleitung
auf, die im wesentlichen eine Länge von 6/4 Wellenlängen hat Vier Anschlüsse (Anschlüsse 1
bis 4) auf dem Ring sind geometrisch um 60º und elektrisch um eine viertel Wellenlänge
voneinander beabstandet. Für einen idealen Hybridring teilt sich ein Signal, das am Anschluß 1
eingegeben wird, gleichmäßig zwischen den Anschlüssen 2 und 4 mit einer Phasendifferenz von
180º auf, während ein Signal, welches am Anschluß 3 eingegeben wird, sich gleichermaßen
zwischen denselben Anschlüssen 2 und 4 mit der Phasendifferenz Null aufteilt.
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Der Stand der Technik ist voll von Variationen nach dem Grundprinzip des Hybridringes.
Eine solche Offenbarung nach dem Stand der Technik eines Hybridringmischers in der Technik
der zwischen zwei Massenflächen getragenen Streifenleitungen ist in dem US-Patent Nr. US-A-4
031472 enthalten, wobei dessen Konstruktion bestimmte Fehler früherer Einrichtungen vermeiden
soll. Insbesondere offenbart die US-A-4 031 472 einen Hybridringmischer in der erwähnten
Technik mit hängenden bzw. gehalterten Streifenleitungen entsprechend dem Oberbegriff des
Anspruches 1 dieser Erfindung.
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Andere Offenbarungen, die sich um die Behandlung der Technik der aufgehängten
Streifenleitungen oder anderer ebener Übertragungsleitungen bemühen, haben es als notwendig
angesehen, daß eine viertel-Wellenlängen-Blindleitung verwendet werden muß, um Masse für
Radiofrequenz (RF) und einen lokalen Oszillator (LO) bereitzustellen, und dieses hat die
ungünstige Eigenschaft, daß die Bandbreite begrenzt wird und zusätzlich die Verwendung von
Verteilerdrähten für das Auskoppeln eines erzeugten Mischfrequenz bzw.
Zwischenfrequenzsignals (IF-Signal) erforderlich ist.
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Beispielsweise hat sich oft herausgestellt, daß in einem bestimmten, von Quarz
gehalterten Substratschaltkreis für Radaranwendungen Phasendetektoren und phasenverriegelte
Mischer (PLL-Mischer) in unzugänglichen bzw. schlecht handhabbaren und engen Räumen
angetroffen werden. Die Mischfrequenz (IF) ist früher mit einem Netzwerk von Kondensatoren,
Widerständen und Leitungen ausgekoppelt bzw. abgeleitet worden.
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Gemäß der Erfindung ist ein Hybridringmischer in der Technik der (zwischen
Massenflächen) getragenen Streifenleitungen vorgesehen, welcher aufweist:
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einen Ring, der mit einer Eingangsleitung für Radiofrequenz (RF) und einer
Eingangsleitung für einen lokalen Oszillator (LO) verbunden ist, wobei sich jede dieser Leitungen in radialer
Richtung nach außen von dem Ring erstreckt und der Ring und die Eingangsleitungen durch eine
leitfähige Schicht auf einer Oberfläche eines dielektrischen Substrates gebildet sind,
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eine Diodeneinrichtung, welche einen äußeren Teil des Ringes an Stellen von RF- und LO-
Maxima mit Masse verbindet, und
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eine Auskoppeleinrichtung zum Auskoppeln bzw. Herausleiten eines
Zwischenfrequenz(IF)-Signals, welches in dem Ring erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinrichtung den Ring mit einer Massenebene
verbindet, die durch eine leitfähige Schicht auf der Oberfläche des Substrates gebildet wird, daß
die Massenfläche den Ring vollständig außer im Bereich der Eingangsleitungen umgibt und daß
die Auskoppeleinrichtung im Zentrum des Ringes vorgesehen ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung, die weiter unten genau beschrieben wird, weist einen
Hybridringmischer in der Technik der aufgehängten bzw. aufgespannt getragenen
Streifenleitungen in Form eines Ringes auf, der vollständig von einer Massenebene umgeben ist, weiche auf
derselben Seite des Substrates liegt wie der Ring. Diodeneinrichtungen sind an dem äußeren Teil
des Ringes angeordnet und verbinden den Ring mit der Massenebene an Stellen der RF- und der
LO-Maxima. Im Zentrum des Ringes ist eine Einrichtung vorgesehen, durch welche die in dem
Ring erzeugte IF-(Zwischenfrequenz) ausgekoppelt wird, wobei diese Einrichtung vorzugsweise
die Form einer Leitung mit hoher Impedanz hat, mit der ein Balg in Verbindung steht. Dieser Balg
wird typischerweise von einem zentralen Pfahl bzw. Stift eines koaxialen Trennwandanschlusses
(bulkhead connector) gehaltert, der zu dem IF-Schaltkreis gehört, an dessen Ort die Auskopplung
der IF bewerkstelligt wird. Die Massenebene, weiche den Ring umgibt, ist für alle Signale in dem
Mischer Masse, d. h. für die IF, die RF und die LO.
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Wie man im folgenden erkennen wird, ermöglicht dies, die IF zu entfernen bzw. abzuleiten
oder auszukoppeln ohne irgendwelche der oben erwähnten Schwierigkeiten, wie z. B. wenn die
Phasendetektoren oder die PLL-Mischer in unzugänglichen und engen Räumen auftreten, wobei
es vorher notwendig war, die IF mit einem Netzwerk von Kondensatoren, Widerständen und
Leitungen auszukoppeln.
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Es versteht sich, daß es auch andere Begriffe für die Einrichtung gibt, die hier als
Hybridringmischer (Rat-Race-Mixer) bezeichnet wird, wobei dies z. B. die Begriffe sind
Hybridmischer, Hybridkoppelmischer, Ringmischer und 180º-Koppelmischer.
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Der Hybridringmischer mit zwischen Massenflächen getragenen Streifenleitungen, weicher
die vorliegende Erfindung verwirklicht, benötigt weniger Platz als irgendeine bekannte,
vergleichbare Einrichtung nach dem Stand der Technik und kann überall auf dem Substrat
angeordnet werden.
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Der Mischer, welcher die Erfindung verwirklicht, ist ein sehr effektiver Mischer, der in der
Form aufgehängter (bzw. substratgetragener) Streifenlinien verwirklicht ist und zeichnet sich durch
seine Kompaktheit und niedrige Kosten aus. Der Mischer mit aufgehängten Streifenleitungen ist
mit einem planaren RF-Schaltkreis kompatibel, so daß er mit RF-Mikroschaltkreisen auf Quarz,
Galliumarsenid oder dergleichen verwendet werden kann. Der Mischer ermöglicht das Auskoppeln
von IF senkrecht zu dem Substrat für die Halterung der Streifenleitungen und spart damit Raum
auf dem Substrat und minimiert die Anzahl von Lötverbindungen. Der Mischer stellt eine im
Höchstmaße vorteilhafte Art des Auskoppelns von IF bereit ohne das Erfordernis, ein Netzwerk
von Kondensatoren, Widerständen und Leitungen zu verwenden. Der Mischer kann auch mit
relativ wenig einschlägiger Erfahrung montiert werden aufgrund unmittelbar einleuchtender
Montagetechniken, welche die vorteilhafte neue Gestaltung leicht möglich machen. Der Mischer
hat einen Schaltkreis, der in hohem Maße für Millimeterwellenanwendungen geeignet ist, indem
er einen minimalen Raum auf der gehalterten bzw. aufgehängten Streifenleitung erfordert, und er
kann an irgendeiner beliebigen aus einer Anzahl möglicher Stellen auf dem Substrat angeordnet
werden.
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Die Erfindung wird jetzt weiter beschrieben anhand eines veranschaulichenden und nicht
einschränkenden Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, von denen:
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines typischen Hybridringmischers in der Technik
der gehalterten Streifenleitungen ist, welcher die vorliegende Erfindung verwirklicht, wobei Teile
eines oberen Gehäuses in der Darstellung weggelassen sind, um einen Teil des wesentlichen
inneren Aufbaues freizulegen,
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Fig. 2 eine Ansicht eines Eingangsabschnittes des Mischers gemäß Fig. 1 ist, und zwar
in einem größeren Maßstab dargestellt, um bestimmte Einzelheiten genauer offenzulegen,
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Fig. 3 eine vergrößerte ebene Ansicht des Hybridringabschnittes des Mischers ist, wobei
bestimmte Hervorhebungen bzw. Auszüge verwendet werden, um die Polaritäten klar darzustellen
und um die Stelle, wo die Zwischenfrequenz ausgekoppelt wird, deutlich zu machen, und
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Fig. 4 ist eine Querschnittansicht in vergrößertem Maßstab, weiche die besondere Art
offenlegt, in welcher die IF-Auskopplung vorzugsweise bewerkstelligt wird.
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Fig. 1 zeigt einen typischen Abschnitt aus einer gehalterten Streifenleitung 10, unter
Verwendung beispielsweise eines unteren Gehauseteiles 12 und eines oberen Gehäuseteiles 14.
Die Gehäuseteile 12, 14 können aus Metall sein und jedes der Gehäuseteile hat einen identisch
bemessenen rechteckigen Ausschnitt bzw. Nut, die darin ausgebildet ist, so daß diese zusammen
einen Kanal 16 bilden.
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Ein hartes dielektrisches Teil oder Substrat 18, z. B. mit den Abmessungen von 0,254 mm
(0,01 Zoll) Dicke und 3,175 mm (0,125 Zoll) Breite, wird an der Verbindung bzw. am Übergang
der beiden Gehäuseteile 12, 14 verwendet, um ein gehaltertes Streifenleitungsteil zu bilden,
welches in der Mitte des Kanals 16 liegt, siehe Fig. 2. Das aufgehängte bzw. gehalterte
Streifenleitungssubstrat 8 wird vorzugsweise aus Quarz hergestellt. Die Verwendung von Quarz
ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Weiterhin sind auch die oben erwähnten Abmessungen nicht
unbedingt erforderlich. Diese Art des konstruktiven Aufbaues, die verwendet wird, um eine
gehalterte Streifenleitung zu erzeugen, ist im Stand der Technik schon relativ alt.
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Das obere Gehäuse 14 ist in Fig. 1 weggeschnitten dargestellt, um die Leitungen 20 und
26 freizulegen bzw. freiliegend zu zeigen, die entlang der Oberfläche des harten dielektrischen
Substrates 18 ausgebildet sind, vorzugsweise unter Verwendung von sehr dünn darauf
abgeschiedenem Gold, in einer Gestaltung und Anordnung, die in Einklang steht mit dem Zweck,
dem die gehalterte Streifenleitung dient. Die Leitung 20 dient in diesem Fall als ein
Radiofrequenz(RF) Eingang, während die Leitung 26 in diesem Fall als Eingang eines lokalen Oszillators (LO)
dient. Ein Abschnitt 22 aus sauberem (clear) Quarz liegt auf der Oberseite des Quarzsubstrates
18 auf den linken und rechten Seiten der Leitungen 20 und 26 und im Zentrum eines
Hybridringmischers bzw. eines Hybriden 30, der unten beschrieben wird.
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Eine Massenebene 24 ist auf derselben Seite des Substrates 18 gebildet, wie die RF-
Eingangsleitung 20 und die LO-Eingangsleitung 26, vorzugsweise durch eine dünne
Abscheidungsschicht von Gold auf der Oberfläche des Substrates. Es versteht sich anhand der
Fig. 1 und 3, daß die Massenfläche bzw. Massenebene 24 sowohl auf der linken als auch auf
der rechten Seite der Leitungen 20 und 26 vorliegt, wobei die Massenebenenabschnitte von den
Leitungen 20 und 26 durch die Abschnitte 22 aus sauberem Quarz getrennt sind, wie zuvor
erwähnt. Man kann daher aus den Fig. 1 und 2 erkennen, daß die Massenebene 24 den
Hybridringmischer 30 vollständig umgibt mit Ausnahme an der Stellen der Eingangsleitungen 20
und 26. Im Gegensatz zu der Mikrostreifentechnik, bei weicher die Massenebene, von dem Leiter
bzw. den Leitungen aus gesehen, auf der gegenüberliegenden Seite des Substrates angeordnet
sind, wird bei der gehalterten Streifenleitung die Massenebene 24 auf derselben Seite des
Substrates erzeugt wie die Leitungen 20 und 26, wie schon erwähnt.
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Wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt, kann eine dünne, gewellte Metailunterlage 25 an
den Massenebenenabschnitten 24 angebracht werden, um den erforderlichen elektrischen Kontakt
zwischen den Massenebenenabschnitten und dem oberen Gehäuseteil 14 herzustellen und auch
um ein Abpolstern bzw. Abfedern für das Substrat 18 vorzusehen, weiches im Falle von Quarz
sehr zerbrechlich ist.
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Der Hybridringmischer 30 ist, wie man am besten aus den Fig. 1 und 3 sehen kann,
nach dem Prinzip der (zwischen Massenflächen) gehalterten Streifenleitungen aufgebaut. Der
Hybridring ist ein 180º-Hybride, weicher aus einer Übertragungsleitung von 11/2 (eine und eine
halbe) Wellenlängen besteht. Wenn die Eingänge die Impedanz Z&sub0; (typischerweise 50 Ohm)
haben, hat der Ring die Impedanz 2·&sub0;. Diese Impedanzbeziehungen sind im Stand der Technik
wohlbekannt.
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In Fig. 3 erkennt man, daß die Punkte A bis F auf einem Ringabschnitt 31 des
Hybridringmischers 30 räumlich um 60º voneinander entfernt liegen, jedoch sind diese Punkte
selbstverständlich elektrisch um 90º auseinander. Ein RF-Signal auf der Leitung 20 wird an dem
Punkt A eingeführt und läuft in beiden Richtungen um den Ring 31 herum. Es hat seinen
maximalen Wert bzw. maximale Größe an den Punkte B, D und F und eine minimale Größe an
den Punkten C, E und A. Diese Minima und Maxima werden verursacht durch konstruktive und
destruktive Interferenz der Wellen, weiche sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegen dem
Uhrzeigersinn um den Ring 31 herumlaufen. Ein lokales Oszillator- (LO)-Signal wird durch die
Leitung 26 am Punkt C, einem RF-Minimum, zugeführt. Der lokale Oszillator hat dann Maxima an
den Punkten B, D und F und Minima an den Punkten C, E und A.
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Sowohl RF als auch LO weisen Maxima an den Punkten B, D und F auf und
Mischerdioden können verwendet werden an zwei beliebigen von diesen Punkten. In der in Fig. 3
dargestellten Ausführungsform sind die Mischerdioden 32 und 34 an den Punkten B und D an
dem Ring 31 montiert dargestellt. Die Dioden 32 und 34 sind an der Außenseite des Hybridringes
31 montiert und direkt mit der IF-Masse verbunden, ebenso wie mit der RF- und der LO-Masse,
wobei darauf Bezug genommen bzw. unterstellt wird, daß alle diese Massen auf der
Massenebene 24 vorliegen. Beide Signale weisen Minima an den Eingängen auf, so daß sie sowohl eine
Isolation als auch eine gute Anpassung gewährleisten. Während der Stand der Technik
Viertelwellen-Blindleitungen verwendete, um die RF- und die LO-Masse bereitzustellen, was die
Bandbreite begrenzte, sind im vorliegenden Fall die Dioden 32 und 34 zwischen dem Hybriden
oder Ring 31 und der Massenebene 24 angeschlossen und stellen damit eine sehr
zufriedenstellende RF- und LO-Masse bereit, die in engem Kontakt zu den Gehäuseteilen 12 und 14 steht.
Die Massenebene 24 stellt auch eine ausgezeichnete IF-Masse bereit.
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Da beide Hochfrequenzsignale ein Minimum an dem Punkte E aufweisen, ist dies die
Stelle, wo vorzugsweise eine dünne Leitung 36 hoher Impedanz für die IF-Auskopplung
angeordnet sind, insoweit als diese Anordnung es ermöglicht, den geringstmöglichen Betrag von
RF oder LO in den IF-Schaltkreis eintreten zu lassen. Das IF-Signal tritt auf dem elektrischen
Leiter bzw. der Leitung des 180º-Hybridringes oder Kupplung bzw. Verbindungsleitung 30 auf.
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Die Leitung 36 mit hoher Impedanz erstreckt sich zum Mittelpunkt 38 des
Hybridringmischers 30, wo ein Anschluß für die IF-Ableitung hergestellt werden muß. Für einen 35 GHz-
Mischer beträgt der innere Durchmesser des Ringes 31 etwa
4,19 mm (0,165 Zoll). Die Impedanz der Leitung 36 sollte zumindest 2 Z&sub0; betragen oder, mit
anderen Worten, etwa 100 Ohm entsprechend dem zuvor erwähnten Beispiel.
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Es wird jetzt auf Fig. 4 Bezug genommen, wo ein zentraler Pfosten bzw. Stift 40 von
einem koaxialen Trennwandanschluß (Steckverbindung), wie z. B. einer SMA-Verbindung, an dem
oberen Gehäuseteil 14 angebracht ist und sich vertikal durch einen Ring 44 erstreckt. Der Ring
44 besteht aus Polytetrafluorethylen ("Teflon"-Warenzeichen), wobei auch ein Ring auf einem
anderen geeigneten dielektrischen Material austauschweise eingesetzt werden kann, falls
bevorzugt. Fig. 4 zeigt auch das harte dielektrische Substrat 18, die Leitung 20, den
Ringabschnitt des Hybridringkopplers 30 und eine Einrichtung, die einen guten Kontakt zwischen
dem zentralen Stift 40 und der Streifenleitung bereitstellt, um zu ermöglichen, daß die IF in einer
besonders vorteilhaften Weise abgeleitet wird. Ein sogenannter "fuzzball" (Knäuel) aus Metalldraht
kann verwendet werden, um einen Kontakt zwischen dem zentralen Stift 40 und der
Streifenleitung herzustellen, jedoch ist die Verwendung eines geeigneten Balges 42, wie in Fig. 4
dargestellt, für diesen Zweck bevorzugt. Fig. 3 veranschaulicht durch gestrichelte Linien die
Beziehung bzw. den Zusammenhang des Balges 42 mit der Hochimpedanzleitung 36.
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Dieser Balg 42 ist am Grund des zentralen Stiftes 40 angelötet, so daß ein
ausgezeichneter Kontakt zwischen dem zentralen Stift und der Hochimpedanzleitung 36 an oder in der Nähe
des Punktes 38 auf dem Quarzsubstrat 18 hergestellt wird aufgrund der Tatsache, daß der Balg
mit einer Lange gewählt wird, die ausreichend ist, um ein wünschenswertes Stückchen (Maß) von
Druck gegen die Hochimpedanzleitung 36 zu bilden bzw. auszuüben. Dieser von dem Balg 42
ausgeübte Druck beansprucht das Quarzsubstrat 18 mechanisch nicht übermäßig, noch ruft er
einen nicht wünschenswerten elektrischen Lasteffekt auf dem Ring hervor.
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Man muß sich klarmachen, daß die oben beschriebene IF-Ableitungsanordnung in
vorteilhafter Weise keine Lötverbindung zu dem Substrat erfordert, und die Verbindung kann
wiederholt montiert und demontiert werden, ohne irgendeine der Komponenten zu beschädigen.
Es ist auch festzuhalten, daß dies die Montage von Einrichtungen erlaubt, welche die vorliegende
Erfindung verwirklichen, ohne daß dies die Anwendung einer (erfahrenen) Facharbeit erfordert.
Dies folgt selbstverständlich aus der direkten und unmittelbar einleuchtenden Montagetechnik,
welche die Gestaltung ermöglicht.
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Beispielsweise sind Bälge mit 0,94 mm (0,037 Zoll) Durchmesser gut geeignet und
zufriedenstellend und sind kommerziell erhältlich.
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Wie in Fig. 4 dargestellt, sind Schraubenköpfe 36 auf einem oberen Metallteil 48 so
ausgestaltet, daß sie einen koaxialen Anschluß, wie z. B. eine Verbindung vom Typ einer SMA-
Verbindung aufnehmen. Diese Gewinde 46 können als Masse betrachtet bzw. in Bezug
genommen werden.
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Wie es jetzt für die Fachleute klar sein sollte, ist vorstehend ein außerordentlich
vorteilhafter Hybridringmischer beschrieben worden, der einen Ring 31 hat, der vollständig von
einer Massenebene 24 umgeben ist, wobei die RF- und LO-Verhältnisse derart sind, daß der Ring
auf dem RF- und LO-Potential liegt. Nachdem dies erreicht worden ist, ist es dann notwendig
geworden, die umgebene Massenebene auch zur Masse für die IF (Zwischenfrequenz) zu machen
und gleichzeitig in die Lage versetzt zu werden, die Ableitung der IF zu bewerkstelligen. Dies
wurde erreicht durch Anordnung der Hochimpedanzleitung 36 an dem Punkt E an den Ring 31
des Hybridringes, einem RF- und LO-Minimum, wobei die Balganordnung 42 vorzugsweise
verwendet wird, um die IF abzuleiten, wie zuvor erwähnt. Unter Verwendung eines SMA-
Anschlusses wird die IF durch den koaxialen Anschluß, der auf dem Gewinde 46 aufgenommen
wird, zu einem Vorverstärker eines Mischers oder eines anderen IF-Schaltkreises geleitet.
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Es ist offensichtlich, daß die Leitungen 20 und 26 des Hybridringes in keinem Schaltkreis,
in welchem ein Mischer verwendet wird, mit Masse kurzgeschlossen werden dürfen. Deshalb wird
ein DC-Block oder Kopplungskondensator in den LO- und RF- Leitungen 26 und 20 verwendet,
wie er erforderlich ist, wie z. B. bei 28 an den beiden Stellen in Fig. 1 gezeigt.
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Bei dem oben beschriebenen Mischer liegt der Hybridring auf RF-, LO- und IF-Potential,
und die Massenebene 24 stellt die Masse für alle drei Signale dar. Dies steht in bemerkenswertem
Kontrast zu den Lehren nach dem Stand der Technik, bei welchen der Hybridring typischerweise
auf IF-Masse und auf RF- und LO-Potential liegt. Dies hat den Nachteil, daß
Viertelwellenblindleitungen oder Löcher mit Massedrähten erforderlich sind, die sich durch das Substrat
erstrecken, um eine RF-/LO-Masse bereitzustellen. Da die Blindleitungen notwendigerweise auf
IF-Potential liegen, mußte die IF von jeder Blindleitung abgeleitet und dann wieder kombiniert
werden, typischerweise unter Verwendung von Verteilungsdrähten. Dies ist nicht nur komplizierter
als die vorliegende Ausgestaltung, sondern bewirkte üblicherweise auch eine beträchtliche
Einschränkung der Betriebsbandbreite.
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Es sollte inzwischen völlig klar sein, daß keine Viertelwellenblindleitungen bei dem oben
beschriebenen Mischer für RF- oder LO-Masse benötigt werden, daß keine Löcher durch das
Substrat für IF-Masse erforderlich sind und daß auch keine Verzweigungsdrähte für die IF-
Ableitung erforderlich sind. Wegen seiner Kompaktheit und der niedrigen Kosten ist der oben
beschriebene Mischer vollständig geeignet für einen weiten Bereich von Anwendungen.