DE3914525A1 - Empfaenger fuer den mikrowellenbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Empfänger für den Mikrowel­ lenbereich, insbesondere Millimeterwellenbereich gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Empfänger ist beispielsweise in dem Artikel von Y.E. Chen, D. Eng­ lish, A. Grote, G. Hayashibara, T. Pham, Y.C. Ngan und P. Yen: "W-Band, Microstrip Integrated Circuit Transceiver"; in: Microwave Journal, Oktober 1987, S. 115-132 beschrie­ ben.

Der bekannte Empfänger besteht im wesentlichen aus einer Empfangsantenne, einem Überlagerungsoszillator und einem harmonischen Mischer, der das hochfrequente Empfangssignal durch Mischung mit dem Ausgangssignal des Überlagerungsoszillators in eine Zwischenfrequenzlage um­ setzt. Der Empfänger ist in Streifenleitungstechnik reali­ siert, was i.a. sehr kritisch im Entwurf und in der Her­ stellung ist. Für viele Anwendungen ist ein solcher Emp­ fänger nicht kompakt und nicht breitbandig genug.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Empfänger der eingangs genannten Art zu schaffen, der möglichst breitbandig ist und möglichst kompakt im Aufbau ist.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Pa­ tentanspruch 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche enthal­ ten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, den Empfänger als Schlitzleitungsstruktur in die Grundmetallisierung ei­ nes planaren dielektrischen Substrats auszubilden, und zwar den Überlagerungsoszillator als Schlitzleitungsoszil­ lator, der Mischer als Koplanarleitungsmischer und die Empfangsantenne als Vivaldi-Antenne.

Die einzelnen Bauelemente des erfindungsgemäßen Empfängers sind an sich bekannt, so ist ein Schlitzleitungsoszillator z.B. in dem Artikel von B. Roth und A. Beyer: "Millimeter­ wave-Oscillator as a Hybrid Integrated Circuit in Slot- Line Technique"; in Conference Proceedings MIOP 1989, Teil P 7 beschrieben, während die Vivaldi-Antenne z.B. aus dem Artikel von P.J. Gibson: "The Vivaldi Aerial"; in: 9^th Eu­ ropean Microwave Conference Procedings (1979), S. 101-105 bekannt ist und ein Koplanarleitungsmischer z.B. in dem Artikel von U.H. Gysel: "A 26.5-to-40-GHz Planar Balanced Mixer"; in: 5^th European Microwave Conference Proceedings (1975), S. 491-495 beschrieben ist.

Die erfindungsgemäße Kombination dieser an sich bekannten Einzelbauelemente führt jedoch auf einen Empfänger, der sich durch eine überraschend hohe Breitbandigkeit aus­ zeichnet und dabei unerwartet kompakt im Aufbau ist.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß Dimensionierung und Herstellung des Empfängers besonders einfach sind, da unter anderem nur eine Seite des Substrats strukturiert werden muß, und daß mit diesem Empfänger eine ideale Einsatzmöglichkeit eines dielektri­ schen Resonators zur Verfügung steht.

Als Substrat (das im übrigen nur einseitig metallisiert werden muß) eignen sich neben Teflon (z.B. das handelsüb­ liche RT-Duroid) oder Keramik oder Quarz vor allem hochoh­ miges Silizium oder semiisolierendes Galliumarsenid, da mit den beiden letzteren Materialien eine monolithische Integration des Empfängers möglich ist, wobei vorteilhaf­ terweise das differentielle Epitaxieverfahren angewendet werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer in der Fig. 1 dargestellten vorteilhaften Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Empfängers näher erläutert.

Der Empfänger ist als Schlitzleitungsstruktur in der Grundmetallisierung Me eines (nur einseitig metallisch be­ schichteten) Substrats Su ausgebildet (in der Figur sind metallisierte Flächen schraffiert und metallfreie Flächen des Substrats unschraffiert dargestellt).

Die Empfängerstruktur besteht im wesentlichen aus einem ersten Teil 1-3, der den Überlagerungsoszillator dar­ stellt, einem zweiten Teil 4-5, der den harmonischen Mi­ scher darstellt, und einen dritten Teil 7, 8, der die Vi­ valdi-Antenne darstellt.

Der Überlagerungsoszillator 1-3 besteht aus einer geradli­ nig verlaufenden ersten Schlitzleitung 1, deren Enden kurzgeschlossen sind und deren Länge frequenzbestimmend ist. In der Mitte dieser Leitung 1 befindet sich ein (in der Figur nur durch ein Strichsymbol dargestelltes) akti­ ves Element 2 (z.B. HF-Transistor oder aktive Diode, z.B. IMPATT-Diode). Die in der ersten Schlitzleitung 1 ange­ regte Millimeterwellenschwingungen wird in eine kreiring­ förmig verlaufende zweite Schlitzleitung 3 übergekoppelt, deren beiden Enden zu einer Koplanarleitung 4 zusammenge­ führt sind. Die Koplanarleitung 4 geht an ihrem anderen Ende in eine dritte Schlitzleitung 8 über und bildet zu­ sammen mit zwei (in der Figur nur durch Strichsymbole dar­ gestellte) Mischerdioden 5 den Koplanarleitungsmischer 4-5. über diese Koplanarleitung 4 gelangt die Überlagerungsoszillatorleistung auf den harmonischen Mi­ scher 4-5. Die durch diese Struktur entstandene kreisför­ mige metallische Insel 6 ist ein idealer Ort für einen di­ elektrischen Resonator.

Auf der anderen Seite wird das Empfangssignal über die Vi­ valdi-Antenne 7 in die dritte Schlitzleitung 8 eingespeist und gelangt über diese ebenfalls auf den Mischer 4-5. Auf­ grund der Phasenzusammenhänge zwischen Empfangssignal und dem Ausgangssignal des Überlagerungsoszillators 1-3 am Mi­ scher 4-5 ergibt sich eine sehr hohe Isolation zwischen diesen beiden Signalen.

Die bei dem Mischvorgang entstandene Zwischenfrequenzlei­ stung wird über jeweils ein Bondband 9 (oder alternativ hierzu: über eine metallische Luftbrücke ("air bridge")) und einen koplanaren Tiefpaßfilter 10 herausgeführt.

Schmale Trennungsschlitze 11 bzw. 12 in der Grundmetalli­ sierung Me ermöglichen den Anschluß einer Stromversorgung für das aktive Element an die so entstandene metallische Insel 13 bzw. über die metallischen Inseln 14 das Anlegen einer Vorspannung an die Mischerdioden 5.

Als Trägermaterial eignen sich, wie weiter oben erwähnt, verlustarme Dielektrika wie Teflon (RT-Duroid), keramische Substrate, Quarz sowie hochohmiges Silizium oder semi­ isolierendes GaAs. Für die beiden letzteren Materialien bietet sich eine vollständige monolithische Integration an, die mit Hilfe der differentiellen Epitaxie erfolgen kann. Besonders in diesem Fall ist von großem Vorteil, daß nur eine Seite des Substrats strukturiert werden muß.

Claims (6)

1. Empfänger für den Mikrowellenbereich, insbesondere Millimeterwellenbereich, mit einer Empfangsantenne, einem Überlagerungsoszillator und einem harmonischen Mischer, der das hochfrequente Empfangssignal durch Mischung mit dem Ausgangssignal des Überlagerungsoszillators in eine Zwischenfrequenzlage umsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger als Schlitzleitungsstruktur in der Grundme­ tallisierung (Me) eines planaren dielektrischen Substrats (Su) ausgebildet ist, dergestalt, daß der Überlagerungsos­ zillator als Schlitzleitungsoszillator (1-3), der Mischer als Koplanarleitungsmischer (4, 5) und die Empfangsantenne als Vivaldi-Antenne (7) ausgebildet sind.

2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Schlitzleitungsoszillator (1-3) aus einer an ihren beiden Enden kurzgeschlossenen und gerade verlaufenden ersten Schlitzleitung (1) und einer im wesentlichen kreisförmig verlaufenden und mit ihren beiden Enden in eine Koplanarleitung (4) übergehenden zweiten Schlitzleitung (3) sowie ei­ nem die beiden Schlitzleitungen (1, 3) etwa in ih­ rer Mitte miteinander verkoppelnden aktiven Ele­ ment (2) besteht;
• - daß die Koplanarleitung (4) an ihrem anderen Ende in eine dritte Schlitzleitung (8) übergeht und zu­ sammen mit zwei in den Übergangsbereich angeordne­ ten Mischerdioden (5) den Koplanarleitungsmischer bildet;
• - daß die dritte Schlitzleitung (8) sich an ihrem anderen Ende trichterförmig verbreitert und dabei kontinuierlich in die Vivaldi-Antenne (7) über­ geht;
• - daß die von der zweiten Schlitzleitung (3) einge­ schlossene, annähernd kreisförmige und in den Mit­ telleiter der Koplanarleitung (4) sich fortset­ zende erste metallische Insel (6) in der Grundmetallisierung (Me) etwa in halber Höhe zwi­ schen dem aktiven Element (2) und der Koplanarlei­ tung (4) über ein bzw. zwei seitlich abgehende Bondbänder (9) oder metallische Luftbrücken mit einem bzw. zwei jeweils als weitere Koplanarlei­ tung ausgebildete und sich bis zum Rand des Sub­ strats (Su) fortsetzende Tiefpaßfilter (10) ver­ bunden ist.

3. Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Enden der ersten Schlitzleitung (1) ausge­ hend zwei erste Trennungsschlitze (11) in der Grundmetal­ lisierung (Me) bis zum Rand des Substrats (Su) verlaufen und so eine durch die ersten Trennungsschlitze (11) und die erste Schlitzleitung (1) begrenzte zweite metallische Insel (13) zum Anschluß einer Stromversorgung für das ak­ tive Element (2) gebildet ist.

4. Empfänger nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Außenleitern der Kopla­ narleitung (4) ausgehend zwei zweite Trennungschlitze (12) in der Grundmetallisierung (Me) bis zum Rand des Substrats (Su) oder jeweils bis zu einem Außenleiter der beiden Tiefpaßfilter (10) verlaufen und so zwei jeweils durch den jeweiligen zweiten Trennungsschlitz (12), den jeweiligen Außenleiter der Koplanarleitung (4) bzw. des jeweiligen Tiefpaßfilters (10) und die Vivaldi-Antenne (7) begrenzte dritte metallische Inseln (14) zum Anschluß einer Vorspan­ nung für die Mischerdioden (5) gebildet sind.

5. Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (Su) Teflon oder Keramik oder Quarz vorgesehen ist.

6. Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (Su) hochohmiges Silizium oder semiisolierendes Galliumarsenid vorgesehen ist und daß die Empfängerstruktur durch monolithische Integration, vorzugsweise unter Anwendung des diffenztiellen Epitaxie­ verfahrens hergestellt ist.