DE3914525C2

DE3914525C2 - Empfänger für den Mikrowellenbereich

Info

Publication number: DE3914525C2
Application number: DE19893914525
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Guettich
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-05-02
Filing date: 1989-05-02
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2009-05-03
Also published as: DE3914525A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Empfänger für den Mikrowellenbe reich, insbesondere Millimeterwellenbereich nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Empfänger ist beispielsweise aus der in der EP 0 309 039 A2 beschriebenen integrierten Millimeterwellen-Sende/ Empfangs-Anordnung bekannt. Die bekannte Anordnung enthält auf einem dielektrischen Substrat eine Antenne, Koplanarleitungs mischer und eine Schlitzleitung. Ein Teil eines eingespeisten Millimeterwellen-Sendesignals wird über die Schlitzleitung den Mischern als Überlagungerungsoszillatorsignal zugeführt.

Eine andere integrierte Empfängeranordnung ist beispielsweise aus "W-Band, Microstrip Integrated Circuit Transceiver" von Y. E. Yen et. al in Microwave Journal, Oktober 1987, Seiten 115 bis 132, bekannt. Die Anordnung besteht im wesentlichen aus ei ner Empfangsantenne, einem Überlagerungsoszillator und einem harmonischen Mischer, der das hochfrequente Empfangssignal durch Mischung mit dem Ausgangssignal des Überlagerungsoszilla tors in eine Zwischenfrequenzlage umsetzt. Der Empfänger ist in Streifenleitungstechnik realisiert, was i. a. sehr kritisch im Entwurf und in der Herstellung ist. Für viele Anwendungen ist ein solcher Empfänger nicht kompakt und nicht breitbandig ge nug.

Weitere integrierte Empfängeranordnungen sind beispielsweise aus "A Planar Subharmonically-Pumped 71 GHz Receiver with Inte gral Feed Antenna" von Williams und Schwarz in Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 7, No. 2, 1986, Seiten 183- 195, aus "Integrierte Mikrowellenschaltungen" von R. R. Hoffmann, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1983, Seiten 349- 384 und aus "The Tapered Slot Antenna - A New Integrated Ele ment for Millimeter-Wave Applications" von Yngvesson et. al. in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 37, No. 2, Februar 1989, Seiten 365-374 bekannt.

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 Patenanspruch 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

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: "Millimeterwave-Oscialla tor as a Hybrid Integrated Circuit in Slot-Line Technique"; in Conference Proceedings MIOP 1989, Teil P7 beschrieben, während die Vivaldi-Antenne z. B. aus dem Artikel von P. J. Gibson: "The Vivaldi Aerial"; in: 9^th European Microwave Conference Procee dings (1979), Seiten 101-105 bekannt ist und ein Koplanarlei tungsmischer 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 Figur 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 kreisring 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

1. Empfänger für den Mikrowellenbereich, insbesondere Millime terwellenbereich, mit einer Empfangsantenne, einem Überlage rungsoszillator und einem harmonischen Mischer, der das hoch frequente Empfangssignal durch Mischung mit dem Ausgangssignal des Überlagerungsoszillators in eine Zwischenfrequenzlage um setzt, wobei der Überlagungsoszillator als Schlitzleitungsos zillator, und der Mischer als Koplanarleitungsmischer ausge bildet sind, dadurch gekennzeichnet,

1. daß die Empfangsantenne als Vivaldi-Antenne (7) ausgebil det ist;
2. daß der Schlitzleitungsoszillator (1-3) aus einer an ihren beiden Enden kurzgeschlossenen und gerade verlaufenden er sten Schlitzleitung (1) und einer annähernd kreis förmig verlaufenden und mit ihren beiden Enden in eine Ko planarleitung (4) übergehenden zweiten Schlitzleitung (3) sowie einem die beiden Schlitzleitungen (1, 3) etwa in ihrer Mitte miteinander verkoppelnden aktiven Element (2) besteht;
3. daß die Koplanarleitung (4) an ihrem anderen Ende in eine dritte Schlitzleitung (8) übergeht und zusammen mit zwei in den Übergangsbereich angeordneten Mischerdioden (5) den Koplanarleitungsmischer bildet;
4. daß die dritte Schlitzleitung (8) sich an ihrem anderen Ende trichterförmig verbreitert und dabei kontinuierlich in die Vivaldi-Antenne (7) übergeht;
5. daß die von der zweiten Schlitzleitung (3) eingeschlosse ne, annähernd kreisförmige und in den Mittelleiter der Ko planarleitung (4) sich fortsetzende erste metallische In sel (6) in der Grundmetallisierung (Me) etwa in halber Höhe zwischen dem aktiven Element (2) und der Koplanarlei tung (4) über ein bzw. zwei seitlich abgehende Bondbänder (9) oder metallische Luftbrücken mit einem bzw. zwei je weils als weitere Koplanarleitung ausgebildete und sich bis zum Rand des Substrats (Su) fortsetzende Tiefpaßfilter (10) verbunden ist.

2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden Enden der ersten Schlitzleitung (1) ausgehend zwei erste Trennungsschlitze (11) in der Grundmetallisierung (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 aktive Element (2) gebildet ist.

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

4. Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß als Substrat (Su) Teflon oder Keramik oder Quarz vorgesehen ist.

5. Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß als Substrat (Su) hochohmiges Silizium oder semiisolierendes Galliumarsenid vorgesehen ist und daß die Emp fängerstruktur durch monolithische Integration, vorzugsweise unter Anwendung des differentiellen Epitaxieverfahrens herge stellt ist.