DE3918277A1 - Gegentaktmischerschaltung insbesondere zum breitbandbetrieb im mikrowellen- und millimeterwellenbereich in streifenleitungstechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gegentaktmischerschaltung, insbesondere zum Breitbandbetrieb im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich, im wesentlichen bestehend aus 2 oder 4 Mischelementen, (17, 18, 19, 20) und 2 vollständig voneinander getrennten Zuführungsnetzwerken, mit deren Hilfe die hochfrequenten Signale den Mischelementen in geeigneter Weise über Wellenleiter zugeführt werden, sowie einer weiteren Wellenleiterzuführung zur Ableitung des in den Mischelementen gebildeten Zwischenfrequenzsignals. Die Wellenleiterzuführungen und Zuführungsnetzwerke sind beispielsweise als leitende Beläge auf der Oberseite eines plattenförmigen Trägers (21) aus dielektrischem Material ausgeführt.

In der Literatur allgemein bekannte planare Mischerstrukturen verwenden beispielsweise einen "Lange-Koppler" oder einen "rat-race"- Koppler (Steven A. Maas, Microwave Mixers, Artech House, Inc. 1986). Die bekannten Mischer weisen den Nachteil auf, daß sie nur innerhalb eines schmalen Frequenzbandes verwendbar sind, und außerdem die von außen zugeführten Signale oft stark reflektieren. Bekannte breitbandige Mischer haben den Nachteil, daß sich Wellenleiter kreuzen oder die Mischer insgesamt einen dreidimensionalen Aufbau haben. Dadurch sind für die Herstellung zeitraubende, komplizierte und damit teure Prozesse notwendig.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Mischer zu schaffen, der einfach und robust aufgebaut ist und bei guter Reproduzierbarkeit seiner elektrischen Eigenschaften kostengünstig gefertigt werden kann. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, einen Mischer für einen großen Frequenzbereich zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem planaren Mischer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Träger (21) nur auf seiner Oberseite bearbeitet werden muß. Der erfindungsgemäße Mischer bietet somit den Vorteil einer einfachen, kompakten, leichten und robusten Bauweise. Die Leitungsstrukturen sind beispielsweise durch photolithographische Verfahren einfach herstellbar und können mit hoher Genauigkeit reproduziert werden. Auf dieser Leiterstruktur werden dann nur noch die Mischelemente und Koppelkapazitäten in einfacher Weise z. B. durch Löten oder Kleben mit leitfähigem Kleber befestigt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Träger aus dielektrischem Material in einem elektrisch leitenden Gehäuse angeordnet. Dadurch wird der Mischer gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmt und ein mechanisch stabiler Aufbau erhalten.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Auskopplung des Zwischenfrequenzsignals mittels Sperrfilter welches beispielsweise aus mehreren parallel geschalteten am Ende leerlaufenden Stichleitungen (13, 15) besteht, welche durch Leitungsstücke (12, 14) getrennt sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Mischelemente einen nichtlinearen Wirkwiderstand auf. Derartige Mischelemente werden insbesondere verwendet, wenn die Frequenz der Mischprodukte niedriger als die Frequenz des umgesetzten Empfangssignals ist, d. h. bei Abwärtsmischern.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Mischelemente einen nichtlinearen Blindwiderstand auf. Derartige Mischelemente werden bevorzugt verwendet, wenn die Frequenz der Mischprodukte höher liegt als die Frequenz des umzusetzenden Empfangssignals d. h. bei Aufwärtsmischern.

Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Mischelemente als Dioden ausgebildet. Dioden sind einfach aufgebaut und weisen eine hohe Nichtlinearität auf. Sie gestatten einen hohen Wirkungsgrad bei der Umsetzung hochfrequenter Signale.

Nach einer Fortbildung der Erfindung wird den Mischelementen ein in seiner Frequenz umzusetzenden Empfangssignals über den zweiten Wellenleiter (2) und ein Pumpsignal über den ersten Wellenleiter (1) zugeführt und wird über den dritten Wellenleiter (3) ein in den Mischelementen gebildetes Zwischenfrequenzsignal von den Misch­ elementen abgeleitet. Es ist jedoch auch möglich, die Einspeisung bzw. Ableitung der genannten Signale in anderer Zuordnung zu den Wellenleitern vorzunehmen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung lassen sich die Wellenwiderstände der Wellenleiter der beiden Zuführungsnetzwerke unabhängig so einstellen, daß die Übergangsstellen reflexionsarm abgeschlossen sind.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Mischelemente und ggf. die Koppelkapazitäten "beam-lead" Bauelemente. Derartige Bauelemente weisen geringe parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten auf und sind daher bevorzugt für hohe Frequenzen und breitbandige Schaltungen anwendbar.

Die Erfindung wird nachstehend in Aufbau und Wirkungsweise anhand dreier praktisch hergestellter Ausführungsbeispiele erläutert: Die Bilder 1, 2 und 3 zeigen maßstäblich jeweils die Oberseite des plattenförmigen dielektrischen Trägers der drei durch Verwendung der erfindungsgemäßen Gegentaktmischerschaltung hergestellten Ausführungsbeispiele. Als Frequenzbereich für die hochfrequenten Signale wurde ein Bereich von 8 GHz-12 GHz vorgegeben.

Die Wellenwiderstände der Zuführungsnetzwerke, d. h. die Breite der auf der Oberseite des Trägers geätzten Leiterbahnen sowie die Längen wurden mit einem handelsüblichen Rechenprogramm optimiert. Für den Träger wurde ein auf beiden Seiten mit 17 µm Kupfer beschichtetes Teflon-Substrat mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 2,2 und einer Dicke von 0,254 mm verwendet.

Die geätzten Substrate sind jeweils in ein Messinggehäuse eingebaut, an den 3 Wellenleiterzuführungen mit Koaxialkabelsteckern versehen, sowie mit handelsüblichen Mischerdioden und Kondensatoren bestückt. Die in Kupfer geätzten Kreise (23) dienen nur zur Kennzeichnung für Bohrungen zur Befestigung des Trägers im Gehäuse, ebenso dienen die in Kupfer geätzten Ecken (24) nur zur Einpassung des Substrates in das Gehäuse und haben für die Funktion keine Bedeutung.

Bild 1 zeigt eine geätzte unbestückte Trägeroberseite eines nach Patentanspruch 2 aufgebauten einfach balancierten Mischers. Die Leiter­ bahnen (1, 4, 8, 29) bilden ein Zuführungsnetzwerk für ein Hochfrequenzsignal, die Leiterbahnen (2, 11) bilden das zweite Zuführungsnetzwerk für das zweite Hochfrequenzsignal. Die beiden Zuführungsnetzwerke haben keine gemeinsamen Elemente und können so völlig getrennt voneinander dimensioniert werden. Nach Patentanspruch 1a) dient die Umwegleitung (4) als Symmetrierschaltung.

Der in den Mischelementen entstehende Zwischenfrequenzstrom fließt über das am Ende mittels Durchkontaktierung mit Masse verbundene Wellenleiterstück (8) von Masse über die Wellenleiterstücke (11, 12, 14, 3) über den dafür vorgesehenen Anschluß ab. Ein Abfließen des Zwischenfrequenzstromes über den Wellenleiter (2) wird durch den Abblock­ kondensator (16) verhindert. Für das hochfrequente Signal gewährleistet der entsprechend dimensionierte Kondensator ein Überleiten über den Spalt ohne Einschränkung. Das Abfließen der hochfrequenten Signale über den Wellenleiter (3) wird durch das aus den Wellenleiterstücken (12, 13, 14, 15) gebildete Sperrfilter verhindert.

Die Simulation der Schaltung mittels Rechenprogramm lieferte für die Wellenleiterstücke die folgenden optimalen Werte:

Die Eingangstore werden dabei an einen Wellenwiderstand von 50 Ohm angepaßt. Eine Umrechnung der Wellenwiderstände auf Leiterbahnbreiten, bzw. eine Umrechnung der elektrischen Längen auf wirkliche Längen, ergibt die im Bild 1 maßstäblich wiedergegebenen Werte.

Das Detailbild Bild 1.1 zeigt die Bestückung des Trägers mit einem "beam-lead" Diodenpaar. Zur Verdeutlichung der Polarität sind die Dioden zusätzlich mit ihrem Schaltsymbol eingezeichnet.

Detailbild Bild 1.2 zeigt die Bestückung des Trägers mit einem "beam-lead" Kondensator.

Zur Verdeutlichung der Funktionsweise des in Bild 1 dargestellten Mischers dient Bild 1.3a) und b).

In Bild 1.3a) sind symbolisch die Spannungen in der richtigen Polarität eingezeichnet bei Einspeisung durch den Wellenleiter (1). Das Diodenpaar wird also im Gleichtaktbetrieb betrieben, die Umwegleitung (4) dient hierbei als Symmetrierschaltung. In dieser Betriebsart bildet sich zwischen den Dioden eine virtuelle Masse, so daß der Wellenleiter (2) vollständig von Wellenleiter (1) entkoppelt ist.

Bild 1.3b zeigt entsprechend die Spannungen bei Einspeisung durch den Wellenleiter (2). In dieser Betriebsart sind die Dioden also im Gegentaktbetrieb. Die 180-Grad lange Umwegleitung (4) bildet für diesen Betriebsfall an ihren Enden jeweils einen virtuellen Kurzschluß, so daß Wellenleiter (1) von Wellenleiter (2) vollständig entkoppelt ist.

Die Signale liegen also für einen einfach balancierten Mischer in der richtigen Weise an den Dioden; über Wellenleiter (3) kann das Zwischenfrequenzsignal abgeführt werden.

Bild 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines nach Patentanspruch 2 aufgebauten einfach balancierten Mischers.

Die Leiterbahnen (1, 7, 6, 5, 4, 8, 9) bilden ein Zuführungsnetzwerk, die Leiterbahnen (11, 2) das zweite. Die Abblockung des Zwischenfrequenzsignals von Wellenleiter (2) sowie die Abblockung des hochfrequenten Signals von Wellenleiter (3) ist entsprechend wie in Bild 1 aufgebaut.

Die Symmetrierschaltung wurde in dieser Ausführung durch Parallelschalten einer weiteren Umwegleitung (7) über 2 Wellenleiterstücke (5, 6) zur Umwegleitung (4) entsprechend Patentanspruch 1b) verbessert. Durch diese Maßnahme kann eine sehr hohe Isolation der Wellenleiter (1) und (2) auch an den Frequenzbandgrenzen erreicht werden. Über die Wellenleiterstücke (8, 9), welche am Ende mittels Durchkontaktierung mit Masse verbunden sind, fließt wiederum der in den Mischelementen gebildete Zwischenfrequenzstrom zum Wellenleiter (3). Durch weiteres Parallelschalten von Umwegleitungen können die elektrischen Werte weiter verbessert werden. Bestückung und Funktion sind entsprechend wie bei Bild 1 beschrieben. Es ergeben sich folgende optimale Werte durch Rechner-Simulation:

Die Eingangstore werden dabei an einen Wellenwiderstand von 50 Ohm angepaßt. Eine Umrechnung der Wellenwiderstände auf Leiterbahnbreiten, bzw. eine Umrechnung der elektrischen Längen auf wirkliche Längen ergibt die in Bild 2 maßstäblich wiedergegebenen Werte.

Bild 3 zeigt eine geätzte unbestückte Trägeroberseite eines nach Patentanspruch 4 aufgebauten doppelt balancierten Mischers. Die Leiterbahnen (1, 31, 7, 5, 6, 4, 22) bilden das erste Zuführungsnetzwerk, die Leiterbahnen (2, 30, 25, 26, 27, 28) das zweite vom ersten vollständig getrennte Zuführungsnetzwerk. Entsprechend Patentanspruch 1b) bildet die Umwegleitung (4) zusammen mit der über die Wellenleiterstücke (5, 6) parallel geschalteten Umwegleitung (7) eine Symmetrierschaltung, analog dazu bildet die Umwegleitung (26) zusammen mit der über die Wellenleiterstücke (25, 28) parallel geschalteten Umwegleitung (27) eine weitere Symmetrierschaltung. Zusammen mit den als zusätzliche Anpassungselemente wirkenden Leitungen (30) bzw. (31) dienen die beiden Symmetrierschaltungen gleichzeitig als Anpassungsnetzwerke für die Wellenleiterzuführungen (1) bzw. (2). Das Wellenleiterstück (30) ist wiederum mit einem Spalt versehen und mit einem Kondensator überbrückt, um das Abfließen des Zwischenfrequenzstromes über den Wellenleiter (2) zu verhindern. Der in den Mischelementen gebildete Zwischenfrequenzstrom fließt über das am Ende leitend mit der Unterseite des Trägers, also mit Masse, verbundene Wellenleiterstück (22), über das für hochfrequente Signale sperrende Zwischenfrequenzfilter (12, 13, 14, 15) zum Wellenleiter (3).

Bild 3.1 zeigt im Detail die Bestückung des doppelt balancierten Mischers einmal durch a) 4 Einzeldioden und b) durch ein sogenanntes "Cross-Over-Quad". Bei Verwendung von 4 Einzeldioden sind die sich kreuzenden 2 Dioden so übereinander angeordnet, daß sie voneinander isoliert sind. Bei Verwendung eines "Cross-Over-Quads" ist diese Anordnung der Dioden auf einem Chip integriert, das Chip muß also nur entsprechend mit seinen 4 Anschlüssen mit den Leiterbahnen verbunden werden.

Bild 3.2 zeigt im Detail die Bestückung des Mischers mit einem "beam-lead" Kondensator.

Zur Verdeutlichung der Funktionsweise dient Bild 3.3.

In Bild 3.3a) sind symbolisch die Spannungen bei Einspeisung durch den Wellenleiter (1) eingezeichnet, in Bild 3.3b) die Spannungen bei Einspeisung in Wellenleiter (2).

Die Signale liegen also für einen doppelt balancierten Mischer in der richtigen Weise an den Dioden; über Wellenleiter (3) kann das Zwischenfrequenzsignal abgeführt werden.

Die optimalen durch Rechenprogramm ermittelten Werte sind in nachstehender Tabelle aufgeführt:

Die Eingangstore werden dabei an einen Wellenwiderstand von 50 Ohm angepaßt. Eine Umrechnung der Wellenwiderstände auf Leiterbahnbreiten bzw. eine Umrechnung der elektrischen Längen auf wirkliche Längen ergibt die in Bild 3 maßstäblich wiedergegebenen Werte.

Claims (13)

1. Gegentaktmischerschaltung, insbesondere zum Breitbandbetrieb im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich in Streifenleitungstechnik mit Symmetrierschaltungen, welche zum Anlegen zweier zu mischender Eingangssignale zwei Anschlüsse mit vollständig getrennten Zuführungsnetzwerken aufweist, von denen der erste über eine Streifenleitung mit einer Symmetrierschaltung, der zweite über eine oder mehrere kaskadierte Streifenleitungsstücke oder über eine zweite Symmetrierschaltung mit den Mischelementen verbunden ist, derart, daß über eine dritte Streifenleitung über eine Einrichtung zur Abblockung des Frequenzbereichs der beiden Eingangssignale über einen dritten Anschluß ein Zwischenfrequenzsignal abgenommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Symmetrierschaltungen mit jeweils mindestens einer Umwegleitung (4, 26) in Streifenleitungstechnik ausgeführt sind,
• b) die Symmetrierschaltungen gegebenenfalls aus mehreren über zusätzliche Streifenleitungsstücke (5, 6), (25, 28) parallel geschaltete Umwegleitungen (7, 27) bestehen,
• c) die Symmetrierschaltungen nach a) und b) gleichzeitig als Anpassungsschaltungen für die Signalzweige dienen,
• d) die Einrichtung zur Abblockung des Frequenzbereichs der beiden Eingangsspannungen gleichzeitig als Anpassungsschaltung für das Zwischenfrequenzsignal dient.

2. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung einer Symmetrierschaltung für den einen Signalzweig und Verwendung einer oder mehrerer kaskadierter Streifenleitungsstücke für den anderen Signalzweig ein einfach balancierter Mischer entsteht.

3. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Wellenleiterstück oder mehrere Wellenleiterstücke (8, 9) welche am Ende mittels Durchkontaktierung mit dem leitenden Belag auf der Unterseite des Trägers (21) verbunden sind, ein Gleichstrom und ein Zwischenfrequenzstrom durch die Mischelemente möglich ist.

4. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung jeweils einer Symmetrierschaltung für je einen Signalzweig ein doppelt balancierter Mischer entsteht.

5. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Wellenleiterstück (22) oder mehrere Wellenleiterstücke, welche am Ende mittels Durchkontaktierung mit dem leitenden Belag auf der Unterseite des Trägers (21) verbunden sind, ein Zwischenfrequenzstrom durch die Mischelemente möglich ist.

6. Gegentaktmischerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (21) aus dielektrischem Material in einem elektrisch leitenden Gehäuse angeordnet ist.

7. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu mindestens einer Umwegleitung bekannte 180 Grad-Phasenschieber parallel geschaltet werden.

8. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter zur Verhinderung eines Gleichstromflusses unterbrochen und durch eine Koppelkapazität überbrückt ist.

9. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischelemente einen nichtlinearen Wirkwiderstand aufweisen.

10. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischelemente einen nichtlinearen Blindwiderstand aufweisen.

11. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischelemente als Dioden ausgebildet sind.

12. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in seiner Frequenz umzusetzendes Empfangssignal über den zweiten Wellenleiter (2) und ein Pumpsignal über den ersten Wellenleiter (1) zugeführt wird und daß über den dritten Wellenleiter (3) ein in den Mischelementen gebildetes Zwischenfrequenzsignal von den Mischelementen abgeleitet wird.

13. Gegentaktmischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Mischelementen ein in seiner Frequenz umzusetzendes Signal über den dritten Wellenleiter (3) und ein Pumpsignal über den ersten Wellenleiter (1) den Mischelementen zugeführt wird und daß über den zweiten Wellenleiter (2) das in den Mischelementen gebildete Sendesignal abgeführt wird.