DE4107112C2 - Mischeranordnung für den Mikrowellenbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischeranordnung für den Mi­ krowellenbereich gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Mischeranordnung ist bereits aus dem Lehrbuch von M. I. Skolnik "Introduction to Radarsystems", 2. Edi­ tion (McGraw-Hill Kogakusha, Ltd., Tokio), Seite 349 be­ kannt. Eine auf dem dort beschriebenen Prinzip beruhende Mischeranordnung ist aus dem Artikel von R. N. Bates, M. D. Colemann: "Millimetre wave 'E'-plane mics for use up to 100 GHz"; in: Proceedings, conference on Military Microwa­ ves '80, London (1980), S. 88-94 bekannt.

Mischer dieser Art können beispielsweise eingesetzt werden in Anlagen und/oder Geräten:

• - zum Empfang nur eines Seitenbands (Spiegel-fre­ quenzunterdrückung)
• - zum selektiven Empfang auf zwei Frequenzen mit ei­ nem Mikrowellenempfänger (mit Referenzfrequenz gleich dem arithemtischen Mittel der beiden Emp­ fangsfrequenzen)
• - zur Unterscheidung der Bewegungsrichtung sich be­ wegender Objekte mittels Dopplerradar.

Das Prinzipschaltbild der bekannten Mischeranordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Anordnung umfaßt zwei Mischer Ma und Mb, die ausgangsseitig über Zuleitungen 3a, 4a; 3b, 4b jeweils mit einem der beiden Eingänge eines 3 dB/90°- Hybridkopplers H1 verbunden sind (gegebenenfalls jeweils über ein zwischengeschaltetes Tiefpaßfilter Ta bzw. Tb).

Eingangsseitig wird den beiden Mischer Ma und Mb zum einen über Zuleitungen 1a und 1b das Mikrowellensignal S gleich­ phasig zugeführt und zum anderen über Zuleitungen 2a und 2b das Referenzfrequenzsignal LO um 90° gegeneinander pha­ senverschoben. Die 90°-Phasenverschiebung wird mit einem weiteren 3 dB/90°-Hybridkoppler H2 erzeugt, an dessen einem Eingang das Referenzfrequenzsignal LO anliegt und dessen anderer Eingang reflexionsfrei abgeschlossen ist.

Das Mikrowellensignal S wird in den beiden Mischern Ma und Mb jeweils mit dem Referenzfrequenzsignal LO gemischt, wo­ bei das dem Mischer Mb zugeführte Referenzfrequenzsignal LO gegenüber dem dem Mischer Ma zugeführten Referenzfre­ quenzsignal LO um 90° in seiner Phase verschoben ist. Die Mischprodukte im Zwischenfrequenzbereich werden getrennt (gegebenenfalls über die Tiefpaßfilter Ta und Tb) dem 3 dB/90°-Hybridkoppler H1 zugeführt und dort frequenzmäßig aufgeteilt, dergestalt, daß an dem einen Ausgang 5a des Kopplers H1 das obere Seitenband OSB des Zwischenfrequenz­ signals ZF abgegriffen werden kann und räumlich und elek­ trisch hiervon getrennt an dem anderen Ausgang 5b des Kopplers H1 das untere Seitenband USB.

Dank dieser räumlich/elektrischen Trennung der beiden Sei­ tenbänder OSB, USB können diese in einer (nicht gezeigten) nachgeschalteten Signalverarbeitung separat weiter verar­ beitet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Mi­ scheranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine möglichst hohe Empfindlichkeit aufweist, die einen möglichst hohen Grad der Entkopplung zwischen Mikrowellen­ signal S und Referenzfrequenzsignal LO erreicht und die eine besonders vorteilhafte praktische Ausführung auf­ weist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Pa­ tentanspruch 1 beschrieben. Die übrigen Ansprüche enthal­ ten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sowie bevorzugte Verwendungsmöglichkeiten dieser Erfindung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Ausschnitt aus einer bevorzugten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Mischeranordnung für den Mikrowellenbereich, insbesondere Millimeter­ wellenbereich in Finleitungs-/Koplanarleitungs­ technik

Fig. 2 das Prinzipschaltbild der bereits diskutierten be­ kannten Mischeranordnung

Fig. 3 die bevorzugte Anordnung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 in einem Hohlleiter im Querschnitt

Fig. 4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Mischeranordnung für den Mikrowellen­ bereich, insbesondere Millimeterwellenbereich in Finleitungs-/Koplanarleitungstechnik.

Ähnlich wie bei einfachen Finleitungs-Gegentaktmischern (vgl. z. B. DE-PS-30 14 966) beruht das Mischprinzip nach der Erfindung auf der Kombination von Schlitzleitung (Fin­ leitung) und Koplanarleitung, wobei die Mischerdioden an der Stoßstelle zwischen diesen Strukturen angeordnet sind (Fig. 1). In der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 befindet sich eine solche Struktur sowohl auf der Ober- wie der Unterseite des Substrats.

Im einzelnen zeigt die Fig. 1 ein dielektrisches Substrat 10, auf dem beidseitig (Ober- und Unterseite) metallische, feldführende Strukturen aufgebracht sind und das sich in einem (nicht gezeigten) Hohlleiter befindet. Dabei sind in der Figur die metallischen Flächen des Substrats 10 mit 102 und die nichtmetallischen Flächen des Substrats 10 mit 101 bezeichnet. Die metallischen Strukturen 102 auf der Oberseite des Substrats 10 sind mit dem Buchstaben a gekennzeichnet, die auf der Unterseite des Substrats mit dem Buchstaben b (in Klammern), wobei die oberseitigen Strukturen a im wesentlichen deckungsgleich sind mit den unterseitigen Strukturen b mit Ausnahme eines Teils der beiden Koplanarleitungen 60a und 60b, die am rechten Rand der Figur auf der Substratunterseite nach unten gebogen (gestrichelte Linien) und auf der Substratoberseite nach oben gebogen (durchgezogene Linien) verlaufen. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 etwa entlang der Schnittlinie AA', wobei aus Fig. 3 zusätzlich die räumliche Ausrichtung des Substrats 10 in dem (bei­ spielhaft aus zwei Hälften HLa, HLb bestehenden) Hohllei­ ter hervorgeht.

In Fig. 1 ist nur der Teil der erfindungsgemäßen Schaltung gezeigt, der die beiden Mischer Ma und Mb betrifft. Der Mischer Ma ist auf der Oberseite des Substrats 10 und der Mischer Mb auf der Unterseite des Substrats 10 angeordnet.

Im einzelnen ist auf beiden Seiten des Substrats ein Hohl­ leiter-Finleitungs-Übergang (Taper) 20a bzw. 20b vorgese­ hen, an dem sich eine bilaterale symmetrische Finleitungs­ struktur 30a bzw. 30b anschließt mit insgesamt vier Fins 301a, 302a bzw. 301b und 302b, die paarweise deckungs­ gleich (oder annähernd deckungsgleich) direkt über­ einanderliegen (301a und 301b bzw. 302a und 302b). Daran schließt sich auf der Ober- und auf der Unterseite des Substrats 10 jeweils eine zu einem großen Teil kollinear mit den bilateralen Finleitungen 30a, 30b angeordnete Ko­ planarleitung 60a bzw. 60b an, die in dem kollinear mit der Finleitung 30a, 30b verlaufenden Teil deckungsgleich (oder annähernd deckungsgleich) direkt übereinander lie­ gen. Die beiden Koplanarleitungen 60a, 60b bestehen dabei jeweils aus zwei Randmetallisierungen 602a, 603a bzw. 602b, 603b, zwischen denen ein metallischer Mittelleiter 601a bzw. 601b angeordnet ist, der durch metallfreie Zwi­ schenstreifen von vorzugsweise konstanter Breite von den Randmetallisierungen 602a, 603a bzw. 602b, 603b getrennt ist. An den Stoßstellen 50a bzw. 50b zwischen Fin- und Koplanarleitung 30a, 60a bzw. 30b, 60b ist jeweils eine Reihenschaltung von zwei Mischerdioden 40a bzw. 40b ange­ ordnet, wobei die eine Diode den einen Fin 301a bzw. 301b mit dem Mittelleiter 601a bzw. 601b der entsprechenden Koplanarleitung 60a bzw. 60b verbindet und die andere Di­ ode den zweiten Fin 302a bzw. 302b.

Über den Übergang (Taper) 20a, 20b vom (nicht gezeigten) Hohlleiter auf die bilaterale Finleitung 30a, 30b wird das Mikrowellensignal S gleichphasig in den Schlitzen der Ein­ leitung auf Substratoberseite und -unterseite der Rei­ henverzweigung 50a, 50b zugeführt und gelangt gleichphasig an die vier Mischerdioden 40a bzw. 40b. Wird die LO-Lei­ stung um 90° gegeneinander phasenverschoben auf die beiden LO-Eingänge der Koplanarleitungen 60a bzw. 60b gegeben und dabei jeweils der symmetrische Feldtyp auf den Koplanar­ leitungen 60a und 60b angeregt, so stellt sich am Ort der Dioden 40a, 40b die notwendige Phasenbedingung gemäß Fig. 2 ein. Die Orientierung der elektrischen Feldstärke am Ort der Dioden 40a, 40b ist in Fig. 3 symbolisch durch Pfeile gekennzeichnet.

Die Zwischenfrequenz ZF liegt auf Substratober- und -unterseite jeweils zwischen dem Mittelleiter 601a bzw. 601b und den äußeren Randmetallisierungen 602a, 603a bzw. 602b, 603b an und kann z. B. durch Tiefpaßfilter aus den beiden LO/ZF-Anschlüssen ausgekoppelt und über einen (nicht gezeigten) 3 dB/90°-Hybridkoppler im Zwischenfre­ quenzbereich phasenrichtig zusammengeführt werden, an des­ sen beiden Ausgängen dann die beiden Seitenbänder OSB und USB des Zwischenfrequenzsignals ZF räumlich/elektrisch voneinander getrennt anliegen.

Die beiden um 90° gegeneinander phasenverschobenen LO-Ein­ speisungen können auf unterschiedlichste Weise realisiert werden, vorteilhaft z. B. durch einen weiteren 3 dB/90°-Hy­ bridkoppler, der die 90°-Phasenverschiebung automatisch erzeugt.

Eine besonderes elegante und einfache Ausführung ist in Fig. 4 dargestellt. Hier sind sämtliche Funktionen des Prinzipschaltbildes (Fig. 2) auf einem Substrat 10 inte­ griert. Dabei sind übereinstimmende Baugruppen in den Fig. 1, 3 und 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich der Erläuterung der Fig. 4 hinsichtlich des "Mischerteils" der Schaltung auf die Erläuterungen zu Fig. 1 und 3 verwiesen werden kann.

Die Koplanar- oder "suspended substrate"-Leitung 60a, 60b, die die LO-Leistung zuführt, ist in dem Überlappungsbe­ reich mit je einer Leitung auf Substratober- und -unter­ seite so dimensioniert, daß dieses Stück verkoppelter Lei­ tungen gerade einen 3 dB/90°-Hybridrichtkoppler mit 90°- Phasenverschiebung darstellt. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Vorwärtskoppler, dessen Funktion im we­ sentlichen durch den Unterschied der Phasenkonstanten des Gleich- und des Gegentaktfeldtyps zustandekommt (vgl. z. B. Callsen, H.; Schmidt, L.-P.; Solbach, K.: Breitbandige Finleitungrichtkoppler. Wiss. Berichte AEG-TELEFUNKEN 54 (1981), 241-250). Die Dimensionierung ist mit Hilfe feld­ theoretischer Berechnungsverfahren möglich (vgl. z. B. Schmidt, L.-P.; Menzel, W.: Berechnung der Leitungsparame­ ter quasiplanarer Wellenleiter für integrierte mmW-Schal­ tungen. Wiss. Berichte AEG-TELEFUNKEN 43(1981), 219-226).

Damit reicht es aus, die LO-Leistung an einem Anschluß der Schaltung zuzuführen. Der zweite Anschluß wird mit einem Absorberkeil 70b reflexionsfrei abgeschlossen.

Die beiden Zwischenfrequenzsignale können vorteilhaft über Stichleitungen 3a, 3b und Mikrostrip-Tiefpaßfilter Ta, Tb auf demselben Substrat 10 ausgekoppelt und dem ebenfalls auf dem Substrat 10 befindlichen 3 dB/90°-Hybridkoppler H1 zugeführt werden, wobei die Stichleitung 3b von der Unter­ seite des Substrats 10 über eine Durchkontaktierung 80b auf die Substratoberseite überführt ist. An den beiden Ausgängen des Kopplers H1 stehen dann das obere Seitenband (OSB) bzw. das untere Seitenband (USB) der Zwischen­ frequenz ZF an.

Der Vorteil der Anordnungen gemäß Fig. 1, 3 und 4 besteht vor allem darin, daß sie wenig aufwendig und voluminös sind und aufgrund ihrer Kompaktheit und der damit verbun­ denen kurzen Signalwege eine große Bandbreite aufweisen, so daß sie sich insbesondere für den Einsatz im Mikrowel­ len- bzw. Millimeterwellenbereich eignen.

Claims (11)

1. Mischeranordnung für den Mikrowellenbereich, insbeson­ dere Millimeterwellenbereich, mit separaten Abgriffen für das obere und das untere Seitenband des durch die Mischung von Mikrowellen- und Referenzfrequenzsignal erzeugten Zwi­ schenfrequenzsignals,
bei der ein 3 dB/90°-Hybridkoppler (H1) und zwei Mischer (Ma, Mb) vorgesehen sind, wobei
die beiden Ausgänge (5a, 5b) des 3 dB/90°-Hybridkopplers (H1) die separaten Abgriffe für das obere und das untere Seitenband (OSB, USB) des Zwischenfrequenzsignals (ZF) bilden,
die beiden Mischer (Ma, Mb) ausgangsseitig jeweils mit einem der beiden Eingänge des 3 dB/90°-Hybridkopplers (H1) verbunden sind
und den beiden Mischern (Ma, Mb) eingangsseitig zum einen das Mikrowellensignal (S) gleichphasig zugeführt ist und zum anderen das Referenzfrequenzsignal (LO) um 90° gegen­ einander phasenverschoben zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß der eine Mischer (Ma) auf der Oberseite eines in einem Hohlleiter (HLa, HLb) befindlichen dielektri­ schen Substrats (10) und der andere Mischer (Mb) auf der Unterseite des Substrats (10) angeordnet ist;
• 2. daß die Mischer (Ma; Mb) jeweils als Kombination einer auf das Substrat (10) aufgebrachten Einzel-Finlei­ tungsstruktur (30a; 30b) zur Zuführung des Mikrowel­ lensignals (S) und einer ebenfalls auf das (Reihen­ schaltung von zwei Mischerdioden (40a; 40b) an LO, 0°; LO, 90°) und zur Auskopplung des Zwischenfrequenzsignals (ZF) ausgebildet sind mit jeweils einer der jeweiligen Stoßstelle (50a; 50b) zwischen den beiden Strukturen (40a, 60a; 40b, 60b).

2. Mischeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mischer (Ma, Mb) jeweils über einen Tiefpaß­ filter (Ta, Tb) mit dem ihnen jeweils zugeordneten Eingang des 3 dB/90°-Hybridkopplers (H1) verbunden sind.

3. Mischeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzfrequenzsignal (LO) über einen weiteren 3 dB/90°-Hybridkoppler (H2) den beiden Mischern (Ma, Mb) zugeführt ist.

4. Mischeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet,

• 1. daß die beiden Einzel-Finleitungsstrukturen (30a, 30b) auf der Ober- und Unterseite des Substrats (10) zu einer bilateralen symmetrischen Finleitungsstruktur (30a, 30b; 301a, 302a, 301b, 302b) zusammengefaßt sind mit einem Taper (20a, 20b) als Hohlleiter-Finleitungs- Übergang;
• 2. daß die beiden Koplanarleitungsstrukturen (60a, 60b) auf der Ober- und Unterseite des Substrats (10) im Be­ reich der Mischerdioden (40a, 40b) überlappend direkt übereinander oder zumindest annähernd direkt überein­ ander angeordnet sind und im übrigen Bereich nicht.

5. Mischeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Koplanarleitungsstrukturen (60a, 60b) in ihrem Überlappungsbereich kollinear oder zumindest an­ nähernd kollinear zu der bilateralen symmetrischen Finlei­ tungsstruktur (30a, 30b) verlaufen.

6. Mischeranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Koplanarleitungsstrukturen (60a, 60b) im übrigen Bereich jeweils in einem rechten Winkel oder zumindest annähernd in einem rechten Winkel zu ihrem Verlauf im Bereich der Mischerdioden (40a, 40b) ange­ ordnet sind und dabei untereinander einen Winkel von 180° oder zumindest annähernd 180° einschließen.

7. Mischeranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net,

• 1. daß die beiden Koplanarleitungsstrukturen (60a, 60b) durch eine entsprechende Dimensionierung in ihrem Überlappungsbereich den weiteren 3 dB/90°-Hybridkoppler (H2) bilden mit den beiden überlappenden Leitungsteil­ strukturen im Bereich der Mischerdioden (40a, 40b) als Koppler-Ausgänge und der nichtüberlappenden Leitungs- Teilstruktur als Kopplereingänge;
• 2. daß das Referenzfrequenzsignal (LO) nur über einen der beiden Kopplereingänge (60a) eingespeist ist und der andere der beiden Kopplereingänge (60b) durch einen Absorberteil (70b) reflexionsfrei abgeschlossen ist.

8. Mischeranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß im übrigen Bereich der beiden Koplanarleitungs­ strukturen (60a, 60b) von dem Mittelleiter (601a, 601b) der jeweiligen Struktur (60a, 60b) jeweils eine Stichleitung (3a, 3b) zur Auskopplung des Zwischenfrequenzsignals (ZF) abgeht.

9. Mischeranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Stichleitungen (3a, 3b) kollinear oder zumindest annähernd kollinear zu den beiden Mittel­ leitern (601a, 601b) der beiden Koplanarleitungsstrukturen (60a, 60b) im Bereich der Mischerdioden (40a, 40b) verlau­ fen und daß die Stichleitung (3b) des auf der Unterseite des Substrats (10) angeordneten Mischers (Mb) über eine Durchkontaktierung (80b) auf die Oberseite des Substrats (10) überführt ist.

10. Mischeranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Tiefpaßfilter (Ta, Tb) und vor­ zugsweise auch der 3 dB/90°-Hybridkoppler (H1) als metalli­ sche Mikrostrip-Struktur auf der Oberseite des Substrats (10) aufgebracht sind.

11. Verwendung einer Mischeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Einseitenbandempfänger oder in einem Empfänger zum selektiven Empfang zweier Mikrowellensignale, insbesondere Millimeterwellensignale, mit dem arithmetischen Mittel der beiden Mikrowellenfre­ quenzen, insbesondere Millimeterwellenfrequenzen, als Fre­ quenz des Referenzfrequenzsignals oder in einem Dopplerra­ dar zur Bewegungsrichtungsunterscheidung.