DE4111919A1 - Verfahren und anordnung zur herstellung von niederfrequenten signalen durch frequenzteilung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 7 und 9.

Die Erfindung wird verwendet zur analogen Frequenzteilung zum Zweck der Frequenzstabilisierung sowie zur Frequenz­ zählung.

Für eine PLL(phase-locked-loop)-Frequenzstabilisierung wird beispielsweise ein Frequenzteiler benötigt. Im mm-Wellenbereich, d. h. für Frequenzen zwischen 30 bis 300 GHz kommen nur analoge Verfahren in Betracht. Bekannte Verfahren zur Frequenzstabilisierung leiten z. B. aus einem mm-Wellensignal die halbe Frequenz ab, indem auf einen Frequenzmischer die Oszillatorfrequenz f_osz/2 gegeben und ein aus einem Rückkopplungskreis mit verstärkendem Element gewonnenes Signal der Frequenz f_osz/2 gegeben wird. Findet sich am Ausgang des Frequenzmischers ein Filter auf die Frequenz f_osz/2, so funktioniert die Anordnung als Fre­ quenzteiler im Verhältnis 2 : 1. Bei kommerziell interessan­ ten Frequenzen wie 60, 80 oder 94 GHz liegt die halbe Si­ gnalfrequenz bei 30, 40 oder 47 GHz für die ein verstär­ kendes Element benötigt wird. Derartige Verstärker sind nur unter hohem Kostenaufwand verfügbar.

Weiterhin bekannt ist eine Frequenzteilung durch n, wobei die Rückkopplungsschleife und der Mischer doppelt genutzt werden (IEEE Transaction on Microwave Theory and Techni­ ques, Vol. MTT 34, No. 4, S. 436, 1986). Diese Anordnung benötigt jedoch einen sehr breitbandigen Verstärker, der bis relativ dicht an die Signalfrequenz heran ausreichend verstärken muß.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein gattungsgemäßes Ver­ fahren anzugeben, das technisch einfach zu realisieren ist, kostengünstig und für die Massenfertigung geeignet ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1, 7 und 9 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß im Rückkopplungskreis lediglich niederfrequente Signale verstärkt werden müssen.

Das Verfahren und die Anordnung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

In Fig. 1 bis 4 sind die Schaltungsanordnungen zur Fre­ quenzteilung gemäß der Erfindung dargestellt.

In Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eine beispielhafte Oberwellenmischeranordnung.

In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird in einem Rückkopplungskreis 1 ein niederfrequentes Signal der Frequenz f_s verstärkt und verdoppelt. Die verdoppelte Fre­ quenz 2f_s wird anschließend nochmals verstärkt und mit ei­ nem hochfrequenten Signal der Frequenz f_osz eines mm-Wellen-Oszillators 5 auf einen Oberwellenmischer 4a ge­ geben. Als Verstärker 3a und 3b werden beispielsweise GaAs-MMIC-Verstärker verwendet. Die Verdopplung der Zwi­ schenfrequenz erfolgt z. B. mit einem Diodenverdoppler 2. Zwischen dem Verdoppler 2 und dem zweiten Verstärker 3b kann ein Filter auf die verdoppelte Frequenz 2f_s eingebaut sein.

Im Oberwellenmischer wird die n-te harmonische Oberschwin­ gung der verdoppelten Frequenz 2f_s mit der mm-Wellen-Os­ zillatorfrequenz f_osz derart gemischt, daß als Zwischen­ frequenz die Frequenz f_s erzeugt wird. Die Fre­ quenzmischung erfolgt z. B. gemäß des in Fig. 5 dargestell­ ten Blockdiagramms einer bekannten integrierten Oberwellenmischerschaltung, die im Tagungsband der MIOP ′87, Wiesbaden Mai 1987, Bd. 1, Beitrag 4A bis 4 be­ schrieben ist. Der Oberwellenmischer hat den Vorteil, daß eine einfache Filterung zwischen der im Rückkopplungskreis erzeugten Frequenz und der Zwischenfrequenz erfolgt.

Zum Anschwingen bzw. Hochlaufen des Rückkopplungskreises wird am Eingang des Verstärkers für die Zwischenfrequenz f_s ein genügend starkes Signal und/oder eine extrem hohe Schleifenverstärkung benötigt. Dies kann im Betrieb des Frequenzteilers zu unerwünschten Eigenschwingungen des Rückkopplungskreises führen. Deshalb ist es zweckmäßig, einen Hilfsoszillator 6 gemäß Fig. 1 in den Rückkopplungs­ kreis einzukoppeln, der mittels Injektionssynchronisation auf die zweifache Zwischenfrequenz gezwungen wird. Der Hilfsoszillator bewirkt lediglich ein Anschwingen des Rückkopplungskreises.

Eine weitere Möglichkeit zum Anschwingen des Rückkopp­ lungskreises wird dadurch erreicht, daß anstelle des Hilfsoszillators eine Rauschquelle 7 an den Rückkopplungs­ kreis angeschlossen wird (Fig. 2). Wird im Rückkopplungs­ kreis die gewünschte Zwischenfrequenz erzielt, so wird über einen Schalter die Rauschquelle automatisch abge­ trennt.

Mit dem erfindungsgemäßen analogen Frequenzteiler sind hohe Teilerverhältnisse möglich. Beispielsweise läßt sich eine mm-Wellenfrequenz f_osz = 85 GHz im Verhältnis 85 : 5 teilen. Dabei wird im Rückkopplungskreis ein Signal der Frequenz f_s = 5 GHz verstärkt und verdoppelt. Auf den Oberwellenmischer werden dann die mm-Wellenfrequenz f_osz = 85 GHz und das Signal aus dem Rückkopplungskreis der Frequenz 2·f_s = 10 GHz gegeben. Im Oberwellenmischer wird die mm-Wellenfrequenz f_osz mit der 8ten-Oberwelle des Signals aus dem Rückkopplungskreis gemischt, so daß als Ausgangsprodukt des Mischers eine Zwischenfrequenz von 5 GHz erzeugt wird. Dieses niederfrequente Signal der Fre­ quenz f_s = 5 GHz kann dem Rückkopplungskreis erneut zuge­ führt oder ausgekoppelt werden.

Da z. B. für eine Frequenzstabilisierung mit einer quarz­ stabilisierten Schwingung Frequenzen im Bereich 100-200 MHz notwendig sind, muß die geteilte Frequenz f_s weiter verringert werden. Dies geschieht z. B. mit digita­ len Bausteinen, die heute bereits eine Taktfrequenz von einigen GHz erreichen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können der Oberwellen­ mischer und der mm-Wellen-Oszillator auf einem Halbleiter­ substrat angeordnet werden bei Verwendung von kompatiblen Bauelementen für Mischer und Oszillator, z. B. Impatt-Di­ oden und Schottky-Dioden.

Die Erfindung ist nicht auf die im Ausführungsbeispiel an­ gegebenen Bauelemente der Teileranordnung beschränkt. Als Oberwellenmischer können auch andere Mischeranordnungen verwendet werden, oder für die Frequenzverdopplung kann auch die Oberwellenerzeugung eines übersteuerten Verstär­ kers verwendet werden.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird in einem Rückkopplungskreis 1 ein hochfrequentes Signal da­ durch erzeugt, daß ein niederfrequentes Signal f_s einen Verstärker 2 passiert und durch einen Vervielfacher 3 n-fach auf die Frequenz n·f_s = f_osz-f_s erhöht wird, wo­ bei f_osz die Frequenz des mm-Wellen-Oszillators 5 ist.

Am Ausgang des Vervielfachers kann ein Filter auf der Fre­ quenz f_osz-f_s eingebaut sein. Das hochfrequente Signal der Frequenz aus dem Rückkopplungskreis wird anschließend mit dem hochfrequenten Signal der Frequenz f_osz des mm- Wellen-Oszillators auf den Frequenzmischer 4b gegeben. Am Ausgang des Frequenzmischers 4b ist ein Frequenzfilter für die Frequenz f_s eingebaut, so daß aus dem Eingangssignal des Frequenzmischers (dem Millimeterwellensignal des Os­ zillators) der Frequenz f_osz ein z. B. K-Bank liegendes niederfrequenteres Signal der Frequenz f_s abgeleitet wird. Dieses niederfrequentere Signal kann dann durch weitere Frequenzteilung mit kommerziell verfügbaren integrierten Schaltungen in den Frequenzbereich unterhalb 1 GHz umge­ setzt werden und mit einem quarzstabilisierten Signal verglichen werden, so daß der mm-Wellen-Oszillator damit nachgeregelt werden kann.

Zum Anschwingen bzw. Hochlaufen des Rückkopplungskreises wird am Eingang des Verstärkers für die Zwischenfrequenz f_s ein genügend starkes Signal und/oder eine extrem hohe Schleifenverstärkung benötigt. Dies kann im Betrieb des Frequenzteilers zu unerwünschten Eigenschwingungen des Rückkopplungskreises führen. Deshalb ist es zweckmäßig, einen Hilfsoszillator 6 gemäß Fig. 3 in den Rückkopplungs­ kreis einzukoppeln, der mittels Injektionssynchronisation auf die Zwischenfrequenz f_s gezwungen wird. Der Hilfsos­ zillator bewirkt lediglich ein Anschwingen des Rückkopp­ lungskreises.

Eine weitere Möglichkeit zum Anschwingen des Rückkopp­ lungskreises wird dadurch erreicht, daß anstelle des Hilfsoszillators eine Rauschquelle 7 an den Rückkopplungs­ kreis angeschlossen wird (Fig. 4). Wird im Rückkopplungs­ kreis die gewünschte Zwischenfrequenz erzielt, so wird über einen Schalter die Rauschquelle automatisch abge­ trennt.

Die erfindungsgemäße Anordnung gemäß Fig. 3 und Fig. 4 be­ steht aus einem hochfrequenten und einem niederfrequenten Teil. Der hochfrequente Teil enthält einen mm-Wellen-Os­ zillator 5, einen Frequenzvervielfacher 3 und einen Fre­ quenzmischer 4b. Diese Halbleiterbauelemente sind bei­ spielsweise auf einem Halbleiterchip, z. B. einem hoch­ ohmigen Silizium-Substrat angeordnet, wobei die jeweiligen Dioden, z. B. IMPATT-Dioden, des Oszillators und des Ver­ vielfachers aus der gleiche, auf dem hochohmigen Silizium­ substrat aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge herge­ stellt werden. Die Halbleiterschichtenfolge für die pn-Dioden, z. B. Planar-Doped-Barrier-Dioden, des Frequenz­ mischers wird auf dem gleichen hochohmigen Si-Substrat ab­ geschieden. Der Oszillator, der Vervielfacher und der Mi­ scher werden beispielsweise mit der SIMMWIC (Silicon mono­ lithic millimeter wave integrated circuit) Technik herge­ stellt. Der Mischer kann jedoch auch getrennt vom Verviel­ facher- und Oszillatorchip im hochfrequenten Teil des Fre­ quenzteilers angeordnet werden. Der niederfrequentere Teil der Anordnung besteht aus einem handelsüblichen Verfahren und Filter.

Mit dem erfindungsgemäßen mm-Wellen-Frequenzteiler kann beispielsweise ein mm-Wellensignal der Frequenz f_osz = 80 GHz auf eine Frequenz von 10 FHz geteilt werden, indem ein niederfrequentes Signal der Frequenz f_s = 10 GHz im Rückkopplungskreis 7fach vervielfacht wird und mit der Oszillatorfrequenz auf den Frequenzmischer gegeben wird. Durch ein am Ausgang des Mischers befindliches Frequenz­ filter für die Frequenz 10 GHz erhält man das gewünschte niederfrequente Signal.

Die erfindungsgemäße Anordnung gemäß Fig. 3 und Fig. 4 hat den Vorteil, daß im Rückkopplungskreis eine Vervielfacher­ stufe für das niederfrequente Signal enthalten ist und da­ durch ein niedrigerer Umsetzungswirkungsgrad des Frequenz­ mischers erforderlich ist, als beispielsweise für Fre­ quenzmischer, die im subharmonischen Bereich arbeiten.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß die entsprechenden Dioden z. B. IMPATT-Dioden, des Vervielfachers und des mm-Wellen- Oszillators aus der gleichen Halbleiterschichtenfolge her­ stellbar sind. Dadurch wird eine Kompatibilität der Halb­ leiterbauelemente erreicht, die eine monolithische Inte­ gration auf einem Substrat ermöglicht.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von niederfrequenten Signa­ len durch Frequenzteilung eines hochfrequenten Signals der Frequenz f_osz eines mm-Wellen-Oszillators, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß ein Rückkopplungskreis mit einem nieder­ frequenten Signal einer Hilfsquelle angeschwungen wird, und
• - daß das im Rückkopplungskreis erzeugte Signal in einem Frequenzmischer mit dem hochfrequenten Si­ gnal des mm-Wellen-Oszillators derart gemischt und weiterverarbeitet wird, daß ein niederfrequentes Signal erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Rückkopplungskreis mit einem niederfre­ quenten Signal eines Hilfsoszillators oder einer Rauschquelle angeschwungen wird,
• - daß in einem Rückkopplungskreis ein niederfrequen­ tes Signal der Frequenz f_s verstärkt und verdop­ pelt wird,
• - daß das verstärkte niederfrequente Signal der Fre­ quenz 2·f_s aus dem Rückkopplungskreis und ein hochfrequentes Signal eines mm-Wellenoszillators auf einen Oberwellenmischer gegeben werden, der geeignete Oberwellen des niederfrequenten Signals mit dem mm-Wellensignal derart mischt, daß als Zwischenfrequenz die Frequenz f_s erzeugt wird, und
• - daß durch eine geeignete Filteranordnung des Ober­ wellenmischers am Ausgang des Oberwellenmischers wieder das niederfrequente Signal f_s abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Rückkopplungskreis mit einem niederfrequenten Signal eines Hilfsoszillators oder einer Rausch­ quelle angeschwungen wird,
• - daß in einem Rückkopplungskreis durch Verstärkung und nachfolgende n-fache Vervielfachung eines nie­ derfrequenten Signals der Frequenz f_s ein hochfre­ quentes Signal der Frequenz n·f_s = f_osz-f_s er­ zeugt wird, und auf einen Frequenzmischer gegeben wird,
• - daß im Frequenzmischer das Eingangssignal der Fre­ quenz f_osz des mm-Wellen-Oszillators mit dem hoch­ frequenten Signal der Frequenz n·f_s aus dem Rückkopplungskreis gemischt wird und
• - daß am Ausgang des Frequenzmischers durch ein ge­ eignetes Filter das niederfrequente Signal der Frequenz f_s abgeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Hilfsoszillator im Rückkopp­ lungskreis eingekoppelt und durch Injektionssynchronisa­ tion auf eine feste Frequenz gezwungen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskreis über eine Rauschquelle angeschwungen wird, und daß die Rauschquelle über einen Schalter automatisch abgetrennt wird, wenn im Rückkopplungskreis ein Signal der Frequenz f_s erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das niederfrequente Signal an­ schließend mit digitalen Bauelementen weiter geteilt wird.

7. Schaltungsanordnung zur Herstellung von niederfrequen­ ten Signalen durch Frequenzteilung gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Schaltungsanordnung einen hochfrequenten und niederfrequenten Teil besitzt,
• - daß der hochfrequente Teil den mm-Wellen-Oszilla­ tor und den Oberwellenmischer enthält, und
• - daß der niederfrequente Teil zumindest aus zwei Verstärkern und einem Verdoppler, sowie einem Hilfsoszillator oder eine über einen Schalter zu­ schaltbare Rauschquelle besteht.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der mm-Wellen-Oszillator und der Oberwellen­ mischer auf einem Substrat angeordnet sind.

9. Anordnung zur Herstellung von niederfrequenten Signa­ len durch Frequenzteilung gemäß dem Verfahren nach den An­ sprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Anordnung aus einem hochfrequenten und ei­ nem niederfrequenten Teil besteht,
• - daß das hochfrequente Teil mindestens einen mm- Wellen-Oszillator, einen Frequenzmischer und einen Frequenzvervielfacher enthält, und
• - daß der niederfrequente Teil zumindest einen Ver­ stärker, einen Frequenzfilter, sowie einen Hilfsoszillator oder eine über einen Schalter zu­ schaltbare Rauschquelle enthält.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der mm-Wellen-Oszillator, der Frequenzmischer und der Frequenzvervielfacher auf einem Halblei­ tersubstrat angeordnet sind, und
• - daß der mm-Wellen-Oszillator und der Vervielfacher aus der gleichen Halbleiterschichtenfolge aufge­ baut sind.