DE60031399T2 - Symmetriereinrichtung, Mischer und damit versehener Abwärtsumsetzer - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Balun und einen Mischer sowie einen Abwärtsumsetzer umfassend einen derartigen Balun.
• Die Verwendung von Baluns ist bekannt für die Bereitstellung von Übergängen zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Übertragungsleitungen. Bei einer symmetrischen Leitung besitzt ein von der Leitung befördertes Signal keine Masse als Bezugspotential. Im Gegensatz hierzu ist eine unsymmetrische Leitung auf einer Seite auf Masse bezogen, so dass ein von einer derartigen Leitung befördertes Signal Masse als Bezugspotential aufweist. Die beschriebenen Baluns werden häufig in den Eingangs- und Ausgangsstufen von doppelt abgestimmten Mischern oder Modulatoren etc. verwendet.
• Ein Balun, der aus vier gegenseitig gekoppelten Planarleitungen besteht, ist aus der DE 197 29 761 A1 bekannt und in der 1 dargestellt. Der Balun besitzt zwei Koppler 1, 2, von welchen jeder zwei Planarleitungen 206, 208; 218, 220 aufweist, die über eine Länge einer Viertelwellenlänge zusammengekoppelt sind. Jeder der Koppler ist als ein zweipoliger Bandpassfilter konzipiert, wobei der Koppler 1 in einer offenen Schaltungskonfiguration angeordnet ist, und der Koppler 2 in einer Kurzschlusskonfiguration. Die beiden Koppler mit einer Länge einer Viertelwellenlänge sind miteinander verbunden, um einen Balun mit drei Anschlüssen bereitzustellen, der eine Verbindung 3 für unsymmetrische Signale sowie zwei Verbindungen 4, 5, für symmetrische Signale aufweist. In dem Koppler 1 mit der offenen Schaltungskonfiguration sind die sich gegenüberliegenden Enden 6, 7 der beiden Leitungen nicht terminiert. Das eine Ende 8 einer Leitung (206) stellt eine symmetrische Verbindung 4 dar, während das andere Ende 9 der anderen Leitung (208) mit dem einen Ende des Leitungskopplers 2 mit der geschlossenen Schaltungskonfiguration verbunden ist. Zwei gegenüberliegende Enden 10, 11 der beiden Leitungen dieses zuletzt genannten Leitungskopplers werden an Masse gelegt, und das andere Ende 12 einer der Leitungen (220) bildet eine weitere Verbindung 5 für symmetrische Signale. Die beiden miteinander verbundenen Enden der beiden Leitungskoppler bilden den Verbindungsanschluss 3 für unsymmetrische Signale. Um eine feste Verbindung (z.B. 3 dB) zwischen den Leitungen zu erzielen, ist der Balun mittels Verwendung einer Multilayertechnik hergestellt. Aus diesem Grund sind die Herstellungskosten hoch, was bei der Massenproduktion beispielsweise von monolithischen GaAs-Schaltkreisen ein Problem darstellt.
• Der soeben beschriebene Balun ist ein Einfachbalun und kann deshalb nicht in Sternmischern und Modulatoren und Einseitenbandmischern angewendet werden. Hier ist es notwendig, einen Dualbalun zu verwenden. Eines dieser derartigen Geräte bildet den Gegenstand einer parallelen deutschen Patentanmeldung DE 10008551 A1 und ist in der 2 dargestellt.
• Der Balun nach 2 besteht aus zwei Interdigitalabschnitten mit drei Leitungen. Jeder Abschnitt weist eine Länge von einer Viertelwellenlänge auf. Die ersten und dritten Leitungen 20, 21 des ersten Abschnitts sind am unsymmetrischen Eingangsanschluss 22 geerdet, und die anderen Enden der ersten und dritten Leitungen sind die Anschlussstellen 23, 24 der symmetrischen Anschlüsse A und B. Die ersten und die dritten Leitungen 25, 26 des zweiten Abschnitts sind an einem Ende 27 geerdet, während das zweite Ende dieser Leitungen die Anschlussstellen 28, 29 der symmetrischen Anschlüsse A und B sind. Die zentrale Leitung 15 ist an einem Ende mit dem unsymmetrischen Anschluss 22 verbunden und wird am anderen Ende unterminiert gelassen. Die Potentiale an den vier symmetrischen Anschlussstellen der Anschlüsse dieses Dualbaluns sind für das Steuern von Elementen geeignet, die mit den vier Dioden beispielsweise eines Starmischers verbunden sind. Er besteht aus rein planar gekoppelten Strukturen und kann in einer einschichtigen Leiterplattentechnik realisiert werden. Er hat den Nachteil, dass er eine Gesamtlänge von einer halben Wellenlänge aufweist und somit auf einer monolithischen integrierten Mikrowellenschaltung (microwave monolithic integrated circuit – MMIC), von welcher er einen Teil bilden soll, sehr viel Platz benötigt.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Balun wie in Anspruch 1 definiert angegeben. Gemäß einem zweiten und einem dritten Aspekt der Erfindung wird der erfindungsgemäße Balun jeweils als Teil einer Einseitenbandmischanordnung, wie in Anspruch 5 definiert, sowie als Teil einer Abwärtsumsetzeranordnung, wie in Anspruch 11 definiert, angewendet. Spezifische Ausführungsformen des Baluns, des Mischers und des Abwärtsumsetzers sind von den Unteransprüchen abgedeckt.
• Eine Ausführungsform des ersten erfindungsgemäßen Aspekts soll nun lediglich anhand eines Beispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, worin
• 1 ein Schaltbild eines bekannten Elnfachbaluns ist;
• 2 ein Schaltbild eines bekannten Dualbaluns ist;
• 3 ein Schaltbild eines Dualbaluns gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• 4 ein Querschnittsdiagramm ist, das die Konstruktion einer Luftbrückenverbindung zeigt;
• 5 ein Grundriss eines Mikrostreifenlayouts ist, dass eine Bypass-Verbindung umfasst;
• 6 ein Schaltplan eines monolithischen Einseitenbandmischers ist, der einen erfindungsgemäßen Dualbalun umfasst; und
• 7 ein Schaltplan eines Abwärtsumsetzers ist, der einen erfindungsgemäßen Dualbalun umfasst.
• Gemäß 3 umfasst ein Dualbalun gemäß der vorliegenden Erfindung sieben Leitungen 30–36, wobei jede eine Länge gleich einer Viertelwellenlänge an der Mittenbetriebsfrequenz des Baluns aufweist. Die zentrale Leitung 33 bildet an einem Ende den Verbindungspunkt für den unsymmetrischen Anschluss 37 (Anschluss 1) und ist an seinem anderen Ende durch einen Masseanschluss terminiert. Erste und zweite symmetrische Anschlüsse (Anschluss 2 bzw. 3) sind jeweils aus den entsprechenden Enden der Leitungen 30, 32 und der Leitungen 34, 36 gebildet. Die anderen Enden der Leitungen 32 und 34 sind geerdet. Eine weitere Leitung (Leitungen 31 und 35) ist zwischen den jeden symmetrischen Anschluss bildenden Leitungen angeordnet, welche am symmetrischen Anschlussende geerdet ist. Die unsymmetrischen Anschlussenden der Leitungen 30 und 36 sind schließlich mittels ähnlicher Streifenabschnitte mit den entsprechenden Enden der Leitungen 31 bzw. 35 verbunden, während die unsymmetrischen Anschlussenden der Leitungen 31, 33 und 35 mittels Luftbrücken 37 zusammengekoppelt sind.
• Die Bildung einer Luftbrücke ist in den 4a und 4b dargestellt. In der 4a sind die in der 3 gezeigten Leitungen 31, 32 und 33 im Querschnitt auf einem Substrat 60 dargestellt. Zur Bildung der Luftbrücke wird ein Photoresist 62 auf das Substrat aufgebracht, und eine metallisierende Verbindung 61 wird wiederum auf den Photoresist 62 sowie die Mikrostreifen 31 und 33 aufgebracht. Schließlich wird der Photoresist 62 weggeätzt und hinterlässt einen Luftspalt 63 (s. 4b). Eine Alternative zur Verwendung einer Luftbrücke ist die Verwendung einer Bypass-Verbindung, wie in 5 gezeigt. Hier wird ein Bypass-Leiterzug 64 auf das Substrat aufgebracht (nicht gezeigt), das mittels Verwendung der Dünnschichtherstellungstechnik die Streifen 30–36 trägt.
• Die in der 3 dargestellte Ausführungsform zeigt eine symmetrische Leitungsbreite (Parameter w) und einen symmetrischen Leitungsabstand (Parameter s) zwischen den beiden Hälften des Baluns mit der Mitte auf der Leitung 33. Diese Abmessung sorgt für eine gleiche Leistungsverteilung zwischen den symmetrischen Anschlüssen. Würde eine bestimmte Anwendung eine ungleiche Verteilung erfordern, so könnten die Parameter zwischen den beiden Hälften unterschiedlich gesetzt werden. In der Praxis werden die Istwerte der Leitungsbreite und des Leitungsabstandes durch die Notwendigkeit bestimmt, den Balun an die mit ihm verbundene Ansteuerschaltung und Treiberschaltung anzupassen, nämlich gemäß dem Fachmann bekannten Prinzipien. In der Praxis können diese Abmessungen gut mittels Verwendung von Spektralbereichtechniken bestimmt werden, welche im Aufsatz „Spectral Domain Emittance Approach for Dispersion Characteristics of Generalised Printed Transmission Lines" von T. Itoh, IEEE Transactions, MTT-287, Juli 1980, Seiten 733–738 beschrieben sind. Bezüglich des Anschlusses des Baluns an eine externe Schaltung kann er als ein Anpassungsnetzwerk angewendet werden, das über eine Schnittstelle mit einer anderen Schaltung verbunden ist, sowie als Balun als solcher. In diesem Fall wirkt er ebenfalls als ein Impedanzwandler.
• Eine Anwendung des Baluns gemäß vorliegender Erfindung ist in der 6 gezeigt. In der 6 stellt der Block 40 den oben beschriebenen Dualbalun dar, mit Leitungen 30–36, die so konfiguriert sind, dass sie Anschlüsse 1, 2 und 3 wie in 3 gezeigt ausbilden. Die symmetrischen Anschlüsse, Anschlüsse 2 und 3, speisen jeweils eine Anordnung von zwei in Serie geschalteten Dioden. Diese sind die Dioden 41 und 42 für den Anschluss 2 sowie Dioden 43 und 44 für den Anschluss 3. Die Übergänge 45, 46 der beiden Diodenanordnungen werden zu den Eingängen der jeweiligen Tiefpassfilter 47, 48 sowie zu den Eingängen der jeweiligen Hochpassfilter 49, 50 geführt. Die Ausgänge der Tiefpassfilter bilden die IF-Eingangsanschlüsse 51, 52 des Mischers. Somit isolieren diese Filter die Anschlüsse 51, 52 gegen hohe Frequenzen im Mischer. Der Eingang 51 ist ein Gleichtaktsignal, während der Eingang 52 hierzu phasenverschoben ist. Deshalb tritt an den Eingängen der Hochpassfilter 49, 50 jeweils ein Paar von Seitenbandfrequenzen f_LO + f_IF, f_LO – f_IF und f_LO + f_IF + 90°, f_LO + f_IF + 90° auf. Die Ausgänge der Hochpassfilter (die in geeigneter Weise von einfachen Kondensatoren gebildet sein können) werden in einen 90°-Hybridkoppler gespeist, der im dargestellten Beispiel ein Lange-Koppler 53 ist. Der Lange-Koppler wird zur Trennung des oberen Seitenbandes 54 vom unteren Seitenband 55 verwendet. Die Seitenbandeingänge sind unsymmetrisch, wie der Empfangsoszillatoreingangsanschluss, Anschluss 1.
• Der Tiefpassfilter sollte vorzugsweise eine Dämpfung von mindestens 20 dB für den Empfangsoszillator und die RF-Signale sowie eine Dämpfung von weniger als 0,3 dB für die IF-Signale aufweisen. Umgekehrt sollte der Hochpassfilter vorzugsweise eine Dämpfung von 20 dB für die IF-Signale und eine Dämpfung von weniger als 0,3 dB für den Empfangsoszillator und die RF-Signale aufweisen.
• Eine ausreichende Isolierung zwischen dem Empfangsoszillator und den RF-Eingangsbereichen des Mischers wird dadurch erreicht, dass die Diodenpaare in ihrem ungeraden Modus erregt werden. (Dies lässt den Anschluss 1 als Erde auftreten, soweit die RF-Eingänge betroffen sind, und lässt die Diodenübergänge 45, 46 als Erde auftreten, soweit der Eingang des Empfangsoszillators betroffen ist). Zusätzlich zum Zuführen der RF-Eingangssignale (die in der Praxis bei einer IF-Frequenz vorliegen können) in den Mischer können die Tiefpassfilter 47 und 48 auch die zum Vorspannen der Dioden notwendigen Gleichspannungspegel durchleiten. Die Filter 47, 48 können die Form von Spiralinduktoren oder Mehrpolfiltern aufweisen, je nach der Bandbreite der IF-Signale.
• Zusätzlich zur dargestellten Mischanordnung kann dieselbe Schaltung als ein Abwärtsumsetzer angewendet werden. Eine geeignete Schaltungsanordnung ist in der 7 gezeigt, in der die in der 6 gezeigte Mischschaltung durch einen Funktionsblock 70 dargestellt ist. Was vorher die IF-Eingänge des Mischer waren, sind hier jedoch die Ausgänge, die eine zusätzliche 90°-IF-Hybridschaltung 71 speisen. Die Ausgänge 54, 55 der 90°-Hybridschaltung (z.B. Lange-Koppler) im vorhergehenden Mischer sind nun ebenfalls Eingänge, die jeweils zu einem RF-Eingangssignal und einer massebezogenen Last 72 geführt werden. Einer der Ausgänge der 90°-Hybridschaltung 71 bildet schließlich einen IF-Ausgang für die Abwärtsumsetzeranordnung, während der andere Ausgang in einer Anpassungslast 73 terminiert ist. (Die Spiegelfrequenz des RF-Eingangs tritt an diesem Ausgang auf und wird in der Last absorbiert). Der Empfangsoszillatoreingang (LO) des vorhergehenden Mischers (Block 70) wirkt weiterhin als Empfangsoszillatoreingang für den Abwärtsumsetzer.
• Der Balun, der Mischer sowie der Abwärtsumsetzer wie beschrieben können in der MIC-Technik (microwave integrated circuit – integrierte Mikrowellenschaltung) oder der MMIC-Technik (microwave monolithic integrated circuit – monolithische integrierte Mikrowellenschaltung) implementiert werden.

Claims (16)

1. Balun, umfassend sieben nebeneinander angeordnete gekoppelte Leitungen (30–36), einen unsymmetrischen Anschluss (Anschluss 1) sowie erste und zweite symmetrische Anschlüsse (Anschlüsse 2 und 3), wobei die zweite, dritte und vierte der sieben Leitungen (32, 31, 30) auf einer Seite einer ersten der sieben Leitungen (33) aufeinanderfolgend nebeneinander liegen, die zweite Leitung neben der ersten liegt und die fünfte, sechste und siebente der sieben Leitungen (34, 35, 36) auf der anderen Seite der ersten Leitung (33) aufeinanderfolgend nebeneinander liegen, die fünfte Leitung (34) neben der ersten liegt, die Leitungen entsprechende erste Enden und entsprechende zweite Enden aufweisen, das erste Ende der ersten Leitung (33) als der unsymmetrische Anschluss (Anschluss 1) dient und das zweite Ende der ersten Leitung (33) mit einem Massebezugspunkt verbunden ist, die ersten Enden der ersten, dritten, vierten, sechsten und siebenten Leitungen (33, 31, 30, 35, 36) miteinander über ein leitfähiges Verbindungsmittel (37) verbunden sind, die zweiten Enden der dritten und sechsten Leitungen (31, 35) mit einem Massebezugspunkt verbunden sind, die ersten Enden der zweiten und fünften Leitungen (32, 34) mit einem Massebezugspunkt verbunden sind, die zweiten Enden der zweiten und vierten Leitungen (32, 30) als der erste symmetrische Anschluss dienen und die zweiten Enden der fünften und siebenten Leitungen (34, 36) als der zweite symmetrische Anschluss dienen.
2. Balun nach Anspruch 1, wobei die gekoppelte Länge jeder der Leitungen etwa gleich einem Viertel der durchschnittlichen Betriebswellenlänge des Baluns ist.
3. Balun nach Anspruch 1 oder 2, wobei eines oder mehrere der Verbindungsmittel eine Luftbrücke ist.
4. Balun nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eines oder mehrere der Verbindungsmittel ein Bypass ist.
5. Einseitenbandmischanordnung, umfassend einen Balun nach einem der vorstehenden Ansprüche.
6. Mischanordnung nach Anspruch 5, wobei der unsymmetrische Anschluss (Anschluss 1) mit einer Übergangsoszillatorquelle (LO) verbunden ist; die ersten und zweiten symmetrischen Anschlüsse (Anschlüsse 1 und 2) mit jeweiligen ersten und zweiten Diodenmischanordnungen (41, 42; 43, 44) verbunden sind; ein Ausgang (45) der ersten Diodenmischanordnung mit einem ersten HF-Eingangsanschluss (51) und mit einem ersten Eingang einer 90°-Hybridschaltung verbunden ist und ein Ausgang (46) der zweiten Diodenmischanordnung mit einem zweiten HF-Eingangsanschluss (52) und mit einem zweiten Eingang der 90°-Hybridschaltung verbunden ist, wobei erste und zweite Ausgänge der 90°-Hybridschaltung die oberen Seitenband- bzw. die unteren Seitenbandausgänge der Mischanordnung darstellen.
7. Mischanordnung nach Anspruch 6, wobei jede der Diodenmischanordnungen ein über den relevanten symmetrischen Anschluss in Reihe geschaltetes Diodenpaar umfasst, wobei der Diodenmischausgang vom Übergang zwischen den beiden Dioden gebildet ist.
8. Mischanordnung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Verbindungen zwischen den Diodenmischanordnungen und den HF-Anschlüssen mittels jeweiliger Tiefpassfilter (47, 48) hergestellt sind.
9. Mischanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Verbindungen zwischen den Diodenmischanordnungen und den 90°-Hybridschaltungseingängen mittels jeweiliger Hochpassfilter (49, 50) hergestellt sind.
10. Mischanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die 90°-Hybridschaltung ein Lange-Koppler (53) ist.
11. Abwärtsumsetzeranordnung, umfassend einen Balun gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
12. Abwärtsumsetzeranordnung nach Anspruch 11, wobei der unsymmetrische Anschluss mit einer Übergangsoszillatorquelle (LO) verbunden ist; die ersten und zweiten symmetrischen Anschlüsse mit jeweiligen ersten und zweiten Diodenmischanordnungen (41, 42; 43, 44) verbunden sind; ein Ausgang (45) der ersten Diodenmischanordnung mit einem ersten ZF-Ausgangsanschluss (51) und mit einem ersten Ausgang einer ersten 90°-Hybridschaltung (53) verbunden ist und ein Ausgang (46) der zweiten Diodenmischanordnung mit einem zweiten ZF-Ausgangsanschluss (52) und mit einem zweiten Ausgang der ersten 90°-Hybridschaltung (53) verbunden ist, ein erster Eingang (54) der ersten 90°-Hybridschaltung den HF-Eingangsanschluss des Abwärtsumsetzers darstellt und ein zweiter Eingang der ersten 90°-Hybridschaltung durch eine Last (72) abgeschlossen wird, die ersten und zweiten ZF-Ausgangsanschlüsse (51, 52) mit ersten bzw. zweiten Eingängen einer zweiten 90°-Hybridschaltung (71) verbunden sind, ein erster Ausgang der zweiten 90°-Hybridschaltung den ZF-Ausgangsanschluss des Abwärtsumsetzers darstellt und ein zweiter Ausgang der zweiten 90°-Hybridschaltung durch eine Last (73) abgeschlossen wird.
13. Abwärtsumsetzeranordnung nach Anspruch 12, wobei jede der Diodenmischanordnungen ein über den relevanten symmetrischen Anschluss in Reihe geschaltetes Diodenpaar (41, 42; 43, 44) umfasst, wobei der Diodenmischausgang vom Übergang (45, 46) zwischen den beiden Dioden gebildet ist.
14. Abwärtsumsetzeranordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Verbindungen zwischen den Diodenmischanordnungen und den ZF-Anschlüssen mittels jeweiliger Tiefpassfilter (47, 48) hergestellt sind.
15. Abwärtsumsetzeranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Verbindungen zwischen den Diodenmischanordnungen und den Ausgängen der ersten 90°-Hybridschaltung (53) mittels jeweiliger Hochpassfilter (49, 50) hergestellt sind.
16. Abwärtsumsetzeranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die erste und/oder zweite 90°-Hybridschaltung (53, 71) ein Lange-Koppler ist.