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Mischer
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Mischer zum Umsetzen
eines mit einem Basisband beaufschlagten Zwischenfrequenzsignals in ein abgehendes
Hochfrequenzsignal oder eines ankommenden, ein Basisband enthaltendes Hochfrequenzsignals
in ein Zwischenfrequenzsignal mit einem beaufschlagten Basisband mit Hilfe eines
Steuersignals.
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Mischer dieser allgemeinen Art sind vielgestaltig und können jeweils
auf gewünschte Forderungen zugeschnitten werden. Mischer für sehr hohe Frequenzen
werden heute meist wie gedruckte Schaltungen hergestellt, wobei auf der Oberseite
der Trägerplatte die Leitungszüge und auf
der Unterseite eine die
ganze Fläche bedeckende Folie aufgebracht sind.
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Bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Mischer wird von zwei Ausführungsfoymen
ausgegangen. Die eine Ausführungsform ist aus der Zeitschrift AEÜ Bd. 25 (1971)
5. 52 bis 53 bekanntgeworden. Bei diesem Mischer handelt es sich um die Anwendung
der subharmonischen Frequenz als Oszillatorfrequenz. Man hat einen Oszillator, der
auf einer vorbestimmten Frequenz schwingt, und verwendet zum Mischen nicht seine
eigene Schwingfrequenz, sondern am Mischer selbst entsteht durch die Anordnung der
Dioden die Oberwelle dieses Oszillators und überlagert diese mit dem ankommenden
Hochfrequenzsignal, das das Basisband aufmoduliert hat. Daraus erhält man dann das
Zwischenfrequenzsignal, das in den nachfolgenden Stufen weitor verarbeitet wird.
Die Verwendung der Oberwelle des Steueroszillators hat den Vorteil, daß man damit
den Rauschabstand der Mischanordnung wesentlich verbessern kann.
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Die zweite Ausführungsform ist aus Proce. 1971: European Microwave
Conference, Stockholm, Oxley, Lord, Ming, Clarke: Image Recovery Mixers bekanntgeworden.
In diesem Bericht ist ein Mischer beschrieben, der aus zwei Teilmischern besteht,
wobei beide Teilmischer so gegeneinander geschaltet
sind, daß das
Spiegelsignal am Eingang des hochfrequenten Empfangssignales kompensiert wird, wodurch
das das ankommende hochfrequente Empfangssignal schwächende Spiegelsignal, das im
Mischer entsteht, kompensiert wird.
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Durch die hohen, geforderten Qualitäten eines modernen Übertragungssystems,
wie es beispielsweise in der Itichtfunktechnik üblich ist, ist man gezwungen, Bauelemente,
wie beispielsweise Mischer, erstens rauscharm und zweitens spiegelfrequenzfrei zu
schaffen. Erst durch die Kombination dieser beiden Eigenschaften ist es möglich,
eine hohe Kanalzahl bei entsprechender Übertragungsqua lität zu erreichen.
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Aus dieser Forderung ergibt sich die Aufgabenstellung zu der vorliegenden
Erfindung, nämlich einen Mischer zu schaffen, der diese geforderte Übertragungsgüte
gewährleistet und der auch gleichzeitig sich fertigungsmäßig auf einfache und billige
Weise herstellen läßt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Steuersignal
für den Mischer aus einem Signal der subharmonischen Frequenz des Mischers besteht
und daß gleichzeitig das bei der Mischung entstehende Signal der Spiegelfrequenz
kompensiert wird.
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Diese gleichzeitige Anwendung beider Mischverfahren ist nicht nur
eine einfache Zusammenschaltung zweier bekannter Mischer zu einem neuen Mischer,
sondern es ergibt sich aus dieser Kombination beider und des neuen Aufbaues in Streifenleitungstechnik
eine besonders günstige, auch den großen Anforderungen gerecht werdende Ausführungs
form eines Mischers für sehr hohe Frequenzen, mit dem es gelungen ist, noch nachweisbare
Spiegelsignalanteile völlig zu vermeiden.
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Eine Ausführung dieses Mischers besteht darin, daß der Mischer aus
zwei an ihrem hochfrequenten Signal-Aus- bzw.
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Eingang elektrisch verbundenen Teilmischern besteht, wobei sich die
in jedem der beiden Teilmischer entstehenden, nach Betrag und Phase egalisierten
Spiegelfrequenzsignale an der Verbundklemme kompensieren, wobei die beiden Teilmischer
symmetrisch zueinander angeordnet und ihre Zwischenfrequenzsignal- und Steuersignalklemmen
über 3 dB-Koppler oder Ringhybrids elektrisch miteinander verkoppelt sind. Hierbei
hat jeder Teilmischer zwei antiparallel geschaltete Dioden, die auf der der Steuersignal
klemme zugewandten Seite eine kurzgeschlossene und auf der der Zwischenfrequenzsignalklemme
zugewandten Seite 1. eine offene A/4 lange Leitung des Steuersignales und 2. ein
auf das Hochfrequenzaignal abgestimmtes Sperrfilter haben. Es ist zweckmäßig, daß
das Sperrfilter aus
einem A/4 der hochfrequenten Signalleitung langen
Leitungsstück und einer folgenden /4 langen gleicher Frequenz angeschlossenen offenen
Querleitung besteht. Zum Erzielen eines genau gegenphasigen Verhaltens der beiden
Spiegelfrequenzen ist es erforderlich, daß in der Zuleitung des Steuersignals eines
Teilmischers eine Verzögerungsleitung zwischengeschaltet ist, deren elektrisch wirksame
Länge so bemessen ist, daß zwischen den Steuerfrequenzsignalen der beiden Diodenpaare
eine Phasenwinkeldifferenz von 450 entsteht.
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Die Kombination dieser beiden Mischer, Mischer mit subharmonischer
Ansteuerung und Mischer mit Spiegelfrequenzkompensation, bringt eine ganz wesentliche
Verbesserung bisher üblicher Mischer mit sich. Erst durch diesen erfindungsgemäßen
Mischer ist es möglich, die erforderlichen Übertragungsbandbreiten für hohe Kanalzahlen
zu erreichen.
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Anhand von Ausführungsbeispielen soll der Erfindungsgedanke noch näher
erläutert werden. In den Zeichnungen sind in einzelnen Figuren dargestellt, und
zwar: in der Fig. 1 ein Schaltschema des Mischers nach der Erfindung, in der Fig.
2 der Aufbau eines Mischers in Streifenleitungstechrlilc,
in der
Fig. 3 ein vereinfächtcu Ausfiihrurlgsbeispiel eines Mischers nach der Erfindung,
ebenfalls in Streifenleitungstechnik und in der Fig. 3a einen Ausschnitt aus der
Fig. 3 über die Diodenanordnung.
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In der Fig. 1 der Zeichnung ist der Mischer nach der Erfindung in
einem Prinzipschaltbild wiedergegeben. Dieser Mischer besteht aus den beiden Teilmischern
Ml, M2, die symmetrisch zueinander zusammengeschaltet sind. hierbei sind das Steuersignal
der Frequenz fhi und die Zwischenfrequenzanschlußklemme fZF über jeweils 3 dB-Koppler
an die beiden Teilmischer M1 und M2 angeschlossen.
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In dem Zuführungszweig des Steuersignals fhi des Teilmischers M1 ist
eine Verzögerungsleitung L eingeschaltet, die die Aufgabe hat, die Phasenbilanz
für die Spiegelsignale an der Verbundklemme A der Leitungsverzweigung des Hochfrequenzsignales
(Radio Frequency) frf so abzustimmen, daß sich die beiden Spiegelsignale fsp aus
den beiden Teilmischern Ml und M2 kompensieren.
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Bei dem vorliegenden Mischer werden vorzugsweise besondere Dioden
verwendet, die in einem relativ großen Strom-und Spannungsbereich einen exponentiellen
Verlauf haben.
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Diese Dioden sind antiparallel geschaltet. Trifft eine
positive
Halbwelle des Steuersignales fhi auf die eine Diode, so erzeugt sie einen positiven
Impuls; die negative Halbwelle liegt im Sperrbereich der Diode, aber an der antiparallel
geschalteten zweiten Diode entsteht ein zweiter Impuls gleicher Form. Da die Folgefrequenz
dieser Impulse dadurch doppelt so groß ist wie die Frequenz des aussteuernden Oszillatorsignales
fhi, braucht man zur Erzeugung eines zeitabhängigen Leitwertes mit der Frequenz
2 fhi nur noch die halbe Frequenz fhi. Deshalb wählt man von vornherein ein Oszillatorsignal
auf der halben Frequenz, bzw. die beiden Antiparalleldioden können subharmonisch
angesteuert werden.
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Die Anwendung der subharmonischen Ansteuerung des .
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schers hat noch weitere Vorteile: 1. Die Steuersignalerzeugung ist
häufig umso einfacher, je niedriger die Steuersignalfrequenz ist. Bei Vervielfachung
kann man dadurch eine Verdopplerstufe einsparen.
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2. Theoretisch entsteht an den antiparallelgeschalteten Dioden keine
Komponente der Ausgangsfrequenz 2 fhi und folglich wird in der Praxis nur wenig
Leistung dieser Frequenz vom Mischer abgegeben.
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3 Das Rauschen des Steueroszillators wird nicht in die Nutzsignal-Frequenzbereiche
umgesetzt. In diesem Punkt
sind die gleichen Vorteile gegeben,
wie bei Gegentaktmischern, die mit einem Oszillatorsignal der doppelten Frequenz
von fhi ausgesteuert werden.
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4. Die Schaffung eines Gleichstromweges für den Diodenrichtstrom ist
nicht erforderlich.
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Der Hauptnachteil ist der geringe Dynamikbereich. Dieser Nachteil
läßt sich aber beseitigen, indem die Dioden mit einer negativen Vorspannung versehen
werden, so daß der Arbeitspunkt im Sperrbereich liegt. Den selben Effekt zur Vergrößerung
des Dynamikbereiches kann man dadurch erreichen, daß jede der beiden antiparallelen
Dioden durch gleichsinnig, in Reihe geschaltete Dioden ersetzt werden. Im einfachsten
Fall werden pro Richtung zwei seriell angeordnete Dioden benutzt. Diese Anordnung
läßt sich schaltungstechnisch besonders gut mit einem Diodenquar tett verwirklichen.
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Bei der Frequenzumsetzung mit Schottkydioden entsteht auch Spiegelfrequenzleistung,
die in einem gedachten Abschlußwiderstand des Mischers nutzlos verbraucht wird.
Dadurch ist der Leistungsverlust bei der Umsetzung von Zwischenfrequenzleistung
in hochfrequente Leistung und umgekehrt größer als nötig. Dieser Leistungsverlust
läßt sich vermeiden, indem die' vom Mischer ablaufende Spiegelfrequenz leistung
reflektiert und wieder in hochfrequente bzw.
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Zwischenfrequenzleistung umgesetzt wird. Hierzu muß der gedachte Abschlußwiderstand
des Mischers bei der Spiegelfrequenz als Blindzweipol ausgeführt werden. Dies erfordert
eine Filterschaltung, da die anderen Komponenten ungestört zwischen Mischer und
dem gedachten Abschluß des Mischers übertragen werden müssen.
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Bei diesem Verfahren werden zwei gleiche Mischer verwendet, deren
Steuersignale so gegeneinander phasenverschoben sind, daß zwischen den beiden Leitwertfunktionen
eine zeitliche Verschiebung um fhi/8 besteht.
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Bei konventionellen Mischern muß die Phasenverschiebung zwischen den
beiden Steuersignalen der Frequenz 2 fhi s/2 betragen, bei Mischern mit antiparallelen
Dioden und subharmonischer Steuerung muß sie gleich n/4 sein.
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Bezeichnet man den Mischer, dessen Leitwertfunktion um fhi/8 voreilt,
als Mischer I, so ergibt sich rechnerisch, daß bei der Aufwärtsfrequenzumsetzung
die hochfrequenten Signale, bei der Abwärtsfrequenzumsetzung die Zwischenfrequenzsignale
der beiden Mischer gegeneinander um x/2 verschoben sind. Dies ist ein unerwünschter
Nebeneffekt.
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Man kann ihm aber begegnen, indem man auf der Zwischenfrequenzseite
der Mischer einen um ist/2 phasenverschiebenden
Leistungffteiler
bzw. Leistungssummierer (etwa einen 3-dB-Richtkoppler oder ein iV2-Ringhybrid) vorsieht
1 der bei der Aufwärtsumsetzung die Zwischenfrequenzsignale gegeneinander um s/2
dreht und so für phasengleiche, leicht addierbare Hochfrequenzsignale sorgt und
bei der Abwärtsfrequenzumsetzung die orthogonalen Zwischenfrequenesignale ohne wesentlichen
Leistungsverlust zu einem resultierenden Signal zusammenfaßt.
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Der erwünschte Haupteffekt, der durch die Phasenverschiebung der beiden
Steuersignale zustandekommt, liegt darin, daß die Spiegelfrequenzkomponenten gegenphasig
sind und sich kompensieren. Dadurch wird erreicht, daß breitbandig ein Leistungsverlust
über die Spiegelfrequenz verhindert wird.
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Zu den Voraussetzungen hierfür gehört vor allem, daß die Spiegelfrequenzkomponente
den Mischer dort verläßt, wo die Hochfrequenzkomponente aus- bzw. eingekoppelt wird.
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Dann kann nämlich der beschriebene Effekt der Spiegelfrequenzkompensation
mit der Schaltung nach Fig. 1 erzielt werden. Die Hochfrequenzanschlüsse der beiden
Mischer sind bei dieser Schaltung mit einer Leitungs-T-Verzweigung verbunden, die
Zwischenfrequenzanschlüsse, wie erwähnt, mit einem 3-dB-Richtkoppler.
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Die Schaltung arbeitet, wie folgt: Bei der Aufwärtsfrequenzumsetzung
wird die Zwischenfrequenzleistung vom Richtkoppler in zwei um n /2 phasenverschobene
Anteile aufgeteilt. Die beiden entstchenden Hochfrequenzkomponenten sind darin gleichphasig
und addieren sich am äußeren Anschlußarm der T-Verzweigung.
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Die beiden Spiegelfrequenzkomponenten kompensieren sich dort, da sie
gegenphasig sind.
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Bei der Abwärtsfrequenzumsetzung wird die Hochfrequenzleistung in
zwei gleichphasige Anteile aufgeteilt, die den beiden Mischern zugeführt werden.
Die entstehenden um x /2 phasenverschobenen Zwischenfrequenzkomponenten addieren
sich durch die Phasendrehung des Leistungssum mierers gleichphasig. Die Spiegelfrequenzkomponenten
speisen die T-Verzweigung#so, da an der Vtrzweigungstelle die Spannung gleich Null
ist. Die Spiegelfrequenzanteile kompensieren sich also am äu3ere-n Anschlußarm.
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Das bedeutet, daß keine Spiegelfrequenzleistung an die Umgebung abgegeben
wird und ein Leistungsverlust über die Spiegelfrequenz nicht auftritt.
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In der Fig. 2 der -Zeichnung ist ein Au#führung:sb£i#piel der Erfindung
in Streifenleitungstechnik dargestellt.
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Ausgehend von den zwei Diodenpaaren D1 und D2, die jeweils antiparallel
geschaltet sind, folgt in Richtung
zur Steueroingangssignalklemme
fhi1 und fhi2 die kurzgeschlossene #hi/4-Leitung S1. Der obere Leitungszug wird
durch die Verzögerungsleitung L wegen der geforderten Phasenbilanz an der Verbundklemme
A verlängert.
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Über einen Ringhybrid R, der auch durch einen 3 dD-flichtkoppler ersetzbar
ist, ist die Steuersignaiklemme fhi angeschlossen. Der Ausgang ##it ist über einen
Absorber abgeschlossen und der Ausgang fhi2 führt zur Zuführungsklemme für das Steuersignal
fhi.
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Auf der gegenüberliegenden Seite der beiden Diodenpaare re Dt und
D2 sind die beiden Teilmischer M1 und M2 über die Verbundklemme A miteinander verbunden.
Die Verbundklemme A führt zur iiochfrequenzausgangsklemme frf. Ausserdem ist an
den Diodenpaaren Di und D2 je eine offene #/4-Leitungslänge 52 angeschlossen, deren
elektrische Länge sich auf die Frequenz fhi bezieht. Die Leitung zur Zwischenfrequenzklemme
fZF führt weiter über ein Sperrfilter, bestehend aus einer #/4-Leitungslänge S4
und einer offene ;v/4 lang Querleitung S3, deren elektrisch wirksame Leitungslängen
auf die Frequenz des Hochfrequenzsignales frf bezogen sind.
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Die aus den beiden Teilmischern M1 und M2 ankommenden Zwischenfrequenzsignalleitungen
werden in einem 3 dB-
Koppler oder geeigneten Koppelschaltungen
miteinander verkoppelt, wobei die eine Leitung in einem Adsorber und die andere
Leitung an die Zwischenfrequenzsignal klemme fZF geführt sind.
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Die Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform des in der Fig.
2 dargestellten Aufbaues. Es sind hier die gleichen Bezugszeichen verwendet worden
wie in der Fig. 2. Die Vereinfachung der Fig. 3 besteht darin, daß die offenen Ä/4-Leitungslängen
S2 der beiden Teilmischer M1 und M2 übereinandergeklappt sind, so daß es bei dieser
Ausführungsform nur noch eine Leistung 52 gibt. Diese Anordnung hat noch den großen
Vorteil, daß nicht mehr getrennte Diodenpaare D1 und D2 verwendet werden, sondern
handelsübliche Diodenqurtette, die auch in der Montage eine wesentliche Vereinfachung
darstellen, wie es aus der Gestaltung der Fig. 3 ohne weiters erkennbar ist.
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L e e r s e i t e