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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Signalübertragung und insbesondere
bezieht sie sich auf analoge Signale direkter Aufwärtsmischung.
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INFORMATIONEN ZUM STAND DER
TECHNIK
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Auf
dem Gebiet der Signalübertragungsanwendungen
für Radar,
Radio und andere ist es oftmals wünschenswert, ein Basisbandsignal
von einer Frequenz in eine höhere
Frequenz aufwärts
zu mischen. Typischerweise wurde dies unter Verwendung mehrfacher
Lokaloszillatoren mit zugehörigen
Filtern, Mischern, Zwischenfrequenzverstärkern und Phasenregelkreisschaltkreisen
vorgenommen. Derartige Schaltungen verbrauchen Leistung, sind inhärent verlustbehaftet
und können
unerwünschte
parasitäre harmonische
Signale aussenden. Diese unerwünschten
Aussendungen können
mit der richtigen Ausrüstung
erfasst werden und somit die Geheimhaltungsfähigkeiten derartiger Anwendungen
reduzieren. Zusätzlich
dazu können
eine Anzahl an Komponenten, die zu diesen Lokaloszillatoren gehören, nicht
mühelos
in integrierten Schaltungen implementiert werden, da sie chipexterne
Schaltungselemente wie etwa Kristalle und Induktoren erfordern.
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Wenn
im Einsatz ortsveränderliche
Leistungsquellen genutzt werden, ist es wünschenswert, dass ihr Leistungsverbrauch
minimiert wird und die Leistung effizient genutzt wird. Das Reduzieren
der Zahl der Schaltungselemente in einer Schaltung kann den Leistungsverbrauch
reduzieren, aber die Nutzung traditioneller Lokaloszillatoren und
Mischer für
die Aufwärtsmischung
hat in dem traditionellen Design für Aufwärtsmischung auf der Basis von
Lokaloszillatoren eine praktische Grenze.
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Gebraucht
wird ein effizienter Weg (d. h. mit geringer Zahl an Schaltungselementen
und geringem Leistungsverbrauch) der Bereitstellung der Aufwärtsmischung,
während
parasitäre
Aussendungen minimiert werden, um die Geheimhaltungsfähigkeit
der Anwendung zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wendet sich den Problemen zu, die mit der
Verwendung von Lokaloszillatoren assoziiert sind, indem eine direkte
Aufwärtsmischung
unter Verwendung einer neuartigen Kombination von Analog- und Digitalschaltkreisen verwendet
wird, um einen Abtastimpuls zu produzieren, der verwendet wird,
um einen gattergesteuerten Differenzverstärker zu steuern. Dies führt zu einer Zeitbereichswellenform,
bei der es sich um eine Impulsduplettfolge handelt, die durch das
Eingangssignal an den Differenzverstärker amplitudenmoduliert wird.
Die Impulsschaltung wird erzeugt, indem ein Basissignal ein oder
mehrere Male frequenzverdoppelt, verstärkt und begrenzt wird (zum
Umformen des resultierenden Signals in eine Rechteckwelle) und die
resultierenden Signale (Mal-Zwei, Mal-Vier und so weiter) verwendet
werden, um ein Abtastsignal von kurzer Dauer zu produzieren, das
sich mit der Frequenz des Basissignals wiederholt.
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In
einem Aspekt umfasst die Erfindung ein System und ein Verfahren,
das eine Eingangssinuswelle in eine Rechteckwelle umformt, diese
auf einen Frequenzverdoppler-und-Begrenzungsverstärker (FDLA)
anwendet, und die zwei Signal werden in ein Logisch-NOR-Gatter gespeist,
um einen schmalen Abtastimpuls zu produzieren. Dieser Abtastimpuls wird
verwendet, um den Ausgang eines gattergesteuerten Differenzverstärkers zu
steuern. Wenn der Abtastimpuls freigegeben ist, läuft der
Ausgang des gattergesteuerten Differenzverstärkers dem Eingang (von, in
einem Aspekt, einem Digital-Analog-Umwandler) nach, und wenn der
Abtastimpuls nicht freigegeben ist, wird der Ausgang des Differenzverstärkers nach
Null gezogen. In einem anderen Aspekt wird das verdoppelte Eingangssignal
wiederum auf einen FDLA angewendet, um ein Mal-Vier-Signal zu produzieren,
das ebenfalls in das Logisch-NOR-Gatter eingegeben wird, wobei in
diesem Aspekt der Abtastimpuls mit der Frequenz der Eingangssinuswelle wiederholt
wird, aber eine Dauer von einem einzelnen Halbzyklus von achtmal
der Frequenz der Eingangssinuswelle aufweist.
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In
einem anderen Aspekt wird die Erfindung zumindest teilweise als
eine monolithische integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC) implementiert,
und in noch einem weiteren Aspekt verwendet sie PHEMT (Pseudomorphic
High Electron Mobility Transistors). In noch einem weiteren Aspekt
wird der Differenzverstärker
gesteuert, indem der Vorspannstrom zu dem Verstärker durchgeschaltet wird.
Der Ausgang des Differenzverstärkers
in einem anderen Aspekt wird unter Verwendung eines planaren Symmetrietransformators
in einen unsymmetrischen Mikrostreifen umgewandelt.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie in einer einzelnen
monolithischen integrierten Schaltung implementiert werden kann, ohne
den Bedarf an externen Lokaloszillatoren und Mischern. Es ist ebenfalls
ein Vorteil in einem Breitbandsystem, dass das Eliminieren des Bedarfs
an Lokaloszillatoren das Potenzial an Inband- und Nahinband-Rückstrahlung
reduziert. Noch ein weiterer Vorteil ist eine reduzierte Anzahl
an Schaltungselementen, was die Kosten und den Leistungsverbrauch reduziert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
durch das Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit
den Zeichnungen besser verstanden, wobei:
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1 ein
Blockschaltbild einer Rückkehr-zu-Null-Schaltung
(RTZ-Schaltung)
und eines Abtastimpulsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 ein
Zeitbereichsgraph einer Abtastausgangswellenform einer direkten
Aufwärtsmischung
ist;
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3 ein
Graph eines Ausgangsspektrums von einer Abtastwellenform nach dem
Filtern durch einen X-Band-Selektorfilter ist;
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4 ein
Blockschaltbild einer Implementierung einer RTZ-Schaltung in einem Mikrochip ist; und
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5 ein
Blockschaltbild einer Implementierung einer Takterzeugungsschaltung
in einem Mikrochip gemäß einem
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFOHRUNGSFORM
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Die
direkte Aufwärtsmischung
von analogen Signalen ist für
Radio-, Radar- und andere Übertragungssysteme
von Interesse. Die direkte Aufwärtsmischung
kann im Vergleich zu analoger Aufwärtsmischung unter Verwendung
von Lokaloszillatoren und Mischern Vorteile in Größe, Leistung,
Gewicht und Kosten bereitstellen. Das Eliminieren von Lokaloszillatoren
reduziert das Potential für
Inband- und Nahinbandlokaloszillatorrückstrahlung, was bei Geheimhaltungsanwendungen
wünschenswert
ist.
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Eine
Anwendung der direkten Aufwärtsmischung
kann in zwei Sektionen segmentiert sein: einen Rückkehr-zu-Null-Abtaster (RTZ-Abtaster) und einen
Abtastimpulsgenerator. Eine Implementierung einer Rückkehr-zu-Null-(RTZ-)
und Abtastimpulsschaltung gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
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Die
RTZ verwendet einen gattergesteuerten Differenzverstärker, der
einem Eingangssignal von einem Analog-Digital-Umwandler an dem Eingang während eines
kurzen Abtastintervalls nachläuft
und ansonsten null Volt ausgibt.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer RTZ-Schaltung und eines Abtastimpulsgenerators gemäß der vorliegenden
Erfindung. Ein Sinuswelleneingang 10 wird von einem Begrenzungsverstärker 12 in
eine Rechteckwelle umgewandelt, wobei ein Basisimpulsstrom 14 produziert
wird. Der Basisimpulsstrom 14 wird an einen Frequenzverdoppler-und-Begrenzungsverstärker (FDLA) 16 gespeist, wobei
ein Mal-Zwei-Impulsstrom (X2-Impulsstrom) 18 mit zweimal
der Frequenz des ersten Impulsstroms 14 produziert wird.
Der Mal-Zwei-Impulsstrom 18 wird
wiederum in einen zweiten FDLA 20 gespeist, wobei ein Mal-Vier-Impulsstrom
(4X-Impulsstrom) 22 produziert wird.
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Die
drei Impulsströme
(Basis 14, Mal-Zwei 18 und Mal-Vier 22)
werden als Eingänge
auf eine Logisch-NOR-Schaltung 24 angewendet. Das Ergebnis
ist ein Abtastimpulsausgang 25, der ein schmaler Impuls
mit einer Impulsbreite eines einzelnen Halbzyklus des Mal-Vier-Impulsstroms 22 und
einer Frequenzrate gleich der Rate des Basisimpulsstroms 14 ist.
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Es
hat sich herausgestellt, dass es besser ist, den Abtastimpuls durch
Frequenzverdopplung abzuleiten; statt mit einer höheren Frequenz
anzufangen und nach unten zu teilen. Die Frequenzverdopplung stellt
eine größere Stabilität und Wiederholbarkeit
bereit.
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Der
Ausgang 25 der Logisch-NOR-Schaltung 24 wird auf
einen Steuereingang 28 eines gattergesteuerten Differenzverstärkers 26 angewendet. Wenn
der Steuereingang 28 des gattergesteuerten Differenzverstärkers 26 aktiviert
ist, folgt der Ausgang des Differenzverstärkers 26 dem Eingang 27.
In einer Implementierung ist der Eingang 27 mit dem Ausgang
eines Digital-Analog-Umwandlers verbunden.
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Wenn
der Steuereingang 28 des gattergesteuerten Differenzverstärkers 26 deaktiviert
wird, wird die Stromquelle (nicht gezeigt) für den gattergesteuerten Differenzverstärker 26 deaktiviert,
und der Ausgang 34 wird von einem Schalter 32 nach
Null gezogen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die RTZ und der Abtastimpulsgenerator als eine monolithische
integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC) mit PHEMT (Pseudomorphic
High Electron Mobility Transistors) implementiert, hergestellt unter Verwendung
eines vollständig
selektiven 0,15-Doppelvertiefungs-(Ätzstop-)Prozesses.
Dieser Prozess hat sich als vielseitig herausgestellt und erlaubt
die Kombination von wenig Rauschen, Leistung, passivem Schalten
und A/D-Bauelementen auf demselben Maskensatz. Die Verwendung des Ätzstops
ergibt eine gute Gleichmäßigkeit
und hohe Erträge.
Die MMIC wird auf einem 101,6 μm
dicken Substrat mit Schlitzlücken
und inkorporierten TaN-Widerständen (Tantalnitrid-Widerständen) von
25 Ohm/Rechteck und Metall-Isolator-Metall (MIM)-SiN-Kondensatoren (Siliziumnitrid-Kondensatoren) von
400 pF/mm2 implementiert.
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Unter
Bezug auf 2 wird ein Zeitbereichsgraph 40 des
Ausgangs 34 einer RTZ-Schaltung, die gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, gezeigt. Ein 100-MHz-Referenzsignal
von einem Digital-Analog-Umwandler (nicht gezeigt) wurde dem Eingang
des gattergesteuerten Differenzverstärkers 26 zugeführt, und
eine 2-GHz-Sinuswelle (nicht
gezeigt) wurde dem Abtastimpulsgenerator als Eingang 10 zugeführt. Andere
Frequenzen könnten vorteilhaft
verwendet werden. Die X-Achse 42 ist 1 Nanosekunde pro
Unterteilung, und die Y-Achse 44 ist 10 mV pro Unterteilung.
Der Graph 46 zeigt die gemessene, amplitudenmodulierte
Impulsduplett-Zeitbereichswellenform 46,
die unter Verwendung eines Abtast-Oszilloskops aufgezeichnet wurde.
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3 zeigt
das Ausgangsspektrum 50 der modulierten Impulsduplettwellenform 46 nach
dem Durchlaufen eines X-Band-Selektorfilters
(nicht gezeigt). Die X-Achse 56 ist eine Oberschwingungsfrequenz
mit 5,0 GHz pro Unterteilung. Die Y-Achse 58 ist zehn dB
pro Unterteilung. Zwei Modulationsseitenbänder 52 und 54 sind
klar ersichtlich. Die fünfte Oberschwingung
von 2 GHz ist um achtzehn dB gedrückt gezeigt, und die zweite
Oberschwingung (62 und 64) der Modulationsfrequenz
ist um vierzig dB gedrückt.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung einer RTZ-Schaltung 70, wie
in einer MMIC implementiert. Der gattergesteuerte Differenzverstärker 26 weist
einen Steuereingang 28 auf, der bei Freigabe den Steuertransistor 74 schaltet,
um dem Differenzverstärker 26 Strom
zuzuführen.
Wenn der Steuereingang 28 nicht freigegeben wird, ziehen
die Pull-down-Transistoren 76 und 78 den Ausgang
des Differenzverstärkers 26 nach
Null. Der Ausgang 80 des Differenzverstärkers 26 wurde unter
Verwendung eines planaren Symmetrietransformators (nicht gezeigt)
in einen unsymmetrischen Mikrostreifen umgewandelt.
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5 zeigt
ein Schema einer Abtastimpulsgeneratorschaltung. Ein Sinuswelleneingang 10 wird auf
eine Schaltungssektion 90 angewendet, die die Eingangssinuswelle
in eine Rechteckwelle umformt, um den Basisimpulsstrom 14 zu
produzieren, und den Mal-Zwei-Impulsstrom 18 und
den Mal-Vier-Impulsstrom 22 produziert. Die NOR-Schaltung 24 produziert
den Abtastimpuls 25. Die Schaltungssektion 94 führt der
NOR-Schaltung eine Referenzspannung zu.
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Abwandlungen
und Substitutionen durch den durchschnittlichen Fachmann werden
als in den Bereich der vorliegenden Erfindung, der außer durch
die folgenden Patentansprüche
nicht begrenzt sein soll, fallend angesehen. Zum Beispiel könnten diskrete Komponenten
anstelle von integrierten Schaltungen verwendet werden. Andere Frequenzen
als die gezeigten könnten
verwendet werden. Mehr als zwei FDLAs könnten verwendet werden, um
kürzere
Abtastimpulse zu erzeugen.