DE69124013T2 - Dreifacher Gegentakt-Breitbandmischer mit hoher Frequenz - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft allgemein Funkempfänger und Sender, die die Umwandlung eines Eingangssignals gegebener Frequenz in ein Ausgangssignal einer unterschiedlichen Frequenz durch additives oder subtraktives Mischen mit einem Hochpegelhilfssignal verlangen. Die Erfindung betrifft insbesondere dreifache abgeglichene Mischer, die Breitbandeigenschaften aufweisen und Hochfrequenzsignale mit geringer Verzerrung mischen können.
2. Beschreibung der in Beziehung stehenden Technik
• Ein Mischer erhält zwei Eingangssignale, ein Hochfrequenzsignal geringer Leistung und ein örtliches Oszillatorsignal (LO) hoher Leistung und erzeugt ein Ausgangssignal, ein Zwischenfrequenzsignal (ZF). Sinusförmige Eingangssignale ergeben typischerweise ein Ausgangssignal, das Frequenzkomponenten bei der Summe und der Differenz der Eingangssignalfrequenzen aufweist. Zusätzlich enthält das Ausgangssignal auch Summen und Differenzen von Mehrfachen der Eingangssignalfrequenzen. Typischerweise wird nur die Summe oder Differenz der Eingangssignale erwünscht, und die anderen Signalkomponenten werden ausgefiltert.
• Herkömmliche Mischer können vom aktiven, passiven oder geschalteten Typ sein. Jedoch haben die Entwicklungen von Schottky-Dioden für passive Mischer passive Diodenmischer vorteilhafter als die anderen Arten gemacht, und passive Diodenmischer haben somit eine weitverbreitete Verwendung erlangt.
• Dreifache, abgeglichene Mischer sind aus acht Dioden und drei Baluns (oder genauer gesagt, drei Balunpaaren) gebildet. Eines der Baluns wird für jeden Anschluß verwendet. Dreifache , abgeglichene Mischer bieten einen größeren, dynamischen Bereich, eine bessere Störunterdrückung und Trennung zwischen den Anschlüssen, und ermöglichen höhere Frequenzen an dem Zwischenfrequenzanschluß als zweifache abgeglichene Mischer. Die Nachteile von dreifach , abgeglichenen Mischern sind ihre hohe Anforderung an örtliche Oszillatorleistung, ihre Unfähigkeit, an dem Zwischenfrequenzanschluß auf Gleichstrom herabzugehen und ihre höheren Kosten.
• Es ist eine entscheidende Überlegung, daß die Mischerleistung, die nachteilig durch relativ hohe Eingangsfrequenzen zwischen den Anschlüssen beeinflußt wird, abnimmt und Leitungsinduktivitäten, parasitäre Kapazitäten und die physikalische Lage der Bauteile alle dazu neigen, die Leistung des Mischers zu verschlechtern. Infolgedessen arbeiten herkömmliche Mischer in vielfältiger Weise typischerweise nicht sehr gut bei solchen hohen Frequenzen.
• Bei einem Versuch, die Hochfrequenzleistung solcher Mischer zu verbessern, haben Mischer des Standes der Technik Wellenleiteranschlüsse verwendet. Ein Beispiel eines Mischers nach dem Stand der Technik, der einen Wellenleiteranschluß verwendet, ist in US-A-4,691,380 geoffenbart. Diese Einrichtung ist ein zweifach , abgeglichener Mischer, der zur Verwendung bei hohen Frequenzen bis 35 GHz geeignet ist. Jedoch weist die Einrichtung die Nachteile von zweifachen, abgeglichenen Mischern auf, die oben angegeben sind.
• Andere Mischer nach dem Stand der Technik haben versucht, eine Anschlußtrennung bei derart verlangten Hochfrequenzanwendungen zu verbessern, indem orthogonale Strukturen verwendet werden. Ein Beispiel eines Mischers nach dem Stand der Technik, der eine orthogonale, Hybrid-T-Verbindung des HF- und des örtlichen Oszillatoranschlusses verwendet, ist in US-A-4,480,336 geoffenbart. Dieser Mischer ist entweder ein einfach abgeglichener oder ein zweifach abgeglichener Mischer und weist somit auch die für einfache und zweifache abgeglichene Mischer typischen Nachteile auf.
• Ein anderer dreifacher , abgeglichener Mischer nach dem Stand der Technik (US-A-4,355,421), wie er in dem Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben ist, verwendet ein System von drei Balunpaaren und drei Gruppen von Verbindern, um ein Paar eines gepackten Dioden-Viereckrings innerhalb eines Gehäuses zu halten. Die HF- und örtlichen Oszillator-Baluns sind in derselben Ebene und in einer parallelen Ebene auf einem einzelnen flächigen Element aus dielektrischem Material angeordnet. Der ZF- Balun ist auf der oberen Oberfläche des flächigen Elements angebracht und umfaßt zwei Windungen eines Transformators, der mit dem Paar von Diodenringen gekoppelt ist.
• Obgleich die besten solcher dreifachen, abgeglichen Mischer nach dem Stand der Technik konstruiert sind, um bei Frequenzen bis 26 GHz zu arbeiten, ist ihre Leistung oberhalb von 20 GHz nicht sehr gut.
• Es wird somit ein Mischer benötigt, der eine gute Anschlußtrennung, Störunterdrückung und niedrigen Umwandlungsverlust bei hohen Frequenzen liefert. Es wird auch ein Mischer benötigt, der diese Ergebnisse erreichen kann, während Breitbandanwendungen und niedrige Verzerrung geliefert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es die hauptsächliche Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten, dreifachen, abgestimmten Mischer zu schaffen, der einer guten Leistung bei Hochfrequenzeingangssignalen fähig ist und Breitbandeigenschaften, einen großen dynamischen Bereich und ausgezeichnete Störleistung aufweist.
• Diese Zielsetzung wird durch die Merkmale gelöst, wie sie im Anspruch 1 beansprucht sind.
• Im wesentlichen dehnt die vorliegende Erfindung die Leistungseigenschaften herkömmlicher dreifacher, abgeglichener Mischer hoher Leistung zu höheren Frequenzen in der Größenordnung von 38 GHz aus, was davon abhängt, ob koaxiale oder Wellenleiteranschlüsse verwendet werden.
• Es wird allgemein von dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet angenommen, daß es unmöglich ist, einen dreifachen, abgeglichen Mischer zu bauen, der eine zufriedenstellende Leistung bei Frequenzen oberhalb von 20 GHz aufweist. Dies ist der Fall, weil angenommen wird, daß Diodenviereckringe Kapazitäten und parasitäre Leitungsinduktivität haben, die mit der Induktivität des Bandverbinders kombiniert in der Mischerschaltung ergeben, daß sie als ein Tiefpaßfilter wirken, wodurch die Hochfrequenzleistung des Mischers begrenzt wird. Indem jedoch Viereckringe aus Beam-Lead-Dioden niedriger Kapazität unmittelbar mit dem Balun verbunden werden, von dem angenommen wird, daß er das höchste Frequenzsignal liefert (wodurch die Verwendung eines Bandverbinders unterbunden wird), und speziell konstruierte Baluns vorgesehen werden, sind diese Kapazitäten und Parasiten Induktivitäten minimiert worden. Infolgedessen kann der Mischer der vorliegenden Erfindung Hochfrequenzsignale bis zu 50 GHz verarbeiten, während er weiterhin alle Hochleistungseigenschaften herkömmlicher dreifacher, abgeglichener Mischer beibehält, die bei relativ niedrigen Frequenzen arbeiten.
• Bei der Erfindung sind zwei Viereckringe aus Beam-Lead-Dioden vorgesehen, die an entgegengesetzten Seiten eines geeigneten, dielektrischen flächigen Elementes angeordnet sind. Ein geeignetes Gehäuse für diese Bauteile weist HF-, LO- und ZF- Anschlüsse (für die Eingangs- und Ausgangssignale) auf, die mit drei Balunpaaren verbunden sind. Geeignete Verbinder verbinden zwei der Balunpaare mit den Ringen. Jedoch ist das andere Balunpaar unmittelbar mit den Diodenringen ohne die Verwendung eines Verbinders dazwischen verbunden. Das Ausschließen eines solchen Verbinders schließt die Induktivität aus, die ein solcher Verbinder bieten würde. Der Anschluß, der die höchsten Frequenzen zu dem Mischer zeigt, ist der, der sonst das höchste Maß an Leistungsverschlechterung bewirken würde. Deshalb sind die Verbinder in der Schaltung für diesen Hochfrequenzanschluß diejenigen, die vorzugsweise ausgeschlossen werden. Infolgedessen erhöht diese neuartige Schaltung für den Hochfrequenzanschluß die obere Grenze der hohen Frequenzen, die der Mischer verarbeiten kann, und verstärkt dadurch stark seine Leistung.
• Die Erfindung verwendet auch Baluns, die eine neuartige Konstruktion aufweisen, um die Länge der Verbinder zu verringern, wodurch die Induktivitäten verringert werden, die sie darstellen. Des weiteren maximiert die neuartige Konstruktion der Baluns die parasitär kurzgeschlossene Stichleitungsimpedanz der Balune, während sie auch die Verbinderlänge für zwei der Anschlüsse minimiert und die Notwendigkeit eines Verbinders für den anderen Anschluß ausschließt. Somit gestattet die einzigartige Balunkonstruktion, daß der Mischer seine weite Bandbreite beibehält (die er sonst nur bei relativ niedrigen Frequenzen hätte), während gleichzeitig sein Hochfrequenzvermögen erweitert wird. Im wesentlichen ist ein einzigartiges Merkmal der Baluns die besondere Form ihrer gegabelten Abschnitte, die in ihren mittleren Abschnitten nach außen gebogen sind. Diese Balunform schafft eine breite Beabstandung der gegabelten Abschnitte (über den größten Teil ihrer Länge, um die kurzgeschlossene Stichleitungsimpedanz zu maximieren, d.h., die Impedanz zwischen den Zinken der gegabelten Abschnitte, und einen geringen Abstand der Enden der gegabelten Abschnitte, um den Abstand zwischen den Diodenringen und den gegabelten Abschnitten zu minimieren, um dadurch den Abstand zu minimieren, der von den Verbindern überbrückt werden soll, und eine unmittelbare Verbindung von wenigstens einem Paar von Baluns mit den Diodenringen zu ermöglichen.
• Das Gehäuse hat innere Wände, die einen Hohlraum im ungefähr Mittelbereich des Gehäuses bilden. Der Hohlraum enthält die Ringe, die Baluns und die Balunverbinder. Die große Abmessungsgröße des Hohlraumes minimiert eine elektromagnetische Kopplung zwischen den primären Baluns und den Hohlraumwänden, die sonst den Abgleich des Mischers stören würde.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• In den beigefügten Zeichnungen:
• Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Mischers der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Mischers der Fig. 1, der mehr im einzelnen den Hohlraum und die darin enthaltenen Bauteile des Mischers zeigt;
• Fig. 3 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines repräsentativen Baluns des Mischers;
• Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm der Mischerschaltungen;
• Fig. 5 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der Dioden- Viereckringe und der ZF-Schaltungen des Mischers, wenn man von dem ZF-Anschluß her betrachtet;
• Fig. 6 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der Dioden- Viereckringe und der Schaltungen des örtlichen Oszillators des Mischer, wenn von dem Anschluß (LO) für den örtlichen Oszillator her betrachtet wird;
• Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Arbeitskennlinie des Mischers, die den Umwandlungsverlust des Mischers als eine Funktion der Eingangsfrequenz zeigt;
• Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Arbeitskennlinie des Mischers, die die Störunterdrückung des Mischers als eine Funktion der Oszillatorfrequenz zeigt;
• Fig. 9a ist eine Draufsicht auf die Oberseite der bevorzugten Konstruktion des Balunpaars, das in dem Mischer verwendet wird;
• Fig. 9b ist eine Draufsicht auf die Unterseite der bevorzugten Konstruktion des Balunpaars, das in dem Mischer verwendet wird;
• Fig. 10 ist eine Draufsicht auf eine herkömmlichere Konstruktion eines Balunpaars zur Verwendung in dem Mischer;
• Fig. 11 ist eine Schnittansicht des Balunpaars der Fig. 9a, die entlang der Linie 11-11 genommen ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei der Mischer der vorliegenden Erfindung allgemein mit Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Mischer 10 enthält vorzugsweise ein Paar von Dioden-Viereckringen, die mit den Bezugszeichen 12 und 14 bezeichnet sind. Die Ringe 12 und 14 sind vorzugsweise auf einem geeigneten flächigen Element 16 angeordnet, das vorzugsweise aus faserverstärktem Teflonmaterial (Duroid) gebildet ist. Die Ringe 12 und 14 werden vorzugsweise auf entgegengesetzten Seiten des flächigen Elements 16 angeordnet, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
• Das flächige Element 16 weist vorzugsweise eine gleichbleibende Dicke von ungefähr 0,127 mm (5 Tausendstel Inch) auf. Jedoch kann das flächige Element 16 auch eine andere geeignete Dicke aufweisen und kann aus von Duroid verschiedenen Materialien gebildet sein.
• Der Mischer 10 schließt vorzugsweise auch ein Gehäuse 20 ein. Das Gehäuse hat einen HF-Anschluß 22, einen Anschluß 24 für den örtlichen Oszillator und einen ZF-Anschluß 26 für Signaleingänge und Ausgänge zu und von dem Mischer 10. Ein HF-Balunpaar 28 ist mit dem HF-Anschluß verbunden. Ein Balunpaar 30 des örtlichen Oszillators ist mit dem Anschluß für den örtlichen Oszillator verbunden und ein ZF-Balunpaar 32 ist mit dem ZF-Anschluß 26 verbunden. Das Balunpaar 28 hat vorzugsweise eine Leitung 58, die über einer vorzugsweise parallelen Masseebene 60 angeordnet ist, wie es in den Fig. 9a und 9b gezeigt ist, die die obere Seite bzw. untere Seite des repräsentativen Balunpaares 28 darstellen. Die Leitung 58 und die Masseebene 60 umfassen eine nichtabgeglichene Mikroband-Übertragungsleitung. Die Leitung 58 und die Ebene 60 versorgen ein Paar abgeglichener, paralleler Bandübertragungsleitungen oder einen oberen und einen unteren, gegabelten Abschnitt 44 bzw. 45. Das Balunpaar 28 ist vorzugsweise in der Form von Metallmustern, die auf entgegengesetzten Seiten einer Duroidschicht 18 abgeschieden sind, was unten im einzelnen beschrieben wird. Das Balunpaar 30 weist ähnlich eine bevorzugt eine Leitung 62 und eine vorzugsweise parallele Masseebene 64 auf, die ähnlich ein Paar abgeglichener, paralleler Bandübertragungsleitungen oder einen oberen und unteren, gegabelten Abschnitt 50 bzw. 53 versorgen. Das Balunpaar 30 weist auch vorzugsweise einen ausgeschnittenen Abschnitt oder Loch 59 auf der Mittellinie des Balunpaars 30 auf, um einen der Verbinder 96 aufzunehmen. Das Loch 59 und die Verbinder 96 werden mehr im einzelnen unten beschrieben. Das Balunpaar 32 weist ähnlich ein Leitung 66 und vorzugsweise eine parallele Masseebene 68 auf, die einen oberen und unteren, gegabelten Abschnitt 54 bzw. 57 versorgen. Die Balunpaare 28, 30 und 32 können geschlitzt sein, um ein nahe Anordnung der Viereckringe 12 und 14 und der Balunpaare 28, 30 und 32 nahe zueinander zu erleichtern, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Jedoch können irgendwelche oder alle Balunpaare 28, 30 und 32 auch ungeschlitzt sein, wie es in den Fig. 9a und 9b gezeigt ist.
• Elektrische Verbinder 34 und 36 verbinden die Baluns 28 und 32 mit geeigneten Anschlüssen der Ringe. Die Verbinder 34 und 36 (oder die HF-Balunverbinder 34 und die ZF-Balunverbinder 36) sind vorzugsweise dünne, flache, elektrische Leiter (Bandverbinder), die eine minimale Länge aufweisen, um ihre Leitungsinduktivität zu minimieren, die sonst die Leistung des Mischers 10 verschlechtern würde.
• Die Ringe 12 und 14, die Balunpaare 28, 30 und 32 und die Verbinder 34 und 36 sind innerhalb eines Hohlraums 38 angeordnet, der durch Seitenwände 40 und eine obere und eine untere Wand 42 des Gehäuses 20 begrenzt ist. Die Wände 40 und 42 sind selektiv bemessen, die Abmessungsgröße des Hohlraums 38 zu maximieren, um einen Signalverlust durch elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Hohlraumwänden und den Ringen, Balunen und Balunverbindern zu minimieren. Die Wände 40 und 42 haben vorzugsweise eine Höhe und Weite von ungefähr 5,08 mm (200 Tausendstel Inch), um einen Abstand von 2,54 mm (100 Tausendstel Inch) zwischen den Baluns und den Wänden zu schaffen, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Es ist bestimmt worden, daß dieser ungefähre Abstand optimal dahingehend ist, daß ein größerer Abstand nicht merklich den Signalverlust verbessert. An den Seitenwänden gibt es vorzugsweise Fenster 41 und Baugruppenvorsprünge 43, die die Verbindung der Baluns 28, 30 und 32 mit ihren entsprechenden Anschlüssen erleichtern. Das Gehäuse 20 ist vorzugsweise aus einem leitenden Material zur Verbindung mit der Masseseite der Baluns (Masseebenen 60, 64 und 68) daran gebildet.
• Der Hochfrequenzanschluß kann irgendeiner der drei Anschlüsse in Abhängigkeit von den Anwendungsanforderungen sein. Jedoch werden, um die Beschreibung der Konstruktion des Mischers 10 zu vereinfachen, der Anschluß für den örtlichen Oszillator und die Schaltungen des örtlichen Oszillators nachfolgend als der Hochfrequenzanschluß und die Hochfrequenzschaltungen bezeichnet.
• Da hohe Frequenzen die Leistung von abgeglichenen Mischern im allgemeinen und von dreifachen, abgeglichenen Mischern insbesondere verschlechtern, ist es äußerst wichtig, das die Induktivitäten und Kapazitäten der Schaltung des örtlichen Hochfrequenz-Oszillators minimiert werden. Der Mischer 10 der vorliegenden Erfindung führt dies wenigstens teilweise durch, indem der Balun 30 des örtlichen Oszillators unmittelbar mit den Diodenringanschlüssen verbunden wird. Diese direkte Verbindung schließt die Notwendigkeit eines Balunverbinders für die Schaltung des örtlichen Oszillators aus, wodurch die Induktivität ausgeschlossen wird, die ein solcher Verbinder darstellen würde.
• Die HF- und ZF-Schaltungen führen keine so hohe Frequenzen, wie es der Anschluß für den örtlichen Oszillator tut. Jedoch verringert das Minimieren der Länge der HF-Balunverbinder 34 und der ZF-Balunverbinder 36 die Leitungsinduktivitäten, die diese Verbinder sonst darstellen würden. Da die Beam-Lead- Schottky-Viereckringe 12 und 14 vom Typ HPHSCH-9301, die vorzugsweise verwendet werden (obgleich andere Viereckringe auch geeignet sein können), 0,356 mm (14 Tausendstel Inch) im Quadrat sind, ohne die Leitungen einzuschließen (gegenwärtig die kleinsten, erhältlichen Dioden-Viereckringe), muß die Länge der Balunverbinder 34 und 36 zu den Abmessungen der Ringe 12 und 14 passen. Infolgedessen ist die Verringerung der Länge der Verbinder 34 und 36 durch die Abmessungsgröße der Ringe 12 und 14 begrenzt. Als ein Ergebnis ist die Länge von jedem der Balunverbinder 34 und 36 ungefähr 0,381 mm (15 Tausendstel Inch) bzw. 0,508 mm (20 Tausendstel Inch), wobei die Abmessungen der miniaturförmigen Ringe 12 und 14 und die Abmessungen der Balunpaare 28 und 32 in Betracht gezogen worden sind, die mehr im einzelnen unten erörtert werden sollen.
• Die Balunpaare 28, 30 und 32 haben vorzugsweise eine allgemein ähnliche Struktur, Bemessungsform und Größe. Die Fig. 9a und 9b, die ein repräsentatives Balunpaar darstellen, zeigen die bevorzugte Form der Balunpaare 28, 30 und 32, obgleich irgendeines (oder alle) der Balunpaare 28, 30 und 32 alternativ die in Fig. 10 dargestellte Form haben kann, wenn es erwünscht ist. Das repräsentative Balunpaar, das in den Fig. 9a und 9b dargestellt ist, ist als Balunpaar 28 zur Vereinfachung der Beschreibung bezeichnet, obgleich die dargestellten Merkmale für die anderen Balunpaare 30 und 32 ebenso gelten. Das Balunpaar 28 hat obere (oder oberseitige) gegabelte Abschnitte 44 und untere (oder unterseitige) gegabelte Abschnitte 45, wobei deren obere und untere Zinke 46 und 47 mittlere Abschnitt 49 aufweisen, die nach außen gebogen sind, um den Abstand zwischen den Zinken 46 und 47 zu maximieren, und dadurch die weite Bandbreite zu gewinnen. Beispielsweise kann der Abstand der mittleren Abschnitte 49 ungefähr 1,067 bis 1,194 mm (42 bis 47 Tausendstel Inch) an ihren Punkten der größten Trennung sein. Der weite Abstand ist durch die Länge der Zinken begrenzt, die durch die Parameter bestimmt wird, die im einzelnen hier unten erörtert werden. Die Enden 48 der Zinken 46 und 47 haben einen engeren Abstand, um die Länge der Balunverbinder 34 zu minimieren, die diese Enden 48 mit den Ringanschlüssen verbinden, um die Induktivität zu minimieren, wie es oben angegeben worden ist. Beispielsweise kann der engere Abstand der Enden 48 ungefähr 0,521 bis 0,584 mm (20,5 bis 23 Tausendstel Inch) sein. Der enge Abstand der Enden 48 ist durch die Abmessungen der Viereckringe 12 und 14 begrenzt. Vorzugsweise sind die gegabelten Abschnitte 44 und 45 allgemein umgebogen, so daß die gegabelten Abschnitte 44 und 45 allgemein in der Form eines Kreises sind, der an einem Ende offen ist. Jedoch können die gegabelten Abschnitte 44 und 45 auch andere geeignete Formen ebenfalls haben. Die gegabelten Abschnitte 50 und 53 und die Zinken 51 und 52 des Balunpaars 30 und die gegabelten Abschnitte 54 und 57 und die Zinken 55 und 56 des Balunpaars 32 sind im wesentlichen strukturmäßig identisch mit dem gegabelten Abschnitten 44 und 45 und den Zinken 46 und 47 des Balunpaars 28, wie es hier oben beschrieben worden ist.
• Wahlweise kann das herkömmliche strukturierte Balunpaar 31, das in Fig. 10 dargestellt ist, verwendet werden. Das Balunpaar 31 hat einen oberen und einen unteren gegabelten Abschnitt 33 und 35 mit hauptsächlich geradem oberen und unteren Zinken 37 und 39, wie es gezeigt ist. Jedoch muß bei dieser herkömmlichen Konstruktion der Abstand zwischen den Zinken 37 und 39 maßgeschneidert sein, um den sich widersprechenden Anforderungen des weiten Abstands, um eine weite Bandbreite zu fördern, und dem engen Abstand zu passen, um die Balunverbinderlänge (und dadurch die Balunverbinderinduktivität) zu minimieren (oder auszuschließen). Ein geeigneter Kompromiß zwischen diesen Anforderungen ergibt einen Abstand von ungefähr 1,016 mm (40 Tausendstel Inch) zwischen den Zinken 37 und 39. Jedoch würde, da die Verwendung von Miniatur-Dioden-Viereckringen erwünscht ist, weil sie niedrige parasitäre Kapazität und Induktivität liefern, der Einbau solcher Baluns, die allgemein geradlinige Zinken haben, die einen weiten Abstand verlangen, die Bandbreite des Mischers begrenzen.
• Der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren gegabelten Abschnitt 44 und 45 des Balunpaares 28 ist in Fig. 11 dargestellt. Zur Einfachheit der Beschreibung werden die gegabelten Abschnitte und die Zinken, die in Fig. 11 dargestellt sind, durch die Bezugszeichen 44, 45, 46 und 47 bezeichnet, obgleich sie repräsentativ für die anderen gegabelten Abschnitte und Zinken der Balunpaare 30 und 32 sind, die im wesentlichen strukturmäßig identisch sind und mittlere Abschnitte 49 und Enden 48 aufweisen, die vorzugsweise identisch ausgestaltet sind. Fig. 11 zeigt gegabelte Abschnitte 44 und 45, die vorzugsweise in einer oberen und unteren Beziehung angeordnet sind, und die vorzugsweise ein Paar paralleler Bandübertragungsleitungen bilden. Die Balunpaare 28, 30 und 32 sind vorzugsweise aus einer Metallisierung geätzt, die auf einem Dielektrikum abgeschieden worden ist, vorzugsweise einer Schicht 18 aus Duroid (faserverstärktes Teflon). Somit wird die Duroidschicht 18 vorzugsweise zwischen den parallelen gegabelten Abschnitten 44 und 45 angeordnet und erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Balunpaars 28. Abschnitte der Duroidschicht 18 zwischen den Zinken können ausgeschnitten werden (wie in Fig. 2 in bezug auf die Balunpaare 28 und 32 gezeigt) um das Positionieren des Diodenrings zwischen den Zinken zur elektrischen Verbindung damit zu erleichtern. Des weiteren ist das flächige Element 16, das auch vorzugsweise aus Duroid gebildet ist, vorzugsweise einheitlich mit der Duroidschicht 18, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Die Ringe 12 und 14 sind vorzugsweise nahe entgegengesetzten Seiten des flächigen Elements 16, so daß die Ringe 12 und 14 nicht mit dem flächigen Element 16 in Berührung sind. Die Ringe 12 und 14 können alternativ unmittelbar auf entgegengesetzten Seiten einer Duroidschicht 18 von einem der Balunpaare 28, 30 oder 32 angeordnet werden.
• Damit die Balunpaare zu ihren entsprechenden Anschlüssen passen, wurde die Weite der Zinken in bezug auf das Dielektrikum, das die parallelen Zinken trennt, verlangt. Es wurde herausgefunden, daß die für die Anschlußanpassung verlangte Impedanz ungefähr 42 Ohm ist (die halbe Impedanz der parallelen, gegabelten Abschnitte). Die äquivalente Schaltung für eine dieser Zinken 46 und eine entsprechende niedrigere der Zinken 47 des repräsentativen Balunpaars 28 (identisch zu den anderen Balunpaaren 30 und 32) ist in Fig. 3 gezeigt. Ein Eingangsknoten 73 und ein Masseknoten 74 für den HF-Anschluß sind als mit Widerständen 70 verbunden dargestellt. Die Widerstände 70 stellen einen äquivalenten Widerstandswert der parallelen Dioden von den Ringen 12 und 14 dar. Ein Teil des Signals ist mit den Gehäusewänden gekoppelt, die durch die Struktur 72 wiedergegeben sind, die mit gestrichelter Linie dargestellt ist. Die gerade Mode pflanzt sich zwischen den Gabeln 46 und 47 und den Gehäusewänden fort, die durch die Struktur 72 wiedergegeben sind, die mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Eine kurzgeschlossene Stichübertragungsleitung, die den Abgleich verschlechtert, ist durch die Zinke 47 gebildet, die mit den Gehäusewänden kurzgeschlossen ist. Eine hohe Impedanz für die gerade Mode (vorzugsweise ungefähr 400 Ohm) ist erwünscht, um diese Kopplung zu minimieren. Die Trennung zwischen den Zinken und den Gehäusewänden steuert diesen Parameter.
• Damit die effektive Diodenimpedanz an die Anschlußimpedanzen (50 Ohm) angepaßt ist, wurde das Verhältnis der Zinkenweite zu der dielektrischen Dicke ausgewählt. Bei den bestimmten, hier oben erwähnten Dioden war eine parallele Bandleitungsimpedanz (Impedanz der gegabelten Abschnitte) von 84 Ohm verlangt, um zu 50 Ohm zu passen. Der Abstand zwischen den gegabelten Abschnitten 44 und 45 wird durch das Duroid 18 festgelegt und ist vorzugsweise ungefähr 0,127 mm (5 Tausendstel Inch). Ein Weite/Höhe-Verhältnis von 2,0 wird bevorzugt, um eine Impedanz von 84 Ohm in einem Duroid mit der Dielektrizitätskonstanten von 2,2 herzustellen (wodurch sich eine wirksame Dielektrizitätskonstante von 1,92 ergab). Somit ist die Weite der Zinken 46, 47, 51, 52, 55 und 56 0,254 mm (10 Tausendstel Inch). Die Dicke des Duroids 18 und deshalb der Abstand zwischen den Zinken 46, 47, 52, 55 und 56 ist relativ dünn, vorzugsweise 0,127 mm (5 Tausendstel Inch), um das Verhältnis der Zinkenweite zu der Länge zu minimieren und parasitäre Größen aufgrund der Verbindungen zwischen den gegabelten Abschnitten 44, 45, 50, 53, 54 und 57 von jedem der Balunpaare 28, 30 und 32 zu minimieren.
• Die Länge der Zinken der gegabelten Abschnitte 44, 45, 50, 53, 54 und 57 ist vorzugsweise gleich einer viertel Wellenlänge eines 26 GHz Signais, um eine vernünftige Leistung von 12 GHz bis 40 GHz zu erbringen, was der erwartete und bevorzugte Arbeitsbereich des Mischers ist. Jedoch kann die Länge der Zinken der gegabelten Abschnitte andere Längen in Abhängigkeit von dem erwünschten Arbeitsfrequenzbereich des Mischers 10 haben.
• Fig. 4 zeigt die Balunverbindungen mit den bestimmten Anschlüssen (oder Anschlußgruppen) der Diodenringe 12 und 14 mehr im einzelnen. Die Balunpaare 28, 30 und 32 werden vorzugsweise orthogonal angeordnet (wie gezeigt), um eine Anschlußtrennung zu verstärken. Der Eingangsknoten 73 des HF- Anschlusses 22 ist mit den Anschlüssen 80 und 82 der Ringe 12 und 14 über ein HF-Balunpaar 28 verbunden, während der Masseknoten 74 des HF-Anschlusses 22 mit den Anschlüssen 84 und 86 der Ringe 12 und 14 über das HF-Balunpaar 28 verbunden ist. Die Schaltungsverbindungen des örtlichen Oszillators sind etwas verschieden. Wie es in Fig. 4 und 6 gezeigt ist, ist der Eingangsknoten 77 des Anschlusses 24 des örtlichen Oszillators mit den Anschlüssen 80 und 84 des Diodenrings 12 über das Balunpaar 30 des örtlichen Oszillators verbunden, während der Masseknoten 78 des Anschlusses 24 des örtlichen Oszillators mit den Anschlüssen 82 und 86 des Diodenrings 14 über das Balunpaar 30 des örtlichen Oszillators verbunden ist. Die ZF- Schaltungsverbindungen sind in mancher Beziehung ähnlich den HF-Schaltungsverbindungen. Der Eingangsknoten 75 des ZF-Anschlusses 26 ist mit den Diodenringanschlüssen 92 und 94 verbunden, die durch einen geeigneten Zwischenverbinder 69 (oder einfach unmittelbar miteinander verbunden sind, wenn es erwünscht ist) verbunden sind. Der Zwischenverbinder 96 für die Anschlüsse 92 und 94 geht vorzugsweise durch einen Ausschnitt oder ein Fenster 59 in der Duroidschicht 18 hindurch, um die Verbindung der Anschlüsse 92 und 94 zu erleichtern. Alternativ können die Anschlüsse 92 und 94 über eine Verbindungsfläche (nicht gezeigt) verbunden werden, mit der der Zwischenverbinder 96 elektrisch verbunden ist. Die Verbindungsfläche kann eine Metallisierung sein, die sich durch die Duroidschicht 18 hindurch erstreckt. Der Masseknoten 76 des ZF-Anschlusses 26 ist mit den Diodenringanschlüssen 88 und 90 verbunden, die auch durch einen Zwischenverbinder 96 (oder einfach unmittelbar miteinander verbunden sind, wenn es erwünscht ist) verbunden sind. Die gegabelten Abschnitte von jedem des ZF-Balunpaars 32 sind miteinander vorzugsweise an ihrer Verbindung mit den Ringanschlüssen verbunden.
• Die an dem Anschluß für den örtlichen Oszillator 24 gesehene, äquivalente Schaltung ist in Fig. 6 gezeigt. Die Anschlüsse 88, 90, 92 und 94 erscheinen als virtuelle Massen für das Balunpaar des örtlichen Oszillators, das somit eine abgeglichene Last von zwei Dioden parallel auf jeder Seite sieht. Das HF- Balunpaar erscheint als kurzgeschlossene Stichleitung über die Anschlüsse 80 und 82 und über 84 und 86. Die äquivalente Schaltung, die an dem HF-Anschluß 22 gesehen wird, ist virtuell mit der der Fig. 6 mit der Ausnahme identisch, daß das Balunpaar 30 des örtlichen Oszillators als kurzgeschlossene Stichleitungen über die Knoten 80 und 84 und 82 und 86 erscheint. Die äquivalente Schaltung, die an dem ZF-Anschluß 26 gesehen wird, ist unterschiedlich und in Fig. 5 gezeigt. Die vier kurzgeschlossenen Stichleitungen, die durch das Balunpaar des örtlichen Oszillators und das HF-Balunpaar gebildet sind, sind zwischen den vier Anschlüssen mit virtueller Masse verbunden; infolgedessen haben das Balunpaar des örtlichen Oszillators und das RF-Balunpaar keine Wirkung auf die Anpassung oder den Abgleich des ZF-Anschlusses.
• Der Mischer 10 der vorliegenden Erfindung kann entweder für eine Aufwärtswandlung oder Abwärtswandlung verwendet werden, wobei er bei jeder Anwendung eine ausgezeichnete Leistung liefert. Die Fig. 7 und 8 zeigen die Leistungseigenschaften des Mischers 10, wenn er als ein Aufwärtswandler verwendet wird. Fig. 7 zeigt, daß der Umwandlungsverlust (in dB) gut ist, wenn der Signaleingang innerhalb des Bereiches von 2 bis 17,5 GHz und der Signaleingang des örtlichen Oszillators innerhalb des Bereiches von 23 bis 40 GHz bei einem festen Ausgang von 22 GHz ist. Fig. 8 zeigt, daß die 2,0 Störungsunterdrückungsleistung auch gut bei einem 11 GHz Störsignal von -10 dBm ist, bei hohen Eingangsfrequenzen des örtlichen Oszillators innerhalb des Bereiches von 23 bis 40 GHz.
• Der Einbau eines Wellenleiteranschusses (nicht gezeigt) kann die hervorragende Leistung des Mischers 10 bis ungefähr 50 GHz fortsetzen. Die Verwendung eines Wellenleiteranschlusses hat gezeigt, daß sie die Leistung des Mischers 10 bis ungefähr 46 GHz und darüber mit einem Umwandlungsverlust von nur 6 dB fortsetzt.
• Somit ist gemäß der Erfindung ein Funkempfänger- und Sendermischer geschaffen worden, der vollständig die oben angegeben Zielsetzungen erfüllt. Man versteht, daß alle Ausdrücke, die hier verwendet worden sind, beschreibend statt begrenzend sind.

Claims (16)

1. Dreifacher abgeglichener Mischer mit einem Paar von Dioden- Viereckringen (12, 14);

einem Gehäuse (20) mit Wänden (40, 42), die mindestens teilweise einen Hohlraum (38) begrenzen, wobei das Paar von Dioden-Viereckringen (12, 14) innerhalb des Hohlraums (38) angeordnet ist;

einem Hochfrequenz-HF-Anschluß (22), der an dem Gehäuse (20) angebracht ist;

einem Zwischenfrequenz-ZF-Anschluß (26), der an dem Gehäuse (20) angebracht ist;

einem an dem Gehäuse (20) angebrachten LO-Anschluß (24) für einen örtlichen Oszillator;

einem HF-Balunpaar (28) zur elektrischen Verbindung zwischen dem HF-Anschluß (22) und dem Paar von Ringen (12, 14), wobei das HF-Balunpaar (28) gegabelte Teile (44, 45) hat, die so gebogen sind, daß die Enden (48) von Zinken (46, 47) der gegabelten Teile (44, 45) näher zusammen sind als annähernd mittlere Teile (49) der Zinken (46, 47);

einem ZF-Balunpaar (32) zur elektrischen Verbindung zwischen dem ZF-Anschluß (26) und dem Paar von Ringen (12, 14);

einem LO-Balunpaar (30) zur elektrischen Verbindung zwischen dem LO-Anschluß (24) und dem Paar von Ringen (12, 14), wobei das LO-Balunpaar (30) gegabelte Teile (50, 53) hat, die so gebogen sind, daß die Enden (48) von Zinken (51, 52) der gegabelten Teile (50, 53) näher zusammen sind als annähernd mittlere Teile (49) der Zinken (51, 52);

dadurch gekennzeichnet, daß

a) das ZF-Balunpaar (32) gegabelte Teile (54, 57) hat, die so gebogen sind, daß Enden (48) der Zinken (55, 56) der gegabelten Teile näher zusammen sind als annähernd mittlere Teile (49) der Zinken (55, 56);

b) die HF-, ZF- und LO-Balunpaare (28, 30, 32) im wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind, um die Anschlußsignalisolation des Mischers zu verbessern, und

c) wobei die Enden (48) des LO-Balunpaares (51, 52) unmittelbar mit ausgewählten Anschlüssen (80, 82, 84, 86) der Paare von Ringen (12, 14) verbunden sind.

2. Mischer nach Anspruch 1, der außerdem umfaßt:

einen HF-Balunverbinder (34), der das HF-Balunpaar (28) und ausgewählte Anschlüsse (80, 82, 84, 86) des Paares von Ringen (12, 14) verbindet, und

einen ZF-Balunverbinder (36), der das ZF-Balunpaar (32) und ausgewählte Anschlüsse (88, 90, 92, 94) des Paares von Ringen (12, 14) verbindet.

3. Mischer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die gegabelten Teile (44, 45, 50, 53, 54, 57) der HF-, ZF- und LO-Balunpaare (28, 30, 32) herumgebogen sind, so daß die gegabelten Teile (33, 35, 44, 45, 50, 53) im wesentlichen die Form eines Kreisbogen haben.

4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das HF- Balunpaar (28) eine HF-Leitung (58) und obere gegabelte HF- Teile (44) und eine HF-Masseebene (60) sowie untere gegabelte HF-Teile (45) umfaßt, die von einer Schicht (18) getrennt sind.

5. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das ZF- Balunpaar (32) eine ZF-Leitung (66) und obere gegabelte ZF- Teile (54) sowie eine ZF-Masseebene (68) und untere gegabelte ZF-Teile (57) umfaßt, die von einer Schicht (18) getrennt sind.

6. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das LO- Balunpaar (30) eine LO-Leitung (62) und obere gegabelte LO- Teile (50) sowie eine LO-Masseebene (64) und untere gegabelte LO-Teile (53) umfaßt, die von einer Schicht (18) getrennt sind.

7. Mischer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Schicht (18) aus einem dielektrischen Material gebildet ist.

8. Mischer nach Anspruch 7, wobei die Schicht aus einem Duroidmaterial gebildet ist und wobei die gegabelten Teile (44, 45, 50, 53, 54, 57) etwa 0,254 mm breit und die Duroidschicht (18) etwa 0,127 mm dick sind, um eine gewünschte Impedanz von etwa 84 Ohm dem Balunpaar (30, 32) zu geben.

9. Mischer nach Anspruch 8, wobei das Paar von Ringen (12, 14) an gegenüberliegenden Seiten der Duroidschicht (18) angeordnet sind, die die LO-Leitung (62) und die oberen gegabelten LO- Teile (50) von der LO-Ebene (64) und den unteren gegabelten LO- Teilen (53) trennt.

10. Mischer nach Anspruch 9, wobei die Duroidschicht (18), die die LO-Leitung (62) und die oberen LO-Teile (50) von der LO- Ebene (64) und den unteren LO-Teilen (53) trennt, von im wesentlichen gleicher Dicke ist, so daß jeder des Paares von Ringen (12, 14) in einer Ebene liegt, die im wesentlichen parallel zu der des anderen des Paares von Ringen (12, 14) ist.

11. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die gegabelten Teile (44, 45, 50, 53, 54, 57) der Balunpaare (28, 30, 32) etwa 1,143 mm voneinander beabstandet sind, um die Impedanz maximal und die Induktivität der Balunpaare (28, 30, 32) minimal zu machen.

12. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Zinken (46, 47, 51, 52, 55, 56) der gegabelten Teile (44, 45, 50, 53, 54, 57) der Balunpaare (28, 30, 32) eine Länge haben, die etwa gleich einer Viertelwellenlänge eines 26 Ghz-Signals ist, um die Leistungsfähigkeit des Mischers in einem gewünschten Arbeits-LO-Frequenzsignalbereich zwischen 12 Ghz bis 40 Ghz maximal zu machen.

13. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Wände (40, 42) des Gehäuses (20) wahlweise so dimensioniert sind, daß die HF-, ZF- und LO-Balunpaare (28, 30, 32) jeweils etwa 2,54 mm von einer im wesentlichen parallelen einen der Wände (40, 42) entfernt sind, um die elektromagnetische Kopplung zwischen den Balunpaaren (28, 30, 32) und den Wänden (40, 42) minimal zu machen.

14. Mischer nach Anspruch 13, wobei die Wände (40, 42) ein elektromagtisches energieabsorbierendes Material auf ihren Innenflächen haben, um die Reflektion der von dem Paar von Ringen (12, 14) und den Balunpaaren (28, 30, 32) abgestrahlten Signale minimal zu machen.

15. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Paar von Ringen (12, 14) von den HF-, ZF- und LO-Balunpaaren (28, 30, 32) aufgehängt ist.

16. Mischer nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Abmessungen der Wände (40, 42) etwa 5,08 mm im Quadrat sind, um Abstände von etwa 2,54 mm zwischen den Balunpaaren (28, 30, 32) und den Wänden (40, 42) vorzusehen, so daß die Hohlraumwände (40, 42) und die Balunpaare (28, 30, 32) eine Impedanz in der geraden Mode von etwa 400 Ohm haben, um Signalverluste der Balunpaare (28, 30, 32) minimal zu machen.