DE2633421B2 - Mikrowellen-Eingangsschaltung mit einem parametrischen Abwärtsmischer

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Description

Claims

DE2633421B2

Publication number: DE2633421B2
Application number: DE2633421A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Prof. Dr.-Ing. 3012 Langenhagen Loecherer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1976-07-24
Filing date: 1976-07-24
Publication date: 1978-06-29
Also published as: JPS5315011A; JPS5938774B2; CA1114023A; FR2359542A1; US4158817A; GB1590415A; SE7708467L; DE2633421C3; FR2359542B1; DE2633421A1; SE420369B

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Eingangsschaltung mit einem parametrischen Abwärtsmischer in Frequenzengleichlage zum direkten Anschluß an eine Mikrowellenantenne. Dabei ist der Mischer bei der Eingangssignalfrequenz reell abgeschlossen, und die Eingangssignalfrequenz ist nicht sehr verschieden von der Zwischenfrequenz.

Parametrische Verstärker sind an sieh bekannt, beispielsweise durch [1] das Buch Varactor Applications von P. Penf ield, R. P. Rafuse, The M. I.T. Press 1962. Ferner ist es bekannt, bei Mikrowellen der Empfangsantenne einen Abwärtsmischer nachzuschalten. Desgleichen ist er, bekannt, hierfür einen parametrischen Gleichlage-Abwärtsmischer mit reellem Spiegelfrequenzabschluß zu verwenden. [2] DTPS 22 30 536; dieser ist allerdings nur dann rauscharm, wenn die Eingangssignalfrequenz f_s\ sehr viel größer als die Zwischenfrequenz f_z ist (vgl. [2], Sp. 3, Gl. [S]).

Ziel der Erfindung ist es, eine Eingangsschaltung für Mikrowellen aufzuzeigen, welche verstärkt und auch dann rauscharm ist, wenn

f_s\/f₂ nicht sehr groß gegen Eins ist In diesem Fall liegen die Signalfrequenz f_s\ und die Spiegelfrequenz

hp ⁼ /p> — Iz- /si — 2/z

weit auseinander
und wenn

die Rauschtemperatur T_sp des Spiegelfrequenzabschlusses kleiner als die Rauschtemperatur Tb der Reaktanzdiode ist. In diesem Fall ist die Mischer-Rauschtemperatur T_m zwar von der Größenordnung wie Td, doch reicht dies beispielsweise bei terrestrischen Radiometeranwendungen aus.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 2 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 15 angegeben.

Die F i g. 1 zeigt die Frequenzen des gesamten Abwärtsmischers M, der aus der Kettenschaltung eines Abwärtsmischers M\ und eines Aufwärtsmischers Mi besteht, mit dem zugehörigen Frequenzschema.

Die Fig.2 stellt das Blockschaltbild an einer, aber ungünstigen Lösung der gestellten Aufgabe dar.

In der Fig.3 ist das Prinzipschaltbiid des gesamten Abwärtsmischers Mdargestellt in seiner Ausführung als Serientyp.

In der Fig.4 ist das Prinzipschaltbild des gesamten Abwärtsmischers Mdargestellt in seiner Ausbildung als Paralleltyp.

Die F i g. 5 zeigt den gesamten Abwärtsmischer Mbei Ausbildung als Serientyp in Verbindung mit einem nachgeschalteten Verstärker V, der ebenfalls als Serientyp verwirklicht ist.

F i g. 6 zeigt den gesamten Abwärtsmischer M bei Ausbildung als Paralleltyp mit einem nachgeschalteten ZF-Verstärker V; der ebenfalls als Paralleityp verwirklicht ist.

Der gesamte Abwärtsmsicher M besteht aus aus der Kettenschaltung eines Abwärtsmischers M\ von f_s\ auf f,\ mit reellem Spiegelfrequcnzabschluß und eines (gemäß [IJ Abschn. 5.2, S. 99 ff. bekannten) konventionellen Aufwärtsmischers M₂ von /Ji = fa auf £2 = /*. Die erste Stufe ist bei der Spiegelfrequenz f_sp = f_p\ — (λ mit einem reellen Widerstand /?_lp (Rauschtemperatur T_Sp) abgeschlossen; sie liefert wegen £i»/ii eine kleine Rauschzahl (vgl. [2]); außerdem liefert sie einen verfügbaren Konversionsgewinn (vgl. [3], AEÜ 26 [1972], H. 11, S. 475-480, Gl. [20]). Die zweite Stufe liefert für sich allein bei optimaler Dimensionierung ebenfalls einen verfügbaren Konversionsgewinn und eine kleine Rauschtemperatur (vgl. [1], Abschn. 5.2.2., S. 104 ff.); ob das aber auch noch in der Kettenschaltung gilt, hängt von der Größe des »Generatorwiderstandes« Ra\ (= Ausgangswiderstand der 1. Stufe) ab. Eine hier nicht wiedergegebene theoretische Untersuchung hat gezeigt, daß dies der Fall ist; der verfügbare Konversionsgewinn ist allerdings um etwa den Faktor 2 geringer als der Optimalwert fjfa (gemäß den Manley-Rowe-GIeichungen); die Rauschtemperatur T₂ ist nur wenig größer als die Diodentemperatur To; dieser Beitrag spielt aber nach der Friisschen Formel nur eine unwesentliche Rolle, da die erste Stufe Gewinn macht.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 hat gegenüber dem.

ebenfalls möglichen Konzept nach F i g. 2 folgende Vorteile:

1. Der Mischer zeigt zwar kleines Rauschen, hat aber einen Konversionsverlust (vgl. [1], Abschn. 5.4, S. 144 ff.). Dieser muß in dem nachfolgenden Geradeaus-Verstärker wieder ausgeglichen werden, was evtl. einen mehrstufigen Verstärker erfordert.

2. Der Geradeaus-Verstärker muß extrem rauscharm sein, da sein Rauschbeitrag wegen des Konversionsverlustes des Mischers wesentlich ist. Daher muß eine sehr hohe Pumpfrequenz f_P^f>h (i· a. auch fpg»fs\) verwendet werden. Im Gegensatz dazu ist in der Anordnung nach F i g. 1 die höchste vorkommende Frequenz die Eingangssignalfrequenz /Ji. die Pumpfrequenz f_P2 liegt sogar wesentlich unter /_Jt. — U. U. kann man mit einer Pumpfrequenz, nämlich f_P2, auskommen und erzeugt f_p\ durch eine Frequenzvervielfachung niedriger Ordnung (ζ. Β. η = 3).

Die Schaltung arbeitet unter der Bedingung

/si . Kg + RvI

f Rj-P

J s[i **sp T JYvI

für Mischer vom Serientyp (1)

J Sp _t *Jg "Γ Ο/)]

für Mischer vom Paralleltyp (2)

Dies folgt aus einer hier nicht wiedergegebenen theoretischen Überlegung Für den verfügbaren Konversionsgewinn der Gesamtschaltung in F i g. 1 gilt dann (in Näherung)

/rl

(Mischer M₁: L_ri = ^₁; Mischer M₂: L, 2 ·= ^r"

und für die minimale Rauschtemperatur

(4) (5)

(i/i = dynamische Güte der Reaktanzdiode im Mischer M₁; R_x = Bahnwiderstand dieser Diode).

Zahlenbcispiel: /_s, = 28 GHz; /„ = 12 GHz; /_rl = 2 GHz; f_sp = 24 GHz; q_x = 7.

Dann gilt

L₁-. Knie = 21; Λ₉. _op, = 7 · R_s;

504⁰K für T_sp = T_n= 290⁰K

224° K für T_sp = 50¹⁵K; T„ = 290⁰K.

Wenn die Abwärtsmischung von f_sl =28GHz auf f,= 12GHz mit dem Mischer M\ allein bewältigt wird ergeben sich folgende Daten im Rauschminimum:

r,„ = 7„ = 290" K Τ,, = 1 7„ = 48,3" K

R₉. „„, 20-R, 12,3 ■ R_s

^-) 7,84 = 2270" K 1,7 a 493° K

L₁-X 2,27 3,47

Damit ist offenbar, daß diese Lösung unbrauchbar ist. scher M₁ mit reellem Spiegelabschluß (nach [2], [3]) um

In F i g. 3 (4) ist das Schaltungsprinzip des gesamten einen bekannten konventionellen Aufwärtsmische

Abwärtsmischers M vom Seriantyp (Paralleltyp) darge- ohne Spiegel M2 (z. B. nach [1]). Es bedeuten:

stellt. Es enthält jeweils einen bekannten Abwärtsmi-

PuPi die Pumpkrcisficquenzen = 2 n f_pl, 2 n f_p:

Z₁, Z₂ die Zwischenfrequenzen = 2 π f_zl, 2 π f.₂ — 2τι f_z

p, + z, = s, die Eingangssignal-Krcisfrcqucnz = 2ti/,,

P] — Z₁ die Spiegel frequenz = 2 ti f_sp

Bei Nachschalten eines geeigneten, an sich bekannten Diese Eingangsschaltung hat dann nach der Fräs

ZF-Verstärkers kann in Weiterbildung der Erfindung 55 sehen Formel die Rauschtemperatur ein rauscharmer ZF-Verstärker gebildet werden, Durch (T-)

Rauschanpassung des nachgcschalteten ZF-Verstärkers T₁,,.., = T_Kc„_e + , (6)

wird dessen Rauschtemperatur auf ihren Minimalwert '· ^A>"^r

^.„„„gebrachtHierzumußdieBedingung ^ _{rf h wcgcn} ^ ^ ^ _{] {mch{3))}

Ra — Rs.min iß

bzw. T₉,,, as T_Kem.. (7)

Ca = Cumn/i/² _Um gleichzeitig Rauschanpassung des ZF-Verstär

erfüllt sein (R_s,,„i„ bzw. C^mm ist der Eingangswiderstand kers und Leistungsanpassung des Abwärtsmischers zi bzw. -Leitwerk des ZF-Verstärkers für minimales 65 erhalten, können folgende Zusammenschaltungen ge

Rauschen; ü ist das Übersetzungsverhältnis des wählt werden:

Übertragers zwischen Abwärtsmischer und ZF-Verstär- Wenn man für den Abwärtsmischer einen parametri

ker,s.die Fig.3und6). sehen Mischer vom Serientyp entsprechend Fig.:

wählt, so muß der nachgeschaltete ZF-Verstärker die Bedingung

R₁

Rs. m

.A.

18)

erfüllen. Hierin ist

R₁.=

einhalten, wobei

hl

/.1

e = Gr ■ ü²

(9)

Kl

der Eingangswiderstand des ZF-Verstärkers.

Ein derartiger ZF-Verstärker kann beispielsweise dadurch verwirklicht werden, daß als aktives Element eine Röhre verwendung findet, die in Gitter-Basis-Schaltung betrieben wird.

Bei Verwenudng eines Transistors muß dieser in Basisschaltung betrieben werden. Ferner ist es möglich, für den ZF-Verstärker einen Feldeffekttransistor in Gate-Schaltung zu benutzen.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung erhält man dadurch, daß man für den nachgeschalteten ZF-Verstärker einen parametrischen Mischerkettenverstärker verwendet, der vom Serientyp ist (F i g. 5). Dieser Verstärker besteht aus der Kettenschaltung eines parametrischen Auf- und Abwärtsmischers, dessen Dioden verschiedenartig durchgepumpt werden. Vorzugsweise dient hierfür ein gemeinsamer Pumposzillator. Derartige Mischerkettenverstärker sind bekannt durch die DT-PS 19 52 135.

Wird dagegen ein Paralleltyp als Abwärtsmischer (Fig.4) verwendet, so muß der ZF-Verstärker die Bedingung

20

30

35

40

der Eingangsleitwert des ZF-Verstärkers ist.

Dieser ZF-Verstärker läßt sich beispielsweise dadurch verwirklichen, daß man eine Röhre in Kathoden-Basis-Schaltung benutzt. Wird als aktives Element ein Transistor verwendet, so ist dieser in Emitter-Schaltung bzw. Source-Schaltung zu betreiben.

Besonders vorteilhaft ist wieder die Verwendung eines an sich bekannten parametrischen Mischerkettenverstärkers als ZF-Verstärker, da ein derartiger >o Verstärker nicht reziprok ist und eine sehr gute Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang ermöglicht, durch geeignete Neutralisation seines Rückwirkungsleitwerts, wie dies beispielsweise durch die DT-PS Il 12 140 beschrieben wird. Da der Abwärlsmischer v> vom Paralleltyp ist, wird zur Erzielung der gewünschten Leistungsanpassung des gesamten Mischers ein nachgeschalteter Mischerkettenverstärker vom Paralleltyp gewählt (F ig. 6).

Anhand eines in Fig.6 dargestellten schematischen wi Ausführungsbeispiels soll die Erfindung kurz erläutert werden.

Als Abwärtsmischer M ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Mischer vom Paralleltyp

verwendet. Seine Mischdioden sind mit Di, D> bezeichnet. y,ji + ,i bedeutet den komplexen Leitwert des Eingangskreises, wobei pi±zi die Eingangssignalfrequenz bzw. die Spiegelfrequenz ist.

Der komplexe Leitwert des Zwischenfrequenzkreises bei der Zwischenfrequenz zi ist mit Y<\ bezeichnet. Die Spiegelkreisfrequenz ist p\ — z\, der komplexe Leitwert des Spiegelkreises ist Yp\—z\. Unter der (erfüllten) Voraussetzung, daß die Pumpkreisfrequenz f_p\ wesentlich größer als die Zwischenkreisfrequenz f,\ ist, liegen die beiden Frequenzen

Ux

+ zi

l-Zl = hp

relativ dicht beieinander. Dann kann der Antennenwiderstand R_p\ + Zi, welcher sich auf der Antennentemperatur Ta befindet, gleichzeitig für die Bedämpfung des Spiegelfrequenzkreises benutzt werden, d. h. Τ_ψ = Ta- Mit f_s\« fsp ist auch /?_Ä« R_ip bzw. G_g= G_ip und damit (1) bzw. (2) automatisch erfüllt. Mit T_sp= Ta folgt aus (4)

T -

7- J * ρ

⁴ τ i/

Danach ist Τκακ etwas größer als Td für Ta jedoch i. a. 7χ<._/Μ< 7bfür T_a«Td.

Die Mikrowellenantenne, an welcher der gesamte Abwärtsmischer M — M\ + Mi angeschlossen ist, wurde in der Fig.6 durch die mit 5 bezeichnete Signalquelle dargestellt. Dem als Paralleltyp ausgebildeten Abwärtsmischer M ist in der Figur ein Mischerkettenverstärker V nachgeschaltet, der vom Paralleltyp ist. Seine beiden Reaktanzdioden sind mit Q und Q bezeichnet. Eingangs- und ausgangsseitig hat dieser ZF-Verstärker einen auf die Zwischenfrequenz abgestimmten Parallelschwingkreis mit dem komplexen Leitwert V*. Die beiden Reaktanzdioden Cj und G sind über einen gemeinsamen Hilfskreis miteinander verkoppelt, welcher durch Y_Pi±, dargestellt ist. Die Ankopplung des ZF-Verstärkers V an den Abwärtsmischer M erfolgt durch einen Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis ü². Der Ausgangsleitwert des Abwärtsmischers ist mit Ga, der Eingangsleitwert des ZF-Verstärkers Vist mit (j/rbezeichnet.

Unter den angegebenen Voraussetzungen können mit einer derartigen Eingangsschaltung bei Leistungsanpassung am Ein- und Ausgang und gleichzeitig großer Leistungsverstärkung Rauschtemperaturen erzielt werden, die gemäß (4) und (7) bei genügend großer Diodengüte ^i unterhalb Raumtemperatur liegen, ohne daß die Schaltung gekühlt wird.

Für die Eingangsschaltung verwendet man vorzugsweise einen gemeinsamen Pumposzillator /',dersowohl Abwiirtsmischer als auch parametrischen ZF-Versliirker pumpt.

Besonders vorteilhaft ist bei der Schallung, daß die Pumpfrequenzen /),:, f_/t2 unterhalb der Signalfrequcnzen

/ti = fp\ + f/\

liegen. Ferner ist die Schaltung leicht in integrierter Bauweise ausführbar.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

zugehörigen

J sp

Generalorwiderstand

Rg- ii/>i = Qx ' '

Patentansprüche:

1. Mikrowellen-Eingangsschaltung mit einem parametrischen Abwärtsmischer in Frequenzengleichlage zum direkten Anschluß an eine Mikrowellenantenne, wobei der Mischer bei der Eingangssignalfrequenz reell abgeschlossen ist, und bei dem die Eingangssignalfrequenz nicht sehr verschieden von der Zwischenfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Abwärtsmischers vom Serientyp der Signaleingang mit dem reellen Antennenwiderstand (R_g) abgeschlossen ist, daß der Abwärtsmischer aus der Kettenschaltung eines Serientyp-Abwärtsmischers (M\) mit einem Serientyp-Aufwärtsmischer (Mi) besteht, wobei der Abwärtsmischer bei der Spiegelfrequenz mit einem reellen Widerstand (R_sp) abgeschlossen ist und folgende Bedingung gilt:

fsp Rsp + <Y\I

wobei

RsI =

Bahnwiderstand der Reaktanzdiode im ersten Mischer Mi,
Eingangssignalfrequenz,
Spiegelfrequenz

/s.

+ G

G.v„ + Gn

_1n _ä

wobei

bedeutet.

2. Mikrowellen-Eingangsschaltung mit einem parametrischen Abwärtsmischer in Frequenzengleichlage zum direkten Anschluß an eine Mikrowellenantenne, wobei der Mischer bei der Eingangssignalfrequenz reell abgeschlossen ist, und bei dem die Eingangssignalfrequenz nicht sehr verschieden von der Zwischenfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Abwärtsmischers vom Paralleltyp der Signaleingang mit dem reellen Antennenleitwert (G_g) abgeschlossen ist, daß der Abwärtsmischer aus der Kettenschaltung eines Paralleltyp-Abwärtsmischers (M\) mit einem Paralleltyp-Aufwärtsmischer (M₂) besteht, wobei der Abwärtsmischer bei der Spiegelfrequenz mit einem reellen Leitwert (G_sp) abgeschlossen ist und folgende Bedingung gilt:

Gm = Verlustleitwert der Reaktanzdiode im ersten Mischer Mi,

/it = Eingangssignalfrequenz,
f_sp = Spiegelfrequenz

bedeutet.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpfrequenz (f_p\) des ersten Mischers (M\) durch Frequenzvervielfachung niedriger Ordnung aus der Pumpfrequenz (f_p2) des zweiten Mischers (M₂) gewonnen wird.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mischer (M)ein an sich bekannter,

rauschangepaßter ZF-Verstärker vom Serientyp nachgeschaltet ist, für den folgende Bedingung gilt:

/vl

wobei
Re

s,mm —

der Eingangswiderstand des ZF-Verstärkers,

der Widerstand der Signalquelle des ZF-Verstärkers für minimales Rauschen, die dynamische Güte der Reaktanzdiode im ersten Mischer CM₁), wenn für ihren Bahnwiderstand R_s\ = Ra angenommen ist,

bedeutet.

5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mischer (M)e\n an sich bekannter, rauschangepaßter ZF-Verstärker vom Paralleltyp nachgeschaltet ist, für den folgende Bedingung gilt:

fl

wobei

Gs. min Λΐ

= der Eingangswert des ZF-Verstärkers, = der Leitwert der Signalquelle des ZF-Verstärkers für minimales Rauschen ist,

bedeutet.

6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker eine Röhre in Gitter-Basisschaltung verwendet wird.

7. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker ein Transistor in Basisschaltung verwendet wird.

8. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker ein Feldeffekttransistor in Gate-Schaltung dient.

9. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker ein an sich bekannter parametrischer Mischerkettenverstärker vom Serientyp dient.

10. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker eine Röhre in Kathoden-Basisschaltung dient.

11. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transistor in Emitter-Schaltung als ZF-Verstärker dient.

12. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feldeffekttransistor in Source-Schaltung als ZF-Verstärker dient.

13. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als ZF-Verstärker ein an sich bekannter parametrischer Mischerkettenverstärker vom Paralleltyp dient.

14. Schaltung nach Anspruch 9 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß für den Abwärtsmischer und für den Mischerkettenverstärker ein gemeinsamer Pumposzillator Verwendung findet.

15. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpfrequenzen so gewählt werden, daß insgesamt ein Geradeaus-Verstärker entsteht.