DE2633421A1

DE2633421A1 - Mikrowellen-eingangsschaltung mit einem parametrischen abwaertsmischer

Info

Publication number: DE2633421A1
Application number: DE19762633421
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Prof Dr I Loecherer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1976-07-24
Filing date: 1976-07-24
Publication date: 1978-01-26
Also published as: SE7708467L; JPS5315011A; DE2633421B2; DE2633421C3; JPS5938774B2; FR2359542B1; GB1590415A; SE420369B; FR2359542A1; CA1114023A; US4158817A

Description

263342

Licentia Patent-Verwaltung»-GmbH PT-BK/Sch/jo

BK 76/67

Mikrowellen-Eingangsschaltung mit einem parametrischen

Abwärt smi s ch er

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 sich bekannt, beispielsweise durch [l] das Buch Varactor Applications von P. Penfield, R.P. Bafuse, The M.I.T. Press 1962. Ferner ist es bekannt, bei Mikrowellen der Empfangsantenne einen Abwärtsmischer nachzuschalten. Desgleichen ist es bekannt, hierfür einen

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parametrischen Gleichlage-Abwärtsmischer mit reellem Spiegelfrequenzabschlußzu verwenden. [2] DT-PS 2 23O 536} dieser ist allerdings nur dann rauscharm, wenn die Eingangssignalfrequenz f sehr viel größer als die Zwischenfrequenz f ist (vgl. [2] ,Sp. 3, Gl. (5)).

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

f /f nicht sehr groß gegen Eins ist. In diesem Fall

SlZ"

liegen die Signalfrequenz f und die Spiegelfrequenz

SX ^:

f =': f _Λ - f = f . - 2 f weit auseinander sp pl ζ si ζ

und wenn

die Rauschtemperatur T des Spiegelfrequenzabschlusses kleiner als die Rauschtemperatur T_ der Reaktanzdiode ist. In diesem Fall ist die Mischer-Rauschtemperatur T zwar von der Größenordnung wie T_ß, 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 Unteran-Sprüchen 3 bis 15 angegeben.

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Die Fig. 1 zeigt die Frequenzen des gesamten Abwärtsmischers M, der aus der Kettenschaltung eines Abwärtsmischers M und eines Aufwärtsmischers M 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 Prinzipschaltbild des gesamten Abwärt smischers M dargestellt in seiner Ausführung als Serientyp r

In der Fig. k ist das Prinzipschaltbild des gesamten Abwärtsmischers M dargestellt in seiner Ausbildung als Paralleltyp.

Die Fig. 5 zeigt den gesamten Abwärtsmischer M bei Ausbildung als Serientyp in Verbindung mit einem nachgeschalteten Verstärker V₁ der ebenfalls als Serientyp verwirklicht ist.

Fig. 6 zeigt den gesamten Abwärtsmischer M bei Ausbildung aiii Paralleltyp mit einem nachgeschalteten ZF-Verstärker V, der ebenfalls als Paralleltyp verwirklicht ist.

Der gesamte Abwärtsmischer M besteht aus der Kettenschal-

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tung eines Abwärt smi sch er s M_-1 von f auf f mit reellem

T Sl Zl

Spiegelfrequenzabschluß und eines (gemäß [lj , Abschn. 5,2,

S. 99 ff· bekannten) konventionellen Aufwärtsmischers M

von f ; = f"" auf f' β f . - Die erste Stufe ist bei der zl s2 z2 ζ

Spiegelfrequenz f = f „ - f „ mit einem reellen Wider- ^ sp pl zl

stand R (Rauschtemperatur T ) abgeschlossen; sie liesp - . sρ

fert wegen f » f eine kleine Rauschzahl (vgl. [2] );

außerdem liefert sie einen verfügbaren Konversionsgewinn (vgl. j-j] _r AEU 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. [l] , Abschn. 5.2.2., S. 104 ff.)1 ob das aber auch noch in der Kettenschaltung gilt, hängt von der Größe des "Generatorwiderstandes" R» C= 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 f /f (gemäß den Manley-Rowe-Gleichungen)f die Rauschtemperatur T₀ ist nur wenig großer als dieDiodentemperatur T'%■ dieser Beitrag spielt aber nach der Friis'sehen Formel nur eine unwesentliche Rolle, da die erste Stufe Gewinn macht. '

Die Anordnung: gemäß Fig. 1 hat gegenüber dem ebenfalls möglichen Konzept nach Fig;. 2 folgende Vorteile:

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- jgr-zto

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1. Der Mischer zeigt zwar kleines Rauschen, hat aber einen Konversionsverlust (vgl. [l], Abschn. 5-4, S. ik'k 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 » f (i.a. auch f » f ) verwendet

P.S ζ p,g si

werden. Im Gegensatz dazu ist in der Anordnung nach Fig. 1 die höchste vorkommende Frequenz die Eingangssignalfrequenz f , die Pumpfrequenz f liegt sogar wesentlich unter f . - U.U. kann man mit einer Pump-

s χ

frequenz, nämlich f „, auskommen und erzeugt f durch eine Frequenzvervielfachung niedriger Ordnung (z.B. η β 3).

Die Schaltung arbeitet unter der Bedingung

f . R + R

—— ' ·=& = für Mischer vom Serientyp (l)

1 Λ + ti

sp sp si

G + G_D

_f ' T^* g für Mischer vom Paralleltyp (2)

si ,sp ⁺ Dl

Dies folgt aus einer hier nicht wiedergegebenen theoretischen BK 76/67 - 6 -

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Überlegung. Für den verfügbaren Konversionsgewinn der Ge samt schaltung in Fig. 1 gilt dann (in Näherung)

^Lv,Kette - |l · /-

Z χ

(Mischer M : L_vl » q ; Mischer M « L »"-| - -j^- )

⁵⁵I

und für die minimale Rauschtemperatur

T_Kette = h± . T_{sp +} k__ . T_D

sp ^ql
sowie für den zugehörigen optimalen Generatorwiderstand

R . ■ q · R (5)

g,opt ^Hl s

(q = dynamische Güte der Reaktanzdiode im Mischer M ;

R = Bahnwiderstand dieser Diode), s

Zahlenbeispiel: f , « 28 GHzj f = 12 GHz j f . = 2 GHz;

Sl Z Zl

f =24 GHz; q a 7 s ρ χ

Dann gilt

^Lv,Kette ^{= 2l1 R}g,opt " ⁷ * ^R _Si

_ , 5O4°K für T_ = T_n = 29D°K

^xKette . ο ο ο

224 K für T_s = 50⁰K; T_n = 290 K

Wenn die Abwärtsm^Lschung von f = 28 GHz auf f = 12 GHz

■ si ζ

mit dem Mischer M₄ allein bewältigt wird, ergeben sich fol-

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gende Daten im Rauschminimum:

	T = sp	t_d = 290⁰K	T	sp	Ij D	48,	3°K
S · opt	20 ·	R S		12	,3 · R₈
^T1 ( L)	7,84 £	2270°K	1	,7	= 493°K
^TD ^min
^Lvl	2,27			3	Λ7

Damit ist offenbar, daß diese Lösung unbrauchbar ist.

In Fig. 3 (4) ist das Schaltungsprinzip des gesamten Abwärtsmischers M vom Serientyp (Paralleltyp) dargestellt. Es enthält jeweils einen bekannten Abwärtsmischer M mit reellem Spiegelabschluß (nach [2 ], [3 ]) ^und einen bekannten konventionellen Aufwärtsmischer ohne Spiegel M (z.B. nach [l ]). Es bedeuten:

₁, P₂ V ^Z2

die Pumpkreisfrequenzen

Zwischenfrequenzen = 2xf

2*f „, 2*f Pl

11 it

2*f

Eingangssignal-Kreisfrequenz = Spiegelfrequenz 3

si

2sf

sp

Bei Nachschalten eines geeigneten, an sich bekannten ZF-Verstärkers kann in Weiterbildung der Erfindung ein rauscharmer ZF-Verstärker gebildet werden. Durch Rauschanpassung des nachgeschalteten ZF-Verstärkers wird dessen Rauschtemperatur auf

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ihren Minimalwert T^ " gebracht. Hierzu muß die Bedingung

R. = R . ü² bzw. G. =. G . /ü² A s, mm A s,min/

erfüllt sein (R . bzw. G . ist der Eintrangswiderstand s, mm s, min

bzw. -Leitwert des ZF-Verstärkers für minimales Rauschen', ü ist das Übersetzungsverhältnis des Übertragers zwischen Abwartend, sch er und ZF-Verptärker, s. die Fig. 3 und 6).

Diese Eingangsschaltung hat dann nach der Friis^schen Formel die Rauschtemperatur

^Tges

■v,Kette
d.h. wegen L_{v Kette} » 1 (nach (3))

T μ T_v ,, (7)

ges Kette . '

Um gleichzeitig Rauschanpassung des ZF-Verstärkers und Leistungsanpas sung des Abwärtsmischers zu erhalten, können folgende Zusammenschaltungen gewählt werden:

Wenn man für den Abwärtsmischer einen parametrischen Mischer vom Serientyp entsprechend Fig. 3 wählt, so muß der nachgeschaltete ZF-Verstärker die Bedingung .

s,min si

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■^09804/0562. .

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^RE·
erfüllen. Hierin ist R_ = der Eingangswiderstand des

Et ..<-

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 Vorwendung eines Transistors muß dieser in Basisschaltung betrieben werden. Ferher 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 (Fig. 5)· Dieser Verstärker besteht aus der Kettenschaltung eines parametrischen Auf- und Abwärtsmi» schers, dessen Dioden verschiedenphasig durchgepumpt werden. Vorzugsweise dient hierfür ein gemeinsamer Pumposzillator. Derartige Mischerkettenverstärker sind bekannt durch die DT-PS 1 952 135-

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

si

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2
einhalten, wobei G_ = G„ . ü 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 Verstärker nichtreziprok ist und eine sehr gute Entkopplung zwischen Eingang und Ausgang ermöglicht, durch geeignete Neutralisation seines Rückwirkungsleitwerts ι wie\dies beispielsweise durch die DT-PS 1 112 l40 beschrieben wird. Da der Abwärtsmischer vom Parallfiltyp ist, wird zur Erzielung der gewünschten Leistungsanpassung des gesamten Mischers ein nachgeschalteter Mischerkettenverstärker vom Paralleltyp gewählt (Fig. 6).

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

Als Abwärtsmischer M ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Mischer vom Paralleltyp verwendet. Seine Mischdioden sind mit D , D_ß bezeichnet. Y₁₁ bedeutet den

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plexeii Leitwert des Eingangskreises, wobei P₁ +. ζ die
Eingangssignalfrequenz bzw. die Spiegelfrequenz ist.

Der komplexe Leitwert des Zwischenfrequenzkreises bei der Zwischenfrequenz ζ ist mit Y bezeichnet. Die Spiegelkreisfrequenz ist ρ - ζ , der komplexe Leitwert des Spiegelkreises ist Y „ . Unter der (erfüllten) Vorausset- ~pl- zl

zuiig, daß die Pumpkreisfrequenz f wesentlich größer als die Zwischenkreisfrequenz f ist, liegen die beiden Frequenzen p„ + s = f _ und p_ - z. =r f relativ dicht bei- ^ 1 lsi 1 1 sp

einander. Dann kann der Antennenwiderstand R . , welcher

Pl+- zl

sich auf der Antennentemperatur T befindet, gleichzeitig

für die Bedämpfung des Spiegelfrequenzkreises benutzt werden, d.h. T 5 T-. Mit f - »f ist auch R ■· R bzw.
' sp A si sp g sp

G ^w G und dassit Ci) bzw. (2) automatisch erfüllt.

Mit T a T. folgt aus
sp A ^w

Kette * f_e A ij D

Danach ist ^<s'_K@tte stxfas größer als T_ß für T^ a Τ_β, jedoch < ^TD ^für ^TA^<K V

Die Mikrowellenantenne, an welcher der gesamte Abwärtsmischer MaM + M₉ angeschlossen ist, wurde in der Fig. 6

durch die sit S fe®s®iehnete Signalquell© dargestellt. Dem als Parallo'ltyp M3 gebildet en Abx-7ärtsmischer M ist in der

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Figur ein Mischerkettenverstärker V nachgeschaltet, der vom Parallel^typ ist. Seine beiden Reaktanzdioden sind mit C und C. bezeichnet. Eingangs- und ausgangsseitig hat dieser ZF-Verstärker einen auf die Zwischenfrequenz abgestimmten Parallelschwingkreis mit dem komplexen Leitwert Y . Die beiden Reaktanzdioden C und C^ sind über einen gemeinsamen Ililfskreis miteinander verkoppelt* welcher durch Y _± dargestellt ist. Die Ankopplung des ZF-Verstärkers V

an den Abwärtsmischer M erfolgt durch einen Übertrager mit

2
dem Übersetzungsverhältnis ü „ Der Ausgangsleitwert des Abwärtsmischers ist mit Gi., der Eingangsleitwert des ZF-Verstärkers V ist mit 6_ bezeichnet.

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

Für die Eingangsschaltung verwendet man vorzugsweise einen gemeinsamen Pumposzillator P, der sowohl Abwärtsmischer als auch parametrischen ZF-Verstärker pumpt.

Besonders vorteilhaft ist bei der Schaltung, daß die Pumpfrequerizen f ., f unterhalb der Signalfrequenzen f. =

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- 709884/0SS2 ... ■

= Γ -f- f liegen. Ferner ist die Schaltung leicht in Integrierter Bauweise ausführbar.

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Claims

Patentansprüche

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 ) abgeschlossen ist, daß der Abwärtsmischer aus der Kettenschaltung eines Serientyp-Abwärtsmischers (M ) mit einem Serientyp-Aufwärtsmischer (M ) besteht, wobei der Abwärtsmischer bei der Spiegelfrequenz mit einem reellen Widerstand (R ) abgeschlossen ist und

sp, ^ö

folgende Bedingung gilt:

si sp

wobei

si

si

sp

R R^ g + si

R R _Λ sp+ si

Bahnwiderstand der Reaktanzdiode im ersten Mischer M Eingangssignalfrequenz Spiegelfrequenz

bedeutet.

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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 Eingangssignal frequenz nicht sehr verschieden von der Zwischenfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Abwärtsmischers vom Paralleltyp der Signaleingang mit dem reellen Antennenleitwert (G ) abgeschlossen ist, daß der Abwärtsmischer aus der Kettenschaltung eines Paralleltyp-Abwärtsmischers (M ) mit einem Paralleltyp-Aufwärtsmischer (M ) besteht, wobei der Abwärtsmischer bei der Spiegelfrequenz mit einem reellen Leitwert (G ) abgeschlossen ist und fol-

sp

gende Bedingung gilt:

Ψ* CC*

si sp+ Dl

wobei G_n = Verlustleitwert der Reaktanzdiode im

ersten Mischer M

f = Eingangssignalfrequenz s 1

f = Spiegelfrequenz

bedeutet.

3· Schaltung nach'Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpfrequenz (f ·) des ersten Mischers (M ) durch

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■■7098Ö4 /0 S S 2

Frequenzvervielfachung niedriger Ordnung aus der Pumpfrequenz (f ) des zweiten Mischers (M ) gewonnen wird.

h. 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:

s,min

_m ^fzl . 1_

f " q si ^Hl

wobei

IL, = der Eingangswiderstand des ZF-Verstärkers

R , = der Widerstand der Signalquelle des

ZF-Verstärkers für minimales Rauschen,

q = die dynamische Güte der Reaktanzdiode im ersten Mischer (M ), wenn für ihren Bahnwiderstand R=R angenommen

Sl Sä

ist,

bedeutet.

5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mischer (M) ein an sich bekannter, rauschangepaßter ZF-Verstärker vom Paralleltyp nachgeschaltet ist, für den folgende Bedingung gi'lt:

^GE - .. , ^fzl . 1 β, min si ^l

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wobei G = der Eingangswert des ZF-Verstärkers,

G . = der Leitwert der Signalquelle des s, min

ZF-Verstärkers für minimales Rauschen ist,
bedeutet.

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

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

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

9. Schaltung nach Anspruch k, 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.

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11. Schaltung nach Anspruch 5ι 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.

I^. 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.

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