DE102006017175A1

DE102006017175A1 - Balancierter Serienmischer für Hochfrequenzsignale

Info

Publication number: DE102006017175A1
Application number: DE102006017175A
Authority: DE
Inventors: Dirk Steinbuch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2007-10-18
Also published as: US20090221258A1; JP2009533916A; EP2013638A1; CN101421639A; WO2007118762A1

Abstract

Balancierter Serienmischer mit einem Balun-Transformer (10), der auf einer Seite einen HF-Quellenport und einen Antennenport und auf der anderen Seite zwei Diodenports aufweist, zwei Dioden (20, 22), die jeweils zwischen einen der Diodenports und eine HF-Masse (24, 26) geschaltet sind, und einem Nutzsignalabgriff (48) für ein von den Dioden erzeugtes Mischprodukt aus einem über den Antennenport zugeführten HF-Signal und einem Anteil eines über den HF-Quellenport zugeführten HF-Signals, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (20, 22) jeweils über eine auf der Seite der HF-Masse (24, 26) angeschlossene Vorspannungszuführung (50, 52) vorgespannt sind, daß die Dioden gleichstrommäßig vom Nutzsignalabgriff (48) und von den an den HF-Quellenport und den Antennenport angeschlossenen Leitungen (34, 42) getrennt sind und daß die beiden Vorspannungszuführungen (50, 52) zueinander symmetrisch ausgebildete Tiefpaßfilter (54) aufweisen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen balancierten Serienmischer mit einem Balun-Transformer, der auf einer Seite einen HF-Quellenport und einen Antennenport und auf der anderen Seite zwei Diodenports aufweist, zwei Dioden, die jeweils zwischen einen der Diodenports und eine HF-Masse geschaltet sind, und einem Nutzsignalabgriff für ein von den Dioden erzeugtes Mischprodukt aus einem über den Antennenport zugeführten HF-Signal und einem Anteil eines über den HF-Quellenport zugeführten HF-Signals.
Ein Serienmischer dieser Art ist aus DE 196 10 850 C1 bekannt.
Solche Serienmischer werden beispielsweise in Radarsensoren für Abstandswarn- und Regelsysteme in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Bei Radarsensoren mit einem monostatischen Antennenkonzept wird ein und dieselbe Antenne zum Senden des Radarsignals und für den Empfang des Radarechos eingesetzt. Der Serienmischer dient dann dazu, das über den HF-Quellenport zugeführte Signal zur Antenne weiterzuleiten und zugleich das von der Antenne empfangene Signal mit einem Anteil des über den HF-Quellenport zugeführten Signals zu mischen. Das Mischprodukt ist dann ein Zwischenfrequenzsignal, dessen Frequenz den Frequenzunterschied zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal angibt. Dieses Zwischenfrequenzsignal liefert Information über die bei der Reflektion des gesendeten Signals am Radarziel eingetretene Dopplerverschiebung und damit über die Relativgeschwindigkeit des Radarziels und, sofern die Frequenz des gesendeten Signals wie bei einem FMCW-Radar (Frequency Modulated Continous Wave) rampenförmig moduliert ist, auch über die Laufzeit des Radarsignals und damit über den Abstand des Radarziels.
In DE 102 35 338 A1 wird für diesen Einsatzzweck ein nicht balancierter Mischer beschrieben, der nur eine einzige nichtlineare Diode zum Mischen der Hochfrequenzsignale aufweist. Bei diesem Mischer wird über den Nutzsignalabgriff eine Gleichspannung (Bias) zum Vorspannen der Diode zugeführt, so daß der Arbeitspunkt der Diode optimiert werden kann. Dies ist vorteilhaft, wenn die Hochfrequenzsignale eine relativ geringe Leistung haben, die nicht für einen sogenannten Self-Bias der Diode ausreicht.
Andererseits hat ein solcher nicht balancierter Mischer jedoch den Nachteil, daß er auch das in den Hochfrequenzsignalen enthaltene Amplitudenrauschen demoduliert, wodurch die Qualität des Nutzsignals beeinträchtigt wird. Um dennoch ein hinreichend rauscharmes Nutzsignal zu erhalten, muß deshalb eine extrem rauscharme HF-Quelle eingesetzt werden, beispielsweise ein hohlleiterbasierter Gunn-Oszillator. Solche Oszillatoren sind jedoch verhältnismäßig kostspielig und erfordern zudem komplexe Abgleichprozesse, durch sich die Fertigungskosten weiter erhöht werden.
Unter Kostengesichtspunkten wäre es deshalb vorteilhaft, anstelle von Gunn-Oszillatoren bekannte MMIC-Oszillatoren (Microwave Monolithic Integrated Circuits) einzusetzen. Diese weisen jedoch ein höheres Amplitudenrauschen auf.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen balancierten Serienmischer zu schaffen, der einerseits in Verbindung mit HF-Quellen geringer Leistung eingesetzt werden kann und andererseits eine wirksame Unterdrückung des Amplitudenrauschens ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen balancierten Serienmischer der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Dioden jeweils über eine auf der Seite der HF-Masse angeschlossene Vorspannungszuführung vorgespannt sind, die Dioden gleichstrommäßig von Nutzsingalabgriff und von den an den HF-Quellenport und dem Antennenport angeschlossenen Leitung getrennt sind und die beiden Vorspannungszuführungen zueinander symmetrisch ausgebildete Tiefpaßfilter aufweisen.
Die Vorspannungszuführungen ermöglichen es, die beiden Dioden so vorzuspannen, daß sie bereits im Leerlauf in der Nähe ihres optimalen Arbeitspunktes arbeiten. Durch die von der HF-Quelle eingespeiste verhältnismäßig geringe Leistung wird dann der optimale Arbeitspunkt der Dioden erreicht. Die Tiefpaßfilter verhindern einen Kurzschluß oder eine Bedämpfung des Nutzsignals über die Vorspannungszuführungen. Da der Nutzsignalabgriff sowie auch die HF-Quelle und die Antenne gleichstrommäßig von den Dioden entkoppelt sind, ist sichergestellt, daß der über eine der beiden Dioden zugeführte Bias-Gleichstrom vollständig über die andere Diode wieder abfließt, so daß beide Dioden von einem identischen Strom durchflossen werden. In Verbindung mit der symmetrischen Ausbildung der Tiefpaßfilter in den beiden Vorspannungszuführungen ist somit sichergestellt, daß die Symmetrie des balancierten Mischers nicht gestört wird, und dies ist die entscheidende bedingung dafür, daß das Amplitudenrauschen wirksam unterdrückt wird.
Wenn der erfindungsgemäße Mischer beispielsweise in einem Radarsensor eingesetzt wird, ist es somit möglich, als HF-Quelle einen kostengünstigen aber leistungsarmen MMIC-Oszillator einzusetzen und dennoch ein qualitativ hochwertiges, insbesondere rauscharmes Nutzsignal zu erhalten.
In diesem Anwendungsfall ist der Antennenport an die Antenne des Radarsensors angeschlossen, woraus sich die Bezeichnung "Antennenport" erklärt. Dadurch soll jedoch der Anwendungsbereich der Erfindung nicht auf die Fälle beschränkt werden, in denen an diesen Port wirklich eine Antenne angeschlossen ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Gleichstromentkopplung des Nutzsignalabgriffs erfolgt vorzugsweise über eine Serienkapazität.
Zur gleichstrommäßigen Trennung des Mischers von den an den HF-Quellenport und den Antennenport angeschlossenen HF-Leitungen werden vorzugsweise Viertelwellenlängen-Leitungskoppler eingesetzt.
Bei den symmetrisch ausgebildeten Tiefpaßfiltern in den beiden Vorspannungszuführungen handelt es sich vorzugsweise um R-C-Netzwerke, deren symmetrisch eingestellte Widerstände dann zugleich die Einstellung der Vorspannung erlauben.
Der Balun-Transformer (balanced to unbalanced transformer) ist vorzugsweise in Streifenleitertechnik ausgeführt und kann durch einen Rat-Race-Koppler oder Quadraturkoppler gebildet werden. Die Dioden sind mit dem Balun-Transformer vorzugsweise über Anpaßnetzwerke verbunden, die eine genaue Abstimmung bzw. eine kontrollierte Verstimmung der Dioden erlauben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Serienmischers; und
2 eine vergrößerte Darstellung eines Balun-Transformers in dem Serienmischer nach 1.
Ausführungsform der Erfindung
Der in 1 gezeigte balancierte Serienmischer weist einen Balun-Transformer 10 auf, der im gezeigten Beispiel durch einen in Streifenleitertechnik ausgebildeten Quadraturkoppler gebildet wird. Dieser Balun-Transformer 10, der in 2 noch einmal vergrößert dargestellt ist, weist vier in einer Rechteckkonfiguration miteinander verbundene Ports auf, nämlich einen HF-Quellenport 12, einen Antennenport 14 und zwei Diodenports 16, 18, von denen einer dem HF-Quellenport 12 und der andere dem Antennenport 14 gegenüberliegt.
Der in 1 gezeigte Mischer weist weiterhin zwei nichtlineare, baugleiche Dioden 20, 22 auf, die mit entgegengesetzer Polung zwischen eine jeweilige HF-Masse 24, 26 und einen der Diodenports 16, 18 des Balun-Transformers 10 geschaltet sind. Zwischen den Dioden und den Diodenports sind jeweilige Anpaßnetzwerke 28, 30 eingefügt.
Der HF-Quellenport 12 des Balun-Transformers 10 ist über einen Viertelwellenlängen-Leitungskoppler 32 mit einer Leitung 34 verbunden, die über einen Eingang 36 mit einer HF-Quelle, beispielsweise einem MMIC-Oszillator 38 verbunden ist.
Der Antennenport 14 des Balun-Transformers 10 ist über einen weiteren Viertelwellenlängen-Leitungskoppler 40 mit einer Leitung 42 verbunden, die über einen Ein- und Ausgang 44 mit einer Antenne 46 verbunden ist. Der MMIC-Oszillator 38 und die Antenne 46 sind hier nur strichpunktiert angedeutet, da sie nicht Bestandteil des Mischers sind.
Der als Qudarturkoppler ausgebildete Balun-Transformer 10 hat die Eigenschaft, daß er an seinen HF-Quellen- und Antennenports 12, 14 angepaßt ist, wenn an den beiden Diodenports 16, 18 identische Impedanzen anliegen. Diese Anpassung läßt sich hier mit Hilfe der Dioden 20, 22 erreichen.
Ein vom MMIC-Oszillator 38 erzeugtes HF-Signal wird über die Leitung 34 dem HF-Quellenport 12 zugeführt und über die beiden Anpaßnetzwerke 28, 30 an die Dioden 20, 22 weitergeleitet. Je nach Abstimmung der Dioden 22, 24 wird ein größerer oder kleiner Teil dieses Signals reflektiert und über den Balun-Transformer 10 in die Leitung 42 und schließlich in die Antenne 46 eingespeist.
Ein von der Antenne 46 empfangenes HF-Signal gelangt über die Leitung 42 und den Balun-Tansformer 10 an die Dioden 20, 22 und wird mit dem nicht reflektierten Anteil des über die Leitung 34 zugeführten HF-Signals zu einem Nutzsignal gemischt, das an einem Nutzsignalabgriff 48 abgegriffen werden kann. Das Verhältnis zwischen der von Dioden umgesetzten Leistung zu der reflektierten und über die Antenne 46 abgestrahlten Leistung wird durch kontrollierte Fehlanpassung der Dioden 20, 22 eingestellt.
Zur Optimierung des Arbeitspunktes der Dioden 20, 22 ist für jede Diode eine Vorspannungszuführung 50 bzw. 52 vorgesehen. Die Vorspannungszuführungen 50 und 52 sind exakt symmetrisch zueinander aufgebaut und enthalten jeweils einen Tiefpaßfilter 54.
Bei der Vorspannungszuführung 50 für die Diode 20 liegt an einem Vorspannungsanschluß 56 eine Gleichspannung V1 an. Dieser Vorspannungsanschluß ist über einen Widerstand 58 des Tiefpaßfilters 54 und einen als Hochfrequenzsperre dienenden Filter 60 mit der HF-Masse 24 verbunden. Der Tiefpaßfilter 54 wird durch ein R-C-Netzwerk gebildet, das außer dem Widerstand 58 eine Kapazität 62 aufweist, die zwischen den mit der Hochfrequenzmasse verbundenen Pol des Widerstands 58 und eine DC-Masse 64 geschaltet ist.
Die Vorspannungszuführung 52 für die Diode 22 hat den gleichen Aufbau, nur liegt an dem Gleichspannungsanschluß 56 eine Gleichspannung V2 an. Vorzugsweise gilt V2 = –V1.
Der Nutzsignalabgriff 48 ist über eine Serienkapazität 66 eines weiteren R-C-Netzwerkes 68 und einen als Hochfrequenzsperre dienenden Filter 70 mit dem Antennenport 14 des Balun-Transformers 10 verbunden, um das von den Dioden 20, 22 demodulierte Nutzsignal abzugreifen.
Mit Hilfe der Widerstände 58, die identische Widerstandswerte aufweisen, werden die Dioden 20, 22 so vorgespannt, daß sie in Verbindung mit der vom MMIC-Oszillator 38 gelieferten HF-Leistung ihren optimalen Arbeitspunkt erreichen. Die Tiefpaßfilter 54 verhindern dabei ein Abfließen des Nutzsignals, bei dem es sich um ein Zwischenfrequenzsignal handelt, über die Vorspannungszuführungen 50 und 52.
Das R-C-Netzwerk 68 enthält neben der Serienkapazität 66 noch einen auf Masse geschalteten Widerstand 72 und verhindert mit seiner Serienkapazität 66 ein Abfließen des von den Vorspannungszuführungen 50 und 52 zugeführten Gleichstromes über den Nutzsignalabgriff 48. Ebenso verhindern die Viertelwellenlängen-Leitungskoppler 32, 40 ein Abfließen des Gleichstromes über die Leitungen 34 und 42. Somit ist sichergestellt, daß die beiden Dioden 20 und 22 stets von demselben Strom durchflossen werden.
Die Filter 60 und 70 verhindern ein Abfließen der HF-Signale über die Vorspannungsführungen 50 und 52 oder den Nutzsignalabgriff 48.
Durch die symmetrische Ausbildung der Tiefpaßfilter 54 ist eine vollkommene Symmetrie zwischen den Dioden 20 und 22 sichergestellt, so daß der Mischer als balancierter Mischer arbeitet und ein etwa in den HF-Signalen enthaltenes Amplitudenrauschen wirksam unterdrückt.
Unter geeigneten Bedingungen läßt sich mit dem beschriebenen Aufbau eine Unterdrückung des Amplitudenrauschens um bis zu 50 dB erreichen. Wenn dagegen in nur einem der beiden Tiefpaßfilter 54 der Widerstand 58 und/oder die kapazitive Kopplung an die DC-Masse 64 fortgelassen wird, beträgt die Unterdrückung nur etwa 10 dB. Die Summe der Gleichspannungen V1 und V2 hat dagegen auf die Unterdrückung des Amplitudenrauschens nur einen geringen Einfluß, so daß es z.B. auch möglich ist, eine dieser beiden Spannungen auf Null zu setzen und somit auf eine bipolare Spannungsversorgung zu verzichten.
Durch geeignete Vorspannung der Dioden 20 und 22 läßt sich generell erreichen, daß die Unterdrückung des Amplitudenrauschens wie auch die AM/FM-Konversion in einem relativ weiten Bereich von Oszillatorleistungen annähernd konstant sind.

Claims

Balancierter Serienmischer mit einem Balun-Transformer (10), der auf einer Seite einen HF-Quellenport (12) und einen Antennenport (14) und auf der anderen Seite zwei Diodenports (16, 18) aufweist, zwei Dioden (20, 22), die jeweils zwischen einen der Diodenports (16, 18) und eine HF-Masse (24, 26) geschaltet sind, und einem Nutzsignalabgriff (48) für ein von den Dioden erzeugtes Mischprodukt aus einem über den Antennenport (14) zugeführten HF-Signal und einem Anteil eines über den HF-Quellenport (12) zugeführten HF-Signals, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (20, 22) jeweils über eine auf der Seite der HF-Masse (24, 26) angeschlossene Vorspannungszuführung (50, 52) vorgespannt sind, daß die Dioden gleichstrommäßig vom Nutzsignalabgriff (48) und von den an den HF-Quellenport (12) und den Antennenport (14) angeschlossenen Leitungen (34, 42) getrennt sind und daß die beiden Vorspannungszuführungen (50, 52) zueinander symmetrisch ausgebildete Tiefpaßfilter (54) aufweisen.
Serienmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Quellenport (12) und der Antennenport (14) über Viertelwellenlängen-Leitungskoppler (32, 40) zur gleichstrommäßigen Trennung an die zugehörigen Leitungen (34, 42) angeschlossen sind.
Serienmischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzsignalabgriff (48) durch eine Serienkapazität (66) gleichstrommäßig von den Dioden (24, 26) getrennt ist.
Serienmischer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nutzsignalabgriff (48) über die Serienkapazität (66) mit dem Antennenport (14) des Balun-Transformers (10) verbunden ist.
Serienmischer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaßfilter (54) durch R-C-Netzwerke gebildet werden, deren Widerstände (58) identische Widerstandswerte haben und die Vorspannung der Dioden (20, 22) bestimmen.
Serienmischer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Vorspannungszuführungen (50, 52) entgegengesetzt gleiche Gleichspannungen (V1, V2) anliegen.
Serienmischer nach einem der vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Balun-Transformer (10) ein Qudraturkoppler ist.
Serienmischer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Dioden (24, 26) und den Diodenports (16, 18) jeweils ein Anpaßnetzwerk (28, 30) eingefügt ist.