DE1245444B - Mikrowellen-Mischstufenanordnung mit Hybride - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03d

Deutsche Kl.: 21 a4 - 24/01

Nummer: 1245 444

Aktenzeichen: S 90027IX d/21 a4

Anmeldetag: 14. März 1964

Auslegetag: 27. Juli 1967

Zum Mischen und Umwandeln von Mikrowellen sind Hohlleiteranordnungen mit eingebauten Kristallgleichrichtern bekannt, bei welchen mehrere in verschiedenen Richtungen verlaufende Hohlleiter zu einer Hybride verbunden sind. Die Ausbildung der Mischstufe aus Hohlleitern erfordert verhältnismäßig viel Platz.

Zur Führung von Mikrowellen sind Bandleitungen bekannt, welche mit Hilfe gedruckter Schaltungstechniken hergestellt werden können. Hierdurch läßt ίο sich die Fertigung wesentlich vereinfachen und es können die einzelnen Elemente mit geringem Gewicht und in Kompaktbauweise hergestellt werden. Bei bekannten Bandleitungen ist ein Innenleiter zwischen zwei am gleichen Potential liegenden Außenleitern angeordnet.

Es wurde bereits vorgeschlagen, gesteuerte Bauelemente als sogenannte Moduls in Bandleitungen unterzubringen. Hierdurch wird die Wirkung von Einflußgrößen, wie beispielsweise der Blindwiderstand der Anschlußenden der Bauelemente, weitgehend verringert. Außerdem ergeben sich bei einer solchen Anordnung Platzeinsparungen.

Die Erfindung bezweckt, die Technik der ilachen Bandleitungen zur Ausbildung einer Mischstufe auszunutzen, die bei großer Empfindlichkeit und Leistung kleinere Abmessungen als bisher aufweist und sich mit geringem Kostenaufwand herstellen läßt. Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. ,

Mit der erfindungsgemäßen Mischstufenanordnung lassen sich der Hochfrequenzteil und der Zwischenfrequenzteil einer Anlage wirkungsvoll gegeneinander entkoppeln. Die Mischstufe läßt sich in Miniaturbauweise nach kostensparenden Mengenfertigungsverfahren herstellen, sie zeichnet sich durch Haltbarkeit, raumsparende Konstruktion und geringes Gewicht aus und erfüllt in dieser Hinsicht an Flugzeuggeräte zu stellende Anforderungen. Die erfindungsgemäße symmetrische Mischstufenanordnung ist insbesondere für den Einsatz in frequenzmodulierten Flugzeugradaranlagen gedacht, die als frequenzmodulierte Höhenmesser dienen. Ein frequenzmodulierter Höhenmesser arbeitet in Verbindung mit einem Sender, dessen Frequenz sich periodisch um eine Mittelfrequenz hin- und herbewegt. Das Sendesignal wird in eine Antenne eingekoppelt, deren abgestrahlte Energie vom Flugzeug zur Erdoberfläche geleitet wird. Das von der Erdoberfläche reflektierte Signal trifft auf eine getrennte Empfangsantenne und gelangt an einen Eingang einer Mischstufe. Ein zweites für die Mischstufe bestimmtes Eingangssignal Mikrowellen-Mischstufenanordnung mit Hybride

Anmelder:

Sanders Associates, Inc.,
Nashua, N. H. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Weintraud, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Mainzer Landstr. 134-146

Als Erfinder benannt:

Howard Putnam, Nashua, N. H. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 18. März 1963 (265 857)

stellt das Oszillatorsignal dar, welches direkt vom Sender kommt. Die beiden Eingangssignale der Mischstufe differieren in ihrer Frequenz um den Betrag, um den sich die Sendefrequenz während der Zeit ändert, die das Sendesignal für die Übertragung zur Erde und wieder zurück benötigt. Diese Frequenzdifferenz, die am Ausgang der Mischstufe erscheint, also die Zwischenfrequenz, hängt von der Flugzeughöhe ab. Durch Messen der Größe der Zwischenfrequenz kann die Flughöhe ziemlich genau bestimmt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mischstufenanordnung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch die Mischstufenanordnung entlang der Linie 1-1 von F i g. 2,

F i g. 2 eine Draufsicht auf die Mischstufenschaltung, aus der die Anordnung der Innenleiter ersichtlich ist und

F i g. 3 a und 3 b Draufsichten auf die Mischstufenanordnung mit dem oberen bzw. dem unteren Außenleiter sowie den Außenanschlüssen zu den Innenleitern.

Bei der Mikrowellen-Mischstufenanordnung sind die Dioden in den Innenleitern einer Bandleitung vorgesehenen Aussparungen angeordnet, wobei die Leiter gleichzeitig auch als Zuleitungen für die Dioden dienen. Als Bandleitung wird vorzugsweise eine Leitung verwendet, bei der der Innenleiter in der Mitte zwischen zwei Außenleitern angeordnet ist.

709 618/178

Die Signale des Mischoszillators sowie die von der Empfangsantenne kommenden Hochfrequenzsignale werden in eine Ringhybride eingespeist, und zwar an Verbindungspunkten, die so gewählt sind, daß die Quellen dieser Signale wirkungsvoll gegeneinander entkoppelt sind. Die Dioden sind in Ausgangsleitungen eingebettet und in Reihe geschaltet. Diese Ausgangsleitungen sind so mit der Ringhybride verbunden, daß das Signal des Mischoszillators gleichphasig an den beiden Dioden eintrifft, während das von der Empfangsantenne kommende Signal die Dioden mit einer Phasenverschiebung von 180° erreicht. Durch diese Anordnung wird das Signal des Oszillators im Ausgangskreis der Diode aufgehoben, wodurch verhindert wird, daß eine Geräuschmodulation dieses Signals den Zwischenfrequenz-Ausgangskreis beeinflußt. Dieser Ausgangskreis ist in bezug auf die Endpunkte der Ausgangsleitungen so ausgebildet und angeordnet, daß er vom übrigen Teil der Anlage bei Mikrowellenfrequenzen wirkungsvoll entkoppelt ist. _t Die Leitung der in F i g. 1 gezeigten Mischstufenanordnung besteht aus zwei flachen Außenleitern 10, 12, die gegeneinander durch Isolierschichten 14, 16 isoliert sind. Zwei aufeinander ausgerichtete Innenleiter 18, 20 sind in den einander gegenüberliegenden Seiten der Isolierschichten 14, 16 eingebettet. Die Außen- und Innenleiterpaare sind flach und können sehr dünn sein. In der Praxis können sie aus folienartigem Material bestehen, das mit den Isolierschichten verklebt ist. Infolge der Isolierschichten besteht zwischen den Innen- und Außenleite m ein Abstand. Der ganze Schichtverband wird von Verbindungsstiften 24, 26 aus leitendem Material zusammengehalten, die außerdem dazu dienen, die beiden Außenleiter auf gleichem Potential zu halten.

In der in F i g. 2 gezeigten Draufsicht ist nur ein Innenleitersystem dargestellt. In Wirklichkeit sind jedoch zwei Innenleitersysteme vorgesehen, die einander spiegelgleich sind.

Die Außenleiter 10, 12 sowie die verschiedenen Endpunkte und Anschlüsse für die Innenleiter sind aus Fig. 3 ersichtlich. Ein Streifenleiter 28 überträgt Energie in Richtung des Pfeiles 29 von einem in F i g. 3 a schematisch angedeuteten Sender 30 zu einer in F i g. 3 b schematisch angedeuteten Sendeantenne

31. Der Anschluß des Leiterstreifens 28 an den Sender und die Sendeantenne erfolgt über Übergangsstücke

32, 33 (Fig. 3a und 3b), welche die Streifenleitung mit einer Koaxialleitung verbinden. Diese Übergangsstücke sind mit den Enden 28 α bzw. 28 b der Streifenleitung verbunden. Wie Fig. 2 zeigt, wird ein Teil der auf dem Streifenleiter 28 übertragenen Energie durch einen Parallelleitungsrichtkoppler 36 an einen Streifenleiter 34 angekoppelt. Diese angekoppelte Energie wird auf dem Streifenleiter 34 in der entgegengesetzten Richtung übertragen und am Verbindungspunkt 40 in eine gestreckte Ringhybride 38 eingespeist. Die Bandleiter, welche die Ringhybride 38 bilden, entsprechen den Bandleitern20 von Fig. 1. Der Streifenleiter 34 ist am linken Ende 34 α in einer seinem Wellenwiderstand entsprechenden Last abgeschlossen, um Reflexionen zu unterdrücken, die sonst eventuell auftreten könnten. Dieser Abschluß ist in F i g. 3 a und 3 b mit 41 bezeichnet.

Ein Streifenleiter 42 ist mit einem Ende 42 a mit einer schematisch angedeuteten Antenne 43 verbunden. Der Anschluß erfolgt über ein Übergangsstück 45 (F i g. 3 b), welches den Streifenleiter mit der Koaxialleitung verbindet. Das reflektierte, von der Empfangsantenne aufgenommene Signal wird über den Bandleiter 42 (F i g. 2) am Verbindungspunkt 44 in die Ringhybride eingekoppelt.

Die Ausgangsleiter oder -leitungen 46, 48 sind mit der Ringhybrdde 38 über die Verbindungspunkte 50 bzw. 52 verbunden. Eine Diode 54 ist mit dem Bandleiter 46 in Reihe geschaltet. Der Umfang der Ringhybride 38 entspricht beispielsweise der anderthalbfachen Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz. Geht man vom Verbindungspunkt 40 aus weiter nach rechts um die Ringhybride herum, so liegt der Verbindungspunkt 50 eine Viertelwellenlänge vom Verbindungspunkt 40 entfernt, der Verbindungspunkt 44 eine halbe Wellenlänge vom Verbindungspunkt 40 und der Verbindungspunkt 52 eineinviertel Wellenlänge vom Verbindungspunkt 40.

Wie F i g. 2 zeigt, werden durch diese Anordnung die Bandleiter 34 und 42 bei Signalen mit der Empfangsfrequenz wirkungsvoll gegeneinander entkoppelt, da die Anteile des Sendesignals, d. h. des Oszillatorsignals, die auf der Leitung 34 auftreten und in entgegengesetzten Richtungen um die Ringhybride 38 wandern, am Verbindungspunkt 44 um praktisch 180° phasenverschoben eintreffen und sich gegenseitig aufheben. In ähnlicher Weise heben sich die Anteile des reflektierten Signals, die auf dem Streifenleiter 42 auftreten und in entgegengesetzten Richtungen um die Ringhybride 38 wandern, am Verbindungspunkt 40 gegenseitig auf. Die Anteile eines jeden Signals, die in entgegengesetzten Richtungen um die Ringhybride wandern, treffen an den Verbindungspunkten 50 und 52 gleichphasig ein und addieren sich daher an diesen Punkten.

Die Dioden 54 und 56 erhalten die Ausgangssignale, die an den Verbindungspunkten 50, 52 der Ringhybride erscheinen. Die sich über die Dioden 54, 56 erstreckenden Leiter 46, 48 enden an den Punkten 58 a bzw. 586, die offen sind.

Mit 60 und 62 bezeichnete Zwischenfrequenzfilter sind an den Verbindungspunkten 64, 66 mit den Leitern 46 bzw. 48 verbunden. Der Abstand zwischen den Verbindungspunkten 64, 66 und den Endpunkten 58 a bzw. 58 & entspricht einer Viert el wellenlänge der Empfangsfrequenz. Die Bandleiter 68 α, 68 b und 70 a, 70 b, welche die Zwischenfrequenzausgangsklemmen 72 bzw. 74 mit den Verbindungspunkten 64 bzw. 66 verbinden, sind wesentlich schmaler als die Leiter 46 und 48, um einen hohen Scheinwiderstand für die Empfangsenergie zu bilden. Zuleitungen 72 a, 74 a (F i g. 3 a) verbinden die Zwischenfrequenzausgangsklemmen 72 bzw. 74 mit den schematisch angedeuteten Zwischenfrequenzverbraucherkreisen 75 über einen Niederfrequenzübertrager 75 a. Über die Ableitkondensatoren 76, 78 sind die Leiter 68 a, 68 & bzw. 70 a, 70 b mit den Außenleitern 10 und 12 verbunden, um zu verhindern, daß Mikrowellensignale an die Klemmen 72, 74 gelangen. Diese Kondensatoren sind als vergrößerte leitende Elemente ausgebildet, die jeweils die Streif enleiter 68 α und 68 b sowie 70 a und 70 & miteinander verbinden; sie bilden eine große Kapazität zwischen den Streifenleitern und den Außenleitern.

Mit den Leitern 46, 48 sind zwischen den Dioden 54, 56 und den Verbindungspunkten 50, 52 Stichleitungen 80 bzw. 82 zur Impedanzanpassung verbunden. Diese Anpassungsleitungen sind über ihre einen Enden 80 α, 82α mit den Außenleitern ver-

bunden und dienen dazu, einerseits für eine Impedanzanpassung der Dioden 54, 56 zu sorgen und andererseits einen Gleichstromrückweg für die Dioden zu bilden.

F i g. 2 zeigt ferner eine Anzahl von leitenden Verbindungsstiften 84, welche die Außenleiter in der gleichen Weise miteinander verbinden wie die in F i g. 1 gezeigten Verbindungsstifte 24 und 26. Die Verbindungsstifte 84 sind relativ zur Mischstufe so angeordnet, daß sie für eine Entkopplung zwischen den verschiedenen Teilen der Mischstufe sorgen. Die Verbindungsstifte haben außerdem die Aufgabe, unerwünschte Ausbreitungsarten zu unterdrücken.

Im Betrieb treffen die in die Ringhybride 38 eingespeisten Oszillatorsignale an den Dioden 54, 56 gleichphasig ein, da die Dioden im gleichen Abstand vom Verbindungspunkt 40 angeordnet sind. Da die Dioden in bezug auf den Verbindungspunkt 40 entgegengesetzt gepolt sind, wird Oszillatorgeräusch, welches nach Gleichrichtung durch die Dioden an die Klemmen 72, 74 gelangt, auf der Primärseite des Übertragers aufgehoben. Dieser Übertrager hat auf der Primärseite zwei Wicklungen, die einerseits mit den Klemmen 72 bzw. 74 verbunden und andererseits an das Außenleitersystem angeschlossen sind. Die Wicklungen sind entgegengesetzt gewickelt, so daß der Übertrager keinen wirksamen Fluß aufweist, welcher von der Amplitudenmodulation des am Verbindungspunkt 40 eingespeisten Oszillatorsignals verursacht würde.

Andererseits erreichen die von der Empfangsantenne aufgenommenen reflektierten Signale die Dioden mit einer Phasenverschiebung von 180°, da die Diode 54 bei der Empfangsfrequenz um eine halbe Wellenlänge näher am Verbindungspunkt liegt als die Diode 56. Die Zwischenfrequenzsignale, die sich aus dem Mischen des Oszillator- und reflektierten Signale in den Dioden 54, 56 ergeben, werden also im Übertrager 75 nicht aufgehoben, vielmehr addieren sich die an den Klemmen 72 und 74 auftretenden Zwischenfrequenzsignale infolge der Primärwicklungen.

Der Verbindungspunkt 64 des Zwischenfrequenzfilters 60 ist eine Viertelwellenlänge vom Endpunkt 58a des Leiters 46 entfernt und befindet sich somit an einer Stelle dieses Leiters, an der die Empfangsspannung Null ist. Anders ausgedrückt: Der transformierte Scheinwiderstand ist an der Viertelwellenlänge von den Endpunkten des offenen Schwingkreises entfernten Stelle gleich Null. Das gleiche gilt für die Empfangsfrequenzsignale auf dem Leiter 48 am Endpunkt 58 b und am Verbindungspunkt 66 des Filters 62. Da an beiden Verbindungspunkten 64, 66 im wesentlichen keine Spannung bei der Empfangsfrequenz vorliegt, fließt wenig oder gar keine Energie in die Zwischenfrequenzfilter 60 und 62.

Für eine weitere Entkopplung zwischen dem Übertrager 75 und dem Empfangsfrequenzteil der Mischstufe sorgen die Leiter 68 a, 68 b und 70 a, 70 b, welche die Niederfrequenzausgangsklemmen 72, 74 mit den Ausgangsleitern 46 bzw. 48 verbinden. Wie bereits oben ausgeführt wurde, sind die Leiter 68 a, 68 & und 70 a, 70 b wesentlich schmaler als die Ausgangsleiter, mit denen sie verbunden sind. Durch diese Anordnung ergibt sich ein hoher Serienscheinwiderstand für die Energie der Empfangsfrequenz. Die hohen Serienscheinwiderstände der Streifenleiter 68 a und 70 a dienen in Verbindung mit den von den Kondensatoren 76 und 78 bewirkten niedrigen Nebenschlußscheinwiderständen als Tiefpaßfilter, um zu verhindern, daß Empfangsenergie in nennenswertem Ausmaß an die Klemmen 72, 74 gelangt.

Bei der niedrigen Zwischenfrequenz erscheinen die transformierten Scheinwiderstände, bezogen auf die Endpunkte 58 a und 58 b, im wesentlichen als offene Kreise. Außerdem sind bei den Zwischenfrequenzen auch die Scheinwiderstände der Leiter 46, 48 niedrig und die Scheinwiderstände der Kondensatoren hoch, so daß das Zwischenfrequenzsignal die Klemmen 72 und 74 ohne nennenswerte Dämpfung erreicht.

In der Praxis sind Dioden nicht nur in einem, sondern auch in dem anderen Innenleitersystem eingebettet, wenn zwei miteinander übereinstimmende Leitersysteme verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Mischstufenanordnung eignet sich für Breitbandbetrieb. Dies ist insbesondere beim Einsatz in FM-Höhenmessern erwünscht, da die Frequenz des Sendesignals bei einer Mittenfrequenz von 1600 MHz sich bis zu 50 MHz um diese Frequenz hin- und herbewegen kann. Die entgegengesetzt gepolten Dioden bewirken in Verbindung mit dem Übertrager 25 die Aufhebung des Oszillatorsignals. Durch die wirksame Filterung an den Diodenausgängen und in den Zwischenfrequenznltern werden die Zwischenfrequenz- und Empfangsfrequenzteile der Mischstufe bei der Arbeitsfrequenz wirkungsvoll gegeneinander entkoppelt.

Die erfindungsgemäße Mischstufenanordnung zeichnet sich durch einfache und raumsparende Konstruktion sowie durch geringes Gewicht und größere Empfindlichkeit aus.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mikrowellen-Mischstufenanordnung mit Hybride, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bandleitung zu einer ringförmigen Hybride (38) ausgeformt ist, welche mehrere Verbindungspunkte (40, 44, 50, 52) aufweist, an denen je ein Streifenleiter (34) zum Einspeisen von Oszillatorsignalen, ein Streifenleiter (42) zum Einspeisen der Empfangssignale und mindestens ein Ausgangsstreifenleiter (46, 48) mit eingebetteter Diode (54, 56) angeschlossen sind, mit dem über ein Verbindungsstück (68 α, 68 b, 70 α, 70 b) eine Zwischenfrequenzausgangsklemme (72, 74) an einem Punkt verbunden ist, an dem die Ausgangsleitung (46, 48) eine Impedanz von im wesentlichen Null für die Energie der Oszillatorsignale darstellt.

2. Mischstuf enanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (68 a, 68 b, 70 a, 70 b) als wesentlich schmälerer Streifenleiter ausgebildet ist als der Ausgangsstreifenleiter (46, 48).

3. Mischstufenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der schmälere Streifenleiter (68 a, 68 b, 70 a, 70 b) des Verbindungsstückes einen vergrößerten Teil (60, 62) aufweist, welcher als Ableitkondensator wirkt, der bei Oszillatorsignalfrequenz einen Nebenschluß niedrigen Scheinwiderstandes für die Energie bildet.

4. Mischstufenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator in das Verbindungsstück (68 a, 68 b, 70 a, 70 b) zwischen die Zwischenfrequenzausgangsklemme

(72, 74) und den Verbindungspunkt (64, 66) des Ausgangsstreifenleiters angeordnet ist, der eine Viertelwellenlänge von dem Ende (58 a, 58 b) des Ausgangsstreifenleiters entfernt ist.

5. Mischstufenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (54, 56)

der beiden Ausgangsstreifenleiter (46, 48) in Bezug auf die Oszillatorsignale entgegengesetzt gepolt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Proc. of the IRE, 1947, S. 1181 bis 1191.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 618/178 7. 67