Breitbandmischer im Millimeterwellenbereich

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2009-04-21
Issue Year
2009
Authors
Schneiderbanger, Dirk
Editor
Abstract

Innovative concepts for extremely broadband diode mixers up to 120 GHz are presented in this work. Fabricated mixer circuits demonstrate the excellent capabilities of these concepts. Furthermore, mixer concepts that are established in lower frequency regions are adapted to the requirements of the millimeter wave range. Thus, very well working broadband mixers are realized. At first, single-diode, single-balanced and double-balanced mixers are extensively analyzed concerning the mixing process if a nonlinear current-voltage characteristic curve is used. In this context, the conversion loss depending on modulation amplitude is derived for a real diode characteristic curve including series resistance. Using these fundamentals, the amplitude-depending variations of conversion loss which are typical for harmonic mixers are extensively explained. Moreover, the optimal operation point of a mixer diode that is fed with a bias and a small modulation amplitude is derived. Balanced-to-unbalanced transformers are illustrated which are essential for single-balanced and double-balanced mixers. The focus is on planar baluns which are applicable for very wide bandwidths in the millimeter wave range. Practicable guidelines for the design of broadband planar Marchand baluns have been elaborated. In the following chapters, four very broadband diode mixers are presented that are hybrid integrated and have a housing. These mixers are extensively discussed in terms of circuit configuration, operating mode and achieved results. Initially, a new planar Marchand balun with integrated middle tap is presented. This balun features a relative bandwidth of about 70%. The presented balun bridges a gap in the millimeter wave range because its exhibits a middle tap which is very useful for double-balanced mixers. A ring mixer is presented that uses the above mentioned balun. This ring mixer covers the entire frequency range from 35 to 83 GHz with a mean conversion loss of 10 dB for a fixed, low intermediate frequency of 500 MHz. Hence, its operation frequency range exceeds an octave of bandwidth. Another version of this mixer allows for higher intermediate frequencies up to 25 GHz. The presented Marchand ring mixer shifts the upper limit for broadband, planar double-balanced diode mixers towards 83 GHz. Furthermore, a single-balanced mixer in finline technique is presented that covers the wide frequency range from 40 to 70 GHz. Connected to the mixer is a LO-IF diplexer that enables to use intermediate frequencies between 0 and 30 GHz and LO frequencies from 34 to 70 GHz. For an IF of 4 and 8 GHz, the conversion loss averages 6 dB and is at most 8 dB. Furthermore, a novel single-balanced harmonic mixer with waveguide input port is presented. This mixer does not need any transmission-line based filters to separate LO and input signals. The mixer uses the seventh harmonic of the LO signal and a fixed IF of 750 MHz. It covers the entire W-band from 75 to 110 GHz with a mean conversion loss of only 19 dB. Ultimately, we present a novel, passive ring mixer with an innovative circuit configuration and a multidecade bandwidth. This ring mixer operates in the enormously wide frequency range from 500 MHz to 119 GHz using both, fundamental and third harmonic mixing, with a low IF of 20 MHz. Among the up to now published multioctave and multidecade mixers, the ring mixer presented here has the highest upper frequency limit: 119 GHz. For this reason and because of its sophisticated circuit configuration which is satisfied with passive components only, this mixer sets new standards in its category. All the presented mixers are fix-tuned and can be fabricated in a low-cost, hybrid technique. Only commercially available components are necessary. The novel circuit concepts for broadband mixers which are presented in this work are predestined for the use in measurement systems as well as in other wide-band applications. The same holds true for the other presented mixer circuits which are known from lower frequency regions and which have been adjusted to the demands of the millimeter wave range in the context of this work. Thus, this work makes an important contribution to the opening up of the millimeter wave range.

Abstract

In dieser Arbeit werden neuartige Konzepte für extrem breitbandige Diodenmischer bis hinauf zu 120 GHz vorgestellt; ihre exzellente Tauglichkeit wird anhand von aufgebauten Mischerschaltungen nachgewiesen. Darüber hinaus werden aus tieferen Frequenzlagen bekannte Mischerkonzepte an die Anforderungen des Millimeterwellenbereiches angepasst und auf diese Weise sehr gut funktionierende Breitbandmischer verwirklicht. Zunächst werden Eintakt-, Gegentakt- und Doppelgegentaktmischer bezüglich der Mischung an einer nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinie sehr ausführlich analysiert. In diesem Zusammenhang wird für die Mischung an einer realen Diodenkennlinie einschließlich Bahnwiderstand der Mischverlust in Abhängigkeit der Aussteuerung durch das Lokaloszillatorsignal hergeleitet. Auf dieser Grundlage werden – in späteren Kapiteln – die vom Lokaloszillatorpegel abhängigen Schwankungen des Mischverlustes, die bei Oberwellenmischern auftreten, plausibel erklärt. Außerdem wird der optimale Arbeitspunkt einer Mischerdiode, die mit einer Vorspannung beaufschlagt und mit einem Lokaloszillatorsignal kleiner Amplitude gespeist wird, abgeleitet. Anschließend wird auf die für Gegentakt- und Doppelgegentaktmischer erforderlichen Symmetrierglieder eingegangen; der Schwerpunkt liegt hierbei auf planaren Symmetriergliedern, die sehr breitbandig und im Millimeterwellenbereich einsetzbar sind. Für den Entwurf von breitbandigen planaren Marchand-Baluns werden praxistaugliche Richtlinien ausgearbeitet. Im weiteren Verlauf werden vier sehr breitbandige, gehäuste Diodenmischer in hybrid integrierter Bauweise präsentiert und hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer Funktionsweise und der erzielten Ergebnisse umfassend diskutiert. Zunächst wird ein neuartiger, planarer Marchand-Balun mit integriertem Mittelabgriff vorgestellt, welcher eine relative Bandbreite von etwa 70% besitzt. Somit steht nun auch im Millimeterwellenbereich ein sehr breitbandiges Symmetrierglied mit Mittelanzapfung zur Verfügung. Ein unter Verwendung dieses Marchand-Baluns aufgebauter Ringmischer wird präsentiert, der bei einer festen, niedrigen Zwischenfrequenz von 500 MHz den gesamten Frequenzbereich von 35 bis 83 GHz mit einem Mischverlust von im Mittel 10 dB abdeckt, also eine Bandbreite von mehr als einer Oktave überstreicht. Eine andere Mischervariante ermöglicht auch höhere Zwischenfrequenzen von bis zu 25 GHz. Mit dem Marchand-Ringmischer wird die obere Grenze für breitbandige, planare Doppelgegentaktdiodenmischer mit passiven Symmetriergliedern auf 83 GHz heraufgesetzt. Des Weiteren wird ein Gegentaktmischer in Flossenleitungstechnik vorgestellt, der HF-seitig den weiten Frequenzbereich von 40 bis 70 GHz abdeckt, während die vorgeschaltete LO-ZF-Frequenzweiche ZF-Signale im Bereich von 0 bis 30 GHz und LO-Signale zwischen 34 und 70 GHz erlaubt. Für die Zwischenfrequenzen 4 und 8 GHz beträgt der Mischverlust im Mittel nur 6 dB, höchstens jedoch 8 dB. Weiterhin wird ein neuartiger Oberwellengegentaktmischer mit HF-seitigem Hohlleitereingang präsentiert, der aufgrund seines durchdachten Schaltungskonzeptes keinerlei leitungsbasierte Filter zur Trennung von LO- und HF-Signal benötigt. Der Oberwellengegentaktmischer deckt bei Mischung auf der siebten Harmonischen des LO-Signals und bei einer festen Zwischenfrequenz von 750 MHz HF-seitig das gesamte W-Band von 75 bis 110 GHz mit einem Mischverlust von im Mittel nur 19 dB ab. Schließlich wird ein neuartiger, passiver Multidekadenringmischer mit einem innovativen Schaltungskonzept vorgestellt, der bei einer niedrigen Zwischenfrequenz von 20 MHz durch eine Kombination von Grund- und Oberwellenmischung HF-seitig den enorm weiten Frequenzbereich von 500 MHz bis 119 GHz bedient und damit eine mehrere Dekaden umfassende Bandbreite aufweist. Unter den bisher weltweit veröffentlichten Multioktav- und Multidekadenmischern ist der hier präsentierte Multidekadenringmischer derjenige, der – mit 119 GHz – die höchste obere Betriebsfrequenz besitzt; dadurch und auch wegen seines ausgeklügelten Schaltungskonzeptes, das sich lediglich mit passiven Bauelementen begnügt, setzt dieser Mischer in seiner Klasse neue Maßstäbe. Alle vorgestellten Mischer sind fest abgestimmt und können in einer kostengünstigen, hybriden Bauweise gefertigt werden, wozu ausschließlich kommerziell verfügbare Bauteile benötigt werden. Die neuartigen Schaltungskonzepte für Breitbandmischer, die in diesem Werk vorgestellt werden, empfehlen sich für die Umsetzung in Messgeräten, aber auch in anderen breitbandigen Anwendungen. Gleiches gilt für die darüber hinaus präsentierten, breitbandigen Mischerschaltungen, die aus tieferen Frequenzlagen bekannt sind und die im Rahmen dieser Arbeit an die Anforderungen des Millimeterwellenbereiches angepasst wurden. Damit leistet diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Erschließung des Millimeterwellenbereiches.

DOI
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