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Mikrowellenoszillator bzw. Verstärker
Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellenoszillator bzw. Verstärker, bei dem ein die
Schwingung erzeugender bzw. verstärkender aktiver Festkörper, in dem ein elektrisches Potentialgefälle wirksam ist, mit dem Mikrowellenfeld im Inneren eines Hohlleiters, insbesondere Hohlraumresonators, in Wechselwirkung steht.
Bekannte Einrichtungen der oben erwähnten Art weisen z. B. eine sogenannte GUNN-Diode auf, die im Inneren eines Hohlleiters angeordnet ist und an die eine elektrische Spannung angelegt wird ; durch die speziellen Eigenschaften dieser Diode treten an ihr eine Entdämpfung der
Mikrowellenstrahlung oder selbständige Mikrowellenschwingungen auf. Während der sogenannte
GUNN-Effekt bis jetzt hauptsächlich im Galliumarsenid und Indiumphosphid nachgewiesen werden konnte, sind auch im Indiumantimonid allerdings inkohärente Mikrowellenschwingungen beobachtet worden, die unter dem Einfluss eines auf den aktiven Festkörper wirkenden elektrischen und gegebenenfalls auch eines von aussen angelegten Magnetfeldes zustande kamen.
Auch bei dieser von
Larrabee angegebenen Beobachtung sowie bei der Mikrowellenerzeugung mittels der sogenannten
Read-Diode handelt es sich um Anordnungen des aktiven Festkörpers im Inneren von Mikrowellen-Hohlräumen.
Aus Gründen der Einfachheit ist meist eine Stromzuführung zum aktiven Festkörper mit der metallischen Wand des Hohlraumes direkt verbunden, aber es verläuft zumindest die andere Stromzuführung im Inneren des Hohlraumes. Der aktive Festkörper ist in allen oben angeführten Fällen hauptsächlich mit dem elektrischen Wechselfeld des Hohlrauminneren verkoppelt. Diese Anordnung bewirkt eine um so grössere Störung des elektromagnetischen Mikrowellenfeldes und die relative Wechselwirkung zwischen den im aktiven Festkörper die Mikrowellenschwingung erzeugenden bzw. verstärkenden bewegten Ladungsträgern wird um so geringer, je niederohmiger der aktive Festkörper ist und je mehr sich seine geometrischen Abmessungen der Mikrowellenlänge nähern.
Die Anordnung des aktiven Festkörpers in einer Aussparung der Wand des Resonators ermöglicht die Verwendung niederohmiger Festkörper, die jedoch klein gegen die Mikrowellenlänge sein müssen. Es lässt sich so eine verhältnismässig grosse Kopplung und eine einfache mechanische Handhabung der Anordnung erzielen. Die Anpassung des Festkörpers an das magnetische Mikrowellenfeld ist hier um so besser, je mehr seine Leitfähigkeit sich der metallischen nähert. Es muss jedoch eine galvanische Trennung mindestens zwischen einer Stromzuführungselektrode des Festkörpers und der Hohlraumwand vorgesehen werden. Bei beliebiger Anordnung der elektrisch isolierenden Trennschicht kommt es dort zu einer starken Abstrahlung der Mikrowellenenergie, d. h. die Trennschicht wirkt als Schlitzantenne.
Auch grossflächige niederohmige Halbleiter können nicht verwendet werden, da die vorzusehende lange Trennschicht die Feldkonfiguration im Hohlraum verändert.
Die erfindungsgemässe Anordnung des in einer Aussparung einer Hohlraumwand angebrachten aktiven Festkörpers ermöglicht die Verwendung verhältnismässig grossflächiger und niederohmiger Festkörper und ist dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige Trennschicht zwischen aktivem Festkörper bzw. seiner Zuführungselektrode und Hohlraumwand, entlang von Wandstromlinien geführt ist, die der angeregten Eigenschwingung des Resonators entsprechen. So kann es zu keiner Abstrahlung
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kommen und auch die Feldkonfiguration wird durch grossflächige niederohmige Halbleiter nicht gestört.
Wirkt ein Magnetfeld auf den elektrisch gut leitenden Festkörper, so kommt es in ihm zur
Ausbreitung von Helicon-bzw. Alfenwellen, die selbst ein Vielfaches der Eindringtiefe durchdringen können, wie es z. B. in der Literaturstelle Proc. 7. Internat. Conf. Physics Semiconductors, Paris 1964,
Dunod edit., S. 1345/1356 "Report on the Symposium on Plasma Effects in Solids" beschrieben wurde.
Eine Kopplung dieser Wellen mit in bestimmter Art bewegten Ladungsträgern bringt ein räumliches Anwachsen der Wellenamplitude mit sich. Wird eine koaxiale Anordnung von Ein- und Auskopplungsöffnung dieser Wellen vorgegeben und ist eine radiale Komponente des elektrischen Potentialgefälles vorhanden, so kommt es in Verbindung mit dem axial wirkenden Magnetfeld zu Spiralbahnen der driftenden Ladungsträger, die eine besonders gute Energieabgabe an die Heliconwelle ermöglichen.
Eine zweite Auswirkung des Magnetfeldes ist der sogenannte transversale Durchbruch in Festkörpern, in denen die Beweglichkeit so gross ist, dass das Produkt aus Ladungsträgerbeweglichkeit und magnetischer Induktion wesentlich grösser als --1-- ist. Es können auf diese Weise in einer Richtung, die normal auf die Richtung des von aussen angelegten Magnetfeldes und gleichzeitig normal auf die Richtung des von aussen angelegten elektrischen Feldes steht, sehr grosse elektrische Feldstärken erzielt werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt : Fig. 1 eine bekannte Anordnung zur Verstärkung bzw. Erzeugung von Mikrowellen ; Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Anordnung zur Verstärkung bzw. Erzeugung von Mikrowellen ; Fig. 3 eine zweite Ausführung des Erfindungsgegenstandes und Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung einer Anordnung nach Fig. 3, bei welcher ein Magnet zur Durchflutung des aktiven Festkörpers vorgesehen ist. Nötigenfalls ist dieser Magnet auch bei Anordnungen nach Fig. 2 und 3 vorzusehen.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besitzt einen Hohlleiter --1--, in dem ein aktiver Halbleiter --2-- eingebracht ist, der über die Elektroden --3-- mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird und z. B. als GUNN-Diode ausgebildet ist. Eine der Zuführungselektroden kann auf der metallischen Hohlleiterwand aufliegen und fest mit ihr verbunden sein.
Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung besteht aus einem Mikrowellen-Hohlraum-4-, der mit
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--6-- vomMikrowellenresonatoren-10 und 11-mit bekannten Kopplungen zwischen denen ein aktiver Festkörper --12-- angebracht ist. Die elektrische Spannung wird zwischen die Kontakte --13 und 14--angelegt, wobei der Kontakt --14-- galvanisch vom Resonator--10--durch die Isolationsfolie --16-- getrennt ist. Eine übliche Verkopplung zwischen den beiden Resonatoren ist in - -17-- angedeutet. Der aktive Festkörper --12-- ist mit den beiden Hohlräumen-10 und 11-- direkt durch die grossflächigen Öffnungen in deren Wand verkoppelt.
In Fig. 4 sind die zwei Resonatoren-18 und 19-koaxial angeordnet und der aktive Festkörper-20-mit den Kontakten-21 und 22-derart versehen, dass unter dem Einfluss eines an diese Kontakte angelegten elektrischen Feldes eine radiale Komponente der Driftbewegung zustande kommt. über die bekannten Kopplungen --23-- stehen die Resonatoren mit äusseren Mikrowellenschaltelementen in Verbindung. Die beiden Polschuhe-24 und 25-eines vorgesehenen Magneten bewirken eine Durchflutung des Festkörpers. Gegebenenfalls sind zur Erzeugung eines Verstärkungs- bzw. Oszillationseffektes Magnete mit Polschuhen--24 und 25--auch in Anordnungen, wie sie in Fig. 2 und 3 skizziert sind, vorzusehen.
Aus Gründen der zeichnerischen Darstellung sind in den Fig. 2 bis 4 die aktiven Festkörper - -7, 12, 20-- räumlich weiter getrennt, als es den tatsächlich vorliegenden Verhältnissen entspricht. In den realisierbaren Anordnungen schliessen die aktiven Festkörper fast glatt mit den Wänden der jeweiligen Hohlräume ab, die Kontakte--12, 14 bzw. 21, 22-- sind wesentlich schmäler und die dünnen Isolationsfolien--9 bzw. 16-- liegen plan auf den Hohlraumwänden und aktiven Festkörpern auf, bzw. können dort fehlen, wo es der Erzielung eines elektrischen Potentialgefälles nicht hinderlich ist.