AT391231B - Uhf-rueckkopplungsoszillator - Google Patents

Description

Nr. 391 231

Die Erfindung betrifft einen UHF-Rückkopplungsoszillator für einen Frequenzbereich von mindestens 300 MHz bis 1000 MHz mit einer Verstärkerstufe, einem spannungsgesteuerten Abstimmfilter und einem Rückkopplungsvierpol.

Oszillatoren der oben genannten Art bestehen aus einer Verstärkerstufe mit dem Verstärkungsfaktor v und der 5 Phasenverschiebung (py, aus einem spannungsgesteuerten Abstimmfilter mit der Dämpfung k und dem Phasengang (p^ sowie einem im Rückkopplungsweg angeordneten Phasenschieber mit dem Amplitudengang m und der Phasenverschiebung cpg. Damit eine solche Schaltungsanordnung als Oszillator arbeitet, muß die zum

Oszillatoreingang rückgeführte Spannung mit der Eingangsspannung im Betrag und in der Phase übereinstimmen, bzw. die folgende Bedingung erfüllen: 10 v.k.m. = 1 φν + φΝ + φ<; = η.π (η = 0,2,4 usw.)

Ein mit einem Rückkopplungsvierpol ausgestalteter Rückkopplungsoszillator ist aus der DE-OS 33 05 453 bekannt. Dieser Oszillator enthält im Rückkopplungsweg eine Oberflächenwellenleitung mit einem der 15 vorgesehenen Oszillatorfrequenz entsprechenden Durchlaßbereich und einen 3 dB-90° Koppler. Der besondere Einsatz eines solchen Oszillators erfolgt bei der Übertragung digitaler Signale mit Übertragungsgeschwindigkeiten von über 100 Mbit/s.

Auf Grund des gegebenen Schaltungsaufbaus erzeugt dieser Oszillator ein rechteckiges Taktsignal bis zu einer Frequenz von maximal 500 MHz, wobei die mögliche Frequenzabstimmung in einem Bereich um ± 100 KHz 20 liegt. Der Platzbedarf ist abhängig von der Größe der Oberflächenwellenleitung (SAW-Vierpol), der einige cm^

Fläche besitzt. Außerdem ist der Kostenaufwand für einen solchen Oszillator sehr hoch, weil SAW-Vierpole teuer sind.

Eine weitere Ausführungsart für einen Rückkopplungsoszillator ist in der DE-AS 22 45 476 beschrieben. Auch dieser Oszillator ist für die Anwendung als Taktoszillator in Datenverarbeitungseinrichtungen vorgesehen, 25 dessen Arbeitsfrequenz bis zu 100 MHz betragen kann. Zur Mitkopplung zwischen den aus Logikbausteinen aufgebauten Oszillator werden Bandpässe verwendet. Die Schwingungsfrequenz wird entweder durch LC-Kreise oder mittels eines Schwingquarzes bestimmt.

Die allgemein bekannteste und gebräuchlichste Art zur Erzeugung höchstfrequenter Schwingungen im Frequenzbereich oberhalb von 300 MHz erfolgt mit einer Schaltungsanordnung nach Colpitt, bei der als 30 frequenzbestimmender Teil ein rückgekoppelter LC-Schwingkreis verwendet wird. Die Frequenzabstimmung erfolgt durch Veränderung der Induktivität oder der Kapazität, aber auch gleichzeitig beider Reaktanzen, wenn Betriebsfrequenzen um 900 MHz verlangt werden. Die Güte eines solchen Oszillators ist meist noch relativ hoch, dafür aber der durchstimmbare Frequenzbereich sehr schmal, der bei etwa ± 35 % liegt. Der geometrische Aufbau dieses Oszillators erfordert einen großen Platzbedarf zufolge der naturgegebenen Größe der einzelnen 35 elektronischen Bauteile. Die Oszillatorausführung nach Colpitt ist im Taschenbuch der Hochfrequenztechnik von H. Meinke und F. W. Gundlach, Springer Verlag, 1956, auf den Seiten 1318 und 1319 beschrieben.

Der besondere Nachteil der bekannten UHF-Rückkopplungsoszillatoren liegt vor allem darin, daß deren Durchstimmbarkeit in einem nur verhältnismäßig schmalen Frequenzbereich möglich ist und eine Miniaturisierung aufgrund der Größe der Bauteile nicht durchgeführt werden kann. 40 Für den UHF-Bereich von etwa 4 bis 22 GHz ist ein Oszillator aus der US-PS 4,630.002 mit einem gyromagnetischen Resonator bekannt. Ein solcher Resonator beruht auf dem aus der Eigendrehung der Elektronen entstehenden magnetischen Moment, wobei eine Wechselbeziehung zwischen Materie und elektromagnetischem Feld nur in jenen Frequenzbereichen erfolgen kann, deren Energie ausreichend stark genug dazu ist. Solche Frequenzbereiche liegen im Gigaheizbereich. 45 Ausgehend vom Stand der Technik setzt sich die vorliegende Erfindung zum Ziel, einen UHF-Oszillator zu schaffen, der sowohl einer Miniaturisierung zuführbar als auch in einem sehr breitbandigen Frequenzbereich zwischen etwa 300 MHz und 1000 MHz einfach auf seine Schwingbedingung einstellbar ist, wobei die Realisierung mit einfachsten Mitteln möglich ist.

Erfindungsgemäß besteht die Lösung bei einem eingangs genannten Rückkopplungsoszillator darin, daß der 50 Rückkopplungsvierpol aus einem zwei- oder dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonator besteht.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des UHF-Rückkopplungsoszillators besteht nun darin, daß mit dem Ausgang der Verstärkerstufe der Eingangsanschluß eines spannungsgesteuerten Abstimmfilters verbunden ist, dessen Ausgang auf den Eingang eines resistiven Auskopplungsnetzwerkes führt, dessen einer von zwei Ausgängen auf den Eingang des zwei- oder dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonators führt und der Ausgang 55 dieses Resonatorfilters mit dem Eingang der Verstärkerstufe verbunden ist. Eine solche Schaltungsanordnung bildet die denkbar einfachste Anordnung für einen Rückkopplungsoszillator mit Rückkopplungsvierpol und gestattet das vom Oszillator erzeugte elektrische Signal zur weiteren Verwendung am Ausgang des resistiven Auskopplungsnetzweikes abzunehmen.

Der frequenzbestimmende Teil des erfindungsgemäßen Oszillators wird von dem zwei- oder dreikreisigen 60 Wendel-Hohlleiter-Resonator gebildet, der im Rückkopplungsweg die jeweils für die verlangte Arbeitsfrequenz -2-

Nr. 391 231 erforderliche Einstellung der Phasenbedingung herbeifUhrt. Aufgrund dieser Art von Schwingungserzeugung ist die Schwingungsfähigkeit des Oszillators in einem sehr großen Frequenzbereich von selbst gewährleistet, der für den praktisch vorliegenden Fall zwischen etwa 300 MHz und 1000 MHz liegt. Der Wendel-Hohlleiter-Resonator ist in seinen geometrischen Abmessungen so klein, daß er nahezu ausschließlich den für den Oszillator gesamten

Platzbedarf beansprucht, was einer Fläche von 1 bis 1,5 cm^ bei etwa 10 mm Höhe entspricht. Diese Abmaße entsprechen vollkommen der Miniaturisierung einer solchen Schaltungsanordnung. Verglichen mit der Baugröße eines mit einer Koaxialleitung oder einem SAW-Vierpol im Rückkopplungsweg aufgebauten HF-Oszillators bedeutet dies eine Verkleinerung auf das 5- bis 10-fache. Hinzu kommt, daß die zuletzt genannten Ausführungsformen immer nur in einem sehr schmalen Frequenzband von maximal ± 30 MHz durchstimmbar sind.

Wenn man in einem Rückkopplungsoszillator, der aus einem einstufigen Transistorverstärker in Emitterschaltung und aus einem Abstimmfilter als auch einem Anpassungsnetzwerk besteht, die Werte für die Gesamtphasendrehung der genannten Anordnung in Abhängigkeit von der Frequenz mißt, dann zeigt sich im Ergebnis, daß diese zwischen etwa +280° bei 400 MHz und etwa + 440 bei 1000 MHz liegen. Damit die zum Schwingungseinsatz erforderliche Phasendrehung von 0, 2π, 4π usw. der zum Oszillatoreingang über den Rückkopplungsweg zurückgeführten Spannung vorhanden ist, bedarf es eines von der jeweiligen Arbeitsfrequenz abhängigen phasendrehenden Rückkopplungsvierpols, der die Phase gerade um den richtigen Wert dreht Hiezu bildet der Wendel-Hohlleiter-Resonator mit den schon zuvor erwähnten Eigenschaften die effizienteste Lösung. Dank des unkomplizierten Aufbaues der Gesamtschaltung, des minimalen meßtechnischen Aufwandes, der dazu erforderlich ist, läßt sich ein solcher Oszillator in einer Serienfertigung bei hoher Qualität billigst hersteilen.

Die mit dem Wendel-Hohlleiter-Resonator innerhalb seines Durchlaßbereiches zu erzielende Phasendrehung beträgt je nach Anzahl der Filterkreise 0, 2π, 3π usw., wodurch innerhalb des Durchlaßbereiches stets eine Phasenlage des Filters zu finden ist, für die in Summe sich aus der Phasenverschiebung der Verstärkerstufe, des Abstimmfüters und des im Rückkopplungsweg sich befindenden Resonatorfilters eine Gesamtphasendrehung von 0, 2π, 4π usw. ergibt. In der praktischen Anwendung bedeutet dies, daß für den Frequenzbereich von etwa 300 MHz bis etwa 600 MHz und 600 MHz bis etwa 1000 MHz ein zweikreisiger Wendel-Hohlleiter-Resonator und für den gesamten Frequenzbereich von 300 MHz bis zu etwa 1000 MHz ein dreikreisiger Wendel-Hohlleiter-Resonator benötigt wird. Für die Verwendung eines Wendel-Hohlleiter-Resonators spricht noch ein weiterer Vorteil, der darin besteht, daß die Ein- und Ausgangsimpedanz des Wendel-Hohlleiter-Resonators entsprechend den Transistorparametem wählbar ist, wodurch allenfalls erforderliche Impedanzstufen entfallen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben u. zw. zeigen Fig. 1 das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen UHF-Oszillators, Fig. 2 den den Phasengang eines UHF-Oszillatorverstärkers, Fig. 3 in einem Diagramm den Mechanismus zur Einstellung der notwendigen Phasenbedingung und Fig. 4 eine praktisch ausgeführte Schaltung des erfmdungsgemäßen Oszillators.

Der mit dem Wendel-Hohlleiter-Resonator im Rückkopplungsweg versehene eifindungsgemäße UHF-Oszillator ist als Blockschaltbild in Fig. 1 gezeigt. Dabei stellt Block (1) den einstufigen, breitbandigen Transistorverstärker in Emitterschaltung dar, dessen Ausgang mit dem Eingang eines spannungsgesteuerten Abstimmfilters (2) verbunden ist. Mittels dieses Abstimmfilters erfolgt der Feinabgleich der gewünschten Resonanz- bzw. Oszillatorfrequenz und deren Konstanthaltung, nachdem die freie Schwingung durch Rückkopplung des Signals auf den Verstärkereingang über den im Rückkopplungsweg vorhandenen zwei- oder dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonator (4) eingesetzt hat. Zum Weiterrühren des Oszillatorsignals dient das Auskoppelglied (3), das aus einem einfachen Netzwerk aus Ohm' sehen Widerständen besteht

Im UHF-Bereich ist die Phasendrehung eines Transistorverstärkers in Abhängigkeit von der Frequenz nicht mehr konstant. Mit welchen Abweichungen eine solche Phasendrehung erfolgt, zeigt Fig. 2, in der die Phasenänderung mit der Frequenz im Bereich zwischen 400 und 1000 MHz dargestellt ist.

Der Mechanismus für die Einstellung der zum Einsetzen der Oszillatorschwingung notwendigen Phasenbedingung ist für einen dreikreisigen Resonator im Phasendiagramm der Fig. 3 gezeigt. Der Phasengang eines Wendel-Hohlleiter-Resonators in seinem Durchlaßbereich verläuft im steilen Abfall um maximal 2π. Somit ergibt sich zusammen mit der Phasenverschiebung des Oszillatorverstärkers und des Abstimmfilters immer ein eindeutiger Fangbereich, innerhalb dessen der Oszillator stabil schwingt. An jenen Stellen, wo die Phasenbedingung 0, 2π, 4π usw. erfüllt ist, stellt sich die Schwingungsfrequenz des gesamten Rückkopplungssystemes ein. Die Feinabstimmung für die tatsächlich gewünschte Oszillatorffequenz erfolgt mit den frequenz- und phasenbestimmenden Bauteilen des Abstimmfilters.

Ein Beispiel für die praktische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rückkopplungsoszillators ist in Fig. 4 dargestellt. Der Oszillatorverstärker besteht aus dem Transistor (T) in Emitterschaltung, der als einstufiger Breitbandverstärker im Frequenzbereich von 300 MHz bis 1000 MHz arbeitet. Die Induktivität (Lj) bildet hiebei den Arbeitswiderstand dieser Transistorverstärkerstufe. Daran schließt zur Impedanzanpassung an das resistive Auskopplungsglied, bestehend aus den Ohm'schen Widerständen (R^, R4 und Rg), die Induktivität (L2) am Ausgang der Verstärkerstufe an. Der Widerstand (Rg) führt auf den Eingang des im Rückkopplungsweg befindlichen dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonators (H) oder auch Helical-Filter benannt, dessen Ausgang -3-

Claims (3)

1. Nr. 391 231 an den Eingang des Abstimmfilters führt. Dieses ist als π-Glied aus der Induktivität (L4), den Kapazitäten (Cj, C2) und den Kapazitätsdioden (Dj) und (D2) ausgeführt. Der Ausgang dieses π-Gliedes ist mit dem Eingang der Transistorverstärkerstufe an der Basis des Transistors (T) verbunden. Das Oszillatorsignal wird am Widerstand (R3) zur weiteren Verwendung abgenommen. Die übrigen in der Zeichnung noch dargestellten Widerstände (R), Induktivität (L) und Kapazität (C) haben die Aufgabe, die einzelnen Funktionsabschnitte der Schaltungsanordnung gleichstromfrei aneinander zu koppeln bzw. die Ausfilterung störender Frequenzanteile in der Speisespannung vorzunehmen. PATENTANSPRÜCHE 1. UHF-Rückkopplungsoszillator für einen Frequenzbereich von mindestens 300 MHz bis 1000 MHz mit einer Verstärkerstufe, einem spannungsgesteuerten Abstimmfilter und einem Rückkopplungsvierpol, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungsvierpol aus einem zwei- oder dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonator (4) besteht.
2. 2. UHF-Rückkopplungsoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang der Verstärkerstufe (1) der Eingangsanschluß eines spannungsgesteuerten Abstimmfilters (2) verbunden ist, dessen Ausgang auf den Eingang eines resistiven Auskopplungsnetzwerkes (3) führt, dessen einer von zwei Ausgängen auf den Eingang des zwei- oder dreikreisigen Wendel-Hohlleiter-Resonators (4) führt und der Ausgang dieses Resonatorfilters mit dem Eingang der Verstärkerstufe (1) verbunden ist (Fig. 1). Hiezu
3. 3 Blatt Zeichnungen -4-