DE1060925B - Mikrowellenmodulator - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Mikrowellenmodulatoren.

Die Absorption von Mikrowellenstrahlung (d. h. Strahlungen bzw. stehenden Wellen zwischen 10 000 und IOOOOO Megahertz) durch Germanium, welches sich in der Strahlungsbahn befindet, nimmt in dem Maß ab, wie das elektrische Feld im Germanium zunimmt. DieElektronen-Driftgeschwindigkei t, beispielsweise bei N-Typ Germanium, vergrößert sich, wenn das elektrische Feld im Germanium von unteren Werten her zunimmt; sie sucht jedoch bei hohen Werten eines elektrischen Feldes einen Sättigungswert anzunehmen. Somit ändert sich die Mikrowellenabsorption, welche proportional dem Verhältnis ist, mit welchem die Abtriebsgeschwindigkeit bei stärker werdendem elektrischem Feld zunimmt, von einem hohen Wert zu einem sehr niedrigen Wert, wenn das elektrische'Feld einen hohen Wert annimmt. Ähnliche Auswirkungen werden bei Silizium beobachtet.

Falls, jedoch ein Versuch gemacht wird, von dieser Eigenschaft Gebrauch zu machen, um einen praktisch verwendbaren Mikrowellenmodulator zu schaffen, und zwar dadurch, daß ein Körper aus Halbleitermaterial in einem Mikrowellenstrahlungsfeld so angeordnet wird, daß die Richtung des Ε-Vektors des Feldes mit der Richtung eines elektrischen Feldes, welches nach dem Körper als ein Modulationssignal übermittelt wird, übereinstimmt, dann muß festgestellt werden, daß ein unerwünscht hohes Potential erforderlich ist, um das elektrische Feld aufzubauen; und' außerdem kann, selbst wenn das elektrische Feld als ein Impulssignal übermittelt wird, dies leicht ein Überhitzen des Körpers auf Grund des Stromes, den er führt; zur Folge haben.

Zweck der Erfindung ist daher die Schaffung einer verbesserten Konstruktion eins Mikrowellenmodulalators derjenigen Gattung, bei welcher man sich die Absorptionsänderung eines Halbleitermaterials, wenn das ihm aufgeprägte elektrische Feld verändert wird, zunutze macht.

Erfindungsgemäß setzt sich ein Mikrowellenmodulator zusammen aus einem Hohlleiter für das Weiterleiten der Mikrowellenstrahlung, deren E-Vektor quer zur Fortpflanzungsrichtung verläuft, wobei der Hohlleiter einen Abschnitt von geringerer Abmessung aufweist, bei welchem die verkleinerte Kante in der Querschnittfläohe in Richtung des Ε-Vektors liegt, aus einem Körper aus Halbleitermaterial der einen Leitfähigkeitstype, welcher sich in Richtung des Ε-Vektors über den Abschnitt hinweg erstreckt und durch eine galvanische Verbindung mit der einen Wand des Hohlleiters verbunden ist, wobei der Körper mit der gegenüberliegenden Wand nicht in elektrischer Verbindung steht. . Ein elektrisches Feld, welches Mikrowellenmodulator

Anmelder:
National Research Development
Corporation,
London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt-,
Siegen (Westf.); Oranienstr. 14

Beanspruclite Priorität:
Großbritannien vom 18. März 1957

Alan Frank Gibson und James William Granville,
Malvern, Worcestershire (Großbritannien),
sind als Erfinder- genannt worden

zwischen der oberen Seite" des Halbleiterkörpers und der gegenüberliegenden unteren Seite des Hohlleiters angelegt wird und in Richtung des Ε-Vektors verläuft, ruft im Betrieb bei seiner Veränderung eine entsprechende Beeinflussung der sich' entlang der Wellenführung fortpflanzenden Mikrowellenstrahlung hervor.

Zweckmäßigerweise weist der Hohlleiter einen rechteckigen Querschnitt auf/und der Halbleiterkörper erstreckt sich in einen Schlitz hinein, welcher in die gegenüberliegende Wand ■ der Wellenführung eingeschnitten ist, "wobei er gegen die Seiten bzw. Kanten des Schlitzes isoliert ist.

Vorzugsweise wird der zweite Ohmsche Kontalct dadurch nicht injizierend hergestellt, daß eine Zone eines Materials mit erhöhter Leitfähigkeit am Kontakt vorgesehen ist, dies hat beispielsweise einen NN+-Übergang für einen N-Typ Germaniumkocper zur Folge.

Ein erfindungsgemäßer Mikrowellenmodulator soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, deren einzige Figur eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Mikröwellenmodulators zeigt.

In der Zeichnung ist ein metallischer Hc^jIilleiter 1, entlang dessen sich eine Mikröwellehstrahlung im H₀₁-Modus in einer Richtung A fortpflanzt, mit einem Abschnitt 2 versehen, der in der Richtung des E-Vektors der Mikrowellenstrahlung ' einen verringerten Querschnitt aufweist. Die Querabmessung B der

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Claims (7)

Wellenführung 1 ist relativ zur Wellenlänge der sich entlang der Führung fortpflanzenden Strahlung gewählt. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Wellenlänge 8 mm, und die verringerte Abmessung der Wellenführung 1 ist zweckmäßigerweise mit 20 mils (0,508 mm) gewählt. Ein Plättchen 3 vom N-Typ Germanium und 5 O'hm/cm Widerstand ist an der unteren Wand 4 der Wellenführung 1 festgelötet und erstreckt sich über den Abschnitt mit geringerem Querschnitt. Das Plätteben 3 erstreckt sich in einen Schlitz 5 in der oberen Wand 6 des Abschnittes 2 mit geringerem Querschnitt hinein und ist gegen diesen isoliert. Typisoherweise hat das Plättchen 3 eine Wandstärke von IObis 15 mils (0,254 bis 0,431 mm), und es erstreckt sich etwa 6 mm in Richtung A der Fortpflanzung entlang der Führung 1. Die Effektivhöhe des Plättchens 3 von der unteren Wand 4 ist ungefähr gleich der Abmessung des Abschnittes 2 mit geringerem Querschnitt. Die obere Schicht 7 des Plättchens 3 ist als eine Zone erhöhter Leitfähigkeit (N+) ausgebildet, und nach diesem Bereich stellt eine Lötverbindung 8 eine Verbindung mit der Verbindungsader 9 her. Zwischen den Kanten des Schlitzes 5 und des Plättchens 3 ist ein Zwischenraum IOj welcher mit einem Isolierstoff (nicht dargestellt) gefüllt ist; ein festes Dielektrikum, beispielsweise Glimmer, hat den Vorteil, daß es zur Befestigung des Plättchens 3 innerhalb des Schlitzes 5 beiträgt und daß es ermöglicht, daß der Schlitz ziemlich eng bzw. schmal hergestellt werden kann. Bei Betrieb pflanzt sich die Mikrowellenstrahlung von 8 mm Wellenlänge entlang der Wellenführung 1 in Richtung A fort, wobei der Abschnitt 2 mit geringerem Querschnitt keine übermäßige Dämpfungszunahme hervorruft. Die Wellenführung 1 ist so ausgebildet, daß sie an Erde als ein Bezugspotential angeschlossen wird, und dies ist symbolisch rechts von der Wellenführung 1 angedeutet; die Verbindungsader 9 ist an eine geerdete ModulationssignalqueHe 11 angeschlossen, welche in der Zeichnung sinnbildlich wiedergegeben ist. Wenn die Modulationssignalquelle 11 Impulse nach dem Germaniumplättchen 3 übermittelt, befindet sich das im Germaniumplättchen 3 aufgebaute elektrische Feld1 parallel zum E-Vektor der Mikrowellenstrahlung in der Wdlenfuihrung 1. Das elektrische Feld1 im Plättchen 3 ändert sich daher in Übereinstimmung mit dem von der Lieferquelle her kommenden Modulationssignal; dies führt zu einem Wechsel der Elektronenabtriebsgeschwindigkeit im Plättchen 3 und somit zu einer Absorption der Mikrowelle. Die in Richtung A vom verringerten Abschnitt 2 verlaufende Mikrowellenstrahlung wird dadurch in Übereinstimmung mit dem Modulationssignal in der Amplitude moduliert. Typischerweise verringert ein ModtUlationssignal mit einer Amplitude von 200 Volt die Dämpfung der Mikrowellenstrahlung in der Wellenführung 1 auf im wesentlichen Null. Dieser relativ niedrige Spannungswert wird erhalten, da der wirksame Teil des Plättchens 3, entlang welchem das elektrische Feld aufgebaut wird, klein gehalten ist (20 mils = 0,508 mm). Das Plättchen 3 wird auf Grund seiner Lötverbindung mit der unteren Wand14 der Wellenführung 1 in wirksamer Weise gekühlt, wenn das ModlUlatianssignal übermittelt wird, wobei die Wand 4 der Wellenführung 1 als eine wirksame Wärmeableitungsvorrichtung dient. Darüber hinaus wird durch das Löten des Plättchens 3 an die untere Wand 4 vermieden, daß beide Enden des Plättchens 3 isoliert werden müssen; es ist jetzt lediglich notwendig, sicherzustellen, daß ' das Plättchen 3 keine elektrische Verbindung bzw. Berührung mit den Seiten des Schlitzes 5 eingeht. Reflexionen vom Plättchen 3 scheinen sich nicht ernsthaft auszuwirken, die Auswirkung derartiger Reflexionen kann jedoch dadurch in einem großen Ausmaß verringert werden, daß übliche Anpassungsmittel verwendet werden, beispielsweise geeignete einstellbare Ansätze vor und hinter dem Plättchen 3 in der Fortpflanzungsriohtung A. Falls es notwendig wird, die Strahlung durch den Zwischenraum 10 des Schlitzes 5 hindurch zu verringern, können geeignete Drosselaufbauten bzw. -einrichtungen zusätzlich vorgesehen werden. Es ist möglich, daß die Belastbarkeit eines Modulators durch die Verwendung von Kühlrippen, welche an der unteren Wand 4 der Wellenführung 1 befestigt sind, oder durch die Verwendung eines flüssigen Dielektrikums in der Wellenfimrung 1, und zwar rund um das Plättchen 3 herum, verbessert werden kann. Silikonöl oder TetraaUorkohlenstoff können sich als ein gut geeignetes flüssiges Dielektrikum erweisen, wobei die Kühlung dadurch erreicht wird, daß ein kleiner, mit natürlichem Kreislauf arbeitender Kühlradiator oder geeignete Dielektrikumskreislaufmittel vorgesehen werden. Der einen geringeren Querschnitt aufweisende Abschnitt 2 der Wellenführung rund um das Plättchen 3 herum kann durch dielektrische Zwischenwände abgedichtet und das flüssige Dielektrikum in das Innere dieses Abschnittes hinein oder aus diesem heraus durch Verbindungen geführt werden, welche aus kleinen Löchern in der unteren und oberen Wand der Wellenführung bestehen können. Ein wie vorstehend beschriebener Mikrowellenmodulator weist eine kurze Einschwingzeit auf, welche im Idealfall eine Größenordnung von 10—12 Sekunden hat, und dieser Modulator kann daher als Kurzimpulsoder Breitbandmodulator der Mikrowellenstrahlung verwendet werden. Patentansprüche;

1. Mikrowellenmodulator, bestehend aus einem Hohlleiter für die Fortpflanzung der Mikrowellen-Strahlung, deren E-Vektor quer zur Wellenführung verläuft und aus einem Körper aus Halbleitermaterial der einen Leitfähigkeitstype, welcher galvanische Endverbindungen aufweist, über welche eine Modulationssignalquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Wellenführung, welcher den Halbleiterkörper trägt, in Richtung des Ε-Vektors eine geringere Abmessung aufweist, daß sich der Halbleiterkörper über die Wellenführung in Richtung des E-Vektors erstreckt, daß eine Zuleitung zum Halbleiterkörper dadurch hergestellt wird, daß der Körper an der Wand der Wellenführung befestigt wird, während die zweite Zuleitung auf der gegenüberliegenden Seite auf dem Halbleiterkörper selbst befestigt ist, und daß auf dieser Seite keine elektrische Verbindung des Halbleiterkörpers mit dem Hohlleiter besteht.

2. Mikrowellenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ein Plättchen aufweist, welches parallele ebene Flächen hat, die sich zwischen den Endverbindungen erstrecken und so ausgerichtet sind, daß die Oberflächen in Fortpflanzungsrichtung in der Wellenführung. verlaufen.

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3. Mikrowellenmodtilator nach Ansp ruchl oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper sich an seiner zweiten Endverbindung in eine öffnung hinein erstreckt, welche in die gegenüberliegende Wand des Hohlleiters eingeschnitten ist, und daß der Halbleiterkörper dabei keinen elektrischen Kontakt mit dieser Wand eingeht.

4. Mikrowellenmodulator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Endverbindung an einen Bereich des Halbleiterkörpers von erhöhter Leitfähigkeit angeschlossen ist.

5. Mikrowellenmodulator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel für den Um-

lauf eines dielektrischen Kühlmittels rund um den Halbleiterkörper herum vorgesehen sind.

6. Mikrowellenmodulator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel eine thermische Verbindung zur Außenseite der Wellenführung herstellt, und zwar dort, wo der Halbleiterkörper an der Innenseite befestigt ist.

7. Mikrowellenmodulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen nach dien gegenüberliegenden Wänden der Wellenführung hergestellt werden, welche quer zur Richtung des E-Velctors verlaufen, um das flüssige Dielektrikum zwischen dem Hohlleiter und einem KühlradiatoT zu führen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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