DE1201423B - Verstaerkende Tunneldioden-Mischstufe - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HO3d

Deutsche Kl.: 21 a4-24/01

Nummer: 1201423

Aktenzeichen: R 28354IX d/21 a4

Anmeldetag: 16. Juli 1960

Auslegetag: 23. September 1965

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verstärkende Mischstufe zum Erzeugen einer Zwischenfrequenzschwingung aus einer modulierten Hochfrequenzträgerschwingung und einer Oszillatorschwingung, mit einer Tunneldiode, die mit einer Vorsparinungsquelle verbunden ist, deren Innenwiderstand dem Betrag nach kleiner ist als der negative Widerstand der Tunneldiode.

Die Kennlinie einer Tunneldiode umfaßt bekanntlich einen fallenden Teil, der einem negativen Widerstand entspricht, so daß dieses Bauelement zur Verstärkung und Erzeugung elektrischer Schwingungen verwendet werden kann.

Es ist weiterhin bekannt, daß sich ein stabiler Arbeitspunkt im fallenden Teil der Kennlinie einer Tunneldiode nur dann einstellen läßt, wenn der zur Vorspannung verwendete Gleichspannungskreis einen kleineren Widerstand hat, als es dem Betrage des negativen Widerstandes der Tunneldiode im Arbeitspunkt entspricht. Bei einem selbstschwingenden Tunneldiodenkreis muß außerdem noch die Bedingung erfüllt sein, daß die Güte des an die Tunneldiode angeschlossenen Schwingkreises größer ist als

— =— für die Diode. Mit anderen Worten gesagt,

bedeutet diese bekannte Bedingung, daß der positive Resonanzwiderstand des einzigen Schwingkreises, der bei der bekannten Schaltungsanordnung vorhanden ist, kleiner sein muß als der absolute Betrag des negativen Widerstandes der Tunneldiode.

Es ist schließlich auch angeregt worden, Tunneldioden für selbstschwingende Mischstufen zu verwenden, wobei sich dann wegen des negativen Wderstandes der Tunneldiode eine Mischverstärkung ergeben soll. Nähere Einzelheiten, wie eine so ehe Mischstufe aufgebaut werden soll, sind jedoch nil ht bekanntgeworden.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß sich mehrere an ein und dieselbe Tunneldiode angekoppelte Schwingkreise gegenseitig nicht beeinflussen, sondern daß die obenerwähnte Bedingung für jeden einzelnen Schwingkreis für sich gilt, als ob die anderen Schwingkreise nicht vorhanden wären. Die Verhältnisse liegen also ganz anders als bei der Parallelschaltung von Widerständen u. dgl. Dies ermöglicht den Aufbau sehr einfacher und gleichzeitig elektrisch hervorragend verstärkender Mischstufen, da keines der Signale aperiodisch oder unter Verwendung komplizierter Kopplungsschaltungen zugeführt werden muß.

Eine verstärkende Mischstufe zum Erzeugen einer Zwischenfrequenzschwingung aus einer modulierten

Verstärkende Tunneldioden-Mischstufe

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

Kern Ko Nan Chang, Princeton, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 20. Juli 1959 (828 342) --

Hochfrequenzträgerschwingung und einer Oszillatorschwingung mit einer Tunneldiode, die mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, deren Innenwiderstand dem Betrag nach kleiner ist als der negative Widerstand der Tunneldiode, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mit der Tunneldiode je ein auf die Hochfrequenzschwingung, die Zwischenfrequenzschwingung und die Oszillatorschwingung abgestimmter Schwingkreis gekoppelt ist, von denen mindestens der Hochfrequenzschwingkreis und der Zwischenfrequenzschwingkreis die Bedingung erfüllen, daß ihr positiver Resonanzwiderstand kleiner ist als der absolute Betrag des negativen Widerstandes der Tunneldiode.

Wenn auch der Oszillatorkreis die angegebene Bedingung erfüllt, schwingt die Mischstufe nicht selbst, so daß dann der Oszillatorkreis mit einer getrennten Quelle für eine Oszillatorschwingung gekoppelt wird. Andererseits erhält man eine selbstschwingende Mischstufe, wenn der positive Resonanzwiderstand des Oszillatorkreises kleiner ist als der Betrag des negativen Widerstandes der Tunneldiode. Bezüglich weiterer Weiterbildungen und Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der malen Frequenzen betrieben werden soll, für höhere Erfindung an Hand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert; Frequenzen empfiehlt sich ein Anschluß niedriger es zeigt Impedanz.

F i g. 1 eine schematische Schnittansicht einer Tun- Eine so hergestellte Diode besitzt die folgenden

neldiode, die bei den Mischschaltungen gemäß der 5 Daten:
Erfindung Verwendung finden kann, Ή. = 1 Ohm

F i g. 2 in einem Diagramm die Strom-Spannungs- q = 500 pF

Kennlinie einer Diode nach F i g. 1 mit negativem -^q = 05 nsec

Widerstand,

Fig.3 ein Schaltbild einer Mischstufe gemäß der 10 ~K bedeutet dabei den Mittelwert des negativen Erfindung, Widerstandes, gerechnet vom Strommaximum bis

F i g. 4 ein Schaltbild einer selbstschwingenden zum Stromminimum; C ist die Kapazität der Sperr-Mischstufe gemäß der Erfindung, schicht im Arbeitspunkt der Diode, und TfC ist die

Fig. 5 das Schaltbild einer anderen selbstschwin- ungefähre Zeitkonstante, die das Frequenzverhalten genden Mischstufe gemäß der Erfindung, 15 der Diode bestimmt.

F i g. 6 eine weitere selbstschwingende Mischstufe An die Stelle von Germanium können auch andere

gemäß der Erfindung, Halbleitermaterialien treten, insbesondere Silizium

F i g. 7 schematisch eine Höchstfrequenzmischstufe und die III-V-Verbindungen, z. B. Galliumarsenid, gemäß der Erfindung mit einem Hohlraumresonator, Indiumarsenid und Indiumantimonid. Bei Verwen-

Fig.8 eine Höchstfrequenzmischstufe gemäß der 20 dung von III-V-Verbindungen können die für diese Erfindung, die eine koaxiale Wellenleitung enthält Materialien üblichen Dotierungsstoffe auch zur Her- und stellung von Tunneldioden dienen. So eignet sich

F i g. 9 eine Mischstufe gemäß der Erfindung, die beispielsweise Schwefel als Donator und Zink als eine abgestimmte Leitung enthält. Akzeptor, beide lassen sich bei Legierungsverfahren

F i g. 1 zeigt im Schnitt schematisch eine typische 25 verwenden.

Diode, wie sie für die Erfindung Verwendung finden F i g. 2 zeigt die Stromspannungskennlinie einer für

kann. Für solche einen negativen Widerstand zeigen- die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeigneten den Dioden soll im folgenden der Einfachheit halber Diode. Die Absolutwerte des auf der Ordinate aufder spezielle Ausdruck »Tunneldiode« gebraucht getragenen Stroms hängen von der Sperrschichtfläche werden. 30 und der Dotierung der Sperrschicht ab, die Ströme

Eine für die Schaltungen gemäß der Erfindung liegen jedoch normalerweise im Milliamperebereich, geeignete Diode enthält einen monokristallinen, Für kleine Spannungen in Sperrichtung ist der

N-leitenden Germaniumkörper, der auf irgendeine Sperrstrom etwa proportional der Sperrspannung, wie bekannte Weise so mit Arsen dotiert ist, daß die der Bereich b der in F i g. 2 dargestellten Kennlinie Donatorkonzentration 4,0 · 10¹⁹ cm""³ beträgt. Dies 35 zeigt.

kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß man einen Für kleine Spannungen in Durchlaßrichtung

Kristall aus einer Germaniumschmelze zieht, die die (Durchlaßspannungen) ist die Kennlinie symmetrisch erforderliche Konzentration an Arsen aufweist. Aus (s. Bereich c). Gemäß der derzeit gültigen Theorie dem Kristallkörper wird längs der 111-Ebene, d. h. beruht dieser Vorwärtsstrom auf dem quantenmechalängs einer Ebene, die senkrecht auf der 111-Achse 40 nischen Tunneleffekt. Bei höheren Durchlaßspandes Kristalls steht, eine Scheibe 10 geschnitten. Die nungen erreicht der Tunnelstrom ein Maximum d Scheibe 10 wird auf eine Dicke von etwa 50 μ abge- und fällt dann ab. Dieser Abfall e hält an, bis schließätzt. Die Scheibe 10 wird dann unter Verwendung lieh die normale Trägerinjektion über die Sperreines üblichen Blei-Zinn-Arsen-Lotes, das einen schicht wirksam wird und die Kennlinie in die übliche ohmschen Kontakt ergibt, mit einer ihrer Haupt- 45 Durchlaßcharakteristik / übergeht,
flächen auf einen Leiterstreifen 12, beispielsweise aus Der negative Widerstand der Diode wird als die

Nickel gelötet. Der Nickelstreifen 12 kann gegebenen- differentielle Spannungsänderung geteilt durch die falls als Basisanschluß dienen. Auf die freiliegende differentielle Stromänderung, d. h. die reziproke Nei-Fläche 16 der Germaniumscheibe 10 wird dann eine gung im Bereich e der Kennlinie definiert. Der im Durchmesser etwa 125 μ messende Dotierungspille 50 Arbeitspunkt der Diode kann in dem negativen 14 aus 99 Gewichtsprozent Indium, 0,5 Gewichts- Widerstandsbereich dadurch stabilisiert werden, daß prozent Zink und 0,5 Gewichtsprozent Gallium mit man eine Spannungsquelle verwendet, deren Innenetwas Flußmittel aufgebracht und die Einheit dann in widerstand kleiner ist als der negative Widerstand einer trockenen Wasserstoffatmosphäre für etwa der Diode. Wie Fig. 3 zeigt, kann die Spannungs-1 Minute auf etwa 450° C erhitzt, so daß die Dotie- 55 quelle 18 aus einer Batterie 22 und einem veränderrungspille zum Teil mit der freien Oberfläche 16 der liehen Widerstand 24 bestehen, der Innenwiderstand Scheibe 10 verschmilzt, anschließend wird schnell ge- der Stromquelle ist dann die Summe aus dem Innenkühlt. Bei dem Legierungsvorgang soll die Einheit widerstand der Batterie und dem eingestellten Wert möglichst schnell erhitzt und wieder abgekühlt wer- des veränderlichen Widerstands 24. Die für Gleichden, so daß sich ein abrupter PN-Übergang ergibt. 60 strom gültige Belastungskennlinie einer solchen Span-Die Einheit wird schließlich 5 Sekunden in eine nungsquelle ist in F i g. 2 mit 25 bezeichnet, sie kenn-Jodidätzlösung eingetaucht und in destilliertem Was- zeichnet sich dadurch aus, daß sie eine steilere Neiser gespült. Eine geeignete Jodidätzlösung erhält man gung besitzt als der negative Teil der Diodenkenndurch Mischen eines Tropfens einer Lösung aus linie und daß sie die Diodenkennlinie nur in einem 0,55 g Kaliumjodid und 100 cm³ konzentrierter Essig- 65 einzigen Punkt schneidet. Wenn der Innenwiderstand säure mit 100 cm³ konzentrierter Flußsäure. Die der Spannungsquelle 18 größer ist als der negative Dotierungspille kann gewünschtenfalls mit einer Lot- Widerstand der Diode, so würde die Belastungskennfahne versehen werden, wenn die Einheit bei nor- linie 26 eine kleinere Neigung besitzen als der nega-

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tive Teil der Diodenkennlinie. Eine solche Belastungs- lieh ist. Um eine möglichst große Nichtlinearität für kennlinie 26 würde dann die Diodenkennlinie in drei die Mischung zur Verfügung zu haben, wird der Punkten schneiden. Unter diesen Umständen ist die Widerstand 24 vorzugsweise so einjustiert, daß der Stabilisierung des Arbeitspunktes der Diode im nega- Arbeitspunkt der Diode in dem negativen Teil der tiven Bereich der Kennlinie nicht möglich. Diese 5 Kennlinie in der Nähe des Stromminimums oder des Instabilität rührt daher, daß sich jede kleine Strom- Strommaximums liegt. Gewünschtenfalls kann der änderung, die durch Rauschen oder Einschwingvor- Arbeitspunkt der Diode auch in einem positiven gänge verursacht sein kann, aufschaukelt, so daß der Widerstandsbereich liegen, wobei dann die zuge-Arbeitspunkt der Diode dann zu einem der stabilen führten Signale die Diode mindestens während eines Schnittpunkte der Kennlinie im Bereich positiven io Teils der Periode in den negativen Bereich ausWiderstandes springt. steuern müssen.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Mischschaltung ist Da die Diode 20 einen negativen Widerstand dareine Tunneldiode 20 der oben beschriebenen Art drei bietet, kann sie jedem einzelnen der drei Kreise 26, abgestimmten Kreisen 26, 28 und 30 parallel 28 und 30 Leistung zuführen. Im Gegensatz zu geschaltet. Der Schwingkreis 26 ist mit der Diode 20 15 anderen Diodenmischstufen ist bei der Schaltung über zwei den Gleichstrom sperrende Kondensatoren gemäß der Erfindung daher eine Leistungsverstär-38 und 40 gekoppelt und besteht aus einer Spule 32 kung möglich. Das Zustandekommen dieser Lei- und einem Kondensator 34, die auf die Frequenz stungsverstärkung kann an Hand der folgenden, etwas einer ankommenden, modulierten Hochfrequenzträ- vereinfachenden Überlegungen erläutert werden. Die gerschwingung abgestimmt sind, die an zwei Ein- 20 Hochfrequenz- und Oszillatorsignale aus den gangsklemmen 36 und 37 anliegt. Die Impedanz der Schwingkreisen 26 bzw. 28 treten an dem nichtKondensatoren 38 und 40 wird so hoch gewählt, daß linearen Widerstand der Diode 20 unter Bildung eine zu starke Belastung der abgestimmten Kreise 28 eines Zwischenfrequenzsignals in Wechselwirkung, und 30 vermieden wird. Die Eingangsklemme 36 Die Kreise 26 und 28 können daher als die Äquiführt zu einem Abgriff an der Spule 32, um die Hoch- 35 valenz einer Zwischenfrequenz-Signalquelle angefrequenzquelle an die Diode anzupassen. sehen werden, die an die Klemmen der Diode 20 und

Der Schwingkreis 28 besteht aus einer Spule 42, parallel zu dem Schwingkreis 30 angeschlossen ist. die mit der Kapazität der Diode 20 auf die Frequenz Eine von dieser Quelle erzeugte Zwischenfrequenzeines örtlich erzeugten Oszillatorsignals abgestimmt spannung erzeugt einen Strom in einer bestimmten ist, das der Diode von einem getrennten Oszillator 44 30 Richtung durch den Kreis 30. Dabei soll angenomzugeführt wird. Die Wechselwirkung der Oszillator- men werden, daß die Quelle für die Zwischenschwingung und der modulierten Hochfrequenz- frequenz an den Kreis 30 angepaßt ist, so daß eine schwingung am nichtlinearen, negativen Widerstand maximale direkte Leistungsübertragung erfolgen der Diode 20, läßt eine Reihe von Seitenbandsignalen kann. Die Zwischenfrequenzspannung wird auch der entstehen, deren Frequenz der der ursprünglichen 35 Tunneldiode 20 aufgedrückt und erzeugt dort eine Signale, den Summen- und Differenzfrequenzen der differentielle Stromänderung, die der Richtung der ursprünglichen Signale und deren Harmonischen ent- im Schwingkreis 30 verursachten Stromänderung entsprechen, gegengesetzt ist. Die Diode ist in einen Stromkreis

Der aus einem Kondensator 46 und einer Spule 48 mit dem Schwingkreis 30 geschaltet, und der Diodenbestehende Schwingkreis 30 ist auf die Frequenz des 40 strom hat eine Richtung, die geeignet ist, den im gewünschten Seitenbandes, d. h. der gewünschten Schwingkreis 30 durch die Zwischenfrequenzspan-Zwischenfrequenz abgestimmt und an die Diode 20 nung direkt erzeugten Strom zu unterstützen. Im über zwei Verblockungskondensatoren 50 und 52 Schwingkreis 30 fließt also ein größerer Zwischenangekoppelt. Um den kleinen negativen Widerstand frequenzstrom, als er durch die Zwischenfrequenzder Diode an die Impedanzen der Kreise 26 und 30 45 quelle allein verursacht werden kann, so daß eine anzupassen, ist die Diode an Abgriffen dieser Kreise Mischungsverstärkung eintritt. Eine Mischstufe der angeschlossen. Bei der dargestellten Schaltung soll beschriebenen Art, die ausgezeichnet arbeitete, wurde als Zwischenfrequenz die Differenzfrequenz der dem für ein Eingangssignal mit einer Frequenz von Eingang zugeführten Trägerschwingung und der 70 MHz gebaut, wobei mittels eines 40-MHz-Oszilla-Oszillatorsignale verwendet werden, sie erscheint an 50 tors ein 30-MHz-Zwischenfrequenzsignal erzeugt den Ausgangsklemmen 56 und 57. Aus Stabilitäts- wurde.

gründen ist der Absolutwert des positiven Leitwertes F i g. 4 zeigt das Schaltbild einer eine Tunneldiode

jedes der drei Schwingkreise 26, 28 und 30 größer enthaltenden selbstschwingenden Mischstufe. Bei dieals der Absolutwert des negativen Leitwertes der ser Schaltung kann also der getrennte Oszillator entDiode 20. 55 fallen. Parallel zu einer Tunneldiode 20' liegen drei

Die Gleichspannungsquelle 18 ist einerseits über Parallelresonanzkreise 26', 28' und 30', die auf die die Spule 42 mit der Anode der Diode 20 und Hochfrequenz, die Oszillatorschwingung bzw. die andererseits direkt mit deren Kathode so verbunden, Zwischenfrequenz abgestimmt sind. Die modulierte daß die Diode in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Trägerschwingung wird den Eingangsklemmen 36' Um den Oszillatorkreis zu schließen, ist die Span- 60 und 37' zugeführt, die zu einem Abgriff des Schwingnungsquelle 18 durch den Kondensator 40 über- kreises 26' führen. Die sich an dem Schwingkreis 26' brückt, der auch zur Dämpfung von parasitären entwickelnden Signale werden über die Gleichspan-Schwingungen dient, die im Stromversorgungskreis nungsverblockungskondensatoren 38' und 40' der entstehen können. Der durch den Widerstand 24, die Tunneldiode 20' zugeführt. Der Oszillatorkreis 28' Batterie 22 und die Spule 42 gebildete Gesamtwider- 65 enthält eine Spule 42', die mit der Eigenkapazität der stand ist im Betrag kleiner als der negative Wider- Diode 20' auf der gewünschten Oszillatorfrequenz stand der Diode 20, so daß ein stabiles Arbeiten der schwingt, der Schwingkreis 30' ist über die Trenn-Diode in dem negativen Bereich der Kennlinie mög- kondensatoren 50' und 52' an die Diode gekoppelt.

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Eine einen veränderlichen Widerstand 24' und parallel zu der Diode 66 liegenden Oszillatorschwingeine Batterie 22' enthaltende Spannungsquelle 18' kreises 74, 66 ist jedoch kleiner als der negative liefert eine geeignete Vorspannung, um den Arbeits- Widerstand der Diode, so daß dieser Kreis mit der punkt der Diode im negativen Teil der Kennlinie Oszillatorfrequenz schwingt. Hierdurch werden die zu stabilisieren. Die Schaltungsparameter sind so 5 zur Mischung mit dem hochfrequenten Träger erforgewählt, daß der negative Leitwert der Diode 20' derlichen Oszillatorschwingungen erzeugt, die an dem kleiner ist als der positive Leitwert sowohl des Hoch- nichtlinearen Widerstand der Diode 66 das erstrebte frequenzeingangskreises 26' als auch des Zwischen- Zwischenfrequenzsignal liefern. Der Hochfrequenzfrequenzausgangskreises 30', so daß die Mischstufe eingangskreis 62, 64 stellt für die modulierte Trägerbezüglich der Hochfrequenz und der Zwischenfre- io schwingung einen Serienresonanzkreis dar und besitzt quenz stabil ist. Der positive Leitwert der Schwing- dementsprechend bei diesen Frequenzen ein Impekreiselemente des Oszillatorkreises 28' ist jedoch danzminimum. Dieser Kreis stellt jedoch für die kleiner als der negative Leitwert der Diode 20', so Oszillator- und Zwischenfrequenzen eine verhältnisdaß die Schaltung mit der Frequenz des Oszillator- mäßig hohe Impedanz dar. In entsprechender Weise kreises 28' schwingt. 15 liegt das Impedanzminimum des Ausgangskreises 70,

Die eingespeiste, hochfrequente Trägerschwingung 72 bei der Zwischenfrequenz, während die Impedanz

und das örtlich erzeugte Oszillatorsignal treten an bei der Oszillator- und Hochfrequenz verhältnismäßig

dem nichtlinearen Widerstand der Diode 20' in hoch ist. Durch diese Schaltungsanordnung werden

Wechselwirkung, wobei ein Zwischenfrequenzsignal also Zwischenfrequenz und Oszillatorsignale von den

entsteht, das über den Schwingkreis 30' ausgekoppelt 20 Eingangsklemmen 60 und 61 und Hochfrequenz- und

• wird und an den Ausgangsklemmen 56', 57' erscheint. Oszillatorsignale von den Ausgangsklemmen 68 und

Durch den negativen Widerstand der Diode wird dem 69 ferngehalten.

Zwischenfrequenzkreis Leistung zugeführt, wie oben Fig.6 zeigt ebenfalls eine selbstschwingende

beschrieben wurde, so daß die Mischstufe mit einer Mischschaltung gemäß der Erfindung. Hier sind ein

sehr guten Mischverstärkung arbeitet. 25 auf die Hochfrequenz abgestimmter Eingangskreis 90

F i g. 5 zeigt das Schaltbild einer anderen selbst- und ein auf die Zwischenfrequenz abgestimmter Ausschwingenden Mischstufe mit einer Tunneldiode, bei gangskreis 92 in Serie mit einer Tunneldiode 94 der Eingang und Ausgang besser entkoppelt sind. geschaltet. Parallel zur Tunneldiode 94 liegt eine Die modulierte Hochfrequenz wird den Eingangs- Spule 96, die mit der Diodenkapazität auf der klemmen 60 und 61 zugeführt, die Klemme 61 kann 30 gewünschten Oszillatorfrequenz schwingt. Die Paraauf Masse oder einem Bezugspotential liegen. Ein auf meter des Hochfrequenz- und des Zwischenfrequenzdie Eingangsfrequenz abgestimmter, aus einer Spule kreises sind so gewählt, daß sie die Diode 94 in einem 62 und einem Kondensator 64 bestehender Serien- solchen Maße belasten, daß die Schaltung gegenüber kreis ist zwischen die Eingangsklemme 60 und einen diesen Frequenzen stabil ist. Der die Spule 96 entAnschluß einer Tunneldiode 66 geschaltet. Die 35 haltende Schwingkreis besitzt jedoch eine höhere Mischstufe enthält ferner zwei Ausgangsklemmen 68 Güte als die Güte Q der Diode, die durch die Formel und 69, die Klemme 69 ist geerdet. Die Tunneldiode j
66 ist mit der Ausgangsklemme 68 über eine Spule 70 Q = —=-^-
und einen Kondensator 72 verbunden, die auf die ωKC
Zwischenfrequenz abgestimmt sind. Die Eigenkapa- 40 gegeben ist; ω ist dabei die Kreisfrequenz, R der zität der Diode 66 bildet mit einer Spule 74 einen negative Widerstand der Diode und C die an den auf die Oszillatorfrequenz abgestimmten Parallel- Klemmen der Diode gemessene Kapazität. Der Wirkresonanzkreis, widerstand des Schwingkreises kompensiert dann den

Der Arbeitspunkt der Diode wird mittels einer negativen Widerstand der Diode nicht vollständig,

Vorspannung im negativen Teil der Kennlinie stabili- 45 und der Schwingkreis schwingt mit seiner Resonanz-

siert, die Vorspannung wird dabei von einer Span- frequenz.

nungsquelle geliefert, die eine Batterie 76, einen mit . Die Diode 94 wird so vorgespannt, daß sie im dieser in Serie geschalteten einstellbaren Widerstand negativen Bereich der Charakteristik arbeitet, die 78 und einen zwischen die Spule 74 und die Kathode Vorspannung liefert dabei eine geeignete Gleichder Diode 66 geschalteten Spannungsteilerwiderstand 50 Spannungsquelle einer Batterie 98 und einem ver-80 umfaßt. Der positive Wert des Widerstandes 80 änderlichen Widerstand 100. Die Vorspannung wird ist kleiner als der negative Wert des Widerstandes der der Diode an den Anschlüssen eines Gleichspan-Diode 66; der Stromversorgungsschaltung wird also nungs-Trennkondensators 106 zugeführt. Die dem ein positiver Gesamtwiderstand dargeboten, so daß Eingangskreis 90 über einen angekoppelten Parallelkeine parasitären Schwingungen auftreten können. 55 resonanzkreis 102 zugeführten modulierten Träger-Der Widerstand 80 ist für Signalfrequenzen durch schwingungen treten mit den örtlich erzeugten Oszileinen Kondensator 82 überbrückt und liegt daher latorschwingungen an den nichtlinearen negativen zwischen zwei Punkten gleicher Wechselspannung. Widerstand der Diode 94 in Wechselwirkung, wobei Der Widerstand hat daher wenig oder keinen Ein- die gewünschten Zwischenfrequenzsignale entstehen, fluß auf die Arbeitsweise der Schaltung bei Wechsel- 60 Die am Ausgangskreis 92 sich entwickelten Zwischenstrom, und die Diode 66 bietet den Wechselstrom- frequenzsignale werden über eine Wicklung 104 auskreisen einen negativen Widerstand dar. gekoppelt und einem Verbraucher zugeführt.

Der effektive, positive Gesamtwiderstand des Bei allen selbstschwingenden Mischschaltungen Hochfrequenzkreises 62, 64 und des Zwischen- besteht der Vorteil, daß keine getrennten Oszillatorfrequenzkreises 70, 72, die beide in Serie mit der 65 stufen erforderlich sind, wodurch weniger Bauele-Diode 66 liegen, ist größer als der negative Wider- mente erforderlich sind. Die Diode wirkt dabei nicht stand der Diode, so daß die Mischstufe für diese nur als negativer Widerstand zur Erzeugung der Frequenz stabil ist. Der effektive Widerstand des gewünschten Zwischenfrequenz, sie stellt auch einen

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negativen Widerstand dar, der eine Mischverstärkung frequenz der Eingangsfrequenzen und der Oszillatorzur Folge hat. Gewünschtenfalls können die selbst- frequenz sein kann, im obigen Beispiel 30 MHz. Die schwingenden Mischstufen gemäß der Erfindung ab- Zwischenfrequenz kann an Klemmen 128 abgenomstimmbar ausgebildet werden, so daß Hochfrequenz- men werden, die zu einer mit der Spule 118 gekop- und Oszillatorkreis im Gleichlauf verstellbar sind. 5 pelten Induktivität 130 führen. Diese gleichlaufende Abstimmung kann beispiels- Die in Fig.6 dargestellte Schaltung enthält eine

weise auch durch einen Spulenrevolver erfolgen, Koaxialleitung mit einem Innenleiter 140 und einem durch den die Induktivitäten der Kreise umgeschaltet Außenleiter 142. Das linke Ende der Koaxialleitung werden können. Infolge der Nichtlinearität der 143 ist mit einer nicht dargestellten Signalquelle ver-Diodenkennlinie ist der Oszillatorausgang reich an io bunden. Die Eingangsseite der Leitung enthält zwei Harmonischen. Der Oszillator kann daher auf einer erste abstimmbare Stichleitungen 144 und 146, die Subharmonischen der gewünschten Oszillatorfrequenz zur Abstimmung der elektrischen Länge Schieber schwingen. Da die Amplitude der Harmonischen 148 und 150 enthalten. Die Stichleitungen sind eine mehr als eine Größenordnung kleiner ist als die der viertel Wellenlänge der Hochfrequenz beabstandet, Grundschwingung, verringern sich die Schwierigkei- 15 und die Schieber 148 und 150 sind so eingestellt, daß ten bezüglich einer Unterdrückung der Oszillator- die Leitung auf die Frequenz der modulierten Einstrahlungen erheblich. gangsschwingungen abgestimmt ist. Das rechte Ende

Eine Schaltung gemäß der Erfindung, die sich für 151 der Leitung ist mit einem nicht dargestellten Frequenzen bis zu 5 GHz eignet, ist in F i g. 7 dar- Oszillator verbunden. Dieses Ende der Leitung entgestellt. Ein zylindrischer Hohlraumresonator 110 20 hält zwei weitere Stichleitungen 152 und 154, die aus einem leitenden Material ist auf eine gewünschte durch entsprechende Schieber 156 und 158 abstimm-Höchstfrequenz im GHz-Bereich abgestimmt. Die bar sind. Diese Stichleitungen 156 und 158 haben Abmessungen des Resonators 110 können etwa in einen Abstand von einer Viertelwellenlänge der der Größenordnung von Zentimetern sein. Mit der Oszillatorfrequenz voneinander und stimmen dieses einen Stirnwand 110 a des Hohlraumes ist ein sich 25 Ende der Leitung auf die Oszillatorfrequenz ab. in das Innere erstreckender koaxialer Leiter 112 ver- Diese Anordnung gewährleistet ein Optimum an bunden. Ein Anschluß einer Flächen-Tunneldiode Impedanzanpassung zwischen Hochfrequenzquelle 114, die ähnlich aufgebaut sein kann wie die in Ver- und Oszillator und der nichtlinearen Tunneldiode bindung mit F i g. 1 beschriebene Diode, ist mit dem 160, die über einen einstellbaren Widerstand 162 und Mittelleiter 112 verbunden. 30 eine Batterie 164 zwischen den Innenleiter 140 und

Diese Diode 114 erstreckt sich durch eine in der den Außenleiter 142 geschaltet ist. Die Diode 160 ist Achse des Resonators 110 gelegene Öffnung, wobei durch Einstellung des Widerstandes 162 so in Durchein Zwischenraum 116 gebildet wird. Die an dem laßrichtung vorgespannt, daß der Arbeitspunkt im Zwischenraum wirksame Kapazität entspricht dem negativen Teil der Kennlinie liegt. Die dem Leiter Kondensator 40 in F i g. 3 zur Unterdrückung para- 35 140 an den Enden 143 bzw. 142 zugeführten Hochsitärer Schwingungen. Der Zwischenraum kann mit frequenz- bzw. Oszillatorsignale fließen über die einem geeigneten Isolator ausgefüllt sein, z. B. Poly- Diode 160 und den Durchführungskondensator 161 tetrafluoräthylen. Der andere Anschluß der Diode ist zum Außenleiter 142. Die Wechselwirkung dieser über eine Hochfrequenzdrossel 118, einen Wider- Signale am nichtlinearen Widerstand der Diode liestand 120 und eine Batterie oder eine andere 40 fert eine ganze Anzahl von Kombinationsfrequenzen, geeignete Gleichspannungsquelle 122 mit einem auf wie oben bereits erläutert wurde. Der Mittelleiter 168 einem festen Potential liegenden Punkt verbunden. einer koaxialen Abzweigleitung 166 ist in der Nähe Der Resonator 110 ist ebenfalls an das Bezugspoten- der Diode 160 an den Innenleiter 140 angeschlossen, tial angeschlossen. Die Abzweigleitung 166 ist durch geeignete, nicht

Die modulierten Trägerschwingungen werden in 45 dargestellte Mittel auf die Zwischenfrequenz abgeden Resonator über ein Koaxialkabel 124 eingespeist. stimmt, so daß die Zwischenfrequenz durch diese Der Innenleiter des Koaxialkabels erstreckt sich Leitung ausgekoppelt werden kann, hierzu in den Hohlraum und endet in einer Schleife, Bei der in F i g. 9 dargestellten Mischschaltung

die leitend mit der Innenwand des Resonators 110 gemäß der Erfindung wird die modulierte Hochverbunden ist, so daß der Eingangskreis mit dem 50 frequenz und eine Oszillatorschwingung über eine Feld im Hohlraum gekoppelt ist. In entsprechender Koaxialleitung 170 mit einem Mittelleiter 172 an Weise wird ein Oszillatorsignal über ein Koaxial- eine A/4-Leitung gekoppelt, die aus zwei Leiterstreikabel 126 eingekoppelt, dessen Innenleiter ebenfalls fen 174 und 176 besteht. Die A/4-Leitung kann beiim Inneren des Resonators 110 eine Kopplungs- spielsweise auf 1015 MHz abgestimmt sein, während schleife bildet. Der Hohlraumresonator ist genügend 55 die Frequenz der modulierten Eingangssignale breitbandig ausgelegt, um sowohl die Hochfrequenz 1000 MHz und die der Oszillatorsignale 1030 MHz als auch die Oszillatorfrequenz zu umfassen. Die beträgt. Die sich auf der λ/4-Leitung ausbildende, Oszillatorfrequenz kann beispielsweise 2030MHz stehende Welle besitzt ein Spannungsmaximum bei und die Signalfrequenz 2000 MHz betragen. dem Ende, an das die Koaxialleitung 170 angeschlos-

Die nichtlineare Wechselwirkung der modulierten 60 sen ist. Am anderen Ende der /l/4-Leitung ist eine Trägerschwingung und der Oszillatorsignale in der nichtlineare Tunneldiode 178 angebracht. Der Kör-Diode 114 ergibt Seitenbandsignale, die in einem per der Diode kann direkt so mit den Leitern 174 Stromkreis fließen, der die Spule 118, die Batterie und 176 der Leitung verbunden sein, daß die Anode 122, den veränderlichen Widerstand 120 und den an den oberen Leiter 174 angeschlossen ist. Zur Abdurch den Hohlraum 110 gebildeten Leiter umfaßt. 65 nähme der durch die Wechselwirkung am nicht-Die Spule 118 ist mit den verteilten Kapazitäten und linearen Widerstand der Diode erzeugten Zwischender Eigenkapazität der Diode auf die Zwischen- frequenzsignale ist mit den Leitern 174 und 176 ein frequenz abgestimmt, die beispielsweise die Differenz- kombinierter Signal- und Gleichspannungskreis ange-

schlossen. Der Diode wird durch eine Batterie 180, die mit einem veränderlichen Widerstand 182 in Serie geschaltet ist, eine in Durchlaßrichtung gepolte Vorspannung zugeführt, der Widerstand 182 setzt dabei die Batteriespannung auf einen solchen Wert herab, daß der Arbeitspunkt der Diode stabil im negativen Bereich der Kennlinie liegt. Zur Abnahme der Zwischenfrequenz ist parallel zur Diode eine mit der Diodenkapazität auf die Zwischenfrequenz abgestimmte Spule 184 geschaltet. Die Zwischenfrequenz wird über eine Spule 186 ausgekoppelt.

Mit der Ausnahme, daß die in Fig.7 bis 9 beschriebenen Schaltungen Resonanzkreise mit verteilten Induktivitäten und Kapazitäten besitzen, arbeiten die Schaltungen ebenso wie die Mischstufen mit konzentrierten Schwingkreiselementen nach F i g. 3 bis 6. In beiden Fällen wird die Diode so vorgespannt, daß sie einen stabilen Arbeitspunkt im negativen Bereich der Kennlinie besitzt.

Claims (15)

Patentansprüche: 20

1. Verstärkende Mischstufe zum Erzeugen einer Zwischenfrequenzschwingung aus einer modulierten Hochfrequenzträgerschwingung und einer Oszillatorschwingung mit einer Tunneldiode, die mit einer Vorspannungsquelle verbunden ist, deren Innenwiderstand dem Betrag nach kleiner ist als der negative Widerstand der Tunneldiode, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Tunneldiode je ein auf die Hochfrequenzschwingung, die Zwischenfrequenzschwingung und die Oszillatorschwingung abgestimmter Schwingkreis gekoppelt ist, von denen mindestens der Hochfrequenzschwingkreis und der Zwischenfrequenzschwingkreis die Bedingung erfüllen, daß ihr positiver Resonanzwiderstand kleiner ist als der absolute Betrag des negativen Widerstandes der Tunneldiode.

2. Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer nicht selbstschwingenden Mischstufe, bei der auch der Oszillatorkreis die angegebene Bedingung erfüllt, mit dem Oszillatorkreis eine Quelle für eine Oszillatorschwingung gekoppelt ist.

3. Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer selbstschwingenden Mischstufe der positive Resonanzwiderstand des Oszillatorkreises kleiner ist als der Betrag des negativen Widerstandes der Tunneldiode.

4. Mischsüife nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Schwingkreise Parallelresonanzkreise (26, 28, 30) sind und parallel zur Tunneldiode liegen (Fig. 3).

5. Mischstufe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzkreis ein zwischen Eingangsklemmen (60, 61) für das Hochfrequenzsignal und die Tunneldiode (66) geschalteter Serienresonanzkreis (62, 64) ist und daß der Zwischenfrequenzkreis ein zwischen die Tunneldiode (66) und Zwischenfrequenzausgangsklemmen (68, 69) geschalteter Serienresonanzkreis (70, 72) ist (Fig. 5).

6. Mischstufe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Hochfrequenzkreis

(90) und Zwischenfrequenzkreis (92) in Reihe mit der Tunneldiode liegen.

7. Mischstufe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Tunneldiode (94) in Reihe geschalteten Schwingkreise (90, 92) Parallelresonanzkreise sind.

8. Mischstufe nach Anspruch 6 oder?, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillatorkreis aus einer der Tunneldiode (94) parallelgeschalteten Spule (96) und der Eigenkapazität der Tunneldiode besteht.

9. Mischstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hochfrequenzkreis (26) und die Tunneldiode (20) sowie den Zwischenfrequenzkreis (30) und die Tunneldiode je ein Kondensator (38 bzw. 50) geschaltet ist, dessen Impedanz so bemessen ist, daß die Bedämpfung dieser Schwingkreise durch die Tunneldiode klein ist.

10. Mischstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (18) durch einen Kondensator (40) überbrückt ist, der parasitäre Schwingungen dämpft (Fig. 3 und 4).

11. Mischstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung so bemessen ist, daß der Arbeitspunkt der Tunneldiode in der Nähe des Stromminimums oder des Strommaximums der Kennlinie liegt.

12. Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Hochfrequenz und der auf die Oszillatorfrequenz abgestimmte Schwingkreis durch einen einzigen breitbandigen Topfkreis gebildet ist (F i g. 7).

13. Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Hochfrequenz und der auf die Oszillatorfrequenz abgestimmte Schwingkreis durch eine einzige λ/4-Leitung gebildet sind.

14. Mischstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunneldiode zwischen einen Innenleiter (140) und einen Außenleiter (142) einer Koaxialleitung geschaltet ist, daß ein von der Tunneldiode zu einer Hochfrequenzquelle führendes Stück (143) der Koaxialleitung auf die Hochfrequenz, ein von der Tunneldiode zu einem Oszillator führendes Stück (151) der Koaxialleitung auf die Oszillatorfrequenz abgestimmt sind und daß an die Koaxialleitung eine Abzweigung (166) zur Auskopplung der Zwischenfrequenz angeschlossen ist (Fig.8).

15. Mischstufe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Hochfrequenzquelle und das zum Oszillator führende Stück (143 bzw. 151) der Koaxialleitung je zur Abstimmung mit zwei abstimmbaren Stichleitungen (144,148; 146, 150 bzw. 152, 156, 154, 158) versehen ist, die eine Viertelwellenlänge der zugeordneten Frequenz voneinander beabstandet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 606 361, 933 517; britische Patentschrift Nr. 236 648; schweizerische Patentschrift Nr. 327 537; »Proc. of the IRE«, 1959, Juli, 1, S. 1201 bis 1206.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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