DE1282102B - Einrichtung zur Verarbeitung elektrischer Signalenergie fuer Frequenzen bis einschliesslich des Millimeter- und Submillimeterwellen-laengengebietes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03b

Deutsche Kl.: 21 a4-6/01

Nummer: 1282102

Aktenzeichen: P 12 82 102.2-35 (R 39124)

Anmeldetag: 28. Oktober 1964

Auslegetag: 7. November 1968

Die Erfindung betrifft, eine, für Frequenzen bis einschließlich des Millimeter- und Sübmillimeterwellenlängengebietes geeignete Einrichtung zur Verarbeitung von elektrischer Signalenergie mit einem Resonator, einer Anordnung zur Erregung des Resonators und/oder Auskopplung von Energie aus diesem Resonator und mindestens einem nichtlinearen Element, das mit dem elektromagnetischen Feld des Resonators gekoppelt ist.

Der Begriff »nichtlineares Element« soll hier jedes aktive Material, das ein nichtlineares Verhalten bezüglich Widerstand und/oder Kapazität und/oder Induktivität zeigt, umfassen, gleichgültig, ob es sich um dünne Schichten, kompaktere Körper oder Übergänge, insbesondere pn-Übergänge, handelt. _ Zur Oberwellenerzeugung, Verstärkung und Durchführung anderer Funktionen im. OHF- und Mikrowellenbereich sind bereits die verschiedensten Arten von Einrichtungen bekannt, die mit nichtlinearen Elementen arbeiten, z. B. veränderlichen Kapazitäten, Halbleiterflächendioden und Tunneldioden. Im allgemeinen werden diese Elemente zusammen mit metallischen Wellen- oder Hohlleitern oder koaxialen Resonanzhohlräumen verwendet, die entsprechend dem gewünschten Betrieb auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt sind. Infolge der nichtlinearen Eigenschaften solcher Bauelemente ist bei richtigem Betrieb ein nahezu verlustfreies Arbeiten möglich.

Versuche, nichtlineare Elemente enthaltende Einrichtungen für Frequenzen entsprechend dem Millimeterbereich und noch kürzeren Wellenlängen zu verwenden, wurden jedoch bisher durch hohe Kreisverluste und schlechte Betriebseigenschaften erschwert, die ihre Ursache in der bei diesen Frequenzen auftretenden Belastung der Wellenleiter oder koaxialen Resonanzhohlräume durch die nichtlinearen Elemente haben. Wenn z.B. eine Kapazitätsvariations-Halbleiterflächendiode in einem abgestimmten Wellenleiterhohlraum betrieben wird, verstimmt die Parallelkapazität der Diode im Effekt den Resonanzhohlraum. Da die Kapazität eines solchen Wellenleiterhohlraumes nicht groß gegenüber der Diodenkapazität ist, geht die zur Kapazität des Hohlraumes hinzukommende Diodenkapazität stark in die Gesamtkapazität des die Diode und den Hohlraum umfassenden Kreises ein, und es resultiert eine entsprechende Änderung der Betriebsfrequenz. Man kann zwar bei der Herstellung solcher Dioden darauf achten, die Kapazität so klein zu halten, wie es für einen gegebenen Anwendungszweck möglich ist. Aber auch dann ist es äußerst schwierig, Frequenzinstabili-

Einrichtung zur Verarbeitung elektrischer
Signalenergie für Frequenzen bis einschließlich
des Millimeter- und Submillimeterwellenlängengebietes _;

Anmelder:

Radio Corporation of America,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,

8000 München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt:

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

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 30. Oktober 1963
(320 092) ■

täten und eine Herabsetzung der Kreisgüte zu verhindern.

Es ist ferner bekannt, daß verlustarme Isoliermaterialien hoher Dielektrizitätskonstante bei hohen Frequenzen mit gutem Wirkungsgrad als Resonanzkreiselemente verwendet werden können. Ein Beispiel eines solchen Materials, das als Resonator betrieben werden kann, ist Titandioxyd (TiO₂) oder Rutil (vgl. z.B. die Veröffentlichung von A. Okaya, »The Rutile, Microwave Resonator« Proceedings IRE, November 1960, S. 1921). Ein Rutilresonator hat eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 90 und einen niedrigen Verlustfaktor. Bei geeigneter Erregung sind zahlreiche Schwingungstypen möglich, und die FeIdverteilung ist bei verschiedenen Schwingungstypen ähnlich wie in konventionellen Wellenleiter- und Koaxialhohlraumresonatoren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die z.B. als Oberwellengenerator, Verstärker, Misch- oder Überlagerungsstufe, Oszillator u. a. m. ausgelegt sein kann, anzugeben, die die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine einfache Herstellung und einen Betrieb mit hohem Wirkungsgrad bis hinauf zu Frequenzen einschließlich des Millimeter- und Submillimetergebietes ermöglicht.

809 630/585

1 282 kO:2 . :;

3 4:

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch Stelle des in den Fig, 1 mit 3 dargestellten Rutil· gelöst, daß der Resonator ein Material hoher Dielek- resonators verwendet werden,

trizitätskonstante enthält und in einen ein Medium Fig. 7a und 7b eine Seiten- und eine Endansicht

niedrigerer Dielektrizitätskonstante enthaltenden In- einer anderen Ausführungsform eines Rutilresonators nenraum eines Hohlleiters eintaucht und daß das 5 für die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Anordnichtlineare Element auf dem Resonator an der nung,

Grenzfläche zwischen dem Material hoher Dielek- Fig. 8 einen teilweise perspektivisch, teilweise als

trizitätskonstante und dem Medium niedrigerer Di- Blockschaltbild dargestellten parametrischen Verstärelektrizitätskonstante angeordnet ist. ker entsprechend einer weiteren Ausführungsform

Es wurde nämliQh gefunden, daß an der Oberfläche io der Erfindung,

eines Resonators aus einem Material hoher Dielektri- F i g. 9 ein sehematisches Schaltbild, das zeigt, wie

zitätskonstante, z. B. aus Rutil, wegen der hohen Di- die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung als Mischstufe elektrizitätskonstante und des niedrigen Verlustfaktors betrieben werden kann,

ein elektrisches Feld hoher Intensität herrscht, das F i g. 10 einen teilweise perspektivisch, teilweise als

überwiegend tangential gerichtet ist, um die Grenz- 15 Blockschaltbild dargestellten Tünneldiodenverstärker, bedingungen zu erfüllen. Wegen der hohen Dielektri- entsprechend einer weiteren Ausführungsform der zitätskonstante des Resonators ist eine Belastung Erfindung,

durch irgendwelche anderen äußeren dielektrischen F ig. Xl!einen teilweise perspektivisch, teilweise als

Materialien, deren Dielektrizitätskonstante Vergleichs- Blockschaltbild dargestellten Tunneldiodenosziilator, weise klein ist, gering. Als nichtlineares. Element kann 20 entsprechend einer weiteren Ausführungsform der daher z. B. eine mchtüneare Halbleiterflächendiode Erfindung, und

einfach integriert auf der Oberfläche des Resonators Fig. 12 eine Dioden=Resonatoranorduüng, die bei

angeordnet werden, ohne das Feld des Resonators den Einrichtungen, der Fig. 1, 8, 9, 10 und 11 vernennenswert zu belasten. Wenn beispielsweise eine wendet werden kann. .

Kapazitätsvariations-Halbleiterflächendiode verwen- 25 Der Beschreibung des in F i g. 1 dargestellten Oberdet wird, ist die durch die Diode gebildete Kapazität wellengenerators wird der Einfachheit halber ein speklein im Vergleich zur Gesamtkapazität des den Re- zielles Ausftthrunjgsbeispiel zügrunde gelegt, das als sonator und die Diode enthaltenden Kreises, so daß Verdreifacher ausgelegt ist. Die für dieses Beispiel man eine hochwertige Diode herstellen kann» ohne angegebenen Freqüenzwerte und Kreisparameter sind den räumlichen und elektrischen Begrenzungen unter- 30 sejbstverständlieii nicht einschränkend auszulegen, worfen zu sein, die bei Verwendung konventioneller , Die in Fi g. 1 dargestellte Anordnung ist mit einer metallischer Wellenleiter oder Hohlraumresonatoren ' Hocbirequenzquelle 10 verbunden, die beispielsweise zu berücksichtigen sind. bei Verwendung des Qberweljengeneratgrs in einer

Da der Resonator ein. kleines kompaktes Bau- HochfrequenzosziUatöranordnung ein Klystron element darstellt, ergeben sich Einrichtungen, die so- 35 od. dgl, enthalten kann, Wenn der Oberwellenwohl im Aufbau als auch im Betrieb einfach sind und generator zur Änderung der Frequenz eines modu^ trotzdem einen wesentlich besseren Wirkungsgrad ^; lierten Informationssignal? dient, stellt die. Quelle IQ aufweisen als die ,bekannten Einrichtungen dieser irgendeinen Übertragungskanal od. dgl, dar, der ein Art. zu verarbeitendes Signal" liefert, Es. soll anggnpnimen

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen 40 werden, daß die Frequenz des von der Quelle IQ geder Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn- lieferten Signals 8 GHz und der Leistungspegel etwa zeichnet. 50 mW betragen. Der Ausgang der Quelle IQ ist über

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbei- eine nur schematigeh dargestellte Koaxialleitung U spielen in Verbindung mit der Zeichnung näher er- gd, dgl· mit einem Anschluß 13 eines RechtgckhQhl·- läutert, es zeigt 45 leiterabschnittes 12 verbunden; der Anschluß 13 be-

Fig. 1 eine teilweise perspektivisch, teilweise, als , findet sich dabei an der einen breiten Wand in der Blockschaltbild dargestellte nichtlineare Einrichtung ' Nähe eines geschlossenen Endes 50 des ^Hohlgemäß der Erfindung, die einen Oberwellengenerator leitersl?, ,^=-=-^' darstellt, Der Rechtecklipblleiter 12 kgnn aus Messing be-Fig, 2 und 3 eine genauere Vorder- bzw. Seiten- 50 stehen und innen mit Silber plattiert sein. Bei der ansicht der Dioden-Rutilrpsonatoranordnung des angenommenen Eingangssignalfrequenz von 8 GHz Oberwellengenerators der Fig. 1, kann der Hohlleiter für das X-Band ausgelegt und Fi g. 4 a eine Darstellung der Verteilung des ele.k- etwa 25 rom breit sowie 12,5 mm hoch sein. Die von irischen Feldes in einem Rutilresonator, wenn dieser der Quelle 10 in den Hohlleiter 12 eingekoppelte Siin dem Oberwellengenerator der Fig. 1 betrieben 55 gnalenergie wird zuerst durch einen Richtungskoppwjrd, und im Vergleich dazu ler als Isolator 14 geleitet, der beispielsweise wie üb-Fi g. 4 b die Verteilung des elektrischen Feldes jn Hch aus Ferrit bestehen kann und einejtenexion von einer gewöhnlichen Hohlleiteranordnung, Signalenergie aus dem H^hUjiterif zurück in die Fig. 5a die Verteilung des magnetischen Feldes in Signalquelle 10 verhindert Die Signalenergie läuft einem in Seitenansicht dargestellten Rutilresonator, 60 dann durch den Hohlleiter 12 zu einer Anordnung wenn dieser in. einem Oberwellengenerator gemäß 15, die eine mit einem Rutilresonator verbundene Fig. 1 betrieben wird, und im Vergleich hierzu Kapazitätsvariations-Haibleiterflächendiode, enthält. Fig, 5b die Verteilung des Magnetfeldes in einer Ein Abstimmglied 16 dient zur Vermeidung von gewöhnlichen in Drauf sich dargestellten Hohlleiter- Reflexionen infolge der Unstetigkeiten, die durch die anordnung, 65 Rutilresonatoranordnung 15 im Hohlleiter 12 verur-Fig, 6a und 6b eine Seiten- bzw. Stirnansicht sacht werden, Das Abstimmglied (Tuner) 16 ist in einer Flächendiode, die an einem TEM-Koaxial- üblicher Weise aufgebaut und kann einen nicht dar-Rutilresonator montiert ist; diese Anordnung kann an gestellten Stab od. dgl, enthalten, der im Hohlleiter

12 parallel zu den elektrischen Feldlinien angeordnet ren hergestellte Kapazitätsvariations-Flächendiodef ist. Durch das Abstimmglied können zusätzliche Re- angebracht, die einen Hauptkörper 26 und eine Leflexionen erzeugt werden, die auf gleiche Amplitude, gierungspille 27 enthält. Die vorgefertigte Diode ist jedoch entgegengesetzte Phase wie die durch die An- an der Oberfläche des Rutilresonators. 21 mittels eines Ordnung 15 verursachten Reflexionen eingestellt wer- 5 verlustarmen Epoxyklebers oder eines anderen geeigden, so daß eine Kompensation der durch die Un- neten Materials befestigt. Die Diode kann jedoch Stetigkeit verursachten Reflexionen eintritt. Das Ab^ auch direkt auf der Oberfläche des Rutilresonators 21 Stimmglied kann eine in einem Schlitz 18 montierte gebildet werden, indem das die Zone 27 und den Welle 17 enthalten, die innerhalb der Grenzen des Körper 26 bildende Halbleitermaterial derart aufge-Schlitzes in Longitudinälrichtung 19 einstellbar ist io bracht wird, daß eine vollständige Legierungsflächen- und ferner in Richtung des Pfeiles 20 gedreht werden diode entsteht. Der Körper 26 und die Pille 27 bekann, um die Lage des Kompensationsstabes im Hohl- stehen wie üblich aus Materialien verschiedenen Leileiter bzw. seine Höhe einstellen zu können. Im tungstyps und können beispielsweise n- bzw. p-leitend wesentlichen läßt sich die Phase der durch das Ab- sein. Die aus dem Körper 26 und der Pille 27 gebil· Stimmglied erzeugten zusätzlichen Reflexion durch 15 dete Diode ist so orientiert, daß eine durch den Kör«· Längsverschiebung der Welle in Richtung des Pfeiles per 26 und die Zone 27 führende Gerade tangential 19 und der Betrag dieser Reflexion durch Drehen der zum gekrümmten Rand des Rutilresonators 21 verWelle und dementsprechend durch die Höhenlage des läuft, um eine optimale Kopplung von Signalenergie innerhalb des Wellenleiters angeordneten Kompen- zwischen einem tangentialen und azimutalen elebsationsstabes einstellen. ao irischen Feld an den äußeren Grenzen der Oberfläche

Der Hohlleiter 12 ist zum Teil aufgeschnitten dar- des Rutilresonators 21 und der Diode zu erreichen, gestellt, um den in ihm angeordneten Teil der Rutil- Bei dem beispielsweise dargestellten Verdreifacher resonatoranordnung 15 zu zeigen, Die dargestellte wurde eine legierte Galliumarsenid-pn-Flächendiode Anordnung 15 enthält einen kristallischen Titan- verwendet. Der Körper 26 der Diode war etwa dioxydkörper, der die Form einer zylindrischen 25 0,5 mm lang und 0,25 mm breit, und die Größe der Scheibe 21 hat und im folgenden als Rutilresonator Pille betrug 0,075 mm. Die durch den Körper 26 und bezeichnet wird. Der Rutilresonator 21 kann mono- die Pille 27 gebildete Diode hatte eine Kapazität von kristallin oder polykristallin sein. Das Volumen und etwa 1,0 pF und einen Reihenwiderstand von etwa damit die Größe des scheibenförmigen Rutilresona- 2 Ohm. Der Rutilresonator 21, der Stab 23, der Körtors 21 werden für ein spezielles Anwendungsgebiet 30 per 26 und die Pille 27 der Flächendiode sind nicht so gewählt, daß sie etwa gleich dem durch (Y ψ ge' maßstabsgerecht gezeichnet, sondern der Deutlichkeit teilten Volumen eines mechanischen Hohlraumes für halber vergrößert dargestellt,
dieselbe Frequenz sind, wobei g gleich der relativen Wenn eine Flächendiode des bei dem Ausführungs-Dielektrizitätskonstante des Rutilresonators ist. Bei beispiel der Fig. 1 verwendeten Typs in der Sperrdem beispielsweise dargestellten Frequenzverdrei^ 35 richtung vorgespannt wird, werden die im Halbleiterfacher gemäß F i g, 1 wurde als Rutilresonator 21 ein material vorhandenen beweglichen Ladungsträger Einkristall verwendet, dessen Durchmesser etwa vom Übergang abgezogen, und in einem Bereich in 2,3 mm und dessen Dicke etwa 1 mm betrugen. der Nähe des Überganges verbleiben unkompensierte

Der Rutilresonator 21 ist in einem Sitz 22 gelagert, unbewegliche Ladungen. Die Breite und damit die der durch einen Ausschnitt in einem Ende eines Sta- 40 elektrische Ladung der auf diese Weise entstehenden bes 22 gebildet wird. Der Rutilresonator 21 ist mit Raumladungsschicht hängt von der angelegten Spaneiner seiner Endflächen mittels eines geeigneten, ver- nung ab und bestimmt die Übergangskapazität. Die lustarmen Klebstoffes, z. B. einem Epoxykleber, am Übergangskapazität der Flächendiode ist umgekehrt Sitz 22. des Stabes 23 befestigt. Die Befestigung kann proportional der effektiven Breite des Überganges, auch auf andere Weise erfolgen. Der Stab 23 besteht 45 und da diese effektive Breite spannungsabhängig ist, vorzugsweise aus Berylliumoxyd oder einem anderen hängt auch die durch die Flächendiode gebildete KaT relativ gut wärmeleitenden, elektrisch isolierenden pazität von der angelegten Spannung ab. Mit anderen Material und dient zur Wärmeableitung vom Rutil- Worten gesagt stellt ein in Sperrichtung vorgespannter resonator 21. Wenn keine Wärmeableitung erforder- Übergang mit einem Halbleitermaterial eine Kapazilich ist, kann der Stab 23 aus einem Acrylharz; oder 5° tat dar, deren Größe mittels der Vorspannung steuerähnlichen Isolierwerkstoffen bestehen. bar ist.

Der Stab 23, der so lang ist, daß der Rutilresona- Zur Einstellung der durch die Diode 26, 27 gebiltor 21 wenigstens annähernd in der Mitte des Hohl- deten Kapazität ist mit dem Körper 26 der Diode leiters 12 gelagert wird, um eine maximale Kopplung eine Leitung 28 verbunden, die durch eine nicht darzwischen dem Hohlleiter 12 und dem Rutilresonator 55 gestellte Öffnung in der Hohlleiterwand, die. auch den 21 zu gewährleisten, führt zuerst durch eine nicht Stab 23 durchtreten läßt, nach außen geführt. Das dargestellte Öffnung in der Wand des Hohlleiters 12 andere Ende der Leitung 28. ist mit einer an der und ist dann an einem zylindrischen Metallteil 24 be- Kappe 25 angebrachten Klemme 30 verbunden. Eine festigt. Die Halterung der Anordnung 15 am Hohl- von der Leitung 28 isolierte zweite Leitung 29 verleiter 12 kann auf irgendeine geeignete Weise erföl- ^6o bindet die Pille 27 der Diode mit einer ebenfalls an gen. Die Anordnung 15 kann beispielsweise in eine der Kappe 25 angebrachten zweiten Klemme 31. Die entsprechende Fassung am Wellenleiter 12 einge- Klemmen 30, 31 sind mit einer Glejchspannungsschraubt sein. Wie an Hand der Fig. 2 und 3 noch quelle 32 verbunden, die so gepolt und bemessen ist, näher erläutert wird, ist das obere Stück des Metall- daß sie an die Diode 26, 27 eine in Sperrichtung geteiles 24 in eine zylindrische Kappe aus einem Kunst- ⁶5 polte Spannung solcher Größe (z. B. 1 bis 2 Volt) liestoff oder einer anderen Vergußmasse eingebettet. fert, daß sich der gewünschte Kapazitätswert ergibt.

Am Rand der frei liegenden ebenen Fläche des Ru- Die Leitungen 28, 29 können durch Löcher im Stab

tilresonators 21 ist eine nach dem Legierungsverfah- 23 geführt sein, so daß sie bequem aus dem Hohl-

7 S

leiter herausgeführt werden tonnen; selbstverständ- 35 mit einer Wand der Hohlleiteranordnung verbunlich können auch irgendwelche anderen Durchfüh- den ist, kann die Hohlleiteranordnung selbst als rungen verwendet werden. Masserückleitung dienen.

In der Kappe 25 sind zwei gestrichelt dargestellte Die Dioden-Rutilresonatoranordnung 15 ist in den

Hochfrequenz-Überbrückungskondensatoren 33, 34 S Fig. 2 und 3 in vergrößertem Maßstab dargestellt, angeordnet, die in Reihe zwischen die Klemmen 31, Fig. 2 ist eine Vorderansicht der Anordnung 15 mit 33 geschaltet sind. Der Verbindungspunkt der Kon- Blick direkt auf die frei liegende große Hauptfläche densatoren 33, 34 ist mit einer an der Kappe 25 an- des Rutilresonators 21, während die Seitenansicht der gebrachten Klemme 35 verbunden, welche an einen . Fig. 3 deutlicher erkennen läßt, wie der Rutilresona-Bezugspotentialpunkt, wie Masse, angeschlossen ist, io tor 21 an dem im. Stab 23 gebildeten Sitz 22 befestigt so daß die Gleichspannungsquelle 32 für die Hoch- ist. In den Fig. 1, 2 und 3 sind für gleiche Teile frequenz kurzgeschlossen ist. gleiche Bezugszeichen verwendet worden. Der zylin-

Um die Verluste an Hochfrequenzenergie über die drische Metallteil 24 ist hohl und am einen Ende Leitungen 28, 29 möglichst gering zu halten, kann die geschlossen, so daß eine Fläche 47 zur Befestigung Länge dieser Leitungen etwa gleich einer viertel 15 des Stabes 23 zur Verfügung steht. Das obere Stück Wellenlänge der Arbeitsgrundfrequenz der Dioden- und das offene Ende des Metallteiles 24 werden durch Resonatoranordnung 15 bemessen werden. Die über die Kunststoffkappe 25 bedeckt, um die Anordnung die Kondensatoren 33, 34 mit Masse verbundenen 15 zu schützen und ihre Handhabung zu erleichtern. Leitungen 28, 29 wirken dadurch für 8 und 24 GHz Die mit der Klemme 30 verbundene Leitung 28 fuhrt als Sperre, so daß Hochfrequenzverluste vermieden 20 vom Körper 26 der Diode zu einem halbzylinderwerden. Das Abfließen von Hochfrequenzenergie über förmigen Metallteil 48, der aus Kupfer oder einem die'Leitungen 28,29 kann selbstverständlich auch auf anderen gut leitenden Metall bestehen kann. Die andere Weise verhindert werden. So kann beispiels- an die- Klemme 31 angeschlossene Leitung 29 verweise in die Leitungen 28, 29 nahe der Diode 26, 27 . bindet die Pille 27 der Diode mit einem zweiten eine Hochfrequenzdrössel eingeschaltet werden, und/ 25 halbzylinderförmigen Metallteil 49, der im Aufbau oder die Leitungen 28, 29 können aus Widerstands- dem Metallteil 48 entspricht. Die beiden Metalldraht bestehen. . teile 48, 49 sind im Abstand voneinander so inner-Die Dioden-Rutilresonatoranordnung 15 erzeugt halb des hoMzylinderförmigen Metallteiles 24 angeaus der zugeführten 8-GHz-Eingangssignalenergie im . ordnet, daß sich die gekrümmten Flächen der Teile Hohlleiter 12 Signalenergie einer Frequenz von 30 48, 49 in nahem Abstand von der Innenwand des 24 GHz, wie noch erläutert wird. Die 24-GHz-Energie Metallteiles 24 befinden, diese jedoch nicht berühren, wird aus dem Hohlleiter 12 über einen verlaufenden Der verbleibende Raum im Teil 24 ist mit einem Wellenleiterabschnitt 36 in einen für das K-Band be- Isoliermaterial gefüllt, z. B. Polytetrafluoräthylen. messenen Hohlleiterabschnitt 38 gekoppelt. Die Ver- Der hohlzylinderförmige Teil 24 ist über die Klemme bmdüng des alsÜbefga^gsstück dienefifden, verlaufen- 35 35 mit Masse verbunden.

den Hohlleiterabschnittes 36 mit dem Hohlleiter 12 Die halbzylinderförmigen Metallteile 48, 49 bilden

einerseits und dem Hohlleiter 38 andererseits erfolgt jeweils mit dem hohlzylinderförmigen Metallteil 24 mittels üblicher Flanschanordnungen 37 bzw. 39. Das einen Hochfrequenz-Ableitkondensator zwischen der Übergangsstück 36 wird vorzugsweise fünf bis zehn Klemme 30 bzw. 31 und Masse. Diese Kondensato-Wellenlängen der Grundfrequenz von 8 GHz ge- 40 ren entsprechen den in F i g. 1 gestrichelt eingezeichmacht, um möglichst wenig Signalenergie dieser Fre- neten Kondensatoren 33, 34 und verhindern, daß quenz in den Hohlleiter 38 zu koppeln. Sowohl das Hochfrequenzenergie in die Gleichspannungsquelle verlaufende Hohlleiterübergangsstück 36 als auch der 32 gelangt. Mit der Anordnung 15 kann der Rutil-K-Band-Hohlleiter 38 können aus innen mit Silber resonator 21 mit der auf ihm gebildeten Flächenplattiertem Messing bestehen, um.eine geringe Dämp- 45 diode innerhalb des Hohlleiters 12 genau eingestellt fung der Hochfrequenz zu gewährleisten. Der Hohl- werden.

leiter 38 ist für 24 GHz ausgelegt und kann beispiels- Der scheibenförmige Rutilresonator 21 wird so im

weise 12,7 mm breit und 6,35 mm tief sein. Hohlleiter 12 angeordnet, daß die große Stirnfläch&

Nahe dem geschlossenen äußeren Ende 51 des des Rutilresonators 21 mit der darauf befindlichen Hohlleiters 38 ist ein Anschluß 41 für eine nur sehe- 5° Flächendiode parallel zu den schmalen Seitenwänden matisch dargestellte Leitung 40, z. B. eine Koaxial- und senkrecht zu den breiten Wänden des Hohlleitung, angeordnet, durch die das 24-GHz-SignaI leiters 12 verläuft. Von den beiden Längsenden des einem Verbraucher 42 zugeführt wird. Zur Anpas- Hohlleiters 12 ist dann der Rand, d.h. die gekrümmte sung der Impedanz des Verbrauchers 42 an den Hohl- zylindrische Fläche des Rutilresonators 21, zu sehen, leiter 38 ist dieser mit zwei E-H-Abstimmgliedern 55 Der Grund für diese Anordnung des Rutüresonators 43, 44 versehen, die in üblicher Weise ausgebildet 21 läßt sich bei Betrachtung der in den F i g. 4 und 5 sind und jeweils aus einem Hohlleiterabschnitt be- dargestellten Feldverteilungen verstehen. Fig. 4a stehen, dessen Volumen über nicht dargestellte be- zeigt das elektrische Feld Jm Rutilresonator 21 wegliche Kurzschlußplatten an Knöpfen 45 bzw. 46 (Fi g. 1), wenn dieser mit 8 GHz erregt wird. An der einstellbar ist. 60 Oberfläche des Rutilresonators 21 verlaufen die elek-

Die Signalquelle 10, die aus den drei Hohlleiter- irischen Feldlinien dabei kreisförmig. Die Intensität abschnitten 12, 36, 38 bestehende Hohlleiteranord- des elektrischen Feldes ist in der Nähe des Außennung, der Verbraucher und die Klemme 35 sind alle randes des Rutilresonators 21 am stärksten, also im mit Masse verbunden dargestellt. In der Praxis kann Bereich der gestrichelten Linie 55, und die Feldstärke diese Masseverbindung aus einer metallischen Er- 65 nimmt dann zur Mitte des Rutilresonators 21 hin ab dungsschiene od. dgl. bestehen. Wenn für die Leitun- (gestrichelte Linie 56). Fig. 4bzeigt die elektrische gen 11, 40 Koaxialleitungen verwendet werden, die Feldverteilung eines üblichen metallischen Hohlgleichzeitig als Rückieitung dienen und die Klemme leiters, wie des Hohlleiters 12 der Fig. 1, wenn die-

9 10

»er im TE^-Schwingungszustand erregt ist. Die elek- oben angegebenen Kreisparametern wurde für das trischen Feldlinien sind gerade und verlaufen parallel 24-GHz-Signal eine Umsetzungsdämpfung von 9 db zu den Schmalseiten des Hohlleiters 12. gemessen.

F i g. 5 a zeigt die Verteilung des magnetischen FeI- Man kann die beschriebene Anordnung so betrach-

des des Rutilresonators 21, wenn dieser mit 8 GHz er- 5 ten, als ob der Resonator 21 in das Medium innerregt ist. Fig. 5 a ist in Richtung auf den Rand, also die halb des Hohlleiters 12 eingetaucht ist. Der Resonagekrümmte, zylindrische Seitenfläche des Rutilreso- tor 21 ist also in das den Hohlleiter bildende Rohr nators 21, gesehen. Die magnetischen Feldlinien sind eingetaucht. Das nichtlineare Element, in diesem Fall um den Rand des Rutilresonators 21 verteilt. Wie die die Diode 26, 27, befindet sich an der Grenzfläche in F i g. 5 b dargestellte Draufsicht zeigt, verläuft das 10 zwischen dem Resonator 21 und dem Medium niedmagnetische Feld im Hohlleiter 12 parallel zu den riger Dielektrizitätskonstante im Hohlleiter. Die elekbreiten Wänden. Vergleicht man die in den F i g. 5 a tromagnetischen Feldlinien sind an dieser Grenz- und 5 b dargestellten magnetischen Feldverteilungen, fläche am dichtesten. Man erhält daher eine starke so sieht man, daß die in F i g. 5 a dargestellte magne- Kopplung des Elementes 26, 27 zwischen dem Hohltische Feldverteilung des Rutilresonators 21 in der- 15 leiter 12 und dem Resonator 21, indem man es an selben Ebene liegt und praktisch die gleiche Vertei- dieser Grenzfläche anordnet.

lung hat wie das magnetische Feld im Hohlleiter 12, Der Hohlleiterabschnitt 12 bildet keinen Resonanzwenn der scheibenförmige Rutilresonator 21 mit sei- hohlraum, d. h., er ist nicht auf eine oder mehrere nen ebenen Stirnflächen parallel zu den schmalen bestimmte Frequenzen abgestimmt. Der Hohlleiter 12 Seitenwänden des Hohlleiters 12 angeordnet ist. Hier- ao ist üblich aufgebaut und für den interessierenden Fredurch ist eine gute Kopplung der 8-GHz-Signal- quenzbereich bemessen. Der Rutilresonator 21 stellt energie zwischen dem Rutilresonator 21 und dem den Resonanzkreis für die Flächendiode dar und erHohlleiter 12 gewährleistet. zeugt mit dieser die gewünschte Oberwelle. Der Hohl-Wenn der Rutilresonator 21 mit seinen ebenen leiter 12 koppelt dabei die Grundwelle auf den Rutil-Stirnflächen parallel zu den breiten Wänden oder 25 resonator 21 und die bei der Umsetzung entstehende senkrecht zu den breiten und schmalen Wänden des Oberwelle vom Rutilresonator 21 aus. Hohlleiters 12 angeordnet wird, verlaufen die Linien Da der Resonator aus einem Material hoher Dides sich um den Rutilresonator 21 ausbildenden ma- elektrizitätskonstante besteht, ist die durch die gnetischen Feldes im rechten Winkel zu den magne- Flächendiode gebildete Kapazität klein gegenüber tischen Feldlinien im Hohlleiter 12, und die Kopp- 30 der des Resonators. Die Gesamtkapazität wird also lung zwischen dem Rutilresonator 21 und dem Hohl- überwiegend vom Resonator bestimmt. Das Vorleiter 12 ist stark herabgesetzt. Durch die in F i g. 1 handensein der durch die Flächendiode dargebotenen dargestellte Anordnung des Rutilresonators, bei der nichtlinearen Kapazität schließt das an den Resoseine ebenen Flächen parallel zu den schmalen Wan- nator angelegte Feld nicht nennenswert kurz und den des Hohlleiters 12 verlaufen, wird also der Rutil- 35 belastet auch den Resonator nicht in anderer Weise resonator durch die Kopplung mit dem Hohlleiter 12 so stark, daß das Funktionieren im Millimetermaximal erregt. Wellenlängenbereich und darunter beeinträchtigt Im Betrieb des in F i g. 1 dargestellten Oberwellen- würde.

generators wird das von der Signalquelle 10 gelieferte Bei den bisher üblichen Anordnungen, bei denen

8-GHz-Signal in den Hohlleiter 12 eingekoppelt und 40 eine Flächendiode in einem metallischen Resonanzbreitet sich längs des Hohlleiters zu der Dioden-Rutil- hohlraum im Millimeterwellenlängenbereich betrieresonatoranordnung 15 aus. Die im Hohlleiter 12 ben wurde, war dagegen die durch die Flächendiode auftretende und magnetisch auf den Rutilresonator gebildete zusätzliche Kapazität groß im Vergleich zur 21 gekoppelte Signalenergie erregt den Rutilresonator Kapazität des Hohlraumes. Wenn man annimmt, daß 21 zu Schwingungen. Dadurch, daß die Flächendiode 45 dieselbe Diode einmal mit einem Rutilresonator und 26, 27 infolge ihrer Lage mit den stärksten elek- das andere Mal mit einem üblichen Hohlleiter oder trischen Feldlinien im Rutilresonator 21, die in Hohlraumresonator verwendet wird, so ist die Kapa-F i g. 4 a durch die gestrichelte Linie 55 dargestellt zität der Diode im Vergleich zur Kapazität des Hohlsind, gekoppelt ist, addiert sich durch die Einstellung raumresonators wesentlich größer als im Vergleich der von der Vorspannungsquelle 32 gelieferten Sperr- 50 zur Kapazität des Rutilresonators. Bei Verwendung spannung bestimmte Kapazität der Diode effektiv zu eines konventionellen Hohlraumresonators schließt der des Rutilresonators 21. Zusammen mit der Kapa- die Eigenkapazität der Diode einen beträchtlichen zität der Flächendiode ist der Rutilresonator 21 so Anteil des anliegenden Feldes kurz und verhindert bemessen, daß brauchbare Schwingungszustände so- häufig überhaupt ein Funktionieren des Hohlraumwohl für die Grundfrequenz von 8 GHz als auch die 55 resonators. Da der Rutilresonator nicht nur eine hohe gewünschte Oberwelle von 24 GHz existieren. Dielektrizitätskonstante hat, sondern auch im Mikro-

In diesem speziellen Fall kann die Kombination wellen- und Millimeterwellenbereich fast verlustfrei aus Rutilresonator 21 und Flächendiode 26, 27 im ist, kann er mit kleinem Volumen hergestellt werden Betrieb beispielsweise einer Viertelwellenlängen- und trotzdem eine starke Konzentration des elektroleitung gleichgesetzt werden, die auf eine bestimmte 60 magnetischen Feldes bewirken. Es ist daher möglich, Grundfrequenz und eine gewünschte ungerade Ober- eine Umsetzereinrichtung hohen Wirkungsgrades für welle dieser Grundfrequenz abgestimmt ist. Die den Millimeterwellenlängenbereich und darunter her-24-GHz-Oberwelle wird aus dem Rutilresonator 21 zustellen.

in den Hohlleiter 12 gekoppelt und von diesem dann In F i g. 1 ist eine getrennte Vorspannungsquelle 32

über den verlaufenden Hohlleiterabschnitt 36 in den 65 dargestellt, die die für ein einwandfreies Arbeiten Hohlleiter 38, von dem das 24-GHz-Signal ausge- der Flächendiode 26, 27 erforderliche, in Sperrichkoppelt und dem Verbraucher 42 zugeführt wird. Bei tung gepolte Vorspannung liefert. Der Aufbau der dem verdreifachenden Oberwellengenerator mit den Dioden-Rutilresonatoranordnung 15 kann durch eine

11 12

automatische Erzeugung der Vorspannung für die 21a, 21b gekoppelt ist. Für die Arbeitsweise einer Diode vereinfacht werden, wobei dann die Leitungen solchen Rutilresonatoranordnung ist es besonders 28, 29 und die Vorspannungsquelle 32 entfallen kön- vorteilhaft, wenn man den einen zylindrischen Resonen. Zur automatischen Vorspannungserzeugung nator, z.B. den größeren Körper 21«, so bemißt, daß kann beispielsweise ein zwischen die Pille 27 und den 5 er in einem bestimmten Schwingungszustand bei der Körper 26 der Diode geschalteter Widerstand geeig- Grundfrequenz schwingt, während der kleinere Resoneter Größe oder irgendeine andere bekannte Anord- nator 21 b so bemessen ist, daß er in einem entnung verwendet werden. sprechenden Schwingungszustand bei der gewünschten

Bei der Beschreibung des in Fig. 1 dargestellten Oberwelle schwingt, wenn die Anordnung durch über Rutilresonators 21 war angenommen worden, daß io die Diode 26" eingekoppelte Signalenergie erregt dieser aus einem Kristallkörper besteht. Der Rutil- wird. Der kleinere Resonator 21 & dient dabei also resonator wird empirisch oder unter Verwendung dazu, die Erzeugung, des Oberwellensignals an der exakterer mathematischer Methoden in Verbindung Diode zu fördern und verringert gleichzeitig die Anmit der zusätzlichen Kapazität der Flächendiode für forderungen, die sonst hinsichtlich der Schwingungsdie gewählte Grundfrequenz und Oberwelle bemessen. 15 frequenzen an den Resonator 21a zu stellen wären. Ein Oberwellengenerator mit einer auf einem Rutil- Man kann auf diese Weise sowohl die Grundwelle als resonator montierten Diode entsprechend der An- auch die gewünschte Oberwelle mit gutem Wirkungsordnung 15 kann auf diese Weise so aufgebaut wer- grad an der Diode 26" erzeugen, ohne daß man daden, daß er irgendeine Oberwelle aus einem weiten bei auf einen einzigen Rutilresonator für die beiden Bereich liefert. Er kann beispielsweise die zweite, 20 interessierenden Frequenzen angewiesen ist. vierte, fünfte, sechste oder höhere Oberwellen erzeu- An Hand der Fig. 1 war eine spezielle nichtlineare

gen. Der Konstrukteur kann die Anordnung 15 je- Einrichtung in Form eines Oberwellengenerators beweils so auslegen, daß eine gewünschte Oberwelle schrieben worden. Fig. 8 zeigt als weiteres Ausfühentsteht. rungsbeispiel der Erfindung einen parametrischen

Man kann zwar einen speziellen Rutilresonator so 25 Verstärker, der teilweise perspektivisch, teilweise als herstellen, daß er bei einer bestimmten Oberwelle Blockschaltbild dargestellt ist. Ein zu verstärkendes schwingt, es ist jedoch unter Umständen nicht mög- Trägersignal wird über eine nur schematisch angelich, Resonanzfrequenzen bei gewünschten Ober- deutete Leitung 101 einem Anschluß eines Richtungswellenverhältnissen im Rutilresonator zu finden. In kopplers mit vier Anschlüssen, z.B. eines Ferritanderen Fällen kann es unmöglich oder unzweck- 30 zirkulators 71, zugeführt. Der Zirkulator 71 ist eine mäßig sein, die Flächendiode auf dem Rutilresonator Einrichtung mit nichtreziproker Übertragungscharakso anzuordnen, daß-sie mit dem elektrischen Haupt- teristik und überträgt Schwingungsenergie, die einem feld sowohl der Grundwelle als auch der gewünschten Anschluß zugeführt wird, nur zu dem in Richtung Oberwelle in Wechselwirkung tritt. Das Rutilelement des Pfeiles 72 nächstfolgenden Anschluß. Ein dem kann auch beispielsweise bei einer Oberwelle, z. B. 35 Anschluß 70 zugeführtes Signal wird also beispielsder dritten, schwingen, nicht jedoch bei einer anderen weise nur zum zweiten Anschluß 73 übertragen, gewünschten Oberwelle, beispielsweise der zweiten. Schwingungsenergie, die dem zweiten Anschluß 73 Um eine größere Freizügigkeit hinsichtlich der von einer äußeren Einrichtung zugeführt wird, gelangt Betriebsfrequenz zu erreichen, kann ein TEM-Rutil- dementsprechend nur zum dritten Anschluß 74. In Koaxialresonator verwendet werden. Fig. 6a ist eine 40 entsprechender Weise wird Schwingungsenergie, die Seitenansicht, die die gekrümmte Fläche eines solchen dem dritten Anschluß 74 von außen zugeführt wird, Rutilresonators21' zeigt, während in Fig. 6b die nur zum vierten Anschluß 75, an den ein angepaßter ebene Stirnfläche dieses Resonators zu sehen ist. Auf Abschlußwiderstand 76 angeschlossen ist, geleitet, der Stirnfläche des Resonators 21' ist nahe dem Rand Der angepaßte Abschlußwiderstand 76 verhindert, eine Halbleiterflächendiode 26' veränderlicher Kapa- 45 daß Signalenergie zurück zum ersten Anschluß 70 zität angeordnet. Eine Öffnung 59 erstreckt sich in reflektiert wird. Daß die Schwingungsenergie nur zum Längsrichtung durch den Resonator 21', das Verhält- nächsten Anschluß weitergegeben wird, kann durch nis der Radien des Resonators 21' und der Öffnung magnetisierte Ferrite erreicht werden. Nichtreziproke 59 kann etwa 2:1 betragen. Ein koaxialer Rutil- Einrichtungen sind bekannt, so daß sich eine weitere resonator 21', wie er in Fig. 6 dargestellt ist, kann 50 Beschreibung erübrigt (s. zum Beispiel »The Elements für eine größere Anzahl von Oberwellen einer be- of Nonreciprocal Microwave Devices«, Proceedings stimmten Grundfrequenz bemessen werden. Alle of the IRE, Oktober 1956, S. 1345). Oberwellen schwingen außerdem in derselben TEM- Das in den ersten Anschluß 70 des Zirkulators 71

Schwingungsform. Ein Oberwellengenerator der in eingespeiste Trägersignal, dessen Frequenz beispiels-F i g. 1 dargestellten Art kann mit einer geeigneten 55 weise 8 GHz betrage, wird vom zweiten Anschluß 73 Anordnung zur Kopplung des Rutilresonators mit über eine beispielsweise koaxiale Leitung 78 und ein dem Hohlleiter so aufgebaut werden, daß eine be- Kopplungsglied 79 in ein Ende eines metallischen stimmte der möglichen Oberwellen durch geeignete Rechteckhohlleiterabschnittes 12 eingekoppelt. Signal-Wahl der Belastung einstellbar ist. energie einer Pumpfrequenz, beispielsweise 25 GHz, Eine weitere Abwandlung der Rutilresonator- 60 wird von einer Pumpsignalquelle 80 über eine beianordnung ist in den Fig.7a und 7b dargestellt. spielsweise koaxiale Leitung82 und ein Kopplungs-Diese Anordnung enthält zwei massive zylindrische glied 83, die nur schematisch angedeutet sind, in Rutilkörper 21 α, 216-, zwischen denen eine Flächen- einen Hohlleiterabschnitt 81 eingespeist. An das eine diode 26" montiert ist. F i g. 7 a ist eine Stirnansicht Ende des Hohlleiterabschnittes 81 ist über eine der Anordnung, während die Seitenansicht der 65 Flanschanordnung 85 ein verlaufendes Übergangs-Fig. 7b die gekrümmten Flächen der Körper 21 α, stück 84 angeschlossen, dessen anderes Ende über b zeigt. Die Diode 26" ist so angeordnet, daß sie eine entsprechende, jedoch größere Flanschanordmitden elektrischen Hauptfeldern beider Resonatoren nung86 mit dem Hohlleiterabschnitt 12 verbunden

13 14

ist, so daß die Pumpenergie in den Hohlleiter- dem an diesen angeschlossenen Widerstand 76 ver-

abschnitt 12 eingekoppelt wird. Das Übergangsstück nichtet.

84 ist so bemessen, daß möglichst wenig Signalenergie Im Idealfall ist der Rutilresonator 21 so bemessen,

der Trägerfrequenz vom Hohlleiterabschnitt 12 in daß er bei den interessierenden Träger-, Pump- und den Hohlleiterabschnitt 81 gelangt. 5 Idlerfrequenzen schwingt. In der Praxis bereitet es

Am Hohlleiterabschnitt 12 ist eine Anordnung 15 keine Schwierigkeiten, einen Rutilresonator herzumontiert, die einen Rutilresonator 21 und eine auf stellen, der bei zweien der interessierenden Frediesem befindliche Halbleiterflächendiode 26' ver- quenzen einwandfrei schwingt. Die Forderung, daß änderlicher Kapazität umfaßt. Der Rutilresonator 21 der Rutilresonator bei allen drei interessierenden Fremit der Kapazitätsvariationsdiode 26' ist durch eine io quenzen einwandfrei schwingen soll, ist jedoch nicht nicht dargestellte Halterung in der Mitte des Hohl- immer ohne weiteres zu erreichen, insbesondere, da leiterabschnittes 12 angeordnet. Die Anordnung aus die Frequenzen nicht notwendigerweise in einem hardem Rutilresonator 21 und der Diode 26' sowie die monischen Verhältnis zueinander stehen und sehr zugehörige Halterung kann entsprechend den Fig. 1 verschieden sein können. Es gibt verschiedene Mögmit 3 ausgebildet sein, sie sind in F i g. 8 zur Verein- i₅ lichkeiten, diese Schwierigkeiten zu verringern. An fachung der Zeichnung nur schematisch gestrichelt der Wand des Hohlleiterabschnittes 12 kann nahe dargestellt. Auch der übrige Teil der Anordnung 15 der Dioden-Rutilresonatoranordnung 15 ein abstimmeinschließlich eines zylindrischen Metallteiles 24 und barer Wellenleiterhohlraum angeordnet werden. Durch einer Kunststoff kappe 25 können der an Hand der Abstimmen des zusätzlichen Hohlraumes auf eine F i g. 1 mit 3 beschriebenen Anordnung entsprechen, ao der drei interessierenden Frequenzen, z. B. die Pump-Eine Klemme der Diode 26' ist über eine Leitung 28 frequenz, kann der Rutilresonator 21 zum Schwingen mit einer an der Kappe 25 befindlichen Klemme 30 auf dieser Frequenz angeregt werden, auch wenn er verbunden, während der andere Anschluß der Diode sonst bei dieser Frequenz nicht schwingen würde. 26' über eine Leitung 29 mit einer zweiten Klemme Der Rutilresonator 21 führt dann also alle drei Fre-31 an der Kappe 25 verbunden ist. Zwischen die 25 quenzen an der Diode 88, die in der gewünschten Klemmen 30, 31 sind in Reihe zwei Hochfrequenz- Weise parametrisch arbeitet.

Ableitkondensatoren 33, 34 geschaltet, die nur ge- Der in Fig. 8 dargestellte Rutilresonator 21 kann

strichelt angedeutet sind, und der Verbindungspunkt entsprechend F i g. 7 aufgebaut sein. In diesem Falle

der Kondensatoren 33, 34 ist über eine an der Kappe ist der größere Rutilkörper 21 α für zwei der inter-25 angeordnete dritte Klemme 35 mit Masse verbun- 30 essierenden Frequenzen, z.B. die Trägerfrequenz und

den. An die Klemmen 30, 31 ist eine Gleichspan- die Idlerfrequenz, bemessen, während der kleinere

nungsquelle 32 angeschlossen, die eine in Sperrich- Rutilkörper 21 b für die höhere oder Pumpfrequenz

tung gepolte^ Vorspannung gewünschter Größe für ausgelegt ist. Die in F i g. 8 dargestellte Diode 26" ist

die Diode 26' liefert. so angeordnet, daß sie mit den elektrischen Feldern

Im Betrieb des in F i g. 8 dargestellten parametri- ₃₅ der interessierenden Frequenzen in den beiden

sehen Verstärkers breiten sich die Signalenergien der Resonatoren gekoppelt ist, so daß diese Fre-

Trägerfrequenz und der Pumpfrequenz längs des quenzen in der Diode 26" in Wechselwirkung treten

Hohlleiterabschnittes 12 aus und werden magnetisch und die gewünschte parametrische Verstärkung ein-

auf den Rutilresonator 21 gekoppelt. Der Rutilreso- tritt.

nator21 ist unter Berücksichtigung der durch die ₄₀ Fig. 9 zeigt in einem vereinfachten Schaltbild wie' Diode 26' gebildeten zusätzlichen Kapazität so be- die Anordnung der F i g. 1 zu einer Mischstufe abgemessen, daß er sowohl bei der Trägerfrequenz als wandelt werden kann. Der Block 15 in F i g. 9 stellt auch bei der Pumpfrequenz Resonanzstellen auf- eine Kapazitätsvariationsdiode, die auf einem Rutilweist. Durch die nichtlineare Wechselwirkung zwi- resonator montiert ist, dar. Die Anordnung 15 kann' sehen der Pumpfrequenz und der Trägerfrequenz an ₄₅ wie die Anordnung 15 der F i g. 1 aufgebaut sein, der Diode 26' entsteht Signalenergie einer dritten Eine Gleichspannungsquelle 32 entspricht der Gleich-Frequenz (Idlerfrequenz), die gleich der Differenz Spannungsquelle 32 in F i g. 1 und liefert die erforzwischen der Pump- und Trägerfrequenz ist und bei derliche, in Sperrichtung gepolte Vorspannung für dem vorliegenden Beispiel 13 GHz beträgt. Die die Flächendiode der Anordnung 15. In den Gleichdurch die Diode 26' gebildete veränderliche Kapazi- 50 Stromkreis zwischen der Anordnung 15 und der tat wird mit der Summe von Träger- und Idler- Stromquelle 32 ist eine Eingangsschaltung geschaltet, frequenz ausgesteuert, wobei Energie von der Pump- die eine Induktivität 107 und zwei Eingangsklemmen frequenz auf die Trägerfrequenz übergeht. Die Wir- 108, 109 umfaßt. Die Stromquelle 32 ist für Hochkungsweise ist ähnlich wie bei einem gegengekoppel- frequenz durch einen Kondensator 110 überbrückt, ten parametrischen Verstärker. Die resultierende ver- 55 Ein Eingangssignal einer ersten Frequenz wird über stärkte Signalenergie der Trägerfrequenz von 8 GHz die Klemmen 108,109 an die Induktivität 107 gelegt, gelangt zurück zum zweiten Anschluß 73 des Zirku- so daß die Sperrspannung und damit die Kapazität lators 71 und von dort zum dritten Anschluß 74, der in der Anordnung 15 enthaltenen Flächendiode von wo sie über eine nur schematisch angedeutete entsprechend der Frequenz des zugeführten Eingangs-Leitung 100 einem nicht dargestellten Ausgangskreis 60 signals schwanken. Das Eingangssignal der ersten oder Verbraucher zugeführt werden kann. Die nur Frequenz tritt dann an der Diode mit einem Signal schematisch angedeutete Leitung 100 enthält die einer zweiten Frequenz in Wechselwirkung, das vom üblichen Filteranordnungen, um das Nutzsignal der Wellenleiter 12 (F i g. 1) magnetisch auf den Rutil-Trägerfrequenz von anderen unerwünschten Signalen resonator der Anordnung 15' gekoppelt wird. Der zu trennen, die am dritten Anschluß 74 des Zirkula- 65 Rutilresonator ist in der oben beschriebenen Weise tors 71 auftreten können. Signalenergie, die etwa von so bemessen, daß er bei der ersten und der zweiten der Leitung 100 zurück zum Anschluß 74 reflektiert Frequenz und der Summen- oder Differenzfrequenz, wird, gelangt zum vierten Anschluß 75 und wird in die bei der Wechselwirkung der ersten und zweiten ·

15 16

Frequenz an der Diode entstehen, schwingt. Zur Aus- mit einem elektrischen Hauptfeld der gewünschten kopplung der gewünschten Summen- oder Differenz- Schwingungsfreqüenz auf der Oberfläche des Rutilfrequenz kann ein verlaufendes Wellenleiterüber- resonators 21 gekoppelt ist. Die entstehende Schwingangsstück wie in Fig. 1 oder irgendeine andere ge- gungsenergie wird magnetisch auf den Hohlleiter 12 eignete Anordnung verwendet werden. -5 gekoppelt, das Optimum der Kopplung kann durch

F i g. 10 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der den Abstimmschieber 131 eingestellt werden. Ein Erfindung vereinfacht einen Tunneldiodenverstärker, Ausköpplungsglied 79 und eine Koaxialleitung 78 An einem Hohlleiter 12 ist eine Anordnung 15" aus oder irgendeine andere wirkungsgleiche Anordnung einem Rutilresonatör, auf dem sich eine Tunneldiode dienen zur Auskopplung der Schwingungsenergie aus 113 befindet, angebracht. Der Aufbau der Dioden-; ίο dem Hohlleiter 12. Für eine Tunneldiodenmischstufe Rutilresonatöranordnung und ihrer Halterung im kann eine Fig. 8 ähnliche Anordnung verwendet Hohlleiter 12 kann den oben beschriebenen Bei- werden. Die Diode 26' wird dann durch eine Tunnel·- spielen entsprechen, die Anordnung ist daher nur diode ersetzt, und das Ausgangssignal kann an den schematisch gestrichelt dargestellt. Die Tunneldiode Klemmen 30, 31 abgenommen werden. 113 ist derart an der Oberfläche des Rutilresonators 15 Titandioxyd öder Rutil wird als Werkstoff für deft 21 angebracht, daß sie mit dein an der Oberfläche Resonator bevorzugt, da sich dieses Material bedes Rutilresonators herrschenden elektrischen Haupt- sonders gut eignet. Selbstverständlich können für den feld der interessierenden Frequenz gekoppelt ist. Der Resonator auch andere Werkstoffe mit ähnlichen Tunneldiode 113 wird von einer Gleichspannungs- Eigenschaften verwendet werden. Jedes verlustarme quelle 32 eine in Flußrichtung gepolte Vorspannung ao dielektrische Material mit hoher Dielektrizitätskonvön beispielsweise etwa 100 Millivolt über Klemmen starite kann in Verbindung mit dem nichtlinearen 30, 31 und Leitungen 28, 29 zugeführt. Die Anord- Element verwendet werden. Der Resonator muß nung 15" enthält wie das in den Fi g. 1, 2 und 3 dar- nicht notwendigerweise zylindrisch oder scheibengestellte Ausführurigsbeispiel der Erfindung zwei förmig sein. Die Form des Resonators hängt von den Hochfrequenz-Überbrückungskondensatoren 33, 34, 35 Erfordernissen des speziellen Anwendungsgebietes die zwischen eine mit Masse verbundene Klemme 35 ab. Zylindrische Scheiben und zylindrische Scheiben und die Klemmen 30 geschaltet sind. mit Mittelloch sind jedoch besonders geeignet, da

Ein zu verstärkendes Signal einer gegebenen Fre- gewünschte Schwingungsfonnen unterhalten, unerquenz wird einem ersten Anschluß 70 eines Ferrit- wünschte Schwingungsfonnen jedoch unterdrückt zirkulators 71 zugeführt. Der Zirkulator 7l kanö 30 werden.

hinsichtlich Aufbau und Arbeitsweise dem Zirkulator Bisher wurde nur immer von einer einzigen Flächen-

71 der F i g. 8 entsprechen. Das dem ersten Anschluß diode oder eineih eiüzigen fiichtliiiearen Elemöiit aiii 70 zugeführte Signal wird vom zweiten Anschluß 73 Resonator gesprochen. Die Erfindung ist jedoch des Zirkulators über eine Koaxialleitung 78 und ein nicht hierauf beschränkt. Fig. 12 zeigt beispielsweise Köpplungsglied 79 in den Hohlleiter 12 eingekuppelt 35 eine Scheibe 134 aus Rutil, die im wesentlichen dem Vom Hohlleiter 12 wird das Signal magnetisch auf in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Resonator21 den Rutilresonator 21 gekoppelt, welcher so be^ entspricht. Auf der einen ebenen Stirnfläche in der messen ist, daß er bei der gegebenen Frequenz Nähe des Randes der Scheibe 134 befinden sich drei schwingt. Um eine optimale Kopplung zwischen dem im Abstand voneinander angeordnete Halbleiter-Hohlleiter 12 und dem Rutilresonator 21 zu gewähr- 40 flächendioden 135, 136, 137. Die Vorspannung für leisten, ist ein verstellbarer Kürzschlußschieber 131 die Dioden kann von außen zugeführt oder automävorgesehen. Die mit dem resultierenden elektrischen tisch erzeugt werden. Wenn man mehr als eine Diode Feld auf der Oberfläche des Rutilresonators 21 gg- vorsieht, nimmt der Grad der bei einer gegebenen koppelte Tunneldiode 113 bildet entsprechend dem Anordnung möglichen nichtlinearen Wechselwirkung Wert der angelegten Flußvorspannung einen nega- 45 bei der Signalumsetzuhg zu. Weön man- beispielstiven Widerstand und verstärkt daher das Signal. weise bei dem in F i g. 8 dargestellten parametrischen Das magnetisch vom Rutilresonator auf den Hohl- Verstärker auf dem Resonator 21 mehr als eine leiter 12 gekoppelte Signal gelangt zurück zum zwei- Diode anbringt, nimmt die nichtlineare Wechselwirten Anschluß 73 des Zirkulators 71 und von dort kung zwischen Pump-, Idler- und Trägerfrequenz über einen dritten Anschluß 74 zu einem Ausgangs- 5° entsprechend der Anzahl der verwendeten Dioden kreis, der über eine nur schematisch angedeutete zu, und es ergibt sich, selbstverständlich in Grenzen., Leitung 100, die die üblichen Filter enthält, mit dem ein entsprechend höherer Verstärkungsgrad. An Stelle Anschluß 74 verbunden ist. Signale, die etwa von der der in Fig. 12 dargestellten drei Flächendioden Leitung 100 zum dritten Anschluß 74 reflektiert wer- kann selbstverständlich entsprechend den Erforderden, gelangen über einen vierten Anschluß 75 des 55 nissen eines speziellen Anwendungsgebietes eine be-Zirkulators 71 zu einem Abschlußwiderstand 76, in liebige Anzahl von Flächendioden oder nichtlinearen dem sie absorbiert werden, so daß am ersten An- Elementen verwendet werden. Schluß 70 keine reflektierten Signale auftreten An Stelle der nichtlineären Flächendioden, die bei

können. den beschriebenen Äusführungsförmen als aktives

Fig. 11 zeigt, wie die in Fig. 10 dargestellte An- 60 Element verwendet wurde, können auch andere nichtordnung zu einem Tunneldiodenoszillator abgewan- lineare Materialien in Form feines Körpers oder einer delt werden kann. In den Fig. 10 und 11 sind ent- dünnen Schicht in Verbindung mit einem Rutilresosprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen be- nator zur Verstärkung, Schwingungserzeugung, Moduzeichnet. Die der Tunneldiode 113 von der Vorspan- lation, Oberwellenerzeugung usw. verwendet wernungsquelle 32 zugeführte Flußspannung wird so be- 65 den. Die Flächendioden der verschiedenen Ausfühmessen, daß die Tunneldiode 113 in Kombination rungsbeispiele können beispielsweise durch ein nichtmit dem Rutilresonator 21 schwingt. Der Rutilreso- lineares Element iii Form eines Körpers öder einer nator 21 ist so bemessen, daß die Tunneldiode 113' dünnen Schicht aus Ferrit ersetzt Werden.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Für Frequenzen bis einschließlich des Millimeter- und Submillimeterwellenlängengebietes geeignete Einrichtung zur Verarbeitung von elektrischer Signalenergie mit einem Resonator, einer Anordnung zur Erregung des Resonators und/oder Auskopplung von Energie aus diesem Resonator und mindestens einem nichtlinearen Element, das mit dem elektromagnetischen Feld des Resonators gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (21) ein Material hoher Dielektrizitätskonstante enthält und in einen ein Medium niedrigerer Dielektrizitätskonstante enthaltenen Innenraum eines Hohlleiters (12) eintaucht und daß das nichtlineare Element auf dem Resonator an der Grenzfläche zwischen dem Material hoher Dielektrizitätskonstante und dem Medium niedrigerer Dielektrizitätskonstante angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus einem massiven, isolierenden Körper besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus einer dünnen isolierenden Schicht besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator die Form einer kreis- oder ringförmigen Scheibe (134) hat, bei der die Hauptkomponente des elektrischen Feldes tangential und azimutal beim gekrümmten Rand der Scheibe verläuft, und daß das oder die nichtlinearen Elemente (135, 136, 137) nahe des Randes derart montiert sind, daß eine maximale Kopplung zwischen der elektrischen Feldkomponente und den nichtlinearen Elementen gewährleistet ist (Fig. 12).

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (21') die Form eines Hohlzylinders mit flachen Enden hat und einen TEM-Koaxial-Resonator bildet, bei dem das elektrische Feld hauptsächlich als tangentiale und azimutale Feldkomponente in der Nähe des gekrümmten Randes des Zylinders auftritt, und daß mindestens ein nichtlineares Element (26') in der Nähe des Randes des Resonators so montiert ist, daß eine maximale Kopplung von elektrischer Energie zwischen der elektrischen Feldkomponente und dem oder den Elementen auftritt.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element eine in Sperrrichtung vorgespannte Kapazitätsvariationsdiode ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element eine in Flußrichtung vorgespannte Tunneldiode ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunneldiode so vorgespannt ist, daß der Resonator bei einer gewünschten Frequenz schwingt.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator so bemessen ist, daß er bei zwei verschiedenen Frequenzen zu schwingen vermag.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator zwei massive zylindrische Körper (21 a, 21 b) enthält, die so bemessen sind, daß sie bei einer ersten bzw. bei einer zweiten hohen Frequenz schwingen, daß mindestens ein nichtlineares Element (26") zwischen den Körpern derart montiert ist, daß es mit der Hauptkomponente des elektrischen Feldes der ersten Frequenz des ersten Körpers gekoppelt ist, daß vom Hohlleiter (12) elektrische Energie der ersten Frequenz auf den ersten Körper gekoppelt ist und daß elektrische Energie der zweiten Frequenz aus dem zweiten Körper ausgekoppelt wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (21) so bemessen ist, daß er bei einer der Idlerfrequenz entsprechenden dritten Hochfrequenz schwingt, daß mindestens eine Halbleiterdiode (26') als nichtlineares Element auf dem Resonator montiert ist und mit den am Resonator bei der Pump-, Träger- und Idlerfrequenz auftretenden elektrischen Feldern derart gekoppelt ist, daß die Diode oder Dioden eine nichtlineare Wechselwirkung der Pump- und Trägerfrequenz bewirken und den Resonator bei der Idlerfrequenz schwingen lassen, daß der Hohlleiter (12) für die Trägerund Pumpfrequenz magnetisch mit dem Resonator gekoppelt ist, und daß eine magnetische Kopplung mit dem Resonator vorgesehen ist, um verstärkte Signalenergie der Trägerfrequenz aus dem Resonator auszukoppeln.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste zylindrische Teil (21a) des Resonators so bemessen ist, daß es bei der Träger- und der Idlerfrequenz schwingt, daß der zweite zylindrische Teil (21 b) so bemessen ist, daß es bei der Pumpfrequenz schwingt, und daß zwischen diesen Teilen mindestens eine Diode (26") derart montiert ist, daß sie mit den bei der Träger- und Idlerfrequenz auftretenden elektrischen Feldern des ersten Teiles und mit dem bei der Pumpfrequenz auftretenden elektrischen Feld des zweiten Teiles des Resonators gekoppelt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 630/585 10.68 © Bundesdruckerei Berlin