DE1282739B - Schaltungsanordnung fuer hohe Frequenzen mit einem Topfkreis - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H03b

Deutsche KL: 21 a4 -13

Nummer: 1282739

Aktenzeichen: P 12 82 739.3-35 (S 95923)

Anmeldetag: 12. März 1965

Auslegetag: 14. November 1968

Bei bekannten im Mikrowellen-Frequenzbereich betriebenen Oszillatoren werden Elektronenröhren und Klystronen eingesetzt. Derartige Röhren sind stoß- und erschütterungsempfindlich und benötigen neben hohen Heizströmen auch verhältnismäßig hohe Betriebsspannungen. Auch entwickeln die mit Elektronenröhren arbeitenden Vorrichtungen viel Wärme und erfordern verhältnismäßig viel Platz. Bei derartigen Oszillatoren ist es bekannt, einen als Topfkreis ausgebildeten Resonanzkreis mit verteilten Parametern zu verwenden und die Elektronenröhren baulich mit dem Topfkreis zu vereinigen.

Es sind auch bereits Schaltungsanordnungen zur Leistungsverstärkung von sehr hohen Frequenzen mit Hilfe von Transistoren bekannt, bei denen zur Abführung der Kollektorverlustwärme der Kollektorkreis als Topfkreis ausgebildet ist, dessen Innenleiter mit dem Kollektoranschluß des Transistors in guter Wärmeverbindung steht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für hohe Frequenzen mit einem Topfkreis, dessen Innenleiter mit dem Kollektor eines Transistors verbunden ist, als Rückkopplungsoszillator auszubilden und dadurch einen Rückkopplungsoszillator zu schaffen, welcher geringen Raumbedarf hat und hohe mechanische Stabilität gegenüber mechanischen Stößen und Erschütterungen aufweist und dessen Ausgangsfrequenz auch bei starken mechanischen Belastungen verhältnismäßig stabil ist. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß in einer Schaltungsanordnung für hohe Frequenzen mit einem Topfkreis, dessen Innenleiter mit dem Kollektor eines Transistors verbunden ist, der parallel zu einer Spannungsquelle angeordnete Spannungsteiler, an dessen Abgriff die Basis des Transistors in bekannter Weise angeschlossen ist, zwischen Emitter des Transistors und dem Mantel des Topfkreises angeordnet ist. Durch diese Ausbildung des Schwingkreises eines Oszillators wird eine große Frequenzstabilität auch bei starker Leistungsabgabe erzielt. Die Oszillatorschaltung nach der Erfindung kann in Leichtbauweise ausgeführt werden und erfordert nur einen kleinen Raumbedarf. Als frequenzbestimmende Kapazitäten werden die innere Kapazität zwischen Kollektor und Basis sowie Emitter und Basis des Transistors mitverwendet.

Die Grundfrequenz des von einem solchen Oszillator erzeugten Ausgangssignals lag über 1 Gigahertz, also über 1 · 10⁹ Hz, bei einer Signalleistung von mehr als 20 mW. Es ist möglich, mehrere Transistoren mit einem einzigen Hohlraumresonator parallel zu betreiben, so daß sich eine kompakte und lei-

Schaltungsanordnung für hohe Frequenzen mit
einem Topfkreis

Anmelder:

Sanders Associates, Inc.,

Nashua, N. H. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Weintraud, Patentanwalt,
6000 Frankfurt, Mainzer Landstr. 134-146

Als Erfinder benannt:

Joseph E. Racy, Nashua, N. H. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 20. März 1964 (353 424)

stungsfähige Signalquelle mit einer Ausgangsleistung bis zu 100 mW ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Oszillators,
F i g. 2 eine Draufsicht auf den Oszillator von F i g. 1 und

Fig. 3 eine Schnittansicht des Oszillators von Fig. 2.

F i g. 1 zeigt einen Oszillator, der einen Transistor 12 mit einem Basisanschluß 14, einem Kollektoranschluß 16 und einem Emitteranschluß 18 enthält. Außerdem gehört zum dargestellten Oszillator ein allgemein mit 20 bezeichneter Hohlraumresonator mit einem Innenleiter 22 und einem Außenleiter 24, die koaxial zueinander angeordnet sind.

An seiner einen Stirnseite 20 a weist der Hohlraumresonator 20 eine leitende Stirnwand 26 auf, die mit axialem Abstand zum Innenleiter 22 angeordnet und mit dem Außenleiter 24 verbunden ist. Eine den Kollektoranschluß 16 des Transistors 12 mit dem Innenleiter 22 verbindende Leitung 28 führt durch eine in der Mitte der Stirnwand 26 vorgesehene Bohrung 26 α in den Hohlraumresonator.

Die andere Stirnseite 20 b des Hohlraumresonators 20 ist zu einer leitenden Stirnwand 30 ausgebildet, welche eine leitende Verbindung zwischen dem Innenleiter 22 und dem Außenleiter 24 bildet. Der Innenleiter 22 hat eine Länge von etwa einer Viertel-

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Kapazität 52 bildet zwischen dem Emitteränschluß und dem Basisanschlüß eine Spannung, welche die richtige Phase zur Mitkopplung bei dieser Frequenz aufweist.

Wie ersichtlich ist, liegt der Hohlraumresonator 20, von dem das Ausgangssignal des Oszillators ausgekoppelt wird, zwischen dem Kollektor- und dem Basisanschluß des Transistors 12. Der Transistor weist zwischen diesen Anschlüssen eine hohe Aus

wellenlänge bei der Schwingungsfrequenz, so daß die als leitende Verbindung wirkende Stirnwand 30 an der Stirnseite 20 a des Hohlraumresonators als hoher Scheinwiderstand zwischen dem Innenleiter und Außenleiter erscheint.

Die Stirnwand 30 weist einen Ausgangsanschluß
32 auf, der aus einem mit der Stirnwand 30 verbundenen Außenleiter 34 und einem vom Außenleiter
konzentrisch umgebenen Innenleiter 36 besteht, der
in das Innere des- Hohlraumresonators führt und io gangsimpedanz auf, wodurch die Güte (Q) des Hohleine an sich bekannte Kopplungsschleife 36 a bildet. raumresonators ihren Optimalwert erreicht. Da der

Neben der vorgesehenen Verbindung zwischen Basisanschluß des Transistors sowohl dem Eingang dem Innenleiter des Hohlraumresonators und dem als auch dem Ausgang des Transistors gemeinsam Kollektoranschluß des Transistors ist der Außen- ist, kann diese Schaltung als Basisschaltung angeleiter 24 über einen mit einem Widerstand parallel- 15 sehen werden.

geschalteten Ableitkondensator 38 mit dem Basis- Der Oszillator von F i g. 1 wird vorzugsweise so

anschluß 14 des Transistors verbunden. Ein Wider- zusammengebaut, wie Fig. 2 und 3 zeigen, d. h., die stand 42 hegt zwischen dem Emitteranschluß 18 und gesamte Schaltung — mit der eventuellen Ausnahme dem Basisanschluß 14 in Reihe mit der aus einem der Batterie 48 — wird direkt auf dem Hohlraum-Widerstand 46 und einem Ableitkondensator 44 be- 20 resonator 20, und zwar an seiner Stirnseite 20 a, anstehenden Parallelkombination. geordnet. Wie F i g. 3 zeigt, werden zu diesem Zweck

Eine als Batterie 48 dargestellte Gleichstrom- auf der Stirnwand 26 eine untere Isolierscheibe 54, Versorgung liefert die Vorspannung sowie die Be- eine leitende Zwischenplatte 56, eine obere Isoliertriebsspannung für den Transistor 12. Wie es bei dem scheibe 58 und eine leitende Deckplatte 60 übereingezeigten npn-Transistor üblich ist, bewirkt die 25 ander angeordnet. Jede Scheibe bzw. Platte ist kreis-Batterie 48, daß der Kollektoranschluß 16 gegenüber förmig und weist in ihrer Mitte eine Öffnung auf, die

dem Emitteranschluß 18. positiv ist, während der Basisanschluß 14 durch die Widerstände 40 und 46 auf einer dazwischenliegenden Spannung gehalten wird.

Der Oszillator von F i g. 1 nutzt auch die inneren Blindwiderstände des Transistors 12 aus, nämlich ■eine Kapazität 50, die zwischen dem Kollektoranschluß und Emitteranschluß erscheint, sowie eine

auf die in der Stirnwand vorgesehene Bohrung 26 a ausgerichtet ist.

Ein Anschlußstift 62 ragt von der Stirnwand 26 30 durch die Scheiben und Platten 54 bis 60 und ist von einer nichtleitenden Durchführung 64 umgeben, die ihn gegen die Platten 56 und 60 isoliert. In ähnlicher Weise ist an der Platte 56 ein Anschlußstift 66 vorgesehen und von einem Isoliermantel 68 umgeben.

Kapazität 52, die zwischen dem Emitteranschluß und 35 Schließlich befindet sich auf der Deckplatte 60 noch Basisanschluß auftritt. ein kurzer Anschlußstift 70.

Die sich hieraus ergebende Schaltung stellt einen Die leitenden Platten 56 und 60 sowie die Isolier-

Colpitts-Osziüator mit drei Blindwiderständen dar, scheiben 54 und 58 lassen sich an der Stirnwand 26 wobei der Hohlraumresonator 20 den einen Blind- mit einem erstklassigen Klebemittel befestigen oder widerstand und die beiden inneren Kapazitäten 50 4° mit (nicht gezeigten) Schrauben, die gegen die Plat- und 52 des Transistors 12 die beiden anderen Blind- ten 56 und 60 isoliert sind, anschrauben, widerstände bilden. Konventionelle Rückkopplungs- Die Deckplatte 60 und die obere Isolierscheibe 58

oszillatoren mit drei Blindwiderständen einschließ- sind zur Aufnahme des Transistors 12 ausgeschnitlich des Colpitts-Oszillators sind im Technical ten, dessen Gehäuse vorzugsweise mit der inneren Manual TM 11-673 (Juni 1953) des Department of 45 Platte 56 verbunden ist, beispielsweise durch Anthe Army auf S. 107 bis 111 beschrieben. löten. Bei dem dargestellten Aufbau ist zu beachten,

Wie oben erwähnt wurde, dienen die Widerstände daß die elektrischen Anschlüsse des Transistors nicht 40 und 46 hauptsächlich zur Bestimmung des Ar- mit dem allgemein leitenden Transistorgehäuse beitspunktes des Transistors. Die Ableitkondensato- verbunden sind. Trotzdem wird der Transistor vorren 38 und 44 haben einen vernachlässigbaren 5° zugsweise so angeordnet, wie aus der Zeichnung er-Scheinwiderstand bei Betriebsfrequenz und leiten sichtlich ist, d. h., sein Gehäuse wird mit der leitendaher die Hochfrequenzsignale an denWiderständen
40 und 46 vorbei. Der Widerstand 42 verhindert,
daß der Ableitkondensator 44 einen Nebenschluß
zur inneren Kapazität 52 des Transistors bildet und 55
dient außerdem zur Begrenzung des Emitterstroms.

Arbeitet der Oszillator mit einer etwas anderen
Frequenz als der Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 20, so ist dessen induktiver Bundwiderstand sehr viel größer als der kapazitive Blindwider- 60 stellen. Der Basisanschluß 14 des Transistors 12 ist stand der mit ihm in Reihe liegenden inneren Kapa- mit dem Anschlußstift 66 verbunden. Ebenso sind zität52. Die aus dem Hohlraumresonator und der die Widerstände 40 und 46 einerseits mit diesem AnKapazität 52 bestehende Kombination stellt daher schlußstift und andererseits mit dem Anschlußstift bei dieser Frequenz eine Induktivität für den Tran- 62 bzw. 70 verbunden. Der Widerstand 42 liegt zwisistor zwischen dessen Kollektoranschluß und 65 sehen dem Anschlußstift 70 und dem Emitter-Emitteranschluß dar. Die andere innere Kapazität anschluß 18. Die zur Herstellung dieser Verbindun-50 befindet sich bei der Schwingungsfrequenz in Re- gen benutzten Schaltdrähte werden möglichst kurz sonanz mit dieser Induktivität. Der Strom in der gehalten, insbesondere die Leitung 28, die Verbin

den Platte 56 verbunden, die einen geringen kapazitiven Bundwiderstand gegenüber dem Außenleiter 24 des Hohlraumresonators aufweist.

Die Leitung 28 vom Kollektoranschluß 16 führt durch die in der Mitte der Platten und Scheiben 54 bis 60 und der Stirnwand 26 vorgesehenen Öffnungen, um eine direkte Verbindung zur Stirnseite 22 a des Innenleiters 22 des Hohlraumresonators herzu-

dung vom Emitteranschluß 18 über den Widerstand 42 zum Anschlußstift 70 sowie die Verbindung vom Basisanschluß 14 zum Anschlußstift 66, da jede dieser Leitungen Hochfrequenz führt.

Der besseren Übersicht wegen sind in F i g. 3 die Widerstände 40, 42 und 46 mit Abstand zur Deckplatte 60 dargestellt. In der Praxis ist dieser Abstand jedoch sehr klein. Gegebenenfalls kann zwischen den Widerständen und der Deckplatte eine Isolierung vorgesehen werden. Zur Befestigung der Widerstände eignet sich ein erstklassiger Kleber mit dielektrischen Eigenschaften.

Gemäß F i g. 1 und 3 befindet sich der Ableitkondensator 38 von F i g. 1 in F i g. 3 zwischen der Stirnwand 26 des Hohlraumresonators und der leitenden Platte 56, bei der die Anschlüsse am Anschlußstift 66 erfolgen. Die Kapazität zwischen den leitenden Platten 60 und 56 bildet den Ableitkondensator 44 von Fig. 1.

Ein nach der vorstehenden Beschreibung hergestellter Oszillator entwickelte im L-Band-Frequenzbereich, d. h. bei 10⁹ Hz, eine Leistung von 20 mW. Die Ausgangsfrequenz weist gegenüber Änderungen in der Umgebungstemperatur eine Stabilität von etwa 1 · ΙΟ-«/⁰ C auf. Diese Stabilität läßt sich noch verbessern, wenn man für den Hohlraumresonator Invar oder ein anderes Material mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten verwendet. Aber auch Hohlraumleiter aus Messing und Aluminium führen zu einer verhältnismäßig großen Stabilität.

Die Kapazität zwischen den leitenden Platten 56 und 60 und der Stirnseite des Außenleiters sowie zwischen dem Transistorgehäuse und diesen leitenden Elementen ist so bemessen, daß der Oszillator praktisch keine Störstrahlen im HF-Bereich abgibt. Derartige Störstrahlungen stellen für den Nachrichteningenieur ein immer unangenehmeres Problem dar, so daß der Wegfall solcher Störstrahlungen — wie beim erfindungsgemäßen Oszillator — besonders wünschenswert ist.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf dem Hohlraumresonator 20 nur ein Transistor angeordnet. Es können aber auch mehrere Transistoren auf diese Weise an der Stirnseite eines einzigen Hohlraumresonators angeordnet und parallel betrieben werden, um eine stabile und kompakte HF-Energiequelle zu schaffen. Darüber hinaus kann der Oszillator wie üblich elektronisch abgestimmt, amplitudenmoduliert und/oder frequenzmoduliert werden, indem beispielsweise die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators 20 mit einer spannungsgesteuerten Kapazitätsvorrichtung, wie z. B. einer im Hohlraumresonator angeordneten Kapazitätsdiode (Varactor), abgestimmt wird.

Ebenso steht der Koaxialleitungsresonator hier ganz allgemein für Resonanzkreise mit verteilten Blindwiderständen und schließt auch kompakte Anordnungen wie Streifenleitungsoszillatoren ein.

Zusammengefaßt wird in dem vorstehend beschriebenen Oszillator ein Transistor mit einem Schwingkreis mit verteilten Blindkomponenten so zusammengeschaltet, daß die inneren Blindwiderstände der Halbleitervorrichtung mit denen des Schwingkreises wirksam zusammenarbeiten. Die Frequenz des Oszillators ist gegenüber mechanischen Einwirkungen und Änderungen in der Umgebungstemperatur verhältnismäßig stabil. Außerdem sind für die Schaltung nur wenige Bauteile erforderlich. Der Oszillator läßt sich mit geringem Kostenaufwand herstellen.

Durch die Anordnung des Transistors in unmittelbarer Nähe des Bereiches hoher Impedanz des Schwingkreises wird eine wirksame Kopplung zwischen dem Schwingkreis und dem Transistor im Mikrowellenbereich erreicht. Für den vergleichbaren Einsatz von Elektronenröhren mußten scheibenförmige und ebene Elektrodenanordnungen entwickelt werden. Dagegen wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein Transistor mit einem Aufbau angewandt, wie dieser bei Schaltungen mit konzentrierten Blindkomponenten für niedrige Frequenzen üblich ist.

Claims (4)

P atentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für hohe Frequenzen mit einem Topfkreis, dessen Innenleiter mit dem Kollektor eines Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zu einer Spannungsquelle (48) angeordnete Spannungsteiler (40, 46), an dessen Abgriff die Basis (14) des Transistors (12) in bekannter Weise angeschlossen ist, zwischen Emitter (18) des Transistors (12) und dem Mantel (24) des Topfkreises (20) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Emitter (18) und der Parallelschaltung aus Spannungsteiler (40, 46) und Spannungsquelle (48) ein Ohmscher Widerstand (42) liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Widerstände (40, 46) des Spannungsteilers ein Kondensator (38, 40) parallel geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (38, 40) durch die Kapazitäten zwischen isoliert voneinander und von einer leitenden Stirnplatte (26) des Topfkreises angeordneten leitenden Platten (56, 60) gebildet werden, mit denen die Enden der Widerstände (40, 46) des Spannungsteilers elektrisch verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1135 527;
französische Patentschrift Nr. 798 581;
»AEÜ«, Heft 11/1957, S. 456.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 637/1086 11.68 ® Bundesdruckerei Berlin