DE1294489B - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen Oberwellenfrequenz aus einer Grundwellenfrequenz - Google Patents

Description

1 2

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeu- Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung

gung einer harmonischen Oberwellenfrequenz aus zur Erzeugung einer harmonischen Oberwelleneiner Grundwellenfrequenz mit mehreren kaskaden- frequenz aus einer Grundwellenfrequenz mit mehreartig hintereinandergeschalteten spannungsabhängigen ren kaskadenartig hintereinandergeschalteten spannichtlinearen Reaktanzen. 5 nungsabhängigennichtlinearenReaktanzenerfindungs-

Bei einem bekannten Oberwellengenerator sind gemäß dadurch gelöst, daß in der Zuleitung für zwei Kapazitätsdioden in Reihe gegeneinander- die Grundwellenfrequenz ein Tiefpaßfilter mit einer geschaltet. Während der einen Halbwelle der Grund- zwischen den Frequenzen der Grundwelle und ihrer Schwingung wird die eine Diode in ihren leitenden zweiten Oberwelle liegenden Grenzfrequenz ange-Zustand gesteuert, während die andere Diode in io ordnet ist, daß die Auskoppelleitung für die Ober-Sperrichtung vorgespannt wird und als Kapazität Wellenfrequenz einen Hochpaß mit einer zwischen wirkt. Während der anderen Halbwelle vertauschen der Frequenz der 1. und 3. Oberwelle liegenden beide Dioden ihre Rollen. Nachteilig ist hierbei, daß Grenzfrequenz aufweist und daß die nichtlinearen während jeder Halbwelle eine der beiden Dioden in Reaktanzen als Teile des Innenleiters eines Koaxial-Durchlaßrichtung betrieben wird, so daß der sie 15 leiters ausgebildet und mit solchem gegenseitigem durchfließende Wechselstrom an ihrem Durchlaß- Abstand angeordnet sind, daß sich sowohl für die widerstand eine Leistung umsetzt, welche Anlaß für Grundwelle als auch für die gewünschte Oberwelle einen schlechten Wirkungsgrad, d. h. zu unerwünsch- eine erste Reaktanz an der Stelle eines Bauches des ter Dämpfung, ist sowie zu einer ebenfalls uner- elektrischen Feldes und eine zweite Reaktanz an der wünschten Erwärmung der Diode führt. Ferner sind ao Stelle eines Bauches des magnetischen Feldes der die Abmessungen der Dioden bei hohen Frequenzen sich längs des Koaxialleiters ausbildenden elektro-(über 1 GHz) nicht mehr klein gegenüber der Wellen- magnetischen Welle befindet und daß die Auskoppellänge, so daß zwei unmittelbar hintereinander ange- leitung (48, 49, 50) an einer Stelle maximalen elekordnete Kapazitätsdioden bereits eine störende trischen Feldes der gewünschten Oberwellenfrequenz Unstetigkeitsstelle der Leitung darstellen, die zu den 25 angeordnet ist.

bekannten unerwünschten Erscheinungen, wie Re- Der Tiefpaß verhindert, daß die infolge der Wirflexionen usw., führt. Aus diesen Gründen verbietet kung der nichtlinearen Reaktanzen gebildeten Obersich auch ein unmittelbares Hintereinanderschalten wellen in die Grundwellenzuleitung zurückgelangen, derartiger Kapazitätsdioden zur Erhöhung der Span- Der in der Ausgangsleitung vorgesehene Hochpaß nungsfestigkeit und der vom Oberwellengenerator 30 verhindert dagegen, daß unterhalb der gewünschten maximal verarbeitbaren Leistung (Wärmeabführung), Ausgangsfrequenz liegende Frequenzen ausgekoppelt obwohl bei einem solchen Hintereinanderschalten der werden. Für den Fall der Erzeugung beispielsweise Verlustwinkel und damit der Wirkungsgrad gegen- der 3. Oberwelle bleibt also die 2. Oberwelle in dem über einem Oberwellengenerator mit nur einer Kapa- aus dem Innenleiter und dem Außenleiter gebildeten, zitätsdiode nicht verschlechtert würde. 35 zwischen dem Eingangstiefpaß und dem Ausgangs*·

Es ist weiterhin eine Schaltungsanordnung mit hochpaß liegenden Koaxialleiterstück eingesperrt, parametrischen Eigenschaften bekannt, welche sich Die Möglichkeit der Verarbeitung hoher Leistungen für Anwendungen als Frequenzteiler, Verstärker, ergibt sich bei der Erfindung durch die Verwendung Modulator oder Schieberegister eignet. Hierbei ist von zwei Reaktanzen, für die zweckmäßigerweise ein Koaxialleiterstück mit einer Einkoppelleitung für 40 Kapazitätsdioden verwendet werden und die derart eine Eingangsfrequenz und zwei beiderseits davon als Teile des Innenleiters der Koaxialleitung ausangeordneten Auskoppelleitungen für zwei gegen- gebildet sind, daß sie nicht als Unstetigkeitsstellen phasige Ausgangssignale der halben Eingangsfrequenz wirken, sondern räumlich so getrennt sind, daß sie versehen und an beiden Enden mit Hilfe leitender als Reaktanzen an den Schwingungsbäuchen des sich Platten kurzgeschlossen. Zwischen diesen Endplatten 45 im Koaxialleiter ausbildenden elektrischen bzw. und den Enden des im Koaxialleiter angeordneten magnetischen Feldes angeordnet sind. Hierbei arbei-Innenleiters befindet sich je eine Kapazitätsdiode, tet die eine Diode im Leerlauf, die andere dagegen wobei diese beiden Dioden mit dem Wellenleiter im Kurzschluß, so daß beide Dioden getrennt geein auf die Ausgangsfrequenz abgestimmtes Reso- steuert werden. Damit läßt sich der gleiche Wirkungsnanzsystem bilden, bei welchem die beiden Dioden 5° grad wie bei der Verwendung nur einer einzigen an Schwingungsbäuchen des elektrischen Feldes Diode erreichen, obwohl beide Dioden zusammen liegen. eine wesentlich größere Leistung verarbeiten können

Im Gegensatz zu einem Frequenzteiler, um welchen als nur eine einzelne Diode.

es sich bei der bekannten Anordnung handelt, treten In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung

bei einem Frequenzvervielfacher wesentlich größere 55 kann in an sich bekannter Weise die zweite Reaktanz Probleme auf, da die Ausgangsfrequenz nicht in an einem kurzgeschlossenen Ende des Koaxialleiters einen niedrigeren und somit leichter beherrschbaren angeordnet sein.

Frequenzbereich liegt, sondern in einem höheren Für die Erzeugung der 2. oder 4. Oberwelle wird

Frequenzbereich, und bekanntlich nehmen die der Abstand der Reaktanzen zweckmäßigerweise Schwierigkeiten bei der Realisierung von Hoch- 60 gleich einer halben Wellenlänge der Grundwellenfrequenzanordnungen mit steigender Frequenz frequenz gewählt, während man den Abstand der stark zu. Reaktanzen zum Zwecke der Erzeugung der 3. Ober-

Im Gegensatz zu der bekannten Anordnung be- welle gleich einer viertel Wellenlänge der Grundsteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung Wellenfrequenz macht.

eines Frequenzvervielfachers bzw. Oberwellen- 65 Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in generators für Mikrowellenfrequenzen, der sich * * den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels durch einen hohen Wirkungsgrad und die Ver- im einzelnen erläutert. Es zeigt arbeitung hoher Leistungen auszeichnet. F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Aus-

führungsform des erfindungsgemäßen Oberwellengenerators,

F i g. 2 einen Schnitt durch den in F i g. 1 dargestellten Oberwellengenerator in Richtung des Pfeiles A,

F i g. 3, 4 und 5 Darstellungen der Verteilung des elektrischen und magnetischen Feldes längs des Koaxialleiterabschnittes der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform zur Veranschaulichung der Arbeitsweise.

Der in den F i g. 1 und 2 nicht maßstäblich gezeigte Mikrowellen!requenzvervielfacher umfaßt einen metallischen rechtwinkligen Wellenleiterabschnitt 10. Die Abmessungen des Wellenleiters 10 sind entspre-

tet, daß eine glattwandige, runde öffnung durch den Wellenleiter 10 und in den zweiten Teil 21 hinein besteht. Eine Gleichspannungsquelle ist an den zweiten Teil 21 über einen Leitungsweg angeschlossen, der eine Klemme 24, eine Verbindungsleitung 25 und eine Madenschraube oder einen anderen elektrischen Kontakt 26 am zweiten Teil 21 umfaßt. Eine Erdung des Wellenleiters 10 an einer geeigneten Klemme 55 ist durch eine Verbindungsleitung 54 ge-Lo schaffen.

Ein runder Stift 27 aus Aluminium oder einem anderen geeigneten metallischen, stromleitenden Material ist derart angeordnet, daß ein Ende durch die öffnung 17 im Wellenleiter 10 in die Längsbohrung

chend den interessierenden Arbeitsfrequenzen fest- 15 16 im ersten blockförmigen Teil 15 gerichtet ist. Das gelegt und sind bei einem typischen Arbeitsbeispiel andere Ende des Stiftes 27 ragt durch die durch das des zu beschreibenden Frequenzvervielfachers als Loch 19 im Wellenleiter 10, den dielektrischen Ring die eines Z-Band-Wellenleiters angenommen. Ein 20 und das Loch 23 im zweiten blockförmigen Teil Ende des Wellenleiters 10 endet in einem Flansch 11. 21 gebildete öffnung. In der Abbildung führt der Eine Abstimmvorrichtung in Form eines beweglichen »o Stift 27 durch eine am zweiten blockförmigen Teil 21 Kolbens oder Kurzschlusses 12 ist am anderen Ende vorgesehene öffnung 28 hindurch. Eine Madendes Wellenleiters 10 angeordnet. Abstimmschrauben schraube 29 dient zur Lagefixierung des Stiftes 27. 13 sind an einer Breitwand des Wellenleiters 10 vor- Wenn auch im dargestellten Ausführungsbeispiel der gesehen. Die Schrauben 13 werden in üblicher Weise Stift 27 vollständig durch den zweiten blockförmigen benutzt, um die Impedanz des Wellenleiters 10 25 Teil 21 hindurchführt, so kann der zweite blockder nachfolgenden Schaltung anzupassen. Jede geeignete Impedanzanpaßeinrichtung, beispielsweise
ein E-H-Anpassungsglied, kann an Stelle der Schrauben 13 verwendet werden.

Ein blockförmiger Teil 15 aus Aluminium oder einem anderen geeigneten metallischen Material ist mittels Bolzen oder anderer mechanischer Befestigungsmittel (nicht gezeigt) auf einer Breitwand des Wellenleiters 10 befestigt. Wie in der Ansicht nach

F i g. 2 gezeigt, ist der Teil 15 mit einer zentralen 35 Der Ring 30 dient zur zentralen Anordnung und runden Längsbohrung 16 versehen. Der Teil 15 ist Halterung des Stiftes 27 in der Längsbohrung 16. Der derart auf dem Wellenleiter 10 angeordnet, daß die innerhalb der Längsbohrung 16 angeordnete Ab-Längsbohrung 16 auf eine runde öffnung 17 in der schnitt des Stiftes 27 ist in Form eines koaxialen Breitwand des Wellenleiters 10 ausgerichtet ist. Ein Tiefpaßfilters aufgebaut. Das Filter wird gebildet Teil der Längsbohrung 16 ist im Durchmesser der 40 durch den Stift 27, der von konzentrischen, ringöffnung 17 im Wellenleiter 10 angepaßt. Die öffnung förmigen Elementen 31 umschlossen wird, wodurch 17 ist derart bemessen, daß ein Viertelwellen- die erforderlichen Impedanzen des Filters gebildet Anpassungsglied 18 an der Verbindungsstelle des sind. Die Anzahl der verwendeten Elemente 31 und Teiles 15 und des Wellenleiters 10 geschaffen wird. deren Abmessungen werden nach bekannten Verfah-Eine runde öffnung 19 ist in der der öffnung 17 45 ren entsprechend dem Verlauf der Filterkarre bei gegenüberliegenden Breitwand des Wellenleiters 10 der gewünschten Grenzfrequenz festgelegt. Wie es

sich beim Aufbau solcher Filteranordnungen versteht, sind die jeweils an den Enden des Filters vorgesehenen Elemente 31 von halber Länge wie die anderen Elemente 31, unabhängig von der Gesamtzahl der Elemente 31, die in einem bestimmten Anwendungsfall verwendet werden.

Das in F i g. 2 den Stift 27 begrenzende Endelement 31 ist mit einem kleinen Loch 32 versehen.

zweite Teil 21 von dem Wellenleiter 10 durch den 55 Eine stiftförmige Kapazitätsdiode 33 ist auf das EIedielektrischen Ring 20 gegen Gleichstrom isoliert ist. ment 31 am Ende des Stiftes 27 aufgesetzt, wobei ein Ein ringförmiger Schlitz 22 ist in den zweiten Teil 21 geeigneter elektrischer Kontakt in Form eines Voreingeschnitten, um einen Kurzschluß für hoch- Sprunges 34 am Gehäuse der Diode 33 in das Loch frequente Signalenergie zwischen dem Wellenleiter 32 eingesetzt ist. Die gegenüberliegende Gehäuseseite 10 und dem zweiten Teil 21 über den dielektrischen 60 der Diode 33 weist einen weiteren elektrischen Kon-Ring 20 hinweg zu erreichen. Der zweite block- takt in Form eines Vorsprunges 35 auf. Ein zweiter förmige Teil 21 ist mit einer runden Bohrung oder runder Stift 37, der vorzugsweise aus kalt gewalztem einem Loch 23 versehen, das den gleichen Durch- Stahl zur Temperaturkompensation oder aus einem messer wie die öffnung 19 im Wellenleiter 10 und anderen geeigneten Material hergestellt ist, besitzt eine Tiefe aufweist, die für eine optimale Anpassung 65 ein kleines Loch 36 an einem Ende, in das der Voran die Eingangsfrequenz festgelegt ist. Wie in F i g. 2 sprung 35 am Gehäuse der Diode 33 eingesetzt ist, gezeigt ist, sind die öffnung 19 im Wellenleiter 10, wodurch die Diode 33 zwischen den beiden Stiften der Ring 20 und der zweite Teil 21 derart ausgerich- 37 und 27 sitzt.

förmige Teil 21 start dessen auch mit einem geeigneten nicht gezeigten Sitz versehen sein, der ein Ende des Stiftes 27 im wesentlichen im Zentrum der öffnung 23 hält.

Eine ringförmige Scheibe 30 aus Polytetrafluoräthylen oder aus einem anderen Material mit dielektrischer Eigenschaft ist in die Ausnehmung eingesetzt, die durch das Viertelwellen-Anpassungsglied 18 gebildet wird, und umschließt den Stift 27.

angeordnet. Ein dünner flacher dielektrischer Ring 20 aus Glimmer oder einem anderen verlustarmen dielektrischen Material ist außen am Wellenleiter 10 und rund um die Bohrung 19 herum angeordnet.

Ein zweiter blockförmiger Teil 21 aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Material ist mittels geeigneter mechanischer Befestigungsmittel auf dem dielektrischen Ring 20 angeordnet, derart, daß der

5 6

Das andere Ende des Stiftes 37 weist ein kleines Oberschwingung von 30 GHz eines Eingangssignals

Loch 38 auf, in das ein elektrischer Kontakt in Form hoher Leistung und einer Frequenz von 10 GHz er-

eines Vorsprunges 39 am Gehäuse einer zweiten zeugt werden soll. Das Eingangssignal wird beispiels-

Kapazitätsdiode 40 eingesetzt ist. Eine Stirnplatte 41 weise mit einer Leistung von 400 Milliwatt in den

ist am Ende des ersten blockförmigen Teiles 15 durch 5 Wellenleiter 10 über den Flansch 11 eingeführt. Die

geeignete mechanische Befestigungsmittel befestigt. hochfrequente Signalenergie wandert längs des

Die Stirnplatte 41 kann aus dem gleichen metal- Wellenleiters 10 zu dem Hohlleiter-Koaxialleiter-

lischen Material wie der Teil 15 oder aus anderem Übergang in der Ebene des Stiftes 27. Der Kolben 12

geeignetem Material hergestellt sein. Eine öffnung 42 wird eingestellt, um die Impedanz des Wellenleiters

ist durch die Platte 41 in Fluchtung mit der Lage io 10 von beispielsweise 600 Ohm an die des Hohlleiter-

des Stiftes 37 und der Diode 40 in der Längsbohrung Koaxialleiter-Überganges von beispielsweise 50 Ohm

16 gebohrt. Ein Metallgehäuse 43 mit einer glatten unter Berücksichtigung der Tiefe des Loches 23 mit

Außenfläche und einer mit Schraubengewinde ver- genügend breiter Bandüberdeckung zwischen dem

sehenen Innenbohrung ist in die Öffnung 42 und Wellenleiter 10 und dem Eingang zum koaxialen

durch die Platte 41 gesetzt. Das Gehäuse 43 besitzt 15 Tiefpaßfilter anzupassen. Der Abstand zwischen dem

einen vorspringenden Teil an einem Ende mit einem Kolben 12 und dem Stift 27 ist unter diesen Bedin-

größeren Durchmesser als dem der Öffnung 42 in der gungen etwa eine viertel Wellenlänge für die Ein-

Platte 41, so daß das Gehäuse 43 entfernbar in der gangsfrequenz von 10 GHz.

Öffnung 42 sitzt. Eine Madenschraube 44 dient zur Die hochfrequente Signalenergie breitet sich längs Lagefixierung des Gehäuse 43. Ein Bolzen 45 ist in ao der koaxialen Übertragungsleitung aus, die den Stift das Gehäuse 43 eingeschraubt. Das Ende des Bolzens 27 als inneren Leiter und die Wand der Längs-45 besitzt eine kleine öffnung 46. Wenn der Bolzen bohrung 16 als äußeren Leiter hat. Das Viertel-45 in das Gehäuse 43 geschraubt wird, wird ein wellen-Anpassungsglied 18 bewirkt eine Anpassung zweiter elektrischer Kontakt in Form eines Vor- der Impedanz des Hohlleiter-Koaxialleiter-Übersprunges 47 an der zweiten Kapazitätsdiode 40 in das as ganges, die beispielsweise oben mit 50 Ohm ange-Loch 46 am Ende des Bolzens 45 eingesteckt. Die geben wurde, zu der des Tiefpaßfilters mit den EIe-Aufgabe des Bolzens 45 besteht darin, die beiden menten 31, die in dem Bereich von beispielsweise Dioden 33, 40 und die beiden Stifte 37,27 in ihrer 20 bis 30 Ohm liegt. Der Durchmesser der Längszugeordneten Lage zu halten. Der Stift 37 dient als bohrung 16 und die Abmessungen des Stiftes 27 und Wärmeableitung für die beiden Kapazitätsdioden 33 30 der Elemente 31 sind derartig festgelegt, daß sie ein und 40. Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz oberhalb der

Der in der Nachbarschaft der ersten Diode 33 Grundfrequenz von 10 GHz, aber unterhalb der liegende Abschnitt des ersten blockförmigen Teiles zweiten Oberschwingung von 20 GHz schaffen. Bei-15 ist ausgeschnitten, um einen zweiten rechtwink- spielsweise kann die Grenzfrequenz 15 GHz betragen, ligen Wellenleiterabschnitt 48 zu bilden, der sich von 35 Das durch den Stift 27 und die Elemente 31 gebilder einen bis zur gegenüberliegenden Seite des Teiles dete Tiefpaßfilter leitet die Grundfrequenz an die 15 senkrecht zu und durch die zentrale Achse der erste und die zweite Kapazitätsdiode 33 und 40, ver-Längsbohrung 16 erstreckt. Der Wellenleiterabschnitt hindert aber den Rücklauf von Oberschwingungen

48 ist bezüglich der Diode 33 derart angeordnet, daß zum Wellenleiter 10.

annähernd eine Hälfte der ersten Diode 33 innerhalb 40 Die Dioden 33 und 40 sind pn-Flächendioden, die

des Wellenleiterabschnittes 48 liegt. Ein Hohlleiter mit der Vorspannung eine nichtlineare Kapazitäts-

49 ist mittels geeigneter mechanischer Befestigungs- veränderung zeigen. Wenn die Dioden 33 und 40 als einrichtungen, wie z. B. Bolzen oder andere ähnliche Kapazitätsdioden arbeiten, ist der Wirkungsgrad Mittel, an einer Seite des Teiles 15 derart befestigt, durch die Größe des Reihenwiderstandes der Dioden daß er unter Bildung eines geeigneten Koaxialleiter- 45 33 und 40 bestimmt und um so größer, je niedriger Hohlleiter-Überganges den Wellenleiterabschnitt 48 der Wert des Reihenwiderstandes ist. Wenn die anin geeigneter Weise begrenzt. Ein dritter Wellen- gelegte Signalspannung in irgendeinen Bereich leiterabschnitt 50 ist durch geeignete mechanische hinüberschwingt, bei dem ein Stromfluß bewirkt Befestigungsmittel an der gegenüberliegenden Seite wird, fällt der Wirkungsgrad, da ein Teil der zudes Teiles 15 in Ausrichtung mit dem Hohlleiter 49 50 geführten Energie in /²i?-Energieverluste statt in und dem Wellenleiterabschnitt 48 angeordnet. Der Oberwellenenergie umgewandelt wird. Die Dioden dritte Wellenleiterabschnitt 50 stellt eine Ausgangs- 33,40 werden in Sperrichtung vorgespannt durch eine leitung für die gewünschte Ausgangsfrequenz dar, geeignete Gleichspannung, die an die Klemme 24 die in dem Wellenleiterabschnitt 48 auftritt. Ab- und an den Leitungsweg angelegt ist, der den zweistimmschrauben 51 sind an dem dritten Wellen- 55 ten blockförmigen Teil 21, den Stift 27, die erste leiterabschnitt 50 befestigt, um die Impedanz des Diode 33, den Stift 37, die zweite Diode 40, die Abschnittes 50 an die einer über einen Flansch 53 Stirnplatte 41, den ersten blockförmigen Teil 15, den daran angeschlossenen Schaltung anpassen zu kön- Wellenleiter 10, die Leitung 54 und die Klemme 55 nen. Wenn auch die Abmessungen des Hohlleiters 49 umfaßt. Die beiden Dioden 33,40 sind in gleicher und des zweiten und dritten Wellenleiterabschnittes 60 Richtung gepolt. Unter der Annahme, daß eine Vor-48 und 50 entsprechend den Erfordernissen eines spannung von +10 Volt an die Klemme 24 angelegt bestimmten Anwendungsfalles festgelegt werden, so wird, ist die Kathode der ersten Diode 33 über den werden für das zu beschreibende Beispiel die Ab- Kontakt 34 an das Element 31 des Tiefpaßfilters auf messungen eines K-Band-Wellenleiters angenommen. dem Stift 27 angeschlossen, wobei die Anode der Wie bei den Schrauben 13 kann jede geeignete 65 ersten Diode 33 über den Kontakt 35 an den Stift 37 Impedanzanpaßeinrichtung an Stelle der Schrauben angeschlossen ist. Die Kathode der zweiten Diode 40 51 verwendet werden. ist durch den Kontakt 39 mit dem Stift 37 verbunden,

Es soll nun angenommen werden, daß die dritte während die Anode der zweiten Diode 40 über den

Kontakt 47 mit dem Bolzen 45 verbunden ist. Falls eine Vorspannung mit umgekehrter oder negativer Polarität verwendet wird, sind die Dioden 33 und 40 in entgegengesetzter Richtung gepolt.

Jede geeignete Art oder Ausbildung der beiden kapazitätsveränderlichen Dioden 33 und 40 kann verwendet werden. Ein Beispiel für hier erfolgreich verwendete Dioden sind Galliumarsenidflächendioden mit den Kenngrößen 17 Volt Durchbruchsspannung,

werden soll, sollen die Betriebsweisen für die beiden Dioden 33 und 40 im Hinblick auf maximalen Wirkungsgrad bei der Grund- und der dritten Oberschwingungsfrequenz gleich sein. Wie in den F i g. 3 und 5 gezeigt und zuvor beschrieben, ist dies der Fall.

für beide Dioden 33 und 40. Wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 4 ausgeführt, arbeitet die erste Diode 33 bei der zweiten Oberschwingung im Kurzeffektiv keine Ausgangsbelastung bei dieser Frequenz vor. Der Betrieb der ersten Diode 33 im Kurzschluß erbringt einen geringen Energieverlust bei der zwei-

Die Abmessungen des Ausgangswellenleiters, der den Hohlleiter 49, den zweiten Wellenleiterabschnitt 48 und den dritten Wellenleiterabschnitt 50 umfaßt, 0,5 pF Flächenkapazität bei Vorspannung Null, io sind derartig festgelegt, daß nur die Signalenergie 170 GHz Grenzfrequenz bei — 6 Volt. Die Dioden der dritten Oberschwingungsfrequenz ausgewählt waren derart gekapselt, daß die Gehäusekapazität nur wird. Der Ausgangswellenleiter kann beispielsweise ungefähr 0,16 pF betrug. eine Grenzfrequenz von 21 GHz besitzen. Der Aus-

Für einen Frequenzverdreifacher sind die beiden gangswellenleiter 48, 49 und 50 arbeitet als eine geDioden 33,40 durch den Stift 37 in einem Abstand 15 meinsame Belastung bei der dritten Oberschwingleich der halben Wellenlänge bei der zweiten Ober- gungsfrequenz (in dem gewählten Beispiel 30 GHz) Schwingungsfrequenz (im angeführten Beispiel
20 GHz) angeordnet. Für die speziell vorerwähnten
Dioden war dieser Abstand ungefähr 0,724 cm. Der

Durchmesser des Stiftes 37 ist im Hinblick auf den ao schluß. Da die zweite Oberschwingung nicht von der Längsbohrung oder des Hohlraumes 16 derart dem Ausgangswellenleiter 50 bevorzugt wird, liegt festgelegt, daß eine geeignete Impedanzanpassung
für die beiden Dioden 33, 40 bei den interessierenden
Arbeitsfrequenzen (im vorliegenden Beispiel bei

10 GHz und bei den Oberschwingungen davon) er- 35 ten Oberschwingungsfrequenz, dient aber dazu, den zielt wird. Die beiden Kapazitätsdioden werden in Strom bei der zweiten Oberschwingungsfrequenz ihrem nichtlinearen kapazitiven Reaktanzzustand (Leerlauf) längs der koaxialen Leiteranordnung zu durch das aufgenommene hochfrequente Signal bei verteilen.

der Grundfrequenz von 10 GHz betrieben. Der Abstandsstift 37 mit einer Länge gleich einer

Die die beiden Dioden 33 und 40, den Stift 37 und 3° halben Wellenlänge bei der zweiten Oberschwindie Längsbohrung 16 umfassende Anordnung bildet gungsfrequenz bildet einen Resonanzschwingkreis für eine koaxiale Leitung, die an einem Ende durch die den zweiten Oberschwingungsstrom. Mit dem Tief-Stirnplatte 41 und den zugehörigen Aufbau kurz- paßfilter mit einer Grenzfrequenz von 15 GHz am geschlossen ist. Die zweite Diode 40 ist an dem kurz- einen Ende und dem X-Band-Ausgangswellenleiter geschlossenen Ende der koaxialen Leitung angeord- 35 48, 49,50 von einer Grundfrequenz von 21 GHz am net, wodurch sie an der Stelle maximaler magneti- anderen Ende ist die Signalenergie der zweiten Oberscher Feldkonzentration (H) und damit an einer
Stelle maximalen Stroms längs der koaxialen Leitung
liegt. Die F i g. 3, 4 und 5 geben die Feldverteilung

jeweils für die Grundfrequenz, die zweite Ober- 40 mit der zweiten Oberwellenfrequenz schwingende schwingung und die dritte Oberschwingung an. Das Signalenergie wird nicht an einer reellen Last einmagnetische Feld ist durch eine gestrichelte Linie H
und das elektrische Feld durch eine ausgezogene
Linie E dargestellt. Wie aus F i g. 3 zu ersehen, sind

die beiden Dioden 33, 40 eine viertel Wellenlänge bei 45 Schwingungsfrequenz und stellt weder eine Last für der Grundfrequenz (in diesem Beispiel 10 GHz) von- die Energie bei der zweiten Oberschwingungseinander weg angeordnet. Die zweite Diode 40, die frequenz noch bei der Grundfrequenz dar. Da die an der Stelle des Strommaximums angeordnet ist, Energie des Eingangsfrequenzsignals zum größten wird im Kurzschluß betrieben. Die erste Diode 33 Teil in die gewünschte dritte Oberschwingungsist im Maximum des elektrischen Feldes E angeord- 50 frequenz umgesetzt wird, anstatt in andere Obernet und wird im Leerlauf betrieben. Da der Stift 37 Schwingungsfrequenzen, ist der Wirkungsgrad des die beiden Dioden 33, 40 in einem Abstand von einer Frequenzvervielfachers außerordentlich gut. Mit den halben Wellenlänge bei der zweiten Oberschwin- oben beispielsweise angegebenen Schaltungsparagungsfrequenz (20 GHz) hält, tritt eine Feldvertei- metern ergibt sich ein Frequenzvervielfacher mit lung bei der zweiten Oberschwingungsfrequenz nach 55 einer Ausgangsleistung von 80 mW bei einer Fre-F i g. 4 auf. Die zweite Kapazitätsdiode 40 wird im quenz von 30 GHz, während die Eingangsleistung

bei 10 GHz 400 mW beträgt.

Die Eingangsleistung teilt sich entsprechend den Kapazitätswerten zwischen den beiden Dioden 33 60 und 40 auf und vergrößert dadurch die verarbeitbare Leistung erheblich über die mit nur einer einzelnen Diode bewältigbare hinaus, während der Wirkungsgrad ebensogut bleibt.

Wo eine noch größere Leistung beim Betrieb eines irischen Feldes E angeordnet und wird daher im 65 Frequenzvervielfachers bei einer gegebenen Ein-Spannungsmaximum, also im Leerlauf, betrieben. gangsfrequenz verarbeitet werden soll, können mehr Da die Energieübertragung von der Grundfrequenz als zwei Kapazitätsdioden verwendet werden. Jede zur dritten Oberschwingungsfrequenz durchgeführt zusätzliche Diode wird in Kaskade mit den beiden

909519/123

Schwingungsfrequenz längs der koaxialen Leitung, die durch den Stift 37 und die Längsbohrung oder den Hohlraum 16 gebildet wird, eingeschlossen. Die

gesetzt. Wegen seiner Grenzfrequenz arbeitet der Ausgangswellenleiter 48, 49, 50 als eine Belastung nur für die Signalenergie bei der dritten Ober-

Kurzschluß, d. h. im Strommaximum, betrieben. Die erste Diode 33 ist für die zweite Oberschwingung beim Maximum des magnetischen Feldes H angeordnet und arbeitet ebenfalls im Strommaximum.

Bei der dritten Oberschwingungsfrequenz oder 30 GHz, wie in F i g. 5 gezeigt, wird die zweite Diode 40 im Strommaximum, d. h. im Kurzschluß, betrieben. Die erste Diode 33 ist im Maximum des elek-

Dioden 33 und 40 angeordnet, in der Weise, wie Fig.2 es für die beiden Dioden zeigt. Jede hinzugefügte Diode ist durch einen Stift oder ein ähnliches Element von der vorhergehenden Diode in einem Abstand im wesentlichen gleich dem Trennabstand zwischen den beiden Dioden 33 und 40 gehalten, wobei alle Dioden optimal hinsichtlich der E-H-FeIdverteilung liegen.

In Fig. 2 wurde eine spezielle Konstruktionsausführung für die Dioden 33 und 40 gezeigt, die Vorsprünge zur Befestigung der Dioden aufweist. In der Praxis können die Dioden 33 und 40 stiftförmig, pillenförmig oder in etwa die Form einer Patrone aufweisen. Jedes geeignete Verfahren kann zur Befestigung der beiden Dioden 33 und 40 an den beiden Stiften 27 und 37 verwendet werden. Bei pillenförmigen Dioden können beispielsweise die Dioden 33 und 40 einfach durch die Reibungsberührung in Ausrichtung mit den Stiften 27 und 37 gehalten werden. Wo Kapazitätsdioden mit einer höheren Gehäuse- ao kapazität verwendet werden, wird die Länge des Stiftes 37 um ein entsprechendes Stück zwecks Kompensation der zusätzlichen Kapazität vergrößert und eine geeignete Anordnung der beiden Kapazitätsdioden an den entsprechenden erwähnten Stellen der is-i7-Feldverteilung vorgesehen.

Der den Abstand zwischen den beiden Dioden 33 und 40 herstellende Stift37 ist in Fig. 2 mit gleichförmigem Durchmesser gezeigt. Wo eine größere Bandbreite der Anordnung gewünscht ist, kann der Durchmesser des Stiftes 37 im Bereich des Koaxialleiter-Wellenleiter-Überganges vergrößert werden, wodurch der Übergang weniger scharf wird. Das der Diode 33 nächstliegende Ende des Stiftes 37 kann bearbeitet werden, um eine graduelle Anspitzung zu schaffen, oder ein Ring kann rund um das Ende des Stiftes 37 vorstehen. Die tatsächliche Ausbildung kann entsprechend den Erfordernissen der Impedanzanpassung bei einem speziellen Anwendungsfall festgelegt werden.

Wenn auch ein Frequenzverdreifacher beschrieben wurde, so kann der Frequenzvervielfacher ebenfalls zur Erzeugung anderer Oberschwingungsfrequenzen betrieben werden. Beispielsweise kann entweder die zweite oder vierte Oberschwingungsfrequenz mit der Anordnung nach den F i g. 1 und 2 erzeugt werden, wenn die Abmessungen des Ausgangswellenleiters 48, 49 und 50 derart geändert werden, daß dieser die interessierende Oberschwingungsfrequenz bevorzugt und leitet. Im übrigen ergibt sich die Arbeitsweise aus der vorstehenden Beschreibung.

Wenn ein höherer Wirkungsgrad bei der zweiten oder vierten Oberschwingung erwünscht ist, wird der Abstand zwischen zwei Dioden 33 und 40 gleich einer halben Wellenlänge bei der Grund- oder Eingangsfrequenz gemacht. Bei der Erzeugung der zweiten Oberschwingung werden die Abmessungen des Ausgangswellenleiters 48, 49 und 50 derart festgelegt, daß sie die zweite Oberschwingungsfrequenz bevorzugen. Die beiden Dioden 33 und 40 arbeiten bei der Grundfrequenz und bei der zweiten Oberschwingungsfrequenz beide im Kurzschluß. Da die Dioden 33 und 40 sowohl bei der Grundfrequenz als auch bei der gewünschten Oberschwingungsfrequenz nach der gleichen Betriebsart arbeiten, findet eine maximale Energieübersetzung zwischen diesen statt. Bei der Erzeugung der vierten Oberschwingung wird der Ausgangswellenleiter 48, 49 und 50 so bemessen, daß er die vierte Oberwelle bevorzugt leitet, und die beiden Dioden 33 und 40 werden in einem Abstand von einer halben Wellenlänge der Grundfrequenz angeordnet. Wiederum arbeiten beide Dioden bei der Grundfrequenz und der vierten Oberschwingungsfrequenz im Kurzschluß. Hieraus ergibt sich ein Arbeiten mit hoher Belastbarkeit und hohem Wirkungsgrad des Frequenzvervielfachers auch bei der vierten Oberschwingungsfrequenz.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen Oberwellenfrequenz aus einer Grundwellenfrequenz mit mehreren kaskadenartig hintereinandergeschalteten spannungsabhängig nichtlinearen Reaktanzen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung für die Grundwellenfrequenz ein Tiefpaßfilter (16, 31) mit einer zwischen den Frequenzen der Grundwelle und ihrer zweiten Oberwelle liegenden Grenzfrequenz angeordnet ist, daß die Auskoppelleitung (48, 49, 50) für die Oberwellenfrequenz einen Hochpaß mit einer zwischen der Frequenz der zweiten und dritten Oberwelle liegenden Grenzfrequenz aufweist und daß die nichtlinearen Reaktanzen (33, 40) als Teile des Innenleiters (27, 37) eines Koaxialleiters (27, 37, 16) ausgebildet und mit solchem gegenseitigem Abstand angeordnet sind, daß sich sowohl für die Grundwelle als auch für die gewünschte Oberwelle eine erste Reaktanz (33) an der Stelle eines Bauches des elektrischen Feldes und eine zweite Reaktanz (40) an der Stelle eines Bauches des magnetischen Feldes der sich längs des Koaxialleiters ausbildenden elektromagnetischen Welle befindet und daß die Auskoppelleitung (48, 49, 50) an einer Stelle maximalen elektrischen Feldes der gewünschten Oberwellenfrequenz angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die zweite Reaktanz (40) an einem kurzgeschlossenen Ende des Koaxialleiters (27, 37, 16) angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der zweiten oder vierten Oberwelle der Abstand der Reaktanzen (33, 40) gleich einer halben Wellenlänge der Grundwellenfrequenz ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der dritten Oberwelle der Abstand der Reaktanzen (33, 40) gleich einer viertel Wellenlänge der Grundwellenfrequenz ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen