DE1541409B2 - Frequenzmodulierter Gunn-Oszillator - Google Patents

Description

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trische Feldstärke bereitstellenden Eingangsspan- periodisch den dem kritischen Schwellenwert de:

nungsimpulses, das heißt, die Folge der im Halbleiter elektrischen Feldstärke an der Gunneffetodiode ent

erzeugten elektrischen Hochfelddomänen ist exakt sprechenden Schwellenspannungspegel über- unc

abhängig von der Einsatzzeit und der Form des Ein- unterschreitet.

gangsspannungsimpulses. Das bedeutet aber, daß für s Die Zuführung der Modulationsspannung über die

untereinander identische Eingangsimpulse einer an- Betriebsspannungszuführungsleitung an die zweit!

gelegten Impulsfolge die Ausgangsimpulse ebenfalls Elektrode der Gunneffektdiode mit dem hierin ent·

untereinander identisch sind und sowohl in Form baltenen als Tiefpaß wirkenden Schwingungskreis

und Phase jeweils den Eingangsimpulsen ent- gewährleistet dabei eine vollständige Entkopplung

sprechen. Dies ist auch aus den oben genannten u» von niederfrequentem Modulationskreis und hoch·

LiteratursteUen ersichtlich. Ist hingegen der Ein- frequentem Ausgangskreis. Eine solche Tiefpaßent-

gangsspannungsimpuls in seiner Dauer so lang, daß kopplung ist an sich, auch im Zusammenwirken mil

er effektiv einer angelegten Gleichspannung ent- einer Gunneffektdiode, bekannt, wie es aus dei

spricht, dann stellt die von der Gunneffektdiode ab- Literaturstelle »IEEE Transactions on Electron

gegebene Schwingung einen kontinuierlichen Wellen- 15 Devices«, Januar 1966, in Fig. 1 und 2, auf Seite

zug dar. 106, zu ersehen ist Die Kondensatoranordnung als

Ziu" praktischen Anwendung solcher Gunneffekt- solche zur Sicherstellung einer ausreichenden Hoch dioden geht das Bestreben dahin, einen modulierten frequenzkopplung ist aus »IBM Technical Dis-Gunnoszillator bereitzustellen. So ist in der Zeit- closure Bulletin«, Band 8, Nr. 3, August 1965, Seite schrift »Proceedings of the IEEE« vom Oktober ao 414, bekannt. Das genannt Tiefpaßfilter sowie die 1965 auf den Seiten 1642 und 1643 ein frequenz- Kondensatoranordnung als sole,ie stellen daher allein modulierter Gunnoszillator beschrieben, bei dem die keine erfinderischen Merkmale dar. Jedoch bietet die Modulation durch Beeinflussung dei elektrischen erfindungsgemäß verwendete Kondensatoranordnung Länge eines zugeordneten Topfkreises in Abhängig- eine vorteilhafte Einbaumöglichkeit bei Verwendung keit von der Spannung einer mit der Gunneffektdiode 35 von Kopfkreisen oder Hohlraumkondensatoren bei verbundenen Varactordiode bestimmt wird. Als Gunnoszillatoren, indem nämlich dann die Kondennachteilig bei einer solchen Anordnung zeigt sich, sa'oranordnung durch einen Durchführungskondendaß keine Entkopplung zwischen dem niederfrequen- sator verwirklicht werden kann. In einfachster Weise ten Modulationskreis und dem hochfrequenten Aus- erfolgt die Modulation durch entsprechende Beeingangskreis vorgesehen ist. Eine solche Entkopplung 3° flussung der Betriebsspannungsquelle selbst. Der als ist notwendig, um eine ungestörte Betriebsweise Tiefpaßfilter wirkende Schwingungskreis in der Besicherzustellen. Nachteilig bei Verwendung der triebsspannungszuführungsleitung ksnn dabei einmal Varactordiode in der beschriebenen Art ist es, daß durch eine auf die Streuinduktivität der Zuführungsdie Frequenz in Abhängigkeit von der angelegten leitung abgestimmte Kondensatoranordnung oder Diodenspannung nicht linear ansteigt und daß der 35 durch einen konkreten Schwingungskreis dargestellt Einbau in die Wellenleitung für eine zufriedenstel- sein, dessen Induktivität und dessen Kapazität auf lende Betriebsweise relativ aufwendig ist. eine Modulationsfrequenz abgestimmt ist. Hierbei

Es ist andererseits versucht worden, wie in der wirkt dann die Kondensatoranordnung zur Ableitung zuletzt genannten Literaturstelle angegeben, die der der Hochfrequenz von der zweiten Elektrode der Gunneffektdiode zugefiihrte Betriebsspannung zu 40 Gunneffektdiode zum zweiten Leiter der Wellenmodulieren. Hierbei hat sich jedoch gezeigt, daß leitung. Ein Durchführungskondensator ist hier ohne weiteres kein zufriedenstellender Modulations- wiederum bei einem Hohlwellenleiter oder konzentriwirkungsgrad zu erzielen ist. sehen Leiter von Vorteil.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, Wie ganz allgemein bei Verwendung von Wellenunter Vermeidung der oben aufgeführten Nachteile 45 leitungen üblich, ist auch im vorliegenden Anweneinen frequenzmodulierten Gunnoszillator bereitzu- dungsfall in zweckmäßiger Weise vorgesehen, daß stellen, dessen Modulationswirkungsgrad bei Modu- die Lage eines Kurzschlußschiebers auf der einen lation in der Betriebsspannungszuführungsleitung Seite der Gunneffektdiode in der Wellenleitung auf einen für die Praxis ausreichenden und in jeder die Impedanz der Belastung auf der anderen Seite Weise zufriedenstellenden Wert erreicht, wobei 50 der Gunneffektdiode in der Wellenleitung abgestimmt außerdem eine Eigenmodulation der Schaltungs- ist, um eine optimale Anpassung zu gewährleisten,
anordnung möglich sein soll. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Er-

Für einen frequenzmodulierten mit einer abstimm- findung ist vorgesehen, daß die Verbindungsleitung baren Wellenleilung ausgestatteten Gunnoszillator, zwischen der Betriebsspannungsquelle und der zweibei dem zur Zuführung der Betriebsspannung die 55 ten Elektrode der Gunneffektdiode mit einer beson-Gunneffektdiode mit ihrer ersten Elektrode an die deren Modulationsquelle gekoppelt ist. Hierdurch Wellenleitung angeschlossen ist und mit ihrer zweiten ergibt sich in vorteilhafter Weise, daß die Betriebs-Elektrode an der Betriebsspannungsquelle sowie an Spannungsquelle und die Modul ationsspannungs- der Modulationsspannungsquelle liegt, besteht die quelle klar voneinander getrennt sind und bei Trans Erfindung darin, daß eine induktivitätsbehaftete Be- 60 formatorkopplung des Modulators mit der in der triebsspannungszuführungsleitung sowohl mit der Betriebsspannungszuführungsleitung enthaltenen In- zweiten Elektrode als auch mit einer anderseits an duktivität auch elektrisch voneinander isoliert sind, die Wellenleitung angeschlossenen Kondensator- Es bieten sich zwei Möglichkeiten hierzu an, nämlich anordnung verbunden ist, wobei der hierdurch gebil- bei innerhalb des Wellenleiters, also zwischen zweiter dete parallel zur Gunneffektdiode liegende Parallel- 65 Elektrode der Gunneffektdiode und dem Verbinschwingungskreis im wesentlichen auf die Modula- dungspunkt der Ableitungskondensatoren angeord- tionsfrequcnz abgestimmt ist und daß die der neter Induktivität eine platzsparende Modulations- Betriebsspannung überlagerte Modulationsspannung möglichkeit anzuwenden oder aber bei

Betriebsspannungsquelle und Wellenleitung angeordneter Induktivität, die mit dem Modulator transformatorisch gekoppelt ist, eine zwar an Platzbedarf aufwendigere aber hinsichtlich der hochfrequenten Entkopplung der Modulatorstufe zweckmäßigere Realisierung zu erreichen.

Für verschiedene Anwendungsfälle, z. B. in der Radartechnik, kann es von Vorteil sein, wenn die Gleichspannungsquelle getastet ist. In vorteilhafter

der getasteten Betriebsspannungsquelle eine Dauer besitzt, die zumindest angenähert gleich der Hälfte des Reziprokwerts der Eigenmodulationsfrequenz ist. Mit dieser Ausgestaltung kann dann die erfindungsgemäße Anordnung in vorteilhafter Verwendung als Sendeteil in einem Frequenzmodulationsradarsystem dienen, indem der Impuls zur Anfachung der Eigenmodulation gleichzeitig zur Synchronisierung der Anzeige dient.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 A und 2B Ersatzschaltbilder für die Schaltungsanordnung nach Fig. 1,

F i g. 3 A das Prinzipschaltbild eines an sich bekannten Oszillators,

der von einer Impulsqueile angesteuert wird. Die Verbindungsleitung 26 besitzt eine verteilte Induktivität, die durch eine Ersatzinduktionsspule 28 dargestellt ist. Zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung soll vorausgesetzt werden, daß der Pulsgenerator 22 am Punkt 23 geerdet ist und einen Rechteckimpuls 30 mit einer Impulsdauer t und einer Spannungsamplitude Vi, liefert. Zur Erläuterung eines anderen AusAusgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, 10 führungsbeispiels der Erfindung wird der Pulsgeneradaß zur Anfachung von Eigenmodulation der Impuls tor 22 durch eine Gleichspannungsqiielle ersetzt. Der

Verbindungspunkt 18, an den crer ahmsche Kontakt 14 des Halbleiterzweipoloszillators 12 angeschlossen ist, ist über die Wellenleitung 17 mit dem einen Ende 33 eines Kurzschlußschiebers 32 verbunden.

Der andere ohmsche Kontakt 16 des Halbleiterzweipoloszillators 12 ist über die Einspeisungsklemme 20 und den Kopplungskondensator 34 mit dem anderen Ende 36 des Kurzschlußschiebers 32 to verbunden. Mit der Wellenleitung 17 ist an den Verbindungspunkten 40 und 42 andererseits die Last 38 angeschlossen. Die Last 38 kann dabei ohmig oder komplex sein. Der Kurzschlußschieber 32 ist in der Wellenleitung 17 zur Abstimmung in Abhängigkeit von der Last 38 eingestellt.

Die Einspeisungsklemme 20 ist über Kondensator 44 und Wellenleitung 17 an den Verbindungspunkt 42 angeschlossen. Außerdem ist die Wellenleitung 17 an den Punkten 46 und 48 jeweils mit Erde verbun-

Fig. 3B bis 3D Diagramme zur Erläuterung der 30 den. Der Spannungsabfall der Last 3® wird mit Hilfe Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3 A, eines hier nicht gezeigten Oszilloskops, das an die

Fig. 4 A eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Feldstärke,

Verbindungsleitungen 50 und 52 angeschlossen ist, gemessen. Wenn im Betrieb ein Spannungsimpuls 30 des Pulsgenerators 22 einen eigenmodulierten Mikro-

in Abhängigkeit von der Feldstärke, 35 wellenschwingungsimpuls am Ausgang des HaIb-

Fig. 5 A und 5B graphische Darstellungen der Ieiterzweipoloszillators 12, nämlich am Verbindungs-

~~ punkt 18 und an der Einspeisungsklemme 20 ver

anlaßt, dann stellt die Einspeisungsklemme 20 talsächlich einen Entkopplungspunkt zwischen der vergrößerten 40 relativ niederfrequenten Treiberspannung (Modula-Darstellung nach tionsschwingung) (Fi g. 5 A) und der erzeugten relativ hochfrequenten Ausgangsspannung (F i g. 6 B) dar. Die Schaltungsanordnung nach Fi g. 1 kann in der Weise realisiert werden, daß ein Haibleiterzweipol-

Fig. 8 eine weitere Abwandlung der erfindungs- 45 oszillator 12 in einer symmetrischen Bandleitung, die gemäßen Schaltungsanordnung, als Wellenleitung 17 dient, eingebaut ist. Diese Band-

F i g. 9 eine Modifikation der Schaltungsanordnung nach F i g. 8,
Fig. 10 ein Blockschaltbild für eine Anwendungs-

F i g. 4 B eine graphische Darstellung des Stroms

Modulationsschwingungen in idealisierter Form,

Fig. 6 A eine graphische Darstellung der hochfrequenten Ausgangsschwingungen,

F i g. 6 B eine Darstellung eines Zeitausschnitts der graphischen Fig. 6 A,

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in abgewandelter Form,

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leitung ist mit einem Kurzschlußschieber 32 gesehen und enthält die Ableitkondensatoren 34 und 44, die Erdanschlüsse 46 und 48, die Einspeisungsklemme 20

möglichkeit der erfindungsgemäßen Schaltungsanord- 5o und einen hier nicht gezeigten Übergang an den nung. Anschlußpunkten 40 und 42 von der Bandleitung auf

eine Koaxialleitung. Die veränderbare komplexe Belastung 38 besteht dabei aus einer koaxialen, doppelten Abstimmstichleitung, die herkömmlidierweise mit der Koaxialleitung verbunden ist. Diese Abstimmstichleitung wird an einem Ende mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen. An dieser Stelle sei bemerkt, daß die Streuinduktivität 28 auch in einer Induktionsspule enthalten sein kann. Als Ersatz-

Zunächst soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Schaltungsanordnung eines Mikrowellengenerators nach F i g. 1 beschrieben werden, in dem ein Halbleiterzweipoloszillator 12 in einer Wellenleitung 17 mit einer Einspeisungsklemme 20 eingebaut ist Der Halbleiterzweipoloszillator 12 besteht aus einer einzigen Halbleiterzone 13 mit den ohmschen Kontakten 14 und 16, die mit der Wellen-

ieitungl7 am Punkt 18 bzw. an der Einspeisung- ^6o Schaltbilder für die Schaltungsanordnung nach

klemme 20 in Verbindung stehen. An die Ein- F i g. 1 dienen die Schaltungen nach den Abbildun-

speisungsklemme 20 wird die Betriebsspannung zur gen in den Fig. 2 A und 2B, um jeweils die ent-

Schwingungsanfachung im Halbleiterzweipoloszilla- koppelten Schaltkreise, nämlich den der relativ

tor 12 angelegt. Hierzu ist ein Pulsgenerator 22 mit hochfrequenten Schwingung in der Wellenleitung 17

seinem Innenwiderstand 24 über die Verbindungs- ⁶5 und den der relativ niederfrequenten Schwingung am

leitung 26 mit der Einspeisungsklemme 20 verbun- Einspeisungspunkt 20 darzustellen.
Jen. Der Pulsgenerator22 kann dabei aus einem In der Schaltung nach Fig. 2 A stellt die Indukti-

rransistorverstärker in Kollektorschaltung bestehen. vität L1 die effektive Induktivität des

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Schiebers 32 in der Wellenleitung 17 dar. Die Ab- gesetzt allerdings, daß die elektrische Feldstärke

leitungskondensatoren 34 und 44 sind hierin weg- mindestens einen Wert beibehält, der sich durch

gelassen, da sie für die relativ hochfrequente Anlegen einer Schwellenwertspannung des Pegels B

Schwingung des Halbleiterzweipoloszillators 12 je- ergibt. In der graphischen Darstellung der F i g. 3 B

weils einen Kurzschluß nach Erde darstellen. 5 ist ein zusätzlicher Vorspannungspegel angedeutet,

In dex Schaltung nach F i g. 2 B stellt die Kapazi- der einer konstanten, an die Halbleiterzone 62 antat C die Gesamtkapazität dcir Kondensatoren 34 und gelegten Spannung entspricht, der dann die Span-44 dar, die in Parallelschaltung zum Halbleiterzwei- nungsamplitude 82 eines Impulses 80 überlagert wird, poloszillator 12 für die relativ niederfrequente Wenn entsprechende Beschränkungen infolge unver-Schwingung wirksam ist. Parallel hierau ist außerdem io meidlicher Verlustleistungen berücksichtigt werden, eine Serienschaltung, gebildet aus der Induktivität L 2 dann läßt sich auch ein der Maximalamplitude des und dem Widerstand Ä, wirksam, die, wie bereits ge- Impulses 80 entsprechender Gleichspannungswert an sagt, die Streuinduktivität bzw. den Innenwiderstand die Halbleiterzone 62 anlegen,
des Pulsgenerators 22 und der Verbindungsleitung 26 In den graphischen Darstellungen nach den darstellen. Bei Betrachtung der Ersatzschaltbilder »5 Fig. 3C und 3D sind in schematischer Weise nach den Fig. 2 A und 2B ergibt sich ohne weiteres, Stromimpulsformen angegeben, die zur Erläuterung daß eine am Halbleiterzweipoloszillator 12 wirksame der Beziehung zwischen dem Strom in der Halbrelativ niederfrequente Spannung keinen nennens- leiterzone 62 und der zwischen den ohmschen Konwerten Einfluß auf die Last 38 haben kann, wohin- takten 66 A und 66 B angelegten Spannung dienlich gegen eine am Halbleiterzweipoloszillator 12 auf- *o sind. Wird vorausgesetzt, daß der Spannungsimpuls tretende relativ hochfrequente Spannung nicht auf 80 mit seiner Maximalamplitude 82 unterhalb der den Impulsgenerator 22 übertragen wird. Schwellenwertspannung A liegt, dann stellt sich der

Bevor nun weiter die Schaltungsanordnung nach Strom in der Belastung 74 in zeitlicher Abhängigkeit,

Fig. 1 betrachtet wird, soll zunächsi die an anderer wie in Fig. 3 C gezeigt, dar. Es läßt sich feststellen,

Stelle vorgeschlagene und der Erfindung zugrunde »5 daß die Impulsform 86 in der graphischen Darstel-

liegende Schaltung an Hand der Fi g. 3 A bis 3 D lung nach F i g. 3 C vergleichbar ist mit der Form

erläutert werden. des Spannungsimpulses 80 in der graphischen Dar-

De in der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 A stellung nach Fig. 3B. Übersteigt die Amplitude 82

verwendete Halbleiterzweipoloszillalor besteht aus des Spannungsimpulses 80 die Schwellenwertspan-

der Halbleiterzone 62, deren Material, vorzugsweise 3» nung A, dann wird eine lokalisierte Raumleitungs-

monokristallines Galliumanienid oder Indiumphos- verteilung beim ohmschen Kontakt 66 A erzeugt, die

phid ist und deren wirksame Länge L zwischen den sich in Richtung auf den ohmschen Kontakt 66 B

Begrenzungsflächen 64 A und 64 B liegt. Die ohm- ausbreitet. Die in Begleitung hiermit auftretende

sehen η+-Kontakte 66 A und 66 B sind an ent- Stromänderung wird für jede am ohmschen Kontakt

sprechende Halbleiterbegrenzungsflächen 64 A und 35 66 A ausgelöste elektrische Stoßwelle wiederholt. Die

64 B angebracht. Die elektrischen Anschlüsse an den in der graphischen Darstellung nach F i g. 3 D ge-

ohmschen n+-Kontakten stehen in Verbindung mit zeigte Stromimpulsform 88 besitzt eine relativ hoch-

einer variablen Spannungsquelle 68. Die negative frequente Schwingung 90, die während des Zeitintor-

Klemme der variablen Spannungsquelle 68 ist über valls, das der Dauer des Impulses 80 entspricht, auf-

die Leitung 70 an den Kontakt 66 A angeschlossen, 4» tritt, wenn dessen Maximalamplitude 82 höher als

während die positive Klemme über die Leitung 72 die an der Halbleiterzone 62 Schwellenwertspan-

den variablen Belastungswiderstand 74 und die Lei- nung D ist.

tung 76 mit dem Kontakt 66 B verbunden ist. Über Die graphische Darstellung nach F i g. 4 zeigt die Zuführungsleitungen 78 A und 78 B läßt sich der Leistungskurven eines Mikrowellengenerators gemäß Strom im variablen Belastungswiderstand74 mit 45 der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, die sich erHilfe eines Oszilloskops messen. geben, wenn die Einspeisungsklemme 20 einer in

Die Dotierung der Halbleiterzone 62 ist so ge- Fi g. 1 nicht gezeigten Widerstandsverbindung nach wählt, daß sich eine Überschußleitung ergibt, das Erde während des Meßvorgangs stabilisiert ist. In heißt, daß eine normale Gleichgewichtsverteilung der graphischen Darstellung nach F i g. 4 A ist auf der Leitungselektronen entsteht, die ausreichend ist, 5° der Ordinate die Ausgangsleistung des Mikrowellenutn hierin eine elektrische Stoßwelle zu übertragen. generators in Watt und auf der Abszisse die an-Unter elektrischer Stoßwelle wird hier eine lokali- gelegte elektrische Feldstärke an die Halbleiterzone sierte Raumleitungsverteilung in der Halbleiterzone 13 (Fig. 1) zwischen den ohmschen Kontakten 14 62 verstanden, die unmittelbar am Kontakt 66 A aus- und 16 in Volt je Zentimeter aufgetragen. Die ausgelöst wird und sich längs der Länge L der Halb- 55 gezogene Kurve A 1 gilt für einen Galliumarsenidleiterzone 62 in Richtung auf den Kontakt 66 B aus- halbleiter, dessen wirksame Fläche 0,66 mm⁸, desbreitet Diese lokalisierte Raumleitungsverteilung ist sen Leitfähigkeit 2 Sicm und dessen Dicke 75 μ begleitet von einer örtlichen Inhomogenität eines beträgt. Die Kurve A 1 steigt stetig mit wachsender elektrischen Feldes, das sich unter der Einwirkung Feldstärke an. Die Kurve Bl entspricht einem der Spannungsquelle 68 zwischen den ohmschea 6« Galliumarsenidhalbleiter, dessen wirksame Fläche Kontakten 66 A und 66 B ausbildet. Voraussetzung 0,161 mm², dessen Leitfähigkeit 0,5 Qcm und dessen ist allerdings, daß das elektrische Feld anfangs Dicke 75 μ beträgt. Die Kurve B1 steigt dabei stetig wenigstens einen bestimmten Schwellenwert A, der bis zu einem Maximum an, um dann nach Erreichen in der graphischen Darstellung nach Fig. 3B ge- eines Höckerpunkts abzufallen. Beide Halbleiterbauzeigt ist, erreicht 65 elemente sind für die Verwendung in der erfindungs-

Die am als Kathode wirkenden Kontakt 66 A ein- gemäßen Schaltungsanordnung geeignet,
geleitete elektrische Stoßwelle breitet sich dann Jedoch ist ein Halbleiterbauelement, dessen Hochweiterhin über die Halbleiterzone 62 aus, voraus- frequenzausgangsleistung in Abhängigkeit von der

"*" ίο

angelegten Feldstärke, entsprechend der Charakte- nate 20 V je Zentimeter und bei der Abszisse 0,1

ristik der Kurve A 1 ansteigt, in besonderem Maße je Zentimeter. Die Skaleneinteilung in Fig. 5B be-

für die Anwendung der Erfindung geeignet, da sich trägt 2 A je Zentimeter in der Ordinate und 0,1 (isec

hiermit ein höherer Wirkungsgrad erzielen läßt. So je Zentimeter in der Abszisse. Im Gegensatz zur

ergibt sich z.B. für ein Halbleiterbauelement, des- 5 trapezförmigen Impulsform 82 in Fig. 3 B stellt somit

sen monokristalline Galliumarsenidhalbleiterzone 13 der effektive Treiberimpuls an der Halbleiterzone 13

(Fig. 1) einen Querschnitt von ungefähr 0,7 mm², zwischen den ohmschen Kontakten 14 und 16 in der

eine spezifische Leitfähigkeit von 2 Qcm und eine Schaltungsanordnung nach F i g. 1 eine Schwingung

Dicke zwischen den ohmschen Kontakten 14 und 16 dar. Während in der graphischen Darstellung nach

von 75 μ aufweist, ohne weiteres ein Wirkungsgrad io F i g. 3 D die relativ hochfrequente Schwingung des

von 13°/». Halbleiterbauelements in Fig. 3 A dargestellt ist,

Gemäß einem an anderer Stelle gemachten Vor- zeigt die graphische Darstellung nach F i g. 5 B eine

schlag wird Galliumarsenid hohen Reinheitsgrads relativ niederfrequente Schwingung des Treiber-

und niedrigen spezifischen Widerstands in der Weise Stroms selbst.

hergestellt, daß Galliumarsenidkristalle mit vorher- 15 Die relativ niederfrequente Spannungsschwingung bestimmter Ladungsträgerkonzentration einer War- 92 nach F i g. 5 A übersteigt drei Spannungspegel, mebehandlung für einen solchen Zeitraum unter nämlich eine Schwellenwertspannung V_T, einen Treisolchen Temperaturen unterzogen werden, so daß berspannungspegel V» und einen Spitzenspannungszwar keine Donatordiffusion aus den Halbleiter- wert Vv- Die Schwellenwertspannung V_T stellt dabei kristallen stattfindet, hingegen aber Akzeptoren aus »° den niedrigsten Spannungspegel dar, der zur Ausdem Kristallgitter entfernt werden und damit die lösung einer elektrischen Stoßwellenausbreitung im Ladungsträgerkonzentrationen in den Kristallen von Halbleiterzweipoloszillator 12 (Fig. 1) erforderlich den vorbestimmten Ladungsträgerkonzentrationen ist. Der Treiberspannungspegel V₁, stellt den Mittelabgeändert werden. wert der Spannungsschwingung des Schwingungs-Die Kurven A 2 und B 2 in der graphischen Dar- *S impulses 92 dar. Der Spitzenspannungswert Vp entstellung nach Fig. 4 B sind von Al und Bl ent- spricht dabei dem Scheitelpunkt des Schwingungssprechenden Kurven unter Annahme einer kubischen impulses 92.

Symmetrie in der Stromspannungscharakteristik und Der maximale Leistungswirkungsgrad der Schalunter Berücksichtigung der bei den graphischen Dar- tungsanordnung nach F i g. 1 wird dabei mit einem Stellungen nach den F i g. 5 A, 5 B und 6 A ange- 3° Treiberimpuls 30 erzielt, dessen Zeitdauer / ungefähr gebenen Werte abgeleitet. In der graphischen Dar- der Hälfte des reziproken Werts der Eigenmodulastellung der Fig. 4B ist auf der Ordinate die Strom- tionsfrequenz des Schwingungsimpulses92 entspricht, stärke I in Ampere und auf der Abszisse die elek- Der relativ niederfrequente Stromschwingungstrische Feldstärke an der Halbleiterzone 13 (Fig. 1) impuls94 in der graphischen Darstellung nach zwischen den ohmschen Kontakten 14 und 16 in Volt 35 F i g. 5 D, der der Einspeisungsklemme 20 zugeführt je Zentimeter aufgetragen. Die Kurve A 2 zeichnet wird, besitzt zwei Strompegel, nämlich einen mittlesich im Gegensatz zur Kurve B 2 durch einen relativ ren Strompegel /.1 und einen Spitzenstromwert Inlangen Ast negativer Steilheit aus, entsprechend Der Spitzenstromwert//» entspricht dabei dem Treieinem sich ergebenden negativen differentiellen berspannungspegel V/, in der graphischen Darstel-Widerstand. Die Äste der Kurven A 2 und B 2, rechts 4° lung nach Fi g. 5 A. Der Strompegel l_A stellt dabei von den Punkten B1 bzw. B 2, sind unter der oben den Mittelwert der Stromschwingung des Schwinerwähnten Annahme eines kubischen Symmetrie- gungsimpulses 94 dar.

modells extrapoliert. Die graphischen Darstellungen nach den Fig. 6 A Aus rein theoretischen Erwägungen ergibt sich, und 6 B zeigen idealisierte Oszillogramme der relativ daß die Schwingung relativ niedriger Frequenz, wie 45 hochfrequenten Schwingung des Halbleiterzweipolsie für den Schaltkreis nach Fig. 2B erhalten wird, Oszillators 12 in Fig. 1, wie sie auf den Ausgangsunter Zusammenwirken des negativen Widerstands leitungen SO und 52 auftritt. Der Schwingungspuls des Halbleiterzweipoloszillators 12 während der 96 des in F i g. 6 A gezeigten Oszillogramms bestehl Ausbreitung der elektrischen Stoßwelle mit dem aus aus einer Mehrzahl von Schwingungsimpulsen 98, dem Kondensator C, dem Widerstand R und der In- 5» wie er bei jeder Periode einer Spannungsschwingunj duktivität L 2 gebildeten Resonanzkreis abgeleitet des Schwingungspulses 92 in F i g. 5 A entsteht, Jedei wird. Hierbei stellt C die Gesamtkapazität der Kon- Schwingungsfanpuls 98 (F i g. 6 A) stellt einen relath densatoren34 und 44 nach Fig. 1 R den Wert des hochfrequenten Schwingungszug dar, dessen Mittel· Widerstands 24 des Pulsgenerators 22 sowie der Ver- abschnitt bei Schwingung 100 im Oszülogramm nacl bindungsleitung 20 und die Induktivität L 2 die ver- 55 F i g. 6 B dargestellt ist. Die entsprechende Abszis teilte Induktivität des Pulsgenerators 22 und der Ver- senskalenteflung für die graphischen Darstellung« bindungsleitung 20 dar. Bei der sich infolge des nega- nach den Fi g. 6 A und 6 B ist 50 Nanosekunden ji tiven Widerstands des Halbleiterzweipoloszillators Zentimeter bzw. 1 Nanosekunde je Zentimeter, wäh einstellenden Betriebsbedingung dient dieser als rend die Ordinatenskalenteilung — da belanglos — Energiequelle zum Anfachen einer Schwingung im ^6o nicht dargestellt ist

äquivalenten Schaltkreis nach F i g. 2 B. Zur Beschreibung des den Mechanismus des er

Die Darstellungen nach Fig.5 und 6 sind Mvali- findungsgemäß verwendeten Halbleiterzweipoloszil

sierte Oszillogramme zur Erläuterung der Wirkungs- lators zugrunde Hegenden Gunneffekts läßt sich sa

weise des Mikrowellengenerators «ach Fig. 1. In gen, daß ein solches Halbleiterbauelement sozusagei den F i g. 5 A und 5 B ist das Spannungsoszillogramm ⁶5 aus einer Parallelkombination besteht, gebildet au

92 bzw. das Stromoszillogramm 94 als an der Ein- einem frequenzunabhängigen negativen Widerstand

speisungsklemme 20 aufgenommen zu denken. Die bei dem die Tendenz besteht, den Strommittelwert ii

Skalenerateilung in Fig.5A beträgt bei der Ordi- Abhängigkeit von der elektrischen Stoßwellenaus

11 12

brehang absinken zu lassen und aus einem Konstant- Wert des Parallelwiderstands 116 bzw. des Parallelstrom-Wechselstromgenerator, dessen Frequenz Widerstands 122 so gewählt, daß der Absolutwert hauptsächlich durch die Länge des Halbleiterbauele- negativen Widerstands des Halbleiterzweipoloszillaments bestimmt ist, und dessen Amplitude eine Funk- tors 12 während der Ausbreitung der elektrischen tio« der angelegten Spannung ist. 5 Stoßwelle größer ist.

Die Anordnungen nach den Fig. 7 bis 9 stellen Zusammenfassend läßt sich zur Wirkungsweise der weitere Ausfuhrungsbeispiele gemäß der Erfindung Erfindung, unter Verwendung von eigenmodulierten dar. Der Oszillatorteil 102 der Schaltungsanordnung Impulsgeneratoren, sagen, daß der erfindungsgenvße nach Fig. 7 nutzt nicht die induktiven Eigenschaften Mikrowellengenerator einen Wirkungsgrad in .'1er der Impulszuführung an die Einspeisungsklemme 20 io Spitzenleistung besitzt, der größer ist als derjenige, aus, sondern besitzt einen besonderen Resonanzkreis, der sich ergibt, wenn ein stabilisiertes elektrisches dessen Induktionsspule L 3 und dessen Kondensator Feld angelegt wird. Unter dem Ausdruck stabilisiert Cl auf eine bestimmte Modulationsfrequenz abge- wird hierbei verstanden, daß an der Einspeisungsstimmt sind. Die Kondensatoren C1 und C 2 sind klemme 20 keine relativ hochfrequente Schwingung hierbei aber nicht so abgestimmt, daß sie einen Reso- 15 auftritt. Die erfindungsgemäße Anordnung ist in nanzkfeis mit dem Pulsgeneratoi 22 darstellen. Da besonderem Maße für eine Anordnung geeignet, bei die Kapazitäten der Kondensatoren C1 sehr viel der die Hochfrequenzausgangsleistung in Abhängiggrößer sind als die des Kondensators C 2, ist die den keit von der angelegten elektrischen Feldstärke über Klemmen 40 und 42 der Belastung 38 zugeführte den gesamten Betriebsfrequenzbereich ansteigt. Insrelativ hochfrequente Schwingung vergleichbar der 20 besondere gilt für die Schaltungsanordnungen nach mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erzeugten. Fig. 1 und 7, daß die Treiberspannung jeweils um

Bei den Schaltungsanordnungen nach F i g. 8 und 9 die Schwellenwertspannung variiert, die erforderlich

wird die Modulation der hochfrequenten Schwingung ist, um die Ausbreitung der elektrischen Stoßwelle

jeweils mit Hilfe eines besonderen relativ nieder- im Halbleiterzweipoloszillator 12 bei einer Schwin-

frequenten Schwingungsgenerators durchgeführt. In »5 gung aufrechtzuerhalten, deren Frequenz durch die

der Schaltungsanordnung nach F i g. 8 ist dieser entsprechenden Bauelemente der Treiberschaltung

Schwingungsgenerator 112 über einen Transformator bestimmt ist. So entspricht z.B. bei einer Treiber-

114 mit der Treiberzuführungsleitung des Halbleiter- frequenz von angenähert 20 MHz ein Treiberpegel

zweipoloszillators 12 gekoppelt. Ein zur Induktions- von 42 V einem stabilisierten elektrischen Feld von

spule L 3 und den Kondensator C 2 des entsprechen- 3° 5600V je Zentimeter. Bei Eigenmodulation lassen

den Resonanzkreises parallel geschalteter Widerstand sich Spitzenfeldstärken von angenähert 10 000 V je

116 dient dabei zur Stabilisierung der Einspcisungs- Zentimeter, das heißt, 80 V Spitzenspannung (Vn in

klemme20 bei der Steuerung durch den relativ Fig. 5A) erzielen. Die Oszillogramme nach den

niederfrequenten Schwingungsgenerator 112. Wenn F i g. 6 A und 6 B ergeben sich bei einem Betrieb der

nämlich der Widerstand 116 nicht vorhanden ist und 35 Schaltungsanordnung nach Fig. 1 mit einer Aus-

der mittlere Pegel V_n des Treiberimpulses 30 merk- gangsfrequenz von 1280MHz und einer Modulation

bar kleiner als die Schwellenwertspannung V_T ist, der Feldänderungen bei 20 MHz. An der Ein-

dann hat der Schwingungsgenerator 112 die Tendenz, speisungsklemme 20 laßt sich ein Zusammenwirken

hochfrequente Schwingungen im Halbleiterzweipol- beim Ausbau der relativ hochfrequenten Schwingun-

oszillator 12 anzufachen, die darauffolgend eine 40 gen insofern feststellen, als gleichzeitig ein anwach-

Eigenmodulation aufrecht erhält. Um die Wirkungs- sendes elektrisches Feld bis zu seiner Selbstbegren-

weise des Generatorteils 110 der Schaltungsanord- zung wirksam ist. Hinzu kommt, daß die ''chwingun-

nung nach Fig. 8 zu unterstützen, ist der aus der gen an der Einspeisungsklemme20 Kippschwingungen

Induktivität L 3 der Kapazität C 2 und dem Wider- darstellen, das heißt, während einer Schwingung

stand 116 gebildete Parallelresonanzkreis auf die 45 aufgebaut werden.

Treiberfrequenz des Generators 112 abgestimmt. Bei einem stabilisierten elektrischen angelegten

Der Generatorteil 120 der Schaltungsanordnung Feld von 5600V je Zentimeter z.B., beträgt die

nach Fig. 9 stellt insofern eine Modifikation des Spitzenausgangsleistung 5 W bei einem Wirkungt

Generatorteils der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 grad von 2,8 %>.

dar, als die Mittel zur Eigenmodulation durch einen 5° Die Impulsdauer des Treiberimpulses 30 kann so-

besonderen relativ niederfrequenten Schwingungs- weit verkürzt werden, daß schließlich nur noch ein

generator 112 ersetzt sind, der über einen Transfer- Schwingungsimpuls 98 erzeugt wird. Bei dieser Be-

mator 114 mit der Treiberzuführungsleitung des triebsweise läßt sich eine Spitzenausgangsleistung

Pulsgenerators 22 gekoppelt ist. Zusätzlich ist dabei von 23 W bei einem Wirkungsgrad von 13°/o er-

ein Parallelwiderstand 122 über die Kondensatoren 55 zeugen.

34 und 44 geschaltet, um die Einspeisungsklemme 20 In der Darstellung nach Fig. 10 ist eine Anordfür die Steuerung durch den relativ niederfrequenten nung 130 für eine beispielsweise praktische Anwen-Schwingungsgenerator 112 zu stabilisieren. Ist der dung der Erfindung bei einem Frcquenzmodulations-Parallelwiderstand 122 im Generatorteil 120 der radarsystem gezeigt. Die Anordnung 130 enthält Schaltungsanordnung nach Fig. 9 nicht vorhanden, ⁶° einen erfindungsgemäßen Mikrowellengenerator 132, dann leitet der Generator 112 eine Modulation der wie er im Generatorteil der Schaltungsanordnung hochfrequenten Schwingung des Halbleiterzweipol- nach F i g. 1 und im Generatorteil 102 der Schaloszillators 12 ein, so daß anschließend eine Eigen- tungsanordnung nach F i g. 7 dargestellt ist, wobei modulation aufrecht erhalten wird, selbst wenn der der verwendete Halbleiterzweipoloszillator lediglich Generator 112 abgeschaltet ist. Für eine stabilisierte ⁶5 beispielsweise aus einem Galliumarsenidhalbleiter-Wirkungsweise des Generatorteils 110 der Sclnl- bauelement besteht. Der Mikröweliengenerator 132 tungsanordnung nach Fig. 8 bzw. des Generatorteils wird von einer Treiberanordnung 133 angesteuert, 120 der Schaltungsanordnung nach Fig. 9 ist der die zusätzlich mit einer Anzeigevorrichtung 134 ge-

koppelt ist, um die Anzeige mit den übrigen Schal· ttmgsanordnungen der Anordnung 130 zu synchronisieren. Der MOcrowellengenerator 132 ist mit einem Duplexgerf-t 136 gekoppelt, das über die Zuleitung 138 mit der Antenne 140 verbunden ist, die als Sendeerapfangsantenne aufgebaut ist. Das Duplexgerätl36 ist andererseits mit einem nicht linearen Demodulator 144 verbunden, dessen Ausgang mit dem Zwischenfrequenzverstärker 146 verbunden ist Der Ausgang des Zwischenfrequenzverstärkers 146 ist an die Anzeigevorrichtung 134 angeschlossen. Bei Betrieb wird der Ausgang des Mikrowellengenerators 132 bei einer Zwischenfrequenz, z. B. von 30 MHz, moduliert

Der als Empfänger dienende Detektor 144 kann dabei aus einem Tunneldiodendetektor bestehen. Der Zwischenfrequenzverstärker 146 ist auf die Modulationsfrequenz abgestimmt. Im Gegensatz zu den üblichen Radarsystemen, bei denen ein Überlagerungsempfänger, Geradeausempfänger, Breitbandempfänger od. dgl. verwendet wird, lädt sich vorliegendes System als abgestimmtes Frequenzmodulationsradarsystem bezeichnen. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung erübrigt sich nämlich die Notwendigkeit eines stabilen örtlichen Oszillators im Empfänger.

bschli

Um abschließend auf die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung selbst zurückzukommen, sei festgehalten, daß sie sowohl unter Eigenmodulation als auch unter Fremdmodulation betrieben werden kann. Es versteht sich von selbst da B auch mehr als eine Eigenmodulationsfrequenz auftreten kann. DarObei hinaus ist es auch möglich, daß eine Kombination der Eigenmodulations- und der Fremdmodulationsbetriebsweise bei verschiedenen Frequenzen ausgenutzt werden kann.

Verschiedene Parameter bestimmen die Eigenfrequenz der Stromschwingung eines Halbleiterzweipoloszillators. Von diesen Parametern sind insbesondere die effektive Länge der Halbleiterzone des Halbleiterzweipoloszillators und die Belastungsimpedanz zu nennen. Die oben gebrachte Darstellung der Erfindung stützte sich hauptsächlich auf ein Ausführungsbeispiel zur Erzeugung von Mikrowellen. Ebensogut lassen sich aber auch Frequenzen erzeugen, die in einem höheren oder niedrigeren Frequenzbereich liegen. Für die Erfindung ist bezüglich der Frequenz lediglich wesentlich, daß eine refativ hohe Frequenz einer Stromschwingung in einem HaIbleiterzweipoloszillator, die auf die Ausbreitung einer elektrischen Stoßwelle beruht, mit einer relativ niedrigen Frequenz moduliert wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

solches Halbleiterbauelement ein elektrisches Feld Patentansprüche: angelegt, dessen Stärke einen kritischen Schwellenwert übersteigt, dann entsteht in einer hieran angeschlos-

1. Frequeozmodulierter, mit einer abstimm- senen Impedanz ein Wechselstrom. Dieser Wechbaren Wellenleitung ausgestatteter Gunnoszilla- 5 selstrom läßt sich theoretisch in semer Entstehung tor, bei dem zur Zuführung der Betriebsspannung so deuten, daß sich unter Einwirkung des elektridie Gunneffektdiode mit ihrer ersten Elektrode sehen Feldes beiße Elektronen im Halbleiter grupan die Wellenleitung angeschlossen ist und mit pieren und eine sich fortpflanzende elektrische Stoßihrer zweiten Elektrode an der Betriebsspan- welle auslösen, die sich dann zwischen den GrenznungsqueUe sowie an der Modulationsspannungs- io flächen der Halbleiterzone ausbreitet. Diese Wirkung quelle liegt, dadurch gekennzeichnet, ist unter dem Namen Gunneffekt bekanntgeworden, daß eine induktivitätsbehaftete Betriebsspan- Die Auslösung der elektrischen Stoßwelle läßt sich nungszufübrungsleitung (26) sowohl mit der auch als Nukleaü'on einer Hocbfelddomäne deuten, zweiten Elektrode (16) als auch mit einer ander- Nach Auslösung entsteht eine nicht gleichförmige sefts an die Wellenleitung (17) angeschlossenen 15 Feldverteilung im Halbleiter, die sich in Feldrichtung Kondensatoranordnung (V₂ C + V₈ C) verbun- in Abhängigkeit von der Zeit ausbreitet Diese Hochden ist, wobei der hierdurch gebildete parallel felddomäne wandert im Halbleiter von der Kathode zur Gunneffektdiode liegende Parallelschwin- zur Anode, um dann erneut an der Kathode ausgungskre :s (F i g. 2 B) im wesentlichen auf die gelöst zu werden, so daß sich eine sich ständig wie-Modulationsfrequenz abgestimmt ist und daß die ao derholende Hochfelddomänenausbreitung ergibt. In der Betriebsspannung (V_n) überlagerte Modula- der an der Gunneffektdiode angeschlossenen Impetionsspannung periodisch den dem kritischen danz entsteht dann in Abhängigkeit von dieser Hoch-Schwellenwert der elektrischen Feldstärke an der felddomänenausbreitung ein entsprechender hoch-Gunneffektdiode (12) entsprechenden Schwellen- frequenter Wechselstrom.

spannungspegel (VY) über- und unterschreitet. »5 Dieser Effekt beruht also gewissermaßen auf einer

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- sich weiterbewcgenden lokalisierten Raumladungskennzeichnet, daß die Verbindungsleitung zwi- verteilung, die die Halbleiterzone unter Einwirkung sehen der Betriebsspannungsquelle (22) und der eines genügend starken elektrischen Feldgradienten zweiten Elektrode (16) der Gunneffektdiode (12) durchquert. Damit eine lokalisierte Raumladungsvermit einer besonderen Modulationsquelle (112) 30 teilung der Halbleiterzone entstehen kann, ist es gekoppelt ist. erforderlich, daß eine ausreichende Dichte von Lei-

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 tungselektronen im Halbleiter bereitgestellt ist unü und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Inhomogenität des elektrischen Feldgradienten mit der besonderen Modulationsquelle (112) ge- auftritt. Die normale Ladungsträgerdichte, das heißt, koppelte Schwingungskreis durch einen Wider- 35 das Dichtegleichgewicht der Leitungselektronen im stand (116 oder 122) gedämpft ist, dessen Wert Halbleiter einer Gunneffektdiode ist bezeichnend für kleiner ist als der bei Schwingungsanregung durch die zur Verfügung stehenden N-Leitfähigkeitsden negativen Widerstand der Gunneffektdiode ladungsträger, um einen Strom bei einer bestimmten (12) dargestellte Wert. Temperatur, entsprechend der Kristallstruktur und

4. Schaltungsanordnung mindestens nach An- 40 der Störstellenkonzentration, im Halbleiter auslösen sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu können.

Gleichspannungsquelle (22) getastet ist. Der oben beschriebene Gunneffekt ist in folgenden

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 Literaturstellen beschrieben: »Instabilities of Current und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur An- in IH-V Semiconductors«, J. B. G u η η , IBM Jourfachung von Eigenmodulation der Impuls (30) 45 nal of Research and Development, April 1961, Seiten der getasteten Betriebsspannungsquelle (22) eine 141 bis 159; »The Gunn Effekt«, J. G. Gunn, Dauer (t) besitzt, die zumindest angenähert gleich Journal of International Science and Technology, der Hälfte des reziproken Werts der Eigenmodu- Oktober 1965, Seiten 43 bis 56; »Continuous Micro-Iationsfrequenz ist. wave Oscillations of Current in GaAs«, N. B r a s 1 a u,

6. Schaltungsanordnung mindestens nach An- 5° et. al., IBM Journal of Research and Development, Spruch 1 und 5, gekennzeichnet durch die Ver- November 1964, Seiten 545 und 546; und »Synwendung als Sendeteil (132) in einem Frequenz- chronized Non-Reciprocal GaAs Oscillator Circuit«, modulationsradarsystem (130), in dem der Impuls P. L. Fleming, IBM Technical Disclosure (30) zur Anfachung der Eigenmodulation gleich- Bulletin, August 1965, Seite 415.

zeitig zur Synchronisierung der Anzeige (134) 55 Bisher hat sich in der Praxis gezeigt, daß elek-

dient. trische Hochfelddomänenausbreitung in Gallium

arsenid oder Indiumphosphid auftreten kann. Es ist

Die Erfindung betrifft einen frequenzmodulierten aber anzunehmen, daß diese Halbleiter beispielhaft

mit einer abstimmbaren Wellenleitung ausgestatteten sind für viele andere Halbleiter, in denen sich eben-

Gunnoszillator, bei dem zur Zuführung der Betriebs- 60 falls elektrische Hochfelddomänen auslösen lassen

spannung die Gunneffektdiode mit ihrer ersten dürften. Außerdem hat sich ergeben, daß der spezi-

Elektrode an die Wellenleitung angeschlossen ist und fische Widerstand im Halbleiter geringer als ungefähr

mit ihrer zweiten Elektrode an der Betriebsspan- 100 Qcm sein muß, damit hierin eine normale Dichte

nungsquelle sowie an der Modulationsspannungs- von Leitungselektronen auftritt, die ausreichend ist,

quelle liegt. 65 um Hochfelddomänen auslösen zu können.

Ein Halbleiterzweipoloszillator dieser Art be- Die Ausgangsimpulse einer solchen Gunneffekt-

steht z. B. aus einem η-Halbleiter wie Gallium- diode entsprechen in ihrer Anfachung und Eigen-

arsenid oder Indiumphosphid. Wird nun an ein schaft genau der Art Und der Dauer des die elek-