DE1541411C3 - Mikrowellenoszillator - Google Patents

Description

Dae Erfindung betrifft einen Mikrowellenoszillator mit einem Halbleiterkristall, der unter dem Einfluß eines von außen angelegten elektrischen Feldes Stoßwellen erzeugt und der an eine steuerbare Auslöseimpulsquelle angeschlossen und mit einem Hohlraumresonator gekoppelt ist.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektromagnetischen Schwingungen im Mikrowellenbereich vorgeschlagen worden, bei der über die Längsausdehnung eines Plättchens aus Halbleitermaterial mittels sperrfreier Kontakte an beiden zueinander planparallelen Stirnseiten ein elektrisches Feld aufrechterhalten wird. Das als Stoßwellenerzeuger verwendete Halbleiterplättchen besteht beispielsweise aus monokristallinem, η-leitendem Galliumarsenid oder Indiumphosphid. Wird an dieses Halbleiterplättchen ein elektrisches Feld angelegt, dessen Stärke über einem bestimmten Schwellwert liegt, so wird in einer angeschlossenen Last eine Stromfluktation hervorgerufen. Dieses Phänomen ist wahrscheinlich Wechselwirkungsvorgängen zuzuschreiben, die innerhalb des Halbleiterkörpers zwischen quantenhaften Schwingungen des Kristallgitters und Elektronen bzw. Defektelektronen bei Vorhandensein von extrem hohen Feldern stattfinden.

Ein derartiger Stoßwellenerzeuger liefert Stromimpulse, deren Einsatzpunkt und Ausbildung von der Art und Dauer des angelegten, auslösenden Spannungsimpulses abhängen. Das heißt also, daß die Folge der in dem Halbleiterkörper erzeugten elektrischen Stoßwellen vom Beginn und der Form des Auslöseimpulses exakt bestimmt wird. Somit wird beim Anlegen einer Auslöseimpulsfolge eine sich wiederholende, bezogen auf jeden Auslöseimpuls, in Form und Phase identische Stromwelle erzeugt. Jedoch gewährleistet die Aufeinanderfolge der Stromwellen nicht, daß sie relativ zueinander Phasenkohärenz aufweisen.

Beim Betrieb des bereits vorgeschlagenen Mikrowellenoszillators besteht die erzeugte Stromwelle aus

ίο einer Folge individueller Oszillatorimpulse. Auch die Phase der Mikrowellenschwingungen, die in einem an den Stoßwellenerzeuger angeschlossenen Hohlraumresonator angeregt werden, wird exakt von der Dauer und Form des Auslöseimpulses bestimmt. Ist die Dauer des Auslöseimpulses so groß, daß es sich effektiv um eine Gleichspannung handelt, bildet sich eine fortlaufende Mikrowellenschwingung aus.

Es hat sich gezeigt, daß durch Impulse angeregte Mikrowellenoszillatoren eine höhere Ausgangsleistung und einen höheren Wirkunsgrad aufweisen als solche, die ständig durch eine Gleichspannung angeregt werden. Für viele Aufwendungen ist es außerdem von Vorteil, wenn die Phase der Mikrowellenschwingung mit einfachen Mitteln und leicht steuerbar verändert werden kann.

So ist bereits ein Mikrowellenoszillator mit einem Halbleiterkristall bekannt, der unter dem Einfluß eines von außen angelegten, elektrischen Feldes Stoßwellen erzeugt und der mit einem Hohlraumresonator gekoppelt ist, so daß eine kohärente Oszillatorschwingung erzeugt wird.

Bei einem entsprechenden Mikrowellenoszillator wurde zum Zwecke der Erzielung einer Frequenzteilung bereits vorgeschlagen, eine bereits über dem kritischen Wert liegende Gleichvorspannung und die Amplitude und die Periodendauer einer angelegten HF-Schwingung so zu wählen, daß die Periodendauer der dann entstehenden Mikrowellenschwingung größer ist als die Periodendauer der unbeeinflußten Mikrowellenschwingung des Oszillators.

Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Mikrowellenoszillator der letztgenannten, bekannten Art dahingehend zu verbessern, daß ein Amplitudenmaximum der Oszillatorschwingung herbeigeführt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

gelöst, daß das Verhältnis Impulsfolgefrequenz der Auslöseimpulse zu Oszillatorfrequenz ganzzahlig ist.

Als vorteilhaft erweist es sich, wenn zur Erzeugung einer fortlaufenden Mikrowellenschwingung ein Hohlraumresonator hoher Güte gewählt wird. Schließlich wird vorgeschlagen, daß zur Verschiebung der Phase der Oszillatorschwingung die Vorderflanke der Auslöseimpulse durch Phasensteuerung veränderbar ist.

Als vorteilhaft erweist es sich auch, daß die Amplitude der Auslöseimpulse veränderbar oder der Auslöseimpulsfolge einer veränderbaren Vorspannung überlagert ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Mikrowellenoszillators ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Mikrowellenoszillator;

Fig. 2 veranschaulicht den zeitlichen Zusammenhang zwischen der zugeführten Auslöscimpulsfolge und der dadurch hervorgerufenen Oszillatorschwingung.

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In der schematischen Darstellung des Mikrowel- 38 während eines Auslöseimpulses ist von der Form

lenoszillators der Fig. 1 ist ein mit Kontakten ver- des Auslöseimpulses abhängig. Bei der der Erfindung

sehener Halbleiterkristall 10, beispielsweise ein zugrunde gelegten Betriebsweise besteht zwischen der

η-leitender Galliumarsenidkristall, über den Leiter Periodendauer T_n der Auslöseimpulsfolge 34 und der

15 mit einem Hohlraumresonator 16 elektrisch ver- 5 Periodendauer T_n, der Mikrowellenschwingung 38 die bunden. Die Abstimmung des Hohlraumresonators Beziehung

16 erfolgt durch Einstellung einer einen Nebenschluß T_v
bildenden, beweglichen Kreisplatte 17, die durch ~ZT~ ~ ">
einen Isolierstab 17a isoliert auf dem Leiter 15 glei- ^m

tet. Eine Spannungsquelle 18 ist über den Leiter 15, io wobei η eine ganze Zahl darstellt. Unter dieser Beder durch einen Einführungsisolator 19 in den dingung sind die von den Auslöseimpulsen 36 ange-Hohlraumresonator 16 geführt ist, mit dem Mikro- ,regten Anteile der Schwingung 38 stets gleichphasig, wellenoszillator verbunden. Der Ausgang des Mikro- d. h., es besteht Phasenkohärenz,
wellenoszillators wird von einer in der Nähe des Wenn die Güte Q des Hohlraumresonators 16 gelinken Endes des Hohlraumresonators 16 angeord- 15 nügend hoch ist, also (T_p — t_w)f_m<.Q, werden fortneten Induktionsschleife 22 in Verbindung mit einer laufende kohärente Mikrowellen erzeugt. Die Güte Koaxialleitung 23 gebildet. Am Ausgang liegt des Hohlraumresonators ist ein physikalischer Paraeine Last 20. Zur einfacheren Darstellung sei meter, der durch die Dämpfung der Schwingung pro angenommen, daß die Spannungsquelle 18 eine Periode bestimmt ist. Bei genügend hoher Güte wird Konstantspannungsquelle ist und daß die Last 20 20 demnach die Schwingung 38 im Hohlraumresonator einen reinen ohmschen Widerstand darstellt. Der 16 auch zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausin der Last 20 fließende Strom wird gemessen, löseimpulsen 36 aufrechterhalten, da die Schwingung indem über eine als Leiter 25 und 26 dar- nur minimal gedämpft wird. Im Betrieb wird das gestellte Koaxialleitung 24 ein Oszillograph 28 ange- Verhältnis η dadurch optimal festgelegt, daß die schlossen wird. Das Schirmbild 30 gibt den Verlauf 25 Amplitude der Mikrowellenschwingung 38 auf ein der Mikrowellenschwingung des Oszillators wieder. Maximum eingestellt wird. Die Stabilität der Ampli-

Die physikalische Wirkungsweise des Stoßwellen- tude hängt von der Gesamtgüte des Mikrowellenerzeugers 10 erfordert, daß ein Auslöseimpuls 32 Oszillators ab. Die Amplitude erreicht ein Maximum, einen bestimmten Schwellwert A erreichen muß, ehe wenn das Verhältnis T_nZT_n, = η exakt eine ganze die Stoßwelle im Halbleiterkristall ausgelöst wird. 30 Zahl ist.

Eine weitere Stoßwelle wird erst ausgelöst, wenn.die Es ist herausgestellt worden, daß der Beginn einer

erste Stoßwelle den Halbleiterkristall in seiner ge- Mikrowellenschwingung 30 eindeutig vom Beginn, samten Länge durchquert hat. Außerdem pflanzt sich d. h. von der Vorderflanke des Auslöseimpulses 32 eine neue Stoßwelle nur so lange fort, solange der festgelegt wird. Gemäß der Erfindung erfolgt eine Auslöseimpuls oberhalb eines zweiten Schwellwertes B 35 Phasenverschiebung der fortlaufenden Mikrowellenliegt, der etwas niedriger als der erste Schwell- schwingung 38 durch Verschieben der Vorderflanken wert A ist. der Auslöseimpulsfolge 36. Dies geschieht durch Re-

Die Frequenz f_m der Mikrowellenschwingung ist gulierung der Phasensteuerung 40 der Spannungsdurch die Abmessungen und Art des Halbleiterkri- quelle 18.

stalls und durch die Abstimmung des Hohlraumreso- 40 Wie weiterhin bereits ausgeführt wurde, kann der nators 16 festgelegt. Der Beginn einer Stoßwelle 30 Einsatzzeitpunkt der Mikrowellenschwingung 30 wird eindeutig durch den Verlauf der Vorderflanke durch Veränderung der Amplitude des Auslöseimpuleines Auslöseimpulses 32 bestimmt. Die Dauer des ses 32 verändert werden. Gemäß der Erfindung kann Auslöseimpulses legt fest, wie lange die Mikrowellen- die Phase einer fortlaufenden Mikrowellenschwingung schwingung im Halbleiterkristall 10 angeregt wird. 45 verändert werden, indem die Amplitude der Auslöse-Die Phasenkohärenz aufeinanderfolgender Wellen- impulse 36 über die Amplitudensteuerung 42 der züge wird durch die Erfindung sichergestellt. Spannungsquelle 18 verändert wird.

In F i g. 2 ist die Periode einer Auslöseimpuls- Außerdem wurde bereits ausgefürt, daß der Ein-

folge 34 durch die Zeit T₁, zwischen zwei aufeinander- satzzeitpunkt der Mikrowellenschwingung 32 durch folgenden Impulsen 36 gekennzeichnet. Die wirksame 50 eine der Auslöseimpulsfolge überlagerte Vorspan-Dauer jedes Impulses ist mit t_w bezeichnet. Die Peri- nung verändert werden kann. Die zur Schwingung ode der Schwingung 38 des Stoßwellenerzeugers 10 führende Strominstabilität im Stoßwellenerzeuger ist mit T_n, und die Frequenz mit F_n, bezeichnet. Ein wird ausgelöst, wenn die Feldstärke einen Schwell-Auslöseimpuls 36 verursacht im Stoßwellenerzeuger wert (Schwellwert A in F i g. 1) erreicht. Gemäß der 10 eine Schwingung 30, die im Hohlraumresonator 55 Erfindung kann die Phase einer fortlaufenden Mikro-16 eine Schwingung 38 anregt. Zur leichteren Erklä- Wellenschwingung 38 durch Regulierung der Vorrung ist in der Darstellung die Mikrowellenschwin- spannung 44 der Spannungsquelle 18 verändert gung 38 der Auslöseimpulsfolge 34 überlagert. Es werden.

handelt sich um eine idealisierte Darstellung. Bei Da T_nIT_n, = n, ist auch JJj_n = n. Aus diesem

einem Auslöseimpuls handelt es sich nicht um einen 60 Grunde gestattet der erfindungsgemäße Mikrowellen-Rechteckimpuls, da die Vorder- und Rückflanke des oszillator die genaue Eichung der Pulsfolgefrequenz Impulses eine gewisse Anstiegs- bzw. Abfallzeit be- der Auslöseimpulse, wenn die Frequenz der Mikroanspruchen. Die Phase der Mikrowellenschwingung Wellenschwingung 38 exakt bekannt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mikrowellenoszillator mit einem Halbleiterkristall, der unter dem Einfluß eines von außen angelegten elektrischen Feldes Stoßwellen erzeugt und der an eine steuerbare Auslöseimpulsquelle angeschlossen und mit einem Hohlraumresonator gekoppelt ist, so daß eine kohärente Oszillatorschwingung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Impulsfolgefrequenz der Auslöseimpulse zu Oszillatorfrequenz ganzzahlig ist.

2. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz der Auslöseimpulse veränderbar ist.

3. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer fortlaufenden Mikrowellenschwingung ein Hohlraumresonator hoher Güte gewählt wird.

4. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung der Phase der Oszillatorschwingung die Vorderflanke der Auslöseimpulse durch Phasensteuerung veränderbar ist.

5. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Auslöseimpulse veränderbar ist.

6. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslöseimpulsfolge eine veränderbare Vorspannung überlagert ist. ■ '