DE1811966A1 - Mikrowellengenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellengenerator, bestehend aus einem aktiven Vierpol, dessen Ausgang mit dem Eingang über eine Verzögerungsanordnung rückgekoppelt ist.

Es sind verschiedene Anordnungen zur Erzeugung von Mikrowellen bekannt geworden. Derzeit gebräuchlich sind sogenannte Laufzeitröhren, deren verschiedene Ausführungsformen als Magnetron, Klystrom und Lauffeldröhre bekannt sind. Das bei diesen Laufzeitröhren angewendete Steuerprinzip besteht darin, dass ein gleichförmiger Elektronenstrom einem Steuerfeld ausgesetzt wird, durch das Geschwindigkeitsänderungen der Elektronen erzielt

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werden. Dadurch wird erreicht, dass die Elektronen auf ihrem weiteren Weg zu Gruppen unterschiedlicher Dichte zusammenlaufen. Somit entsteht aus dem ursprünglichen Gleichstrom ein pulsierender Strom. Solche Röhren bedingen relativ lange Elektronenlaufzeiten, die Anordnungen sind kompliziert und aufwendig und weisen teilweise eine nur geringe Lebensdauer auf. Zudem sind die raumlichen Abmessungen relativ gross. Ein weiterer wesentlicher Nachteil ist durch das bei diesen Anordnungen naturgemäss vorhandene Rauschen gegeben.

Weiterhin sind auf anderen physikalischen Grundlagen beruhende Anordnungen bekannt geworden, wie beispielsweise der MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), bei dem atomare und molekulare Prozesse, d.h. Uebergange Von Ionen zwischen verschiedenen Energiestufen, ausgenutzt werden. Auch die MASER erfordern eine relativ komplizierte und räumlich grosse Anordnung, vor allem bedingt durch die Notwendigkeit der Zuführung der Pumpenergie.

Ferner sind Halbleiter-Mikrowellengeneratoren entwickelt worden. Bekannt sind vor allem die auf dem Gunn-Effekt beruhenden Anordnungen, sowie die sogenannten LSA- (Limited Space-charge Accumulation) Dioden. Hierbei basiert die Schwingungserzeugung auf.Effekten, die in einem kleinen Halbleiter bei Anlegung extrem hoher elektrischer Feickvär-Ken

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auftreten. Auch die Read-Dioden, bei denen durch Stoss-Ionisation hervorgerufene Lawineneffekte im Halbleiter einen negativen Widerstand bewirken, können zur Erzeugung von Mikrowellen benutzt werden. Diese Halbleitergeneratoren können sehr klein und einfach ausgeführt werden, die erzielbaren Ausgangsleistungen sowie der Wirkungsgrad sind jedoch relativ gering.

Im Schweizerischen Patent Nr. 443 419 ist ein weiterer Halbleiter-Mikrowellengenerator beschrieben, der im wesentlichen aus einem Wellenleitungsverstärker mit gleichmässig verteilten Leitungsparametern % besteht, dessen Elektroden Eingangs- und Aus gangs wellenleitungen bilden, die jedoch als Resonatoren ausgebildet sind.

Da bei allen diesen bekannten Mikrowellengeneratoren nachteilig ist, dass bei geringem Wirkungsgrad zusätzlich ein relativ grosser Rauschpegel wirksam ist und bei Anwendung jeweils entsprechende Abänderungen in Abhängigkeit hiervon getroffen werden müssen, besteht deshalb die Aufgabe der Erfindung darin, einen Mikrowellengenerator zu schaf- A

fen, der unter Vermeidung der oben genannten Nachteile zur Erzeugung von Mikrowellen im Gigahertzbereich bei hohem Wirkungsgrad geeignet ist; ausserdem sollen das Breitbandverhalten und die Anpassungsfähigkeit für verschiedene Anwendungszwecke besser als bei bisherigen Anordnungen dieser Art sein. Nicht zuletzt soll sich die erfindungsgemässe Schaltung in hervorragendem Masse eignen, als integrierte Schaltung bzw. in integrierten Schaltungen, also durch entsprechend behandelte Halbleiterplättchen, realisiert zu werden.

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Erfindungsgemäss wird für Mikrowellengeneratoren der eingangs genannten Art diese Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem aktiven Vierpol mit einer Eingangs- und einer Ausgangswellenleitung jeweils benachbarte Enden der Eingangswellenleitung und der Aus gangs Wellenleitung miteinander gekoppelt sind.

Der erfindungsgemässe Mikrowellengenerator beruht also auf einem bisher nicht angewendeten Prinzip. Als aktiver Vierpol des erfindungsgemässen Mikrowellengenerators kann eine Verstärkeranordnung mit je einer Eingangs und einer Ausgangswellenleitung dienen, beispielsweise ein sogenannter Kettenverstärker, bei dem die aktiven Verstärkerelemente, beispielsweise Traneistoren, derart parallel geschaltet sind, dass sich die Ströme und somit die Verstärkung der Einzelelemente addieren. Die Eigenkapazität der Transistoren bilden Parameter der Eingangs- und Ausgangswellenleitungen. Sind die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten auf beiden Leitungen gleich und schliesst man die Leitungen mit ihrem Wellenwiderstand ab, ergibt sich eine Schaltungsanordnung, die auch bei sehr hohen Frequenzen, bei denen der Verstärkungsfaktor der Einzelelemente kleiner als 1 ist, noch eine Verstärkung grosser als 1 aufweist. Durch die Erfindung, nämlich die Enden der Eingangsund Aus gangs wellenleitungen einer solchen Verstärkeranordnung über Rückkopplungswege miteinander zu verbinden, wird in jedem Falle die volle Ausgangsleistung wieder der Eingangs leitung zugeführt, so dass ein hoher Wirkungsgrad des erfindungsgemässen Mikrowellengenerators·erreicht wird, der bei weitern die mit bisher bekannten Mikrowellengenerator en erzielten Wirkungsgrade übertrifft.

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Durch die Erfindung wird ein Mikrowellengenerator bereitgestellt, dessen Kenndaten, beispielsweise die Frequenz, die Breitbandigkeit und der Wirkungsgrad oder die Ausgangsleistung, ohne vom erfindungsgemässen Prinzip abzuweichen, durch geringfügige strukturelle Änderungen den verschiedenen Anwendungszwecken weitgehend angepasst werden können. Darüber hinaus lassen sich in Anwendung der Erfindung auch noch solche Verstärker, wie z. B. Kettenverstärker in einem Frequenzbereich benutzen, in welchem der Verstärkungsfaktor bei normalem Betrieb kleiner als 1 wäre.

Zur Herstellung des Mikrowellengenerators gemäss der Erfindung dienen ™

in vorteilhafter Weise einfache Verfahren, wie sie z. B. bei der Herstellung von Planar-Transistoren und integrierten Schaltungen gebräuchlich sind, so dass sich eine vorteilhafte Realisierungsmöglichkeit als Festkörperoszillator ergibt.

Eine vielfältige Anwendungsmöglichkeit des Mikrowellengenerators gemäss der Erfindung ist in einfacher Weise möglich, wie z. B. in Modulationsschaltungen, insbesondere zur Frequenzmodulation in Impulstastung usw. ^

Weitere Vorteile, Merkmale und Teilaufgaben der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung mit Hilfe der nachstehend aufgeführten Zeichnungen, und aus den Patentansprüchen.

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Es zeigen:

Fig. la die Schaltung einer bekannten Transistor-Mikrowellen

generators chaltung,

Fig. Ib ein Diagramm, das die Ausgangs spannung der in Fig. la

gezeigten Schaltung in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt,

Fig. 2 , ein Diagramm, das den Frequenzgang der Verstärkung

sowie die möglichen fr ei schwingenden Frequenzen der in Fig. la gezeigten Schaltung angibt,

Fig. 3 das vereinfachte Schaltbild eines Kettenverstärkers,

Fig. 4 das schematisierte Schaltbild eines Mikrowellengenerators

mit einem Kettenverstärker,

Fig. 5a das schematisierte Schaltbild für einen erfindungsgemässen

Mikrowellengenerator,

Fig. 5b, 5c schematische Schaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele

und 5d ·

des erfindungsgemässen Mikrowellengenerators,

Fig. 6 das schematische Schaltbild eines Anwendungsbei spiels des

erfindungsgemässen Mikrowellengenerators, ii&v later-

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V ■■ίΡ·::»:"!|ΐ|Π!^-Ι"Ι!|ΐΙ!Ι!|ί!Ι!!!Ι!!Π¹¹· ""'"""'11!1-1!1'IN!

mittierend betrieben wird,

Fig. 7 das schematische Schaltbild einer Modulationsanordnung

als weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemässen Mikrowellengenerators.

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemässen Mikrowellengenerators wird zunächst anhand der Fig. la und Ib eine vorbekannte Generatorschaltung beschrieben, die nur einen Transistor 11 aufweist, dessen Kollektor über eine Verzögerungsleitung 12 mit der Basiselektrode verbunden ist. Durch Schliessen des Schalters S beispielsweise zu einem Zeitpunkt t_ wird das Potential des Punktes 13 und damit des Kollektors auf den Wert der Spannungsquelle +V erhöht, der Transistor führt zunächst jedoch keinen Strom, da die Transistorbasis noch auf negativem Potential liegt. Nach einer durch die elektrische Länge der Verzögerungsleitung D bestimmten Zeit d wird das Basispotential positiv, der Transistor wird stromführend und erreicht seine Sättigung. Das Potential des Punktes 13 fällt dadurch angenähert auf Massepotential ab. Wiederum durch die Verzögerungsleitung bedingt,- wird das Basispotential erst zu einem späteren Zeitpunkt, wobei der Zeitraum wiederum durch die Länge d der Verzögerungsleitung bestimmt wird, auf diesen niedrigen Wert gebracht und der Transistor gesperrt. Hierdurch steigt das Kollektorpotential

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und somit das des Punktes 13 wiederum auf den Wert +V an, und der beschriebene Vorgang wiederholt sich bis zur Oeffnung des Schälters S. An der mit denn Punkt 13 verbundenen Ausgängsklemme A kann die in Fig. Ib gezeigte Impulsfolge V_A abgenommen werden.

Anhand des in Fig. '2 gezeigten Diagramms wird gezeigt, dass der
beschriebene Generator unter bestimmten Bedingungen nicht nur mit der in Fig. Ib dargestellten Grundfrequenz L., sondern auch mit anderen und zwar höheren Frequenzen f , f und f.. schwingen kann. Die Wahl der gewünschten Frequenz kann beispielsweise durch ein in den Generatorkreis eingeschaltetes frequenzabhängiges Dämpfungsglied erfolgen ; die resultierende Schwingung wird die sein, die die höchste Ringverstärkung ν aufweist. ·

Die grundsätzlichen Bedingungen für einen freischwingenden Generator lassen sich durch folgende Gleichungen ausdrücken :

vif ■·.-■'·■■■ ⁽¹⁾

mit : ν = Ringverstärkung
γη- Phasendrehung.

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Gleichung (1) besagt, dass die Ringverstärkung für die Oszillatorfrequenz den Wert 1 nicht unterschreiten darf. Gleichung (2) drückt aus, dass die gesamte Phasendrehung für einen Umlauf 360 oder ein ganzzahliges Vielfaches dieses Wertes betragen muss.

Fig. 2 zeigt einen charakteristischen Verlauf des Frequenzganges der Ringverstärkung ν der in Fig. la gezeigten Schaltung in Abhängigkeit von der Frequenz f. Gemäss Gleichung (1) sind bei einer einen solchen

Frequenzgang aufweisenden Schaltung alle Frequenzen f S f möglich. g

^mmm max s

Für Frequenzen f > f hingegen wird,die Verstärkung < 7 , die

Schaltung ist für solche Frequenzen somit nicht freischwingend.

Auf Gleichung (2) basiert folgende Betrachtung der Phasenbeziehungen : Bei jedem Durchlauf bewirkt der Transistor eine Phasendrehung von 180 ,

• *

und um die durch Gleichung (2) definierte Bedingung zu erfüllen,ist es erforderlich, dass die elektrische Länge £ der Verzögerungsleitung einer Phasendrehung von 180 oder diesem Wert plus einem ganzzahligen Vielfachen von 360 entspricht. Da eine Phasendrehung von 180 der halben Wellenlänge Λ/2 der auftretenden Schwingung entspricht, lässt sich folgende Bedingung aufstellen :

¹D ~ Ί

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• ·

SZ 9-67-008 " - 8 -

Hierbei wird von der Voraussetzung ausgegangen, dass der Transistor neben der Phasendrehung von 180 keine zusätzliche Phasendrehung bewirkt.

Ferner gilt : Λ. - "f

mit : f s Frequenz

. c = Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der Verzögerungsleitung.

^w , Aus (3) und (4) folgt : ·

oder f ' (i '"Jf- -' ·- (5)

Damit ergibt sich für die Grundfrequenz (n = 0) die Gleichung :

Diese Gleichung sagt aus, dass die Frequenz der elektrischen Länge W der Verzögerungsleitung umgekehrt proportional ist, d.h. bei vorgegebenem Frequenzgang der Verstärkung wird die maximale Frequenz erreicht, wenn ■£— so klein gewählt wird, dass die resultierende Frequenz gerade noch unterhalb f liegt. Die weiteren möglichen

Frequenzen ergeben sich zu / « ~ . Si τ > j» — · — etc.

Je mehr solcher Oberwellenfrequenzen unterhalb der Grenze f liegen,

umso grosser ist die Bandbreite der vom Generator erzeugten Schwingung. Hohe Bandbreite ermöglicht die Erzeugung von angenähert rechteckigen Au_Sga„_gSsi_g„a_1(ä„. 909834/0980

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: ";"^: ■' '■'' ^"!'-'fliilflliii"¹¹ ■■„' ι, iiii ;;hi>.:_: »:. »■ ι; ■ >■■■ .;·,■ ■■: -:■■■ ., , , .

Die nach dieser Phasenbetrachtung möglichen Generalorfrequenzen sind in der Fig. ?. mit f , f. , f bis f bezeichnet, wobei der Generator jedoch mit der Frequenz I. nicht freischwingend arbeiten kann, da die Ringverstärkung für diese Frequenz bereits <" / ist.

Wie bereits erwähnt, wird sich beim Betrieb eines solchen Generators normalerweise die Frequenz einstellen, für die die Verstärkung ν den gross ten Wert besitzt ; für einen Generator, dessen Frequenzgang dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm entspricht, somit die Grundfrequenz f Mit Hilfe eines in den Rückkopplungsweg der Schaltung eingefügten frequenzabhängigen Gliedes lässt sich jedoch die Ringverstärkung für bestimmte Frequenzen herabsetzen und somit eine Schwingung mit einer der anderen möglichen Frequenzen f bis f erreichen.

Aus dem bisher Gesagten geht hervor, dass die mit Generator schaltungen erreichbaren Höchstfrequenzen durch die obere Frequenzgrenze der verwendeten Verstärkerelemente bestimmt ist. Auf der Suche nach Verstärkerschaltungen mit sehr hohen Grenzfrequenzen wurden bereits in der Röhrentechnik die sogenannten Kettenverstärker bekannt. Wird bei sehr hohen Frequenzen der Verstärkungsfaktor einer Verstärkerschaltung <■ / , so erzielt man mit einer Kaskadenschaltung mehrerer Verstärkerstufen keinen Gewinn, da bei einer solchen Anordnung der Gesamt-

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verstärkungsfaktor dem Produkt der Einzelfaktoren entspricht, .
er bleibt also < f . Beim Kettenverstärker werden die aktiven
Verstärkerelemente, beispielsweise Transistoren, derart parallel
geschaltet, dass sich die Ströme addieren, nicht jedoch die Eigenkapazitäten. Daraus resultiert eine Schaltung, bei der sich die Einzelverstärkungsfaktoren addieren. Das Grundprinzip besteht darin, dass die Emittor-Basis- und Basis-Kollektorkapazitäten der Transistoren Elemente von Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitungen bilden,
deren Elemente oder Parameter also aus separaten Einzelelementen
bestehen. Ein auf die Eingangsleitung gegebenes Signal durchläuft diese Leitung und erreicht nacheinander die Basen der einzelnen Transistoren,, Der resultierende Kollektorstrom wird in der Ausgangsleitung in zwei Komponenten aufgeteilt : Eine verläuft parallel zur Richtung des zu ver° stärkenden Signals, die andere in entgegengesetzter Richtung. Letztere Komponente wird bei korrekter Anpassung der Ausgangsleitung jedoch absorbiert. Wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in beiden Leitungen gleich ist, addieren sich die Kollektor ströme, d.h. die Verstärkungsfaktoren der einzelnen Transistoren addieren sich. Der Verstärkungsfaktor für einen solchen Kettenverstärker mit η Transistoren beträgt :

mit : ν = Einzelverstärkungsfaktor

Z a Wellenwiderstand der Ausgangsleitung.

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Das Prinzipschaltbild eines solchen Kettenverstärkers ist in Fig. 3 gezeigt. Es besteht aus den vier Transistoren T bis T ., deren Basiselektroden mit der Eingangswellenleitung E und deren Kollektorelektroden mit der Ausgangswellenleitung A verbunden sind. Das zu verstärkende Signal s wird der Eingangswellenleitung E zugeführt. Diese wird aus den Leitungsinduktivitäten und gegebenenfalls zusätzlich einzusetzenden Induktivitäten L und den Basis-Emitterkapazitäten C, der Transistoren gebildet, die einen Wellenwiderstand Z ergeben. Die Leitungsenden sind mit E und E_ bezeichnet. Die Leitung ist an beiden Enden reflektions- Λ

frei mit dem Wellenwiderstand Z abgeschlossen. Die Ausgangswellen-

leitung A wird wiederum durch die Leitungsinduktivitäten und evtl. vorzus ehende Zusatzinduktivitäten L sowie durch die Kollektorkapazitäten C gebildet ; ihre Leitungsenden sind mit A und A bezeichnet. Diese Leitung ist an beiden Enden mit dem Wellenwiderstand der Leitung Z. abgeschlossen, wobei der am Leitungsende A angeschlossene Widerstand als Last- oder Ausgangswiderstand dient, an dem die verstärkte Spannung abgenommen werden kann. g

In den nachfolgend zu betrachtenden Zeichnungen werden die dort verwendeten Kettenverstärker vereinfacht durch einen Block mit den Anschlüssen E. , E₁ A und A dargestellt. Diese mit 30 bezeichneten

XUX C,

Blöcke repräsentieren jeweils den Teil der Kettenverstärkerschaltung, der in Fig". 3 ebenfalls mit 30 bezeichnet ist. Ferner wird für die

9 09 8 3 4/0*9 8

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lh

weiteren Betrachtungen vereinfachend angenommen, dass die Wellenieitungen den gleichen Wellenwiderstand aufweisen, d.h. Z = Z , und dass die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit auf beiden Leitungen gleich ist. Die elektrische Länge der Leitungen wird im weiteren mit C bezeichnet. .

Fig. 4 zeigt das schematisierte Schaltbild eines Generators, der auf dem gleichen Prinzip beruht wie der anhand der Fig. 1 beschriebene. Als aktives Verstärkerelement dient ein Kettenverstärker 30, der mit dem in Fig. 3 gezeigten identisch ist. Der Ausgang A , der dem Kollektor des in Fig. 1 verwendeten Transistors entspricht, is.t über eine Verzögerungswellenleitung 41 mit dem Eingang E verbunden. Dieser entspricht der Basiselektrode des in Fig. 1 verwendeten Transistors. Der Wellenwiderstand der Verzögerungsleitung ist gleich dem der Wellenwiderstände der Eingangs- und Ausgangswellenleitung des Kettenverslärkers, die als gleich angenommen werden. Daraus ergibt sich, dass

Z = Z_ = Z , wodurch ein reflektionsfreies System gegeben ist. XJ hj /x

Die Ausgänge E und A sind jeweils mit dem Wellenwiderstand Z Zl E

bzw. Z. abgeschlossen. Die elektrische Lange der Verzögerungsleitung A.

beträgt C_n, die des Kettenverstärkers -L .. L) A

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9-67-008: ' - 13-

Die Arbeitsweise dieser Generatorschallung wird im folgenden erläutert. Erfolgt zu einem Zeitpunkt t am Eingang E beispielsweise ein positiver Spannungs sprung, so wird diese Spannungs änderung im Kettenverstärker verstärkt und um 180 in der Phase gedreht. Um eine Zeit /S t verzögert, die der elektrischen Länge der Wellenleitungen des KettenveTstärkers entspricht, erscheint ein verstärkter negativer Spannungs sprung am Ausgang A und erreicht, durch die Verzögerungsleitung 41 mit der elektrischen Länge <£ weiterhin verzögert, zum Zeitpunkt t_n + Δ t _ß + Δ t _e den Eingang E₁ . Dessen Potential

¹A <-D

wird herabgesetzt. Auch dieser negative Spannungs sprung durchläuft die Anordnung Kettenverstärker-Verzögerungsleitung und erreicht zum Zeitpunkt L + 2 · (4t. +«4t.) wieder den Eingang E . Es'resultiert

^A M>

ein positiver Spannungs sprung und die soeben beschriebenen Vorgänge laufen erneut ab.

Die an einem der Abschlusswiderstände abzunehmende Ausgangsspannung des Generators zeigt den in Fig. 2 schematisch dargestellten Verlauf,

wobei die Periode T durch die elektrischen Längen C . und -c_ bestimmt "

A. D

wird. Für die Berechnung der Frequenz eines solchen Generators können die für die in Fig. 1 gezeigte Transistorschaltung entwickelten Gleichungen benutzt werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass nicht nur die Laufzeit auf der Verzögerungsleitung eingeht, sondern ebenso die Laufzeit innerhalb des Kettenverstärkers. In die Gleichung (5) ist somit der Wert <£

einzufügen und lautet korrigiert :

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SZ 9-67-008 . - 14 - ,

Die höchstmögliche Frequenz eines in Fig. 4 gezeigten Generators ist, wie bereits erwähnt, in erster Linie durch die obere Grenzfrequenz des verwendeten Verstärkerelementes bestimmt. Im Zusammenhang mit dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm wurde jedoch auch bereits erläutert, dass sich von den theoretisch möglichen Frequenzen f , f , f , etc. ohne weitere Vorkehrungen normalerweise die Greundfrequenz { , d.h. die niedrigste der möglichen Frequenzen, einstellen wird. Dies in erster Linie, weil die Verstärkung für f grosser ist als die für die anderen möglichen Frequenzen.

Aus Gleichung (6) folgt für die Grundfrequenz :

Ur>tt_A)

r>tt_A

Hieraus ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der Grundfrequenz durch eine Reduzierung der Länge -ς der Verzögerungsleitung erreicht werden kann. Bei einer Anordnung gemäss Fig. 4 ist die minimale Länge •c jedoch durch die Länge £ des Kettenverstärkers bestimmt, d.h. ^D — A" ^^e *ⁿ *^8· ^ gezeigte Anordnung weist zudem den Nachteil auf, dass die den Abschlusswiderständen Z und Z zugeführte Energie normalerweise nicht nutzbringend verwendet werden kann, den Gesamtwirkungsgrad eines solchen Generators also reduziert.

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SZ 9-67-008 .-"15 - .

⁷J ' ■ '■ ^: -■■■■■ " ■ " ■■ . ■■"^!l! ■■■ ■■ ^! ■■ ^:'■■■'■■ ■ ■■■■ ■ ■ ■■■"

Der erfindungsgemässe Generator, der in Fig. 5a schematisch dargestellt ist, weist gegenüber der in Fig. 4 gezeigten Anordnung eine Reihe von Vorteilen auf. Die Verstärkung des aktiven Verstärkerelements 30 wird durch mehrfachen Signaldurchlauf scheinbar erhöht, so dass Schwingungen auch für Verstärkungsfaktoren von v< 1 möglich sind. Dies ergibt die Möglichkeit, die Generatorfrequenz zu erhöhen. Ferner gestattet die erfindungsgemässe Anordnung die Verwendung von extrem kurzen Verzögerungsleitungen. Deren elektrische Länge -c _ kann im Extremfall praktisch gleich Null gemacht· werden. Weiterhin werden die Abschlusswiderstände eliminiert, wodurch eine erhöhte nutzbare Ausgangsleistung bzw. ein besserer Wirkungsgrad erzielt wird. Diese Vorteile sowie der Aufbau der erfindungsgemässen Generatorschaltung werden im folgenden anhand der Fig. 5a näher beschrieben.

Im in Fig. 5a dargestellten Ausführungsbeispiel findet wiederum ein Kettenverstärker 30, wie er anhand der Fig. 3 beschrieben wurde, Verwendung. Das charakteristische Merkmal des erfindungsgemässen Generators ist, dass jeweils benachbarte Enden der Wellenleitungen des Verstärkers über Verzögerungsleitungen miteinander gekoppelt sind, d.h. die Enden E. und A sind durch die Verzögerungsleitung 51 und die Enden E und A durch die Verzögerungsleitung 52 verbunden. Die elektrischen Längen dieser Verzögerungsleitungen sind mit

£ bzw. -£· bezeichnet. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist D₁ U₂

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£ =^_η ⁼ Av Setzt man wieder voraus, dass die Wellenwiderstände ^Dl ^D2
Z beider Verzögerungsleitungen untereinander gleich und auch gleich den Wellenwiderständen Z und Z des Kettenverstärkers sind, so folg, Z ."Ζ -Z_E-2_A.

Für die folgende Betrachtung wird zunächst vereinfachend angenommen, dass die elektrische Länge -L des Kettenverstärkers gegenüber den Längen £ und -t vernachlässigbar klein ist. Die Verstärkung des Verstärkers betrage v. Wird ein positiver Spannungssprung der Amplitude 1 an den Eingangspunkt E des Kettenverstärkers gelegt, so breitet sich ein negativer Spannungssprung der Amplitude 1·ν von den Verstärkerausgängen A und A in beiden Richtungen aus. Diese

X c»

beiden Wellen sind durch gestrichelte (von A nach rechts ausbreitend)

Ca

und punktierte (von A nach links ausbreitend) Linien dargestellt.

Theoretisch können sich verschiedene Schwingungszustände einstellen. Die gestrichelt dargestellte Welle erreicht über die Verzögerungsleitung 52 den Punkt E , wird verstärkt und beginnt einen neuen Umlauf durch

C*

die gleiche Verzögerungsleitung. Das gleiche gilt entsprechend für die punktiert dargestellte Welle und die Verzögerungsleitung 51. Für beide Wellen gilt die Phasenbeziehung i. = ^ /2 und die Grundfrequenz

f beträgt f = . Bezeichnet man die Verstärkung, die jede

dieser beiden Wellen beim Durchgang durch den Verstärker erfährt _r

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mit ν, so beträgt die Gesamtverstärkung für beide Wellen 2 · v. Die Amplitudenbedingung für einen freischwingenden Generator lautet somit :

2V Z 1 (7)

Dies besagt, dass gegenüber der.in Fig. 4 gezeigten Anordnung bei Verwendung der gleichen Verstärkeranordnung höhere Frequenzen möglich sind.

Ein weiterer möglicher Schwingungszustand ist.der folgende : Die gestrichelt dargestellte Welle erreicht über die Verzögerungsleitung 52 den Punkt E₁ wird verstärkt und durchläuft anschliessend die zweite Verzögerungsleitung 51. Sie erreicht den Punkt E , wird wiederum verstärkt und setzt den Weg weiter über die erste Verzögerungsleitung 52 fort. Das gleiche gilt entsprechend für die punktiert dargestellte Welle. In diesem Fall wird der Verstärker von jeder Welle in jeder Schwingungsperiode zweimal durchlaufen ; dies ä

ergibt bereits eine Phasendrehung von 360 . Die Verzögerungsleitungen müssen also ihrerseits ebenfalls eine Phasendrehung von 360 oder ein ganzzahliges Vielfaches von 360 bewirken. Somit ergibt sich :

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Damit wird die Grundfrequenz f unter Vernachlässigung der elektrischen Länge Z des Verstärkers zu :

Bezeichnet man wiederum die Verstärkung, die jede dieser Wellen bei einem Durchgang durch den Verstärker erfährt, mit v, so beträgt die Gesamtverstärkung 2 · ν _# und die Amplitudenbedingung für einen freischwingenden Generator lautet :

<?. ν² έ / (β)

Auch für diese Schwingungsart sind somit im Gegensatz zu der in Fig. gezeigten Anordnung freie Schwingungen bei ν < / möglich. Für Anordnungen mit einem Verstärkungsfaktor ν > / wird sich der zweite Schwingungszustand einstellen, für v</hingegen der erste.

Das Ausgangssignal einer solchen Generatorschaltung kann beispielsweise über einen Richtkoppler entnommen werden. Die nutzbare Ausgangsleistung ist gegenüber der in Fig. 4 gezeigten Schaltung wesentlich erhöht, da die dort in den Abschlusswiderständen verbrauchten Leistungen nicht aufgebracht werden müssen bzw. wieder dem Verstärker nutzbar zugeführt werden.

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Aus Fig. 5a wird weiterhin ersichtlich, dass sehr kurze Verzögerungsleitungen verwendet werden können, die im Extremfall praktisch die Länge [ -^V, = O annehmen können. Für diesen Fall ist die Grundfrequenz praktisch nur noch durch die dann nicht mehr zu vernachlässigende Länge (. des Verstärkers bestimmt ; sie kann also sehr viel höher sein als die mit einer Anordnung gemäss Fig. 4 erreichbare

Frequenz, wot > £ ist. Auch für das in Fig. 4 gezeigte Schaltungs- D A

prinzip Hessen sich geeignete Ausführungsformen entwickeln, die die Verwendung sehr kurzer Verzögerungsleitungen ermöglichen ; -

beispielsweise eine ringförmige Anordnung des Kettenverstärkers, bei der die Enden der Wellenleitungen unmittelbar beeinander liegen. Jedoch haben solche Anordnungen den Nachteil, dass sich die die Leitungsenden verbindenden Verzögerungsleitungen überkreuzen müssen. Solche Ueberkreuzungen ergeben jedoch bei den für hochfrequente Anordnungen kleinster Abmessungen gebräuchlichen Herstellungsverfahren erhebliche Schwierigkeiten.

Auf die Herstellung erfindungsgemässer Generatorschaltungen wird im weiteren nicht näher eingegangen, da sie für den Fachmann keine besonderen Schwierigkeiten mit sich bringt. Für Generatoren, die mit sehr hohen Frequenzen betrieben werden sollen, können die in der Mikroelektronik oder bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendeten Verfahren Anwendung finden.

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JUl

In den Fig. 5b bis 5d sind weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Generators aufgezeigt.

Fig. 5b zeigt eine Generatoranordnung, die im Prinzip identisch mit der in Fig. 5a angegebenen ist j in diesem Ausführungsbeispiel sind die Verzögerungsleitungen jedoch sehr kurz, wodurch eine hohe Grenzfrequenz f erzielt wird.

Fig. 5c zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die beiden Verzögerungsleitungen unterschiedliche Länge aufweisen, die Gesamtlänge < + f jedoch gleich der der Anordnung nach Fig. 5a ist. In

12
einer solchen Anordnung sind drei Schwingungszustände möglich. Die Welle kann entweder über die Verzögerungsleitung 51 oder über die Leitung 52 zum Verstärker zurücklaufen, wobei sich verschiedene Grundfrequenzen ergeben, da ^ Φ^γ\ · Andererseits kann wiederum

J. Cm

der schleifenförmige Umlauf über beide Verzögerungsleitungen auftreten. In der Anordnung nach Fig. 5a ergeben die ersten beiden Wellenumläufe Schwingungen gleicher Frequenz ; beide Schwingungsarten können gleichzeitig auftreten, wodurch eine Verdoppelung der Verstärkung ν erzielt wurde. In der in Fig. 5e gezeigten Anordnung ergeben sich für diese Schwingungsarten jedoch unterschiedliche Frequenzen, so dass sich nur ein Sehwingungstyp mit der normalen Verstärkung ν .einstellen kann. Beim dritten Schwingung § typ, der bei aehlf#rmig©.m

umlauf mit zweimaligem Verstärkerdurchgarig entsteht, ergibt sich hingegen sine erhöhte Verstärkung, wodurch sich dieser Typ unter normalen Betriebsbedingungen bevorzugt einstellen wird.

Fig. 5d zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Generators, bei der nur die Leitungsenden A und E über eine Verzögerungsleitung 52 verbunden sind. Auch eine solche Anordnung ist schwingfähig, besitzt jedoch nicht die Vorteile der bereits beschriebenen Anordnungen hinsichtlich der höheren Nutzleistung und der durch die Verbesserung der Verstärkungsbedingungen gewonnenen Erhöhung der maximal erreichbaren Frequenz.

Anhand der Fig. 5a bis 5d wurden Ausführungsbeispiele mit unterschiedlichen Anordnungen der Verzögerungsleitungen 51 und 52 beschrieben. Die verwendete Verstärkeranordnung 30, deren Frequenzgang beispielsweise dem in Fig. 2 gezeigten entsprechen kann, bleibt dadurch unbeeinflusst ; lediglich die sich einstellende Generatorfrequenz wird verändert. Weitere Varianten, beispielsweise solche mit erhöhter Ausgangsleistung, ergeben sich durch Aenderungen der Verstärkeranordnung. Wird ein Kettenverstärker verwendet, so ergibt eine Erhöhung der Anzahl der Transistorstufen eine grössere Verstärkung. Damit wird eine Verschiebung der Frequenzgangkurve in Richtung höherer Verstärkungswerte und eine grössere Ausgangsleistung erreicht.

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4t _ · '

Nachfolgend wird eine Ableitung der Formel gegeben, die die maximale Frequenz der erfindungsgemässen Generatorschaltung beschreibt.

Die Verstärkung ν eines Kettenverstärkers ist bestimmt durch die Gleichung ; .

2.

mit : η = Zahl der Transistorstufen des Kettenverstärkers e = Steilheit einer Transistorstufe des Kettenverstärkers ^Bm

Z = Wellenwiderstand der Eingangs- und Ausgangsleitung des Kettenverstärkers.».

Damit ergibt sich aus Gleichung (8) für die höchstmögliche Frequenz

. L _m ι '(,)

if. Q

Die maximale Frequenz wird erreicht für den Fall / = £ = 0.

1 2.

Hierfür muss die erforderliche Phasendrehung von 360 während der beiden Durchläufe durch den Kettenverstärker der Länge -£_Ä erzielt werden. Die Phasendrehung für jedes aus einer Kapazität C und einer

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«63

Induktivität L bestehende Wellenleitungselement des Kettenverstärkers beträgt Co - j LC . Da zwei Umläufe durch den Kettenverstärker erfolgen, ergibt sich folgende Bedingung :

2 η Cu j'ZcP = έϊΓ - 360 °

Daraus folgt :

7c⁷ (ίο)

mit : η = Zahl der Wellenleitungselemente oder der Transistorstufen.

Aus Gleichungen (9) und (10) folgt :

JL c

ι-

obere Grenzfrequenz f_n = — beträgt. Die mit dem erfindungs-

^ü 27 C

gemässen Generator erzielbare maximale Grundfrequenz wird somit

ZT
um den Faktor oder 2,2 mal grosser als die obere Grenz-

frequenz der im Kettenverstärker verwendeten Transistoren. Feldeffekt-

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Für den Aufbau des Kettenverstärkers können beispielsweise Feldeffekt- ^

Transistoren mit einer Schottky Barriere verwendet werden, deren

Transistoren mit einer Grenzfrequenz von etwa 3-5 Gigahertz sind bereits hergestellt worden. Beim derzeitigen Stand der Technik ^:!" beträgt die mit dem eründungsgemässen Generator somit erzielbare maximale Frequenz etwa 10 Gigahertz,

Fig. 6a zeigt das schematische Sehaltbild eines Anwendungsbeispiels des erfindungsgemassen Generators. In der dargestellten Schaltung arbeitet der mit 61 bezeichnete schematisch dargestellte Generator im intermittierenden Betrieb, der durch denn Transistor 62 zuge-

führte Signale V gesteuert wird. In Fig. 6b sind die Eingangs signale E

V und die an der Ausgangsklemme erscheinenden Ausgangssignale V.

E A

in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.

Die Schaltungsanordnung stellt in Prinzip einen Stromschalter dar«, Im Ruhezustand, z.B. zum Zeitpunkt t , ist der Transistor 62 stromführend und es fliesst der Strom I. ,während I_ gleich Null ist. Der Generator schwingt nicht. Wenn zum Zeitpunkt, t dem Transistor ein negativer Impuls V zugeführt wird, bewirkt dies eine Sperrung des Transistors, I wird zu Null und I beginnt zu flies sen. Die Schwingungen im Generator 61 setzen ein und an der Ausgangsklennme kann das hochfrequente Signal V abgenommen werden» Mieder Rück» flanke des Impulses V wird der Transistor zum Zeitpunkt t wieder

E 5

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stromführend ; damit fljesst wiederum der Strom I , während I zu Null wird und der Generator abgeschaltet wird. Für weitere Impulse V wiederholen sich zu den Zeitpunkten t ' bzw. t ' die gleichen Vorgänge wie für t und t beschrieben.

Durch Einsatz eines weiteren Generators anstelle des Transistors 62 wird aus der in Fig. 6a gezeigten Anordnung eine selbst-intermittierende Schaltung, die die Zuführung von Steuerimpulsen V unnötig macht. Die Periodendauer des zweiten Generators muss grös.ser sein als die des Generators 61. Die Anzahl der am Ausgang der Schaltung jeweils erscheinenden Schwingungen V. ist abhängig vom Verhältnis der Dauer der Schwingungsperioden der beiden Generatoren und damit von den Längen der verwendeten Verzögerungsleitungen.

In Fig. 7 ist ein weitere^ Anwendungsbeispiel des erfindungsgemässen Generators dargestellt. Die Zeichnung zeigt schematisch eine Frequenzmodulationsschaltung. Der Generator entspricht in seinem Aufbau dem * anhand der Fig. 5d beschriebenen ; er besteht aus dem Kettenverstärker 30, dessen Wellenleitungsenden A_ und E über die Verzögerungs-

leitung 71 der elektrischen Länge / miteinander verbunden sind. Die

Leitungsenden A und E, sind mit den Wellenwiderständen Z₄ bzw. Z 11 AE

der Ausgangs- bzw. Eingangswellenleitung des Ketteriverstärkers abgeschlossen. Die Verzögerungsleitung weist ein variables Verzögerungs-

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glied 72 auf, das eine Steuerung der Phasendrehung der dieses Glied durchlaufenden Wellen ermöglicht. Hierdurch sind Veränderungen der elektrischen Länge £ der Verzögerungsleitung 71 und damit der Generatorfrequenz möglich. Das Verzögerungsglied 7E kann beispielsweise aus einem bipolaren Transistor in Basisschaltung bestehen/ bei dem die Phase des Verstärkungsfaktors &■ durch der Basis zugeführte Steuersignale variiert werden kann. Ebenso könnte eine aus LC-Gliedern aufgebaute Verzögerungsleitung verwendet werden, deren Kapazitäten C spannungsabhängig sind ·, durch eine an die Kapazitäten angelegte Steuerspannung lässt sich eine Variation der durch diese Verzögerungsleitung bewirkten Phasendrehung erzielen.

In der in Fig. 7 gezeigten Schaltung lässt sich die Generatorfrequenz mit einer der Schaltung von aussen zugeführten Frequenz f modulieren. Mit Hilfe der einstellbaren Gleichspannungsquelle V wird zunächst das Verzögerungsglied 72 und damit die elektrische Länge C sowie w eine mittlere Generatorfrequenz f eingestellt. Dies ist die Frequenz,

mit der der Generator schwingt, wenn der Schaltung kein Modulations signal f zugeführt wird. Durch Anlegen einer solchen Modulationsspannung f ändert Sieh die durch das variable Verzögerungsglied 72 m ·

bewirkte Phasendrehung mit der Modulationsfrequenz, wodurch wiederum eine Variation oder Modulation der Generatorfrequehz f Verbunden ist. Die Aenderung <$ f der Generatorfrequenz ist abhängig von der

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Amplitude der Modulations spannung f , während die Aenderungsgeschwindigkeit der Generatorfrequenz von der Höhe der Frequenz f

bestimmt wird. Das modulierte Signal kann an der Ausgangsklemme A abgenommen werden.

Der erfindungsgemcisse Generator wurde anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die auf der Verwendung von Transistor-Kettenverstärkern beruhen. Es wird jedoch betont, dass die Erfindung sich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen be- Λ

schränkt. Unter anderem könnte der Kettenverstärker durch einen Wellenleitungsverstärker ersetzt werden, der beispielsweise aus einem in der Richtung senkrecht zur Stromflussrichtung eine erhebliche Ausdehnung aufweisenden Feldeffekt-Transistor besteht. Ein solcher Wellenleitungsverstärker besteht praktisch aus einer unendlich grossen Anzahl von parallel arbeitenden Transistorelemenlen, während die Eingangs- und Ausgangswellenleitungen durch die Transistorelektroden gebildet werden. Bei einer solchen Anordnung sind sowohl die aktiven Elemente als auch die Parameter der Wellenleitungen in idealer Weise über die Länge der Verstärkeranordnung verteilt. Ein solcher Wellenleitungsverstärker wurde im Artikel "A Traveling Wave Transistor" angegeben, der in den Proceedings of IEEE, November 1965, auf den Seiten 1747 und 1748 publiziert wurde. *

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Claims (9)

811966 PATENTANSPRÜCHE

1. Mikrowellengenerator bestehend aus einem aktiven Vierpol, dessen Ausgang mit dem Eingang über eine Verzögerungsanordnung rückgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiven Vierpol (30) mit einer Eingangs- und einer Ausgangswellenleitung jeweils benachbarte

Enden (E₁, E , A₁, A) der Eingangswellenleitung und der Ausgangs-ι Δ ι Δ

wellenleitung miteinander gekoppelt sind.

2. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden Enden (A., A) der Ausgangswellenleitung der als aktiver Vierpol dienenden Verstärkeranordnung (30) mit dem jeweils benachbarten Ende (E , E) der Eingangswellenleitung über je eine Ve?-

& Ca

zögerungsleitung (51, 52) verbunden ist (Fig. 5a).

3. Mikrowellengenerator mindestens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Verzögerungsleitungen (51, 52) die gleiche elektrische Länge ( ( ., / ) aufweisen (Fig. 5a).

4. Mikrowellengenerator mindestens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verzögerungsleitungen (51, 52) die Enden der Wellenleitungen der Verstärker anordnung (30) auf dem kürzest möglichen Weg verbinden, wobei die elektrischen Längen'( /„ _t £ ) der Verzögerungsleitungen angenähert gleich Null sind {Fig. 5b)..

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5. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verzögerungsleitungen (51, 52) unterschiedliche elektrische Längen aufweisen (Fig. 5c).

6. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Ende (A_) der Aus gangs wellenleitung der Verstärkeranordnung (30) mit dem benachbarten Ende (E ) der Eingangswellenleitung ge-

C*

koppelt ist, während die anderen Enden (A., E) der Wellenleitungen

mit dem Wellenwiderstand (Z_, Z.) der Leitungen abgeschlossen sind

hi A.

(Fig. 5d).

7. Mikrowellengenerator mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkeranordnung (30) aus einem Kettenverstärker besteht.

8. Mikrowellengeneratar nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkeranordnung (30) aus einem Wellenleitungsverstärker besteht, dessen aktive f und passive Elemente gleichmässig über die Länge der Wellenleitungen verteilt sind.

9. Mikrowellengenerator mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer der Verzögerungsanordnungen (71) ein durch Steuersignale einstellbares variables Verzögerungsglied (72) vorgesehen ist (Fig. 7).

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