DE1811966B2 - Mikrowellengenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellengenerator, bestehend aus mindestens einem steuerbaren Halbleiterbauelement, dessen Ausgang mit dem Eingang über ein Verzögerungsglied rückgekoppelt ist.

Es sind verschiedene Anordnungen zur Erzeugung von Mikrowellen bekanntgeworden. Derzeit gebräuchlich sind sogenannte Laufzeitröhren, deren verschiedene Ausführungsformen als Magnetron, Klystron und Lauffeldröhre bekannt sind. Das bei diesen Laufzeitröhren angewendete Steuerprinzip besteht darin, daß ein gleichförmiger Elektronenslrom einem Steuerfeld ausgesetzt wird, durch das Geschwindigkeitsänderungen der Elektronen erzielt 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 räumlichen Abmessungen relativ groß. Ein weilerer wesentlicher Nachteil ist durch das bei diesen Anordnungen naturgemäß vorhandene Rauschen gegeben.

Weiterhin sind auf anderen physikalischen Grundlagen beruhende Anordnungen bekanntgeworden, wie beispielsweise der MASER (Microwave Amplification by Stimulated of Radiation), bei dem atomare und molekulare Prozesse, d. h. übergänge von Ionen zwischen verschiedenen Energiestufen, ausgenutzt werden. Auch die MASER erfordern eine relativ kornplizierte und räumlich große Anordnung, vor allem bedingt durch die Notwendigkeit der Zuführung der Pumpenenergie.

Ferner sind Halbleiter-Mikrowellengeneratoren entwickelt worden. Bekannt sind vor allem die auf dem Gunn-Elfekt beruhenden Anordnungen sowie die genannten LSA-(Limited Space-charge Accumulation) Dioden. Hierbei basiert die Schwingungserzeugung auf Effekten, die in einem kleinen Halbleiter bei Anlegung extrem hoher elektrischer Feldstärken 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 Ausgangsleislungen sowie der Wirkungsgrad sind jedoch relativ gering.

Weiter ist ein Halbleiter-Mikrowellengenerator bekannt, der im wesentlichen aus einem Wellenleitungsverstärker mit gleichmäßig verteilten Leitungsparametern besteht, dessen Elektroden Eingangs- und Ausgangswellenleitungen bilden, die jedoch als Resonatoren ausgebildet sind (schweizerische Palentschrift 443 419).

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 schaffen, der unter Vermeidung der obengenannten Nachteile zur Erzeugung von Mikrowellen im Gigahertzbereich bei hohem Wirkungsgrad geeignet ist; außerdem sollen das Breitbandverhalten und die Anpassungsfähigkeit

ür verschiedene Anwendungszwecke besser als bei bisherigen Anordnungen dieser Art sein. Nicht zuletzt soll sich die erfindungsgemäße Schaltung in hervorragendem Maße eignen, als int.;grierte Schaltung bzw. in integrierten Schaltungen, also durch entsprechend behandelte Halbleiterplättchen, realisiert zu werden.

Erfindungsgemäß wird fur Mikrowellengeneratoren der eingangs genannten Art die angegebene Aufgabe dadurch gelöst, daß der Verstärker zwei nebeneinanderliegende Wellenleiter mit gegenseitig zueinander benachbarten Endanschlüssen enthält, wovon einer an die Signaleingangselektrode des Halbleiterbauelements bzw. an die Signaleingangselektroden der Halbleiterbauelemente und der andere Wellenleiter entsprechend an die Signalausgangselektrode bzw. Signalausgangselektroden angeschlossen sind und daß der Wellenleiter des Signalausgangs mindestens über eines der beiden benachbarten Endanschlußpaare mittels eines elektrisch angepaßten Verzögerungsgliedes gekoppelt ist.

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 VerstärJ-erelemente, beispielsweise Transistoren, 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 größer als 1 aufweist. Durch die Erfindung, nämlich die Enden der Eingangs- und Ausgangswellenleitungen einer solchen Verstärkeranordnung über Rückkopplungswege miteinander zu verbinden, wird in jedem Falle die volle Ausgangsleistung wieder der Eingangsleitung zugeführt, so daß ein hoher Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Mikrowellengenerators erreicht wird, der bei weitem die mit bisher bekannten Mikrowcllengeneratoren erzielten Wirkungsgrade übertrifft.

Eine andere Bauweise des Mikrowellengenerators gemäß der Erfindung ergibt sich, wenn ein Halbleiterbauelement nach Art eines Wanderwellenverstärkers aufgebaut ist, bei dem sich dann aktive und passive Elemente gleichmäßig über die Länge der Wellenleiter verteilen. Ein solches Halbleiterbauelement läßt sich in vorteilhafter Weise als Feldeffekttransistor aufbauen.

Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken lassen sich bei Verwendung von zwei Verzögerungsgliedern durch Kopplung der benachbarten Wellenleiterenden an je einem Kopfende des Mikrowellengenerators entweder gleiche Verzögerungszeiten bei beiden Verzögerungsgliedern einstellen oder aber unterschiedliche Verzögerungen.

Als Verzögerungsglieder lassen sich auch Verzögerungsleitungen verwenden, wobei sich dann eine besonders vorteilhafte Ausführung ergibt, wenn die Verzögerungsleitungen im wesentlichen durch den direkten gegenseitigen Abstand der zueinander parallelen Wellenleiter die Verzögerungszeiten festlegen.

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. Als Herstellungsverfahren für Mikrowellengeneratoren gemäß der Erfindung lassen sich in vorteilhafter Weise einfache Verfahren anwenden, wie sie z. B. bei Herstellung von Planartransistoren und integrierten Schaltungen gebräuchlich sind, indem so ein Festkörperoszillator unter relativ geringem Aufwand gefertigt werden kann.

Wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wenigstens eines der Verzögerungsglieder mit Hilfe von Steuersignalen einstellbar ist, dann ergibt sich eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Mikrowellengenerators gemäß der Erfindung, wie z. B. in Modulationsschaltungen, insbesondere zur Frequenzmodulation, in Impulstastung usw.

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

Fig. 1 a die Schaltung einer bekannten Transistor-M ikro wellengeneratorschaltung,

Fig. Ib ein Diagramm, das die Ausgangsspannung der in F i g. 1 a gezeigten Schaltung in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt.

F i g. 2 ein Diagramm, das den Frequenzgang der Verstärkung sowie die möglichen frei schwingenden Frequenzen der in Fig. la gezeigten Schaltung angibt,

F i g. 3 das vereinfachte Schaltbild eines Kettenverstärkers,

F i g. 4 das schematisierte Schaltbild eines Mikrowellengenerators mit einem Kettenverstärker,

F i g. 5 a das schematisierte Schaltbild für einen erfindungsgemäßen Mikrowellengenerator,

Fig. 5b, 5c und 5d schematische Schaltbilder weiterer Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen M ikrowellengenerators,

F i g. 6 das schematische Schaltbild eines Anwendungsbeispiels des erfindungsgemäßen Mikrowellengenerators, der intermittierend betrieben wird.

F i g. 7 das schemalische Schaltbild einer Modulationsanordnung als weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrowellengenerators.

Zum besseren Verständnis des erfindungsgemaßen Mikrowellengenerators wird zunächst an Hand der Fig. la und 1 b 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 r₀ wird das Potential des Punktes 13 und damit des Kollektors auf den Wert der Spannungsquelle + V erhöht, der Transistor führt zunächst jedoch kernen 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 und somit das des Punktes 13 wiederum auf den Wert + V an, und der beschriebene Vorgang wiederholt sich bis zur öffnung des Schalters S. An der mit dem Punkt 13 verbundenen Ausgangsklemme A kann die in F i g. Ib gezeigte Impulsfolge V_A abgenommen werden.

An Hand des in F i g. 2 gezeigten Diagramms wird gezeigt, daß der beschriebene Generator unter bestimmten Bedingungen nicht nur mit der in Fig. Ib dargestellten Grundfrequenz/₀, sondern auch mit anderen, und zwar höheren Frequenzen Z₁, /₂ und /₃ 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 υ aufweist.

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

o^I (D

<P_R=n- 360° (2)

Ferner gilt:

λ-f^c (4)

mit / = Frequenz, c = Fortpfianzungsgeschwindigkeit in der Verzögerungsleitung.
Aus (3) und (4) folgt:

oder

(5)

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

/o =

2 J_n

Diese Gleichung sagt aus, daß die Frequenz der elektrischen Länge der Verzögerungsleitung umgekehrt proportional ist, d.h., bei vorgegebenem Frequenzgang der Verstärkung wird die maximale Frequenz erreicht, wenn l_D so klein gewählt wird, daß die resultierende Frequenz gerade noch unterhalb /_m„ liegt. Die weiteren möglichen Frequenzen ergeben sich zu

mit ν = Ringverstärkung, <p_R = Phasendrehung.

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.

F i g. 2 zeigt einen charakteristischen Verlauf des Frequenzganges der Ringverstärkung ρ der in F i g. la gezeigten Schaltung in Abhängigkeit von der Frequenz/. Gemäß Gleichung (1) sind bei einer einen solchen Frequenzgang aufweisenden Schaltung alle Frequenzen / ^ f_max möglich. Für Frequenzen / > fmax hingegen wird die Verstärkung < 1, die Schaltung ist für solche Frequenzen somit nicht frei schwingend.

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 l_D 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:

l_D = y + η·λ.

(3)

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

f - -■-

f - ■

USW.

Je mehr solcher Oberwellenfrequenzen unterhalb der Grenze f_max liegen, um so größer ist die Bandbreite der vom Generator erzeugten Schwingung.

Hohe Bandbreite ermöglicht die Erzeugung von angenähert rechteckigen Ausgangssignalen.

Die nach dieser Phasenbetrachtung möglichen Generatorfrequenzen sind in der F i g. 2 mit /₀, /,, /, bis /₄ bezeichnet, wobei der Generator jedoch mit der Frequenz/₄ nicht frei schwingend arbeiten kann, da die Ringverstärkung für diese Frequenz bereits < 1 ist.

Wie bereits erwähnt, wird sich beim Betrieb eines solchen Generators normalerweise die Frequenz einstellen, für die die Verstärkung!; den größten Wert besitzt; für einen Generator, dessen Frequenzgang dem in F i g. 2 gezeigten Diagramm entspricht, somit die Grundfrequenz f₀. 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_t bis /₃ erreichen. Aus dem bisher gesagten geht hervor, daß die mit Generatorschaltungen 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 < 1, so erzielt man mit einer Kaskadenschaltung mehrerer Verstärkerstufen keinen Gewinn

da bei einer solchen Anordnung der Gesamtverstärkungsfaktor dem Produkt der Einzelfaktoren entspricht, er bleibt also <1. Beim Ketten verstärker 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 Emitter-Basis- und Basis-Kollektor-Kapazitäten 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 verstärkenden Signals, die andere in entgegengesetzter Richtung. Letztere Komponente wird bei korrekter Anpassung der Ausgangsleitung jedoch absorbiert. Wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in beiden Leitungen gleich ist, addieien sich die Kollektorströme, d. h., die Verstärkungsfaktoren der einzelnen Transistoren addieren sich. Der Verstärkungsfaktor für einen solchen Kettenverstärker mit η Transistoren beträgt:

v_ges = η ■ ν ■ —

mit ν = Einzelverstärkungsfaktor, Z = Wellenwiderstand der Ausgangsleitung.

Das Prinzipschaltbild eines solchen Kettenverstärkers ist in F i g. 3 gezeigt. Es besteht aus den vier Transistoren T₁ bis T_A, deren Basiselektroden mit der Eingangswellenleitung £ und deren Koüektorelektroden mit der Ausgangswellenleitung A verbunden sind. Das zu verstärkende Signal s wird der Eingangswellenleitung £ zugeführt. Diese wird aus den Leitungsinduktivitäten und gegebenenfalls zusätzlich einzusetzenden Induktivitäten L und den Basis-Emitterkapazitäten C_b der Transistoren gebildet, die einen Wellenwiderstand Z_E ergeben. Die Leitungsenden sind mit E₁ und E₂ bezeichnet. Die Leitung ist an beiden Enden reflexionsfrei mit dem Wellenwiderstand Z_E abgeschlossen. Die Ausgangswellenleitung A wird wiederum durch die Leitungsinduktivitäten und eventuell vorzusehende Zusatzinduktivitäten L sowie durch die Kollektorkapazitäten C_c gebildet; ihre Leitungsenden sind mit A₁ und A₂ bezeichnet Diese Leitung ist an beiden Enden mit dem Wellenwiderstand der Leitung Z_A abgeschlossen, wobei der am Leitungsende A₂ angeschlossene Widerstand als Lastoder Ausgangswiderstand dient, an dem die verstärkte Spannung abgenommen werden kann.

In den nachfolgend zu betrachtenden Zeichnungen werden die dort verwendeten Kettenverstärker vereinfach durch einen Block mit den Anschlüssen E₁, E₂, A₁ und A₂ dargestellt Diese mit 30 bezeichneten Blöcke repräsentatieren jeweils den Teil der Kettenverstärkerschaltung, der in F i g. 3 ebenfalls mit 30 bezeichnet ist. Ferner wird für die weiteren Betrachtungen vereinfachend angenommen, daß die Wellenleitungen den gleichen Wellenwiderstand aufweisen, d. h. Z_E = Z_A, und daß die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit auf beiden Leitungen gleich ist Die elektrische Länge der Leitungen wird im weiteren mit l_A bezeichnet.

F i g. 4 zeigt das schematisierte Schaltbild eines Generators, der auf dem gleichen Prinzip beruht wie der an Hand der Fig. 1 beschriebene. Als aktives Verstärkerelement dient ein Kettenverstärker 30, der mit dem in F i g. 3 gezeigten identisch ist. Der Ausgang A₂, der dem Kollektor des in F i g. 1 verwendeten Transistors entspricht, ist über eine Verzögerungswellenleitung 41 mit dem Eingang E₁ 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 Ketten Verstärkers, die als gleich angenommen werden. Daraus ergibt sich, daß Z_D — Z_E = Z_A, wodurch ein reflektionsfreies System gegeben ist. Die Ausgänge E₂ und A₁ sind jeweils mit dem Wellenwiderstand Z_£ bzw. Z_A abgeschlossen. Die elektrische Länge der Verzögerungsleitung beträgt /_D, die des Kettenverstärkers 1_A.

Die Arbeitsweise dieser Generatorschaltung wird im folgenden erläutert. Erfolgt zu einem Zeitpunkt I₀ am Eingang E₁ beispielsweise ein positiver Spannungssprurrg, so wird diese Spannungsänderung im Kettenverstärker verstärkt und um 180' in der Phase gedreht. Um eine Zeit Ji₁₄ verzögert die der elektrischen Länge der Wellenleitungen des Kettenverstärkers entspricht erscheint ein verstärkter negativer Spannungssprung am Ausgang A₂ und erreicht, durch die Verzögerungsleitung 41 mit der elektrischen Länge/_D weiterhin verzögert zum Zeitpunkt I₀ + Jf,₄ + Jr,_D den Eingang E₁. Dessen Potential wird herabgesetzt. Auch dieser negative Spannungssprung durchläuft die An-Ordnung Kettenverstärker-Verzögerungsleitung und erreicht zum ZeitpunktJ₀ + 2-(At₁^ + At,_υ) wieder den Eingang E₁. Es resultiert ein positiver Spannungssprung, und die soeben beschriebenen Vorgänge laufen erneut ab.

Die an einem der Abschlußwiderstände abzunehmende Ausgangsspannung des Generators zeigt den in F i g. 2 schematisch dargestellten Verlauf, wobei die Periode Γ durch die elektrischen längen I. und /_c bestimmt 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 l_A einzufügen und lautet korrigiert:

Die höchstmögliche Frequenz eines in Fig.-gezeigten Generators ist, wie bereits erwähnt, in erste Linie durch die obere Grenzfrequenz des verwendete!

Verstärkerelementes bestimmt Im Zusammenhan] mit dem in F i g. 2 gezeigten Diagramm wurde jedoci auch bereits erläutert daß sich von den theoretisd möglichen Frequenzen f₀, f_u f₂ usw. ohne weit«r Vorkehrungen normalerweise die Grundfrequenz f₍

d.h. die niedrigste der möglichen Frequenzen, ein stellen wird. Dies in erster Linie, weil die Verstärkun für /₀ größer ist als die für die anderen mögliche Frequenzen.

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Aus Gleichung (6) folgt für die Grundfrequenz

■' 2

Cd +

Hieraus ist ersichtlich, daß eine Erhöhung der Grundfrequenz durch eine Reduzierung der Länge I₀ der Verzögerungsleitung erreicht werden kann. Bei einer Anordnung gemäß F i g. 4 ist die minimale Länge I₀ jedoch durch die Länge l_A des Kettenverstärkers bestimmt, d. h. I_n ^ l_A. Die in F i g. 4 gezeigte Anordnung weist zudem den Nachteil auf, daß die den Abschlußwiderständen Z_E und Z_A zugeführte Energie normalerweise nicht nutzbringend verwendet werden kann, den Gesamtwirkungsgrad eines solchen Generators also reduziert.

Der erfindungsgemäße Generator, der in F i g. 5 a schematisch dargestellt ist, weist gegenüber der in F i g. 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 ν < 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 J_n 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 an Hand der Fig. 5a näher beschrieben.

Im in F i g. 5 a dargestellten Ausführungsbeispiel findet wiederum ein Kettenverstärker 30, wie er an Hand der F i g. 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 E₁ und A₁ sind durch die Verzögerungsleitung 51 und die Enden E₂ und A₁ durch die Verzögerungsleitung 52 verbunden. Die elektrischen Längen dieser Verzögerungsleitungen sind mit /_Dl bzw. i„, bezeichnet. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist" /_Di = l„₂ = I₀. Setzt nun wieder voraus, daß die Wellenwiderstände Z₀ beider Verzögerungsleitungen untereinander gleich und auch gleich den Wellenwiderständen Z_F und Z_A des Kettenverstärkers sind, so folgt

Zd₁ = Z₁J₂ = Z_E — Z_A.

Für die folgende Betrachtung wird zunächst vereinfachend angenommen, daß die elektrische Länge l_A des Kettenverstärkers gegenüber den Längen /_Dl und Zd₂ 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 A₁ und A₂ in beiden Richtungen aus. Diese beiden Wellen sind durch gestrichelte (von A₂ nach rechts ausbreitend) und punktierte (von Ai nach links ausbreitend) Linien dargestellt.

Theoretisch können sich verschiedene Schwingungszustände einstellen. Die gestrichelt dargestellte Welle erreicht über die Verzögerungsleitung 52 den Punkt E₂, wird verstärkt und beginnt einen neuen Umlauf durch die gleiche Verzögerungsleitung. Das gleiche gilt entsprechend für die punktiert dargestellte Welle und die Verzögerungsleitung 51. Für beide Wellen gilt die Phasenbeziehung I₀ = λ/2, und die Grund-

frequenz/₀ beträgt /0 = 5-7-- Bezeichnet man die

Verstärkung, die jede dieser beiden Wellen beim Durchgang durch den Verstärker erfährt, mit v, so beträgt die Gesamtverstärkung für beide Wellen 2 · v. Die Amplitudenbedingung für einen frei schwingenden Generator lautet somit:

2v> 1.

Dies besagt, daß gegenüber der in F i g. 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 E₂, wird verstärkt und durchläuft anschließend die zweite Verzögerungsleitung 51. Sie erreicht den Punkt E₁, 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 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:

Id₁ + Id₂ = ~>~

Damit wird die Grundfrequenz /₀ unter Vernachlässigung der elektrischen Länge l_A des Verstärkers zu

/0 =

Bezeichnet man wiederum die Verstärkung, die jede dieser Wellen bei einem Durchgang durch den Verstärker erfährt, mit v. so betrag* die Gesamtverstärkung 2 · u², und die Amplitudenbedingung für einen frei schwingenden Generator lautet:

2υ²

Auch für diese Schwingungsart sind somit im Gegen satz zu der in F i g. 4 gezeigten Anordnung freit Schwingungen bei ν < 1 möglich. Für Anordnungei mit einem Verstärkungsfaktor ν > 1 wird sich dei zweite Schwingungszustand einstellen, für ν < 1 hin gegen der erste.

Das Ausgangssignal einer solchen Generatorschal tung kann beispielsweise über einen Richtkopple

entnommen werden. Die nutzbare Ausgangsleistun; ist gegenüber der in F i g. 4 gezeigten Schalrun' wesentlich erhöht, da die dort in den Abschlußwidei ständen verbrauchten Leistungen nicht aufgebrach werden müssen bzw. wieder dem Verstärker nutzba zugeführt werden.

Aus Fig. 5a wird weiterhin ersichtlich, daß seh kurze Verzögerungsleitungen verwendet werden kör nen, die im Extremfall praktisch die Länge i_Dl = J_Dj = annehmen können. Für diesen Fall ist die Grünt frequenz praktisch nur noch durch die dann nid mehr zu vernachlässigende Länge l_A des Verstärke] bestimmt: sie kann also sehr viel höher sein als d mit einer Anordnung gemäß F i g. 4 erreichbai

Frequenz, wo l_D > l_A ist. Auch für das in F i g. 4 gezeigte Schaltungsprinzip ließen sich geeignete Ausfiihrungsformen entwickeln, die die Verwendung sehr kurzer Verzögerungsleitungen ermöglichen; beispielsweise eine ringförmige Anordnung des Kettenverstärkers, bei der die Enden der Wellenleitungen unmittelbar beieinanderliegen. Jedoch haben solche Anordnungen den Nachteil, daß sich die die Leitungsenden verbindenden Verzögerungsleitungen überkreuzen müssen. Solche Uberkreuzungen ergeben jedoch bei den fur 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.

In den Fig. 5b und 5d sind weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Generators aufgezeigt.

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

Fig. 5c zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die beiden Verzögerungsleitungen unterschiedliche Länge aufweisen, die Gesamtlänge /_Dl + /_Ü2 jedoch gleich der der Anordnung nach Fig. 5a ist. In 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 /_Dl ± /_D,.' Andererseits kann wiederum 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 F i g. 5c gezeigten Anordnung ergeben sich für diese Schwingungsarten jedoch unterschiedliche Frequenzen, so daß sich nur ein Schwingungstyp mit der normalen Verstärkung ν einstellen kann. Beim dritten Schwingungstyp, der bei achtförmigen Wellenumlauf mit zweimaligem Verstärkerdurchgang entsteht, ergibt sich hingegen eine 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 A₂ und E₂ 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.

An Hand der F i g. 5 a bis 5 d wurden Ausführungsbeispiele mit unterschiedlichen Anordnungen der Verzögerungsleitungen 51 und 52 beschrieben. Die verwendete Verstärkeranordnung 30, deren Frequenzgang beispielsweise dem in F i g. 2 gezeigten entsprechen kann, bleibt dadurch unbeeinflußt: lediglich

die sich einstellende Generatorfrequenz wird verändert. Weitere Varianten, beispielsweise solche mit erhöhter Ausgangsleistung, ergeben sich durch Änderungen 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,
Nachfolgend wird eine Ableitung der Formel gegeben, die die maximale Frequenz der erfindungsgemäßen Generatorschaltung beschreibt.

Die Verstärkungi; eines Kettenverstärkers ist bestimmt durch die Gleichung:

» = η · Sn, ■ 4 = η ■ %-

1/?

mit

η = ZahlderTransistorstufendesKettenverstärkers, Sm — Steilheit einer Transistorstufe des Kettenverstärkers,

Z = Wellenwiderstand der Eingangs-und Ausgangsleitung des Kettenverstärkers.

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

2-

"²g* L

Die maximale Frequenz wird erreicht für den Fall /_Dl = /_D2 = 0. Hierfür muß die erforderliche Phasendrehung von 360° während der beiden Durchläufe durch den Kettenverstärker der Länge l_A erzielt werden. Die Phasendrehung für jedes aus einer Kapazität C und einer Induktivität L bestehende Wellenleitungselement des Kettenverstärkers beträgt ω · }'LC. Da zwei Umläufe durch den Kettenverstärker erfolgen, ergibt sich folgende Bedingung:

2 η ω VLC =	2	Tt =	360°.
Daraus folgt
1/Γ		1	1
\L· —	2	nfmax	"W

(10)

mit η = Zahl der Wellenleitungselemente oder de Transistorstufen.
Aus Gleichungen (9) und (10) folgt:

In

2 ή.

= 1

f -= ¹ ■ ^gm

Jmax ψί _C ■

(H)

Für den Aufbau des Kettenverstärkers könne beispielsweise Feldeffekt-Transistoren mit ein< Schottky-Barriere verwendet werden, deren obei

Grenzfrequenz /₀ = γ^. beträgt. Die mit dem e findungsgemäßen Generator erzielbare maxima Grundfrequenz wird somit um den Faktor ^- od

2,2mal größer als die obere Grenzfrequenz der i Kettenverstärker verwendeten Transistoren. FeI

effekt-Transistoren mit einer Grenzirequenz von etwa 3 bis 5 Gigahertz sind bereits hergestellt worden. Beim derzeitigen Stand der Technik beträgt die mit dem erfindungsgemäßen Generator somit erzielbare maximale Frequenz etwa 10 Gigahertz.

Fig. 6a zeigt das schematische Schaltbild eines Anwendmigsbeispiels des erfindungsgemäßen Generators. In der dargestellten Schaltung arbeitet der mit 61 bezeichnete schematisch dargestellte Generator im intermittierenden Betrieb, der durch dem Transistör 62 zugefiihrte Signale V_E gesteuert wird. In Fig. 6b sind die Eingangssignale V_E und die an der Ausgangsklemme erscheinenden Ausgangssignale V_A in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.

Die Schaltungsanordnung stellt im Prinzip einen Stromschalter dar. Im Ruhezustand, z. B. zum Zeitpunkt I₁, ist der Transistor 62 stromführend, und es fließt der Strom/₍, .während I₂ gleich Null ist. Der Generator schwingt nicht. Wenn zum Zeitpunkt t₂ dem Transistor ein negativer Impuls V_E zugeführt wird, bewirkt dies eine Sperrung des Transistors, J₁ wird zu Null, und I₂ beginnt zu fließen. Die Schwingungen im Generator 61 setzen ein, und an der Ausgangsklemme kann das hochfrequente Signal V_A abgenommen werden. Mit der Rückflanke des Impulses V_E wird der Transistor zum Zeitpunkt i₃ wieder stromführend; damit fließt wiederum der Strom/,, während I₂ zu Null wird und der Generator abgeschaltet wird. Für weitere Impulse V_E wiederholen sich zu den Zeitpunkten t₂ bzw. t₃ die gleichen Vorgänge wie für t₂ und t₃ beschrieben.

Durch Einsatz eines weiteren Generators an Stelle des Transistors 62 wird aus der in Fig. 6a gezeigten Anordnung eine selbst-intermittierende Schaltung, die die Zuführung von Steuerimpulsen V_E unnötig macht. Die Periodendauer des zweiten Generators muß größer sein als die des Generators 61. Die Anzahl der am Ausgang der Schaltung jeweils erscheinenden Schwingungen K₄ ist abhängig vom Verhältnis der Dauer der Schwingungsperioden der beiden Generatoren und damit von den Längen der verwendeten Verzögerungsleitungen.

In Fig. 7 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Generators dargestellt. Die Zeichnung zeigt schematisch eine Frequenzmodulationsschaltung. Der Generator entspricht in seinem Aufbau dem an Hand der Fig. 5d beschriebenen; er besteht aus dem Kettenverstärker 30, dessen Wellenleitungsenden A₂ und E₂ über die Verzögerungsleitung 52 der elektrischen Länge I_D miteinander verbunden sind. Die Leitungsenden A₁ und E₁ sind mit den Wellenwiderständen Z_A bzw. Z_£ der Ausgangs- bzw. Eingangswellenleitung des Kettenverstärkers abgeschlossen. Die Verzögerungsleitung weist ein · variables Verzögerungsglied 72 auf, das eine Steuerung der Phasendrehung der dieses Glied durchlaufenden Wellen ermöglicht. Hierdurch sind Veränderungen der elektrischen Länge l_D der Verzögerungsleitung 71 und damit der Generatorfrequenz möglich. Das Verzögerungsglied 72 kann beispielsweise aus einem bipolaren Transistor in Basisschaltung bestehen; bei dem die Phase des Verstärkungsfaktors α durch der Basis zugefiihrte 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 F i g. 7 gezeigten Schaltung läßt sich die Generatorfrequenz mit einer der Schaltung von außen zugefiihrten Frequenz f_m modulieren. Mit Hijfe der einstellbaren Gleichspannungsquelle V_B wird zunächst das Verzögerungsglied 72 und damit die elektrische Länge l_u sowie eine mittlere Generatorfrequenz f_g eingestellt. Dies ist d;e Frequenz, mit der der Generator schwingt, wenn der Schaltung kein Modulationssignal f_m zugeführt wird. Durch Anlegen einer solchen Modulationsspannung/„ ändert sich die durch das variable Verzögerungsglied 72 bewirkte Phasendrehung mit der Modulationsfrequenz, wodurch wiederum eine Variation oder Modulation der Generatorfrequenz /_ verbunden ist. Die Änderung 1/ der Generatorfrequenz ist abhängig von der Amplitude der Modulationsspannung f_m, während die Änderungsgeschwindigkeit der Generatorfrequenz von der Höhe der Frequenz f_m bestimmt wird. Das modulierte Signal kann an der Ausgangsklemme A abgenommen werden.

Der erfindungsgemäße Generator wurde an Hand 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 beschränkt. Unter anderem könnte der Transistor-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 Transistorelementen, 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 ist bekannt (Proceedings of IEEE, November 1965, auf den Seiten 1747 und 1748).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Mikrowellengeneralor, bestehend aus mindestens einem Halbleiterbauelement als Verstärker, dessen Signalausgang mit dem Signaleingang über ein Verzögerungsglied gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (30) zwei nebeneinanderliegende Wellenleiter (E, A) mit gegenseitig zueinander benachbarten Endanschlüssen (A₁, E₁ und A₂, E₂) enthält, wovon einer (E) an die Signaleingangselektrode des Halbleiterbauelements bzw. an die Signaleingangselektroden der Halbleiterbauelemente (T₁ bis T₄) und der andere Wellenleiter (A) entsprechend an die Signalausgangselektrode bzw. Signalausgangselektroden angeschlossen sind und daß der Wellenleiter (E) des Signaleingangs mit dem Wellenleiter (A) des Signalausgangs mindestens über eines (A₂, E₂) der beiden benachbarten Endanschlußpaare mittels eines elektrisch angepaßten Verzögcrungsgliedes (52) gekoppelt ist.

2. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauelemente nach Art eines Kettenverstärkers (F i g. 3) angeordnet sind.

3. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterbauelement nach Art eines Wanderwellenverstärkers aufgebaut ist, bei dem sich aktive und passive EIemente gleichmäßig über die Länge der Wellenleiter (E, A) verteilen.

4. Mikrowellenleiter nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von zwei Verzögerungsgliedern zur Kopplung der benachbarten Wellenleiterenden (E₁, A₁; E₂, A₂) an je einem Kopfende des Mikrowellengenerators gleiche Verzögerungszeiten bei beiden Verzögerungsgliedern (51, 52) eingestellt sind.

5. Mikroweliengenerator nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung der einander benachbarten Wellenleiterenden (E₁, A₁; E₂, A₂) an den Kopfenden des Mikrowellengenerators die Verzögerungsglieder (51, 52) auf unterschiedliche Verzögerung eingestellt sind.

6. Mikrowellengenerator nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeiten durch die elektrischen Längen (Z₀,, l_Dl) von die Verzögerungsglieder (51, 52) darstellenden Verzögerungsleitungen festgelegt sind.

7. Mikrowellengeiierator nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Längen (/_Dl, /„₂) der Verzögerungsleitungen im wesentlichen durch den direkten gegenseitigen Abstsnd der zueinander parallelen Wellenleiter (E, A) festgelegt sind.

8. Mikrowellengenerator nach den Ansprüchen 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Verzögerungsglieder (51,52) mit Hilfe von Steuersignalen einstellbar ist.