DE1816928A1 - Oszillatorschaltung mit Dioden mit negativem Widerstand - Google Patents
Oszillatorschaltung mit Dioden mit negativem WiderstandInfo
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Description
Western Electric Company Incorporated Josenhans-Magalhaes-
--- New York, N.Y. 10007 U.S. A, . Schlosser 2-1-1
Eine IMPATT-Diode ist eine Halbleiterdiode mit einem p-n-Übergang und einem Stromdurchgangsgebiet, das zwischen gegenüberliegenden
Kontakten vorgesehen ist. Der Ausdruck IMPATT kommt von dem englischen "impact Avalanche and Transit Time" . Eine angelegte
Gleichspannung spannt den p-n-Übergang auf den Lavinendurchschlag vor, wobei Stromimpulse erzeugt werden, die jeweils
in einer vorbestimmten Zeitperiode durch das Stromdurchgangs gebiet wandern. Die Durchgangszeit in der IMPATT-Diode ist in Bezug auf
die Resonanzfrequenz eines äusseren Resonators so eingerichtet, dass hochfrequente Spannungen an den Klemmen der IMPATT-Diode
um 180 ausser Phase zu den Stromimpulsen in der Diode sind. -
Infolgedessen erhöht sich bei geeigneten angelegten Frequenzen der
Strom durch die Klemmen der IMPATT-Diode, wenn die Klemmspannung abnimmt, so dass die Bedingungen für einen negativen Widerstand
erfüllt sind. Schliessüch wird ein Teil der an die Diode angelegten Gleichstromenergie in hochfrequente Energie im Resonator
umgewandelt, wobei die Schaltung eine wirksame Festkörper-Mikrowellenquelle bildet.
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Wie andere Dioden mit negativem Widerstand, z. B. Tunneldioden und Gunn-Effektdioden, ist die IMPATT-Diode empfindlich für Überhitzung
und kann durchbrennen, wenn sie für mehr als äusserst kurze Zeitperioden mit hohen Leistungspegeln betrieben wird. Eine damit
zusammenhängende Beschränkung besteht darin, dass das Produkt aus Leistung und Impedanz der Diode umgekehrt proportional dem
Quadrat der Betriebsfrequenz ist. Hierdurch wird die Wahl der Belastungsimpedanz
bei einer gegebenen Betriebsfrequenz, wie auch die Wahl des Leistungspegels begrenzt. Ein wesentliches Ziel der
Halbleitertechnik war es, eine Festkörper-Mikrowellenquelle vorzuschlagen, die in der Lage ist, kontinuierlich bei hoher Frequenz und
hohen Leistungspegeln zu arbeiten.
Dementsprechend sind beträchtliche Anstrengungen auf den Versuch || gerichtet worden, die hochfrequenten Ausgänge mehrerer IMPATT-
Dioden zu kombinieren. Bekannte Oszillatoren haben von sich aus einen geringen Impedanzpegel, der ihren Wirkungsgrad herabsetzt
und den Aufbau der Schaltung kompliziert. Da die Dioden eng miteinander verbunden werden müssen, ist das Wärmeableitvermögen
jeder einzelnen Diode begrenzt. Hybridschaltungen werden zunehmend komplizierter, wenn die Anzahl der zu kombinierenden Oszillatoren
wächst.
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Eine Lösung des oben erwähnten Problems erhält man, indem man eine Vielzahl von IMPATT-Dioden in Reihe in einem Mikrowellen-Hohlraumresonator
schaltet, wobei ihr Abstand gross genug ist, um eine unabhängige Wärmeableitung jeder einzelnen Diode zu ermöglichen.
Insbesondere ist es möglich, IMPATT-Dioden in Reihe mit einer einzigen Gleichstromquelle zu schalten und sie durch Abstände
zu trennen, die innerhalb der Bereiche (0 bis 1/8 λ, 3/8 λ bis 5/8 λ , "
ο ι 4-τι 5 "4* 4η
7/8 λ bis 9/8 λ ... λ bis —g λ ) liegen, wobei λ die
Wellenlänge der Betriebsfrequenz des Oszillators und η eine ganze
Zahl sind. Zum Beispiel können die Dioden durch Abstände getrennt sein, die gleich 3/8 λ bis 5/8 A , oder 7/8 λ bis 9/8 λ sind.
Diese ziemlich grossen Abstände erlauben, dass jede Diode getrennt
im Hohlraumresonator durch ringförmige Teile gehaltert wird, welche die Wärme von der Diode zum Resonator ableiten, welche jedoch
die Diode gegen den Resonator elektrisch isolieren. Die Ausgangsener^gie
sämtlicher. Dioden wird durch den Resonator kombiniert und kann als einziger kohärenter Mikrowellenausgang an eine Belastung
geliefert werden. Ein dieser Lösung innewohnender Vorteil besteht darin, dass, obwohl das Leistungsimpedanzprodukt jeder Diode sich
umgekehrt wie das Quadrat der Betriebsfrequenz ändern kann, die
Leistung des ganzen Oszillators von der Anzahl der Dioden abhängt,
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die benutzt werden und damit die Freiheit der Wahl beim Aufbau von
Mikrowellenleistungsquellen wesentlich erhöht. Ein weiterer Vorteil besteht in der Tatsache, dass bei gegebenen Frequenz- und Leistungsbedingungen
eine grössere Wahlmöglichkeit der gesamten Oszillatorimpedanz vorhanden ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen·
Fig. 1 eine teilweise schematische Ansicht eines Oszillators,
bei dem in Reihe geschaltete IMPATT-Dioden entsprechend
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden und
Fig. 2 einen Querschnitt einer der Dioden und Diodenhalterungen des Oszillators der Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Mikrowellenoszillator 11 entsprechend einem. Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt, der aus einem zylindrischen Aussenleiter 12 besteht, welcher einen inneren Leiter 13 umgibt.
Der äussere und der innere Leiter bilden einen koaxialen Kabelabschnitt, der durch eine Endwand 14 abgeschlossen ist und der mit
einer Koaxialkabel-Ausgangsübertragungsleitung mit einem Innenleiter 15 gekoppelt ist. Zwischen der Abschlusswand 14 und dem Innenleiter
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13 sind drei IMPATT-Dioden-Oszillator anordnungen 16, 17 und 18
vorgesehen. Die Diodenanordnung 16 ist unmittelbar an der Abschluss wand 14 angebracht, während die Diodenanordnungen 17 und 18 am
äusseren Leiter 12 mit Hilfe von elektrisch isolierenden Halterungsringen 19 angebracht sind. Der vom äusseren Leiter 12 und von der
Abschlusswand 14 umschlossene Raum bildet einen Hohlraumresonator, dessen Resonanzfrequenz durch axiale Bewegung der Abstimm- I
ringe 21 geändert werden kann.
Die Diodenanordnungen sind über den inneren Leiter 13, eine Hochfrequenzdrossel
23, den äusseren Leiter 12 und die Endwand 14 in Reihe mit einer Gleichstromquelle 22 geschaltet. Die leitenden Balgen
25 verbinden die Diodenanordnungen miteinander, um den Gleichstromkreis
zu schliessen. Jeder der Balgen bildet eine Feder, welche die aufeinanderfolgende Montage der Dioden im Resonanzhohlraum
erleichtert und einen guten elektrischen Kontakt sicherstellt.
Wie in Fig. 2 dargestellt, enthält jede Diodenanordnung eine IMPATT-Diode
27, die auf einem leitenden Zapfen 28 angebracht ist, der ein zylindrisches Grundteil 29 enthält. Der Halterungsring 19 besteht
aus einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material,
wie Berylliumöxyd, das einen Weg für den Wärmefluss von der Diode
27 zum äusseren Leiter 12 ergibt, wie es durch die Pfeile dargestellt
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ist. Das Vorsehen der getrennten Wärmewege mit niedriger thermi-
scher Impedanz für jede der IMPATT-Dioden ist ein wichtiges Merkmal
der Erfindung, weil wie oben erwähnt wurde, der Leistungspegel eines IMPATT-Diodenoszillators durch sein thermisches Ableitvermögen
weitgehend begrenzt ist.
ft Jede der in den Diodenanordnungen 16, 17 und 18 enthaltenen IMPATT-
Dioden ist derart aufgebaut, dass sie einen p-n-Übergang und ein Stromdurchgangs gebiet aufweist, dessen Länge in Bezug auf die Betriebsfrequenz
so gewählt ist, dass Stromimpulse an den Diodenklemmen abgegeben werden, die ungefähr 180 ausser Phase zu der hochfrequenten
Spannung an diesen Klemmen sind, so dass insgesamt ein negativer Widerstand entsteht. Nur die Diodenanordnung 16 ist jedoch
in herkömmlicher Weise im Hohlraumresonator angeordnet. Die
^ Diodenanordnungen 17 und 18 sind anders als herkömmliche Anordnungen
in einem wesentlichen elektrischen Abstand von der Endwand 14 und vorzugsweise eine ganze Zahl von halben Wellenlängen von
der Endwand 14 entfernt angebracht.
Die Einrichtung wird nur durch Anlegen der Gleichspannung an die in Reihe geschalteten Diodenanordnungen, wie vorher beschrieben,
zum Schwingen gebracht. Unvermeidliche Stromeinschwingvorgänge ,. und Rauschschwankungen erregen hochfrequente Ströme im Resonator,
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die Hochspannungen an den Dioden zur Folge haben. Infolge des negativen
Widerstands der Dioden bilden sich diese hochfrequenten Spannungen aus und werden auf dem koaxialen Kabel in der durch den
Pfeil der Fig. 1 angedeuteten Weise zu einer geeigneten Belastung übertragen. Der innere Leiter 15 der Ausgangsübertragungsleitung
ist gegen den inneren Leiter 13 des Resonators isoliert, um den Gleichstrom abzutrennen und ihn auf den oben beschriebenen Weg zu ä
beschränken. Die Berylliumoxyd-Halterungsringe 19 sind selbstverständlich
für elektromagnetische Wellen durchlässig, so dass die gesamte dargestellte Einheit als ein einziger Hohlraumresonator wirkt.
Wenn die Diodenanordnungen in geeigneter Weise angebracht sind, wird die durch jede der Dioden erzeugte Ausgangsleistung in Phase
zur Leistung der anderen Dioden addiert, so dass die gesamte Ausgangsleistung im wesentlichen gleich der Ausgangsleistung ist, die
von einer Diode erhalten werden kann, multipliziert mit der Anzahl von Dioden im Resonator. Zur Erzielung eines optimalen Wirkungs-·
grades muss eine IMPATT-Diode innerhalb 1/8 Wellenlänge eines Strommaximums im Resonator angebracht sein. In einem Resonator
der in Fig. 1 dargestellten Art tritt ein Strommaximum an der Endwand 14 und an jeder halben Wellenlänge in axialer Richtung auf.
Dementsprechend soll die Diode der Anordnung 16 innerhalb einer achtel Wellenlänge von der Endwand 14 angebracht sein, während
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ν die Dioden 17 und 18 innerhalb einer achtel Wellenlänge einer ganzen
Zahl von halben Wellenlängen von der Endwand 14 angebracht sein sollen. Eine andere Weise der Feststellung der Tatsache, dass die
Dioden in der Nähe eines Strommäximums in einem Hohlraumresonator angebracht sein sollen, besteht darin, dass sie in den Abständen
D von der Endwand angebracht werden sollen, die innerhalb der Be-P
reiche liegen, die gegeben sind durch
D» (0 λ bis 1/8 λ, 3/8 λ bis 5/8 λ, 11/8 λ bis 13/8 A...
3 + 4n . , . 5 + 41I1 . . /iX
—- λ bis — λ ) . (1)
Wenn eine der drei als Beispiel gewählten Dioden ausserhalb der obigen Wertebereiche angebracht ist, wird ihre Ausgangsleistung
drastisch vermindert. Bei typischen Mikrowellenfrequenzen kann die Diode 17 eine halbe Wellenlänge von der Endwand 14 angebracht werfe
den, wobei die Diode 18 eine volle Wellenlänge von der Endwand angebracht wird. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Dioden
reicht somit aus, eine getrennte Wärmeableitung jeder Diode zu ermöglichen, wie es für eine Arbeitsweise mit höchster Leistung erforderlich
ist.
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Claims (9)
1. Oszillator bestehend aus einer Xlmschliessung mit einer Abschlusswand
und einem Ausgangsende, von dem Leistung abgenommen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Vielzahl von Dioden (27) mit negativem Widerstand in der Umschliessung
enthalten ist und durch einen leitenden Weg (25, 29,13) in Reihe geschaltet ist, der sich durch das Innere der Umschliessung
erstreckt, wobei der leitende Weg von der Abschlusswand (14) ausgeht und sich zum Ausgangsende erstreckt und dass eine Quelle zum
Anlegen einer Gleichspannung an den leitenden Weg (15, 29,13) vorgesehen
ist.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede
der Dioden mit negativem Widerstand in einem Abstand D von dem Abschlussende des Resonanzhohlraums angeordnet ist, wobei der Abstand
in den Bereichen liegt, die definiert sind durch
D> (0 bis 1/8 λ, 3/8 λ bis 5/8 λ, 7/8 λ bis 9/8 λ-
3 + 4n . . . 5 + 4n . v
λ bis —5— A )
λ bis —5— A )
wobei λ die Wellenlänge beider Betriebsfrequenz des Oszillators
und η eine ganze Zahl sind.
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AO
3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Dioden vom Typ sind, bei dem ein negativer Widerstand durch eine vorbestimmte Beziehung der Stromdurchgangszeit in der Diode
zur Resonanzfrequenz eines äusseren Resonators erhalten wird.
4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
fe Dioden IMPATT-Dioden sind.
5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
jede der Diodenanordnungen durch ein getrenntes Teil aus Berylliumoxyd
mit der Urnschliessung verbunden ist, so dass eine Halterung und eine wirksame Wärmeableitung für jede Diode entsteht, ohne dass
die elektrischen Eigenschaften des Oszillators wesentlich geändert werden.
6. Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
die Umschliessung zylindrisch ist,
die Diodenanordnungen und der leitende Weg im wesentlichen symmetrisch
in der Umschliessung angeordnet sind und die Berylliumoxydteile eine ringförmige Gestalt haben, wobei ihr
äusserer Umfang mit einer Innenfläche der Umschliessung verbunden ist.
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7. Oszillator nach Anspruch 6f dadurch gekennzeichnet, dass
die Diodenanordnungen voneinander durch einen Abstand getrennt sind,
der im wesentlichen gleich einer ganzen Zahl von halben Wellenlängen
bei der Resonanzfrequenz des Resonanzhohlraums ist.
8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet! dass
die Diodenanordnungen an einem Ende zusammendrückbare leitende λ
Balgen aufweisen, so dass aufeinanderfolgende Diodenanordnungen
nacheinander in der Umschliessung montiert werden können, während
der leitende Weg dadurch gebildet wird, dass ein Ende der Anordnung
an dem leitenden Balgen anliegt, der an der vorangehenden Diodenanordnung
anliegt.
9. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Umschliessung und die in ihr enthaltenen Diodenanordnungen einen 'l
koaxialen Kabelabschnitt bilden, "
wobei, der koaxiale Kabelabschnitt an einer Koaxialkabel-Ausgangs übertragungsleitung
anliegt, um von dem Resonanzhohlraum hochfrequente Energie abzunehmen. '
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