DE1903518A1 - Hochfrequenzgeraet mit Festkoerper-Bauelement mit negativem Widerstand - Google Patents

Description

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL- ING. KLAUS BERNHARDT

D-8 MÖNCHEN 60 _vi BÄCKERSTRASSE 5

VARIAN ASSOCIATES Palo Alto, California 7· St. v» Amerika

Hochfrequenzgerät mit Festkörper-Bauelement mit negativem

Widerstand

Priorität! 25. Januar 1968 Vereinigte Staaten von Amerika US-Serial Number 7OO 543

Zusammenfassung: _

Es wird ein Hochfrequenzgerät mit Pestkörper-Bauelement mit negativem Widerstand zusammen mit zugehöriger Mikrowellenschaltung beschrieben· Sas Festkörper-Bauelement mit negativem Widerstand, beispielsweise eine Impaot-Avalanche» und Laufzeit-Diode, ist in einem kapazitiven Spalt eines Mikrowellen-Hohlraumresonators angeordnet, der zwischen einem leitenden Element innerhalb des Resonators und einer Innenwand des Resonators gebildet wird. Das Festkörper-Bauelement ist in der Weise im kapazitiven Spalt angeordnet, daß die zirkulierenden Resonatorströme durch Verschiebungsstrom mit dem Festkörper-Bauelement gekoppelt sind* Eine getrennte Vorspannungssehaltung ist vorgesehen, mit der eine gewisse Vorspannung über das Festkörper-Bauelement gelegt wird, um dieses in den Bereich negativen Widerständeβ vorzuspannen, so daß es mit den Resonatorströmen in Wechselwirkung treten kann, um ein Ausgangssignal zu liefern· Die Vorspannungsschaltung weist vorzugsweise eine Leitung auf, die einen Draht eines,Hoohfrequenz-Drosselkreisee bildet, um eine hohe HF-Impedanz für die zirkulierenden Hohlräumetröme darzubieten, wenn von der Diode zur Quelle der Vorspannung gesehen wird·

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Auf diese Weise ist die ITorspannungssohaltung is wesentlichen tos Hohlraumresonator bei Frequenzen entkoppelt» die der Resonanz» frequenz des Hohlraumresonator» entsprechen·

Bei einer Ausführungsform 1st das Festkörper-Bauelement koaxial mit dem leitenden Element ausgefluchtet, das den kapazitiven Spalt bildet. Bei einer anderen Ausführungeform ist das Festkörper-Bauelement radial relativ zum leitenden Element angeordnet· In beiden Ausführungsformen bildet die Verschiebungsstromkopplung Kit des Festkörper-Bauelement eine geschwächte Hochfrequenzkopplung, weil ein grosser Teil des Versohiebungsstromes in andere Teile des Hohlraums fliesst, statt zum benachbarten Anschluss der Diode. Wenn das Festkörper-Bauelement als aktives Element in einem Mikrowellenoszillator verwendet wird, ergibt sich ein erheblich besserer Geräuschspammngsabstand für den Oszillator als in Geräten, die leitend verbunden oder direkt gekoppelt sind, so daß im wesentlichen der gesamte zirkulierende Strom des Hohlraums durch die Diode fliesst*

Ausgangspunkt der Erfindung:

Es ist bereits ein Mikrowellenossillator mit Impact-Avalanche- und Laufzeit-Diode vorgeschlagen worden (Patentanmeldung F 17 66 965.7). Bei diesem älteren Ossiilator wies der Mikrowsllenkreis eine kurzgeschlossene Sektion eines rechteckigen. Hohlleiters auf, von dem ein leitender Pfosten von einer Breitwand zur andereii über den Hohlleiter ragte. Der Pfosten war hohl und enthielt in seines hohlen Teil einen koaxialen Hohlraumresonator, bei des die Avalanche-Biode leitend in Beihe mit dem Mitfcelleiter des koaxialen Resonators geschaltet war« ^l Der Pfosten war quer segmentiert» so daß ein ringförmiger kapazitiver Spalt entstand, der die Aussenwand des koaxialen Sohlrsusreeonators um«, gab, so daß sich eine kapazitive Kopplung vom koaxialen Resonator zum Hohlleiter ergab» Ein solcher Mikrowellenoszillatos liefert bei Betrieb im X-Band eine merkliche Ausgangsleistung von beispielsweise 60 Milliwatt,

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aoloha Oszillatoren aind jedooh typiecherweiee rauachbehaftet, ao daQ aie in -vielen Pailen ala lokale Oasillatoren nicht brauchbar aind.

Bai das Eiteren Oaxillator erlaubte der kapazitive Spalt im Ffoaten auoh, dafi die Torapannung fiber die Diode gelegt wurde_t veil die bei» den Anaohlüaae der Diode leitend je mit eine· Pfoatenaegment verbunden waren· Hochfrequenzdrosaeln waren dem Pfoaten zugeordnet, ao daß die Torepannungen dem Pfoaten zugeführt werden konnten, ohne den Hoohfrequenzkreia zu atören. Dieae Droaaeln und Torapannungaanordnungen aind relativ kompliziert* und ea toll deshalb eine vereinfachte Anordnung verfügbar gemacht werden, «it der die Torapannung an daa Festkörper-Bauelement gelegt werden kann·

Zuaammanfaaaung der Erfindung!.

Duroh die Erfindung aoll alao ein verbessertes Hoohfrequenzgerät sit einen Festkörper-Bauelement ait negatives Wideretand verfügbar gemacht werden·

Irfindungagemlaa wird in einen solchen Hoohfrequenzgerät eine solche Hoohfrequenzkopplung verwendet, daß das Pestkörper-Bauelenent veraohiebungaatroaoBäaaig alt den Hochfrequenzatrönen des Hoohfrequenzkreiaea gekoppelt ist, ao daB die Rauschzahl für daa Hochfrequenz·» gerät weaentlioh verbeaaert wird.

Geaaa a einer weiteren Auabildung der Erfindung «oll bei einem aolchen Hoohfrequenzgerät eine Torapannungaachaltung verwendet werden, mit der eine Torapannung über daa Peatkörper-Bauelement gelegt wird, die eine Leitung aufweist, die einen Leiter eines Vorspannungs-Sroaaelkreiaes bildet und ao angeordnet ist, daß er eine sehr hohe Impedanz ffir die zirkulierenden Ströme des Hoohfrequenzkreieea bildet, ao dal die Torspannungaaohaltung hochfrequenzmässig vom Hochfrequenzkreia isoliert iat·

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m 4 *·

Gemäss einer anderen Ausbildung der Erfindung weist der Hochfrequenzkreis einen kapazitiven Spalt auf und ist das Festkörper-Bauelement in der Weise in dem kapazitiven Spalt angeordnet, daß eine Verschiebungsstromkopplung mit dem Festkörper-Bauelement erreicht wird.

Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist der Hochfrequenzkreis einen Hohlraumresonator auf, in dem ein leitender Pfosten angeordnet ist, der einen kapazitiven Spalt innerhalb des Resonators bildet, und ist das Festkörper-Bauelement innerhalb des vom Pfosten gebildeten kapazitiven Spaltes angeordnet.

Gemäs.» einer speziellen Ausbildung der Erfindung ist dieser Pfosten bewegbar, uin die Frequenz des Hohlraumresonator und damit die Frequenz des Ausgangssignals abzustimmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung} es zeigern

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Mikrowellenoszillatpr mit Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht des Oszillators nach Fig. 1 entsprechend der Linie

Fig. J ein Ersatzschaltbild für den in Fig* 1 mit der Linie 3-3 um~ schlossenen Teil des Oszillators,

Fig. 4 einen Fig. 1 entsprechenden Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Mikrowellenoszillators 5

Fig. 5 eine Ansicht des Oszillators nach Fig. 4 entsprechend der Linie 5-5 in Fig. 4j

Fig« 6 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäsaen Oszillators}

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Pig. 7 und 8 Oszillographen-Aufzeichnungen des Ausgangsspektrums des älteren Oszillators bzw. des erfindungsgemässen Oszillators;

Fig. 9 die Rauschzahl in dB in Abhängigkeit von der Frequenz in GHz für einen Empfänger, bei dem in einem Falle ein lokaler Oszillator nach der Erfindung in Verbindung mit einem abgeglichenen Mischer und im anderen Falle ein üblicher Rückwärtswellen-Lokaloszillator verwendet worden ist;

Fig. 10 einen Schnitt durch eine andere Vorspannungsschaltung entsprechend dem in Fig. 4 mit der Linie 10-10 umschlossenen Teil;

Fig. 11 eine weitere Ausführungsform einer Vorspannungsschaltung entspreohend dem in Fig. 4 mit der Linie 11—11 umschlossenen Teil;

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie .12-12 in Fig., 11;

Fig. 15 ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schaltbild einer Diode, die erfindungsgemäss in einen Hohlraumresonator eingebettet ist}

Fig. 14 ein Ersatzschaltbild für den Hohlraumkreis nach Fig. 13;

Fig. 15 die Abhängigkeit des Oszillatorwirkungsgrades von der Eingangsleisturig als Funktion der Ausgangskopplung (Lastgütefaktor Q_T

und Kreiswirkungsgrad *Π );

Fig. 16 die Abhängigkeit der Oszillatorausgangsleistung und des Wirkungs· grades von der Eingangsleistung für stark unterschiedliche Werte von Q_L>

Fig. 17 die Abhängigkeit des Anplitudemaodulationsrauschens von der Frequenz Versetzung vom Träger bei verschiedenen Last-Gütefaktoren; und

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ί &-**Ü "V;

Fig· 18 die Abhängigkeit des Frequenzmodulationsrauschens des Oszillators von der Frequenzversetzung vom Träger für verschiedene Last-Gütefaktoren.

In Fig. 1 und 2 ist ein X-Band-Hikrowellenoszillator 1 mit Merkmalen der Erfindung dargestellt· Der Oszillator 1 weist einen Körperblock 2 aus Kupfer, Aluminium oder Invar auf, der einen rechteckigen Hohlraum enthält, so daß ein Hohlraumresonator gebildet wird. Ein Flansch 4 ist an einer Seite des Blockes 2 befestigt, um den Oszillator 1 mit einem, nicht dargestellten X-Band-Hohlleiter über vier Schrauben zu verbinden, die in vier Löcher 5 in den Eoken des Flansches 4 eingeschraubt werden.

Ein leitender Pfosten 6 ragt von einer Breitwand 1 in den Hohlraumresonator 3 zur gegenüberliegenden Breitwand 8 herein, und das Ende des leitenden Pfostens bei 9 ha* von der oberen leitenden Wand 8 einen Abstand, so daß zwisohen diesen beiden Teilen ein kapazitiver Spalt 11 gebildet wird· Ein Festkörper-Bauelement 12 mit negativem Widerstand, beispielsweise ein« Impact-Avalanche- und Laufzeit-Diode, ist im kapazitiven Spalt 11 angeordnet, wobei ein Anschluss der Diode 12 leitend mit der oberen Wand 8 des Hohlraumresonators verbunden ist. Der andere Anschluss der Diode 12 ist kapazitiv mit dem Ende 9 des Pfostens 6 gekoppelt.

Eine solche Avalanche*· und Laufzeitdiode weist eine lokal gebildete Avalanche- oder Lawinenzone auf, der ein zusätzlicher Driftraum folgt, so daß ein geeigneter Träger·· Laufwinkel gebildet wird. Solche Dioden werden beispielsweise als Mesa-Dioden aufgebaut und sind gewöhnlieh in Metall-Keramik-Packungen montiert, wobei die Oberfläche der Mesa mit ' dem Innenteil eines Diodenzapfens 13 verbunden ist, der dazu verwendet wird, Wärme von der Diodenpackung zur oberen Wand 8 des Hohlraumresonators abzuleiten.

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Eine Gleiohöpannungs-Vorspaiuiungssohaltung ist an den anderen Anschluss der Diode 12 angeschlossen, um an diese eine Gegenspannung anzulegen· Genauer gesagt»' die Vorspannungsschaltung weiet einen gewendelten Leiter 14 auf, der an einem Ende an das freie Ende der Diode 12 angeschlossen ist und am anderen Ende durch einen Nebeneohluee-Durchführungskondensator 15 zu einem Anschluss 16. ausserhalb des Blockes 2 führt, an den die Vorspannung gegen den geerdeten Block 2 angelegt wird.

In Fig. 3 i*t ein Ersatzschaltbild für die Vorspannungssohaltung dar» gestellt· Die Wendel 14 ist über einer Erdebene angeordnet» die durch die obere Wand θ des Hohlraums 3 gebildet wird. Sie Wendel 14 hat vorzugsweise eine Länge gleich einer ungeradzahligen Zahl von elektrischen Viertelwellenlängen bei der Betriebefrequenz des Gerätes, so daß die Vorepännungsschaltung eine sehr hohe Impedanz für HP-Ströme am an die Diode 12 angeschlossenen Ende bietet. Der Nebensohlusskondensator 15 sohliesst praktisch das andere Ende der Wendel H hochfrequenzmässig kurz· In eines typischen Ausführungsbeispiel für das X-Band weist die Wendel 14 zwieohen 8 und 10 Windungen Draht von 0,38 mm-(-0,015 Zoll) Durohmessex auf, so daß eine Spule mit einem Aussendurchmesser von 1,52 mm (0,060 Zoll) gebildet wird, die etwa 0,25 n* (0,10 Zoll) Abstand von der Erdebene 8 hat. Der Nebenschlusekondensator 15 hat eine Kapazität von etwa 50 pF, und der Hohlraumresonator und Mikrowellenoszillator kann im Bereich von 8 « 12 GHz arbeiten.

Es ist swar eine Wendel I4 beschrieben worden, es können jedoch auch verschiedene andere Strukturen dazu verwendet werden, eine hohe Eeiheninduktivität in der Vorspannungsleitung zu erhalten· Viele dieser Alternativstrukturen können leicht durch Techniken nach Art einer gedruckten Schaltung hergestellt werden, und werden später in Verbindung sit Fig« 10 «·■ 12 noch beschrieben.

Der Pfosten 6 ist am äusseren Ende mit Gewinde 21 versehen, so daß der Pfosten in den Resonator 5 eingeschraubt und aus diesem herausgeschraubt werden kann, um die Kapazität und Induktivität des Resonators zu ändern

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und damit seine Resonanzfrequenz j und zwar innerhalb des Abstimmbereiches von etwa 8 - 12 GHz. Ein länglicher Koppelsohlitz 22 ist in der Seitenwand 23 des Resonators 3 vorgesehen, die dem Plansoh 4 benachbart ist. Der Koppelschlitz 22 ist zentral in einer Hohlleiteröffnung 24 im Plansch 4 angeordnet, um HP-Energie vom Hohlraum 3 über den Plansoh 4 zum nicht dargestellten Ausgsngshohlleiter zu koppeln·

Im Betrieb ist die Diode 12 in Gegenrichtung zum Durbhbruoh vorgespannt, indem zwischen 6Ό und 90 ToIt Gegenspannung und 30 - 50 Milliampere Gegenstrom zur Diode 12 geliefert werden. Unter diesen Bedingungen bietet die Diode 12 einen breiten Bereich negativen Widerstandes bei X-Band-Mikrowellenfrequenzen dem Hohlraumresonator 3 dar, und der Kreis beginnt zu schwingen, so daß X-Band-Mikrowellen-Ausgangsleistung erzeugt wird, die.vom Resonator 3 über den Koppelschlitz 22 an eine nicht dargestellte Last gekoppelt wird« Im allgemeinen arbeiten Avalanche-Dioden 12 vorzugsweise in einem Resonanzkreis, der einen belasteten Gütefaktor Q in der Nähe von 1000 hat und einen Kreis wirkungsgrad in der Nähe von 40 - 50 %.- Typische X-^and-Ausgangsleistungen mit solchen Strömen und Spannungen liegen zwisohen 40 und 120 Milliwatt mit Wirkungsgraden zwischen 1 und 3 %. Genauer gesagt, bei 50 Milliampere Diodenstrom liefert der Oszillator typischerweise etwa 115 Milliwatt Leistung bei etwa 3 "fa Wirkungsgrad.

In Pig. 4 und 5 ist eine andere Ausführungeform der Erfindung dargestellt. Die Struktur nach Fig. 4 und 5 ist im wesentlichen gleich der nach Fig. 1 und 2, nur daß die Diode 12 nicht mit dem leitenden Pfosten 6 ausgefluchtet ist, sondern stattdessen an der Seite des Pfostens an einer Wand 28· des Hohlrauniresonators 3 montiert ist. Die Wand 28 des Hohlraums 3 ist durch eine Platte gebildet, an die die Diode 12 und die Vo rspannungsschaltung montiert sind. Die Platte ist an dem offenen Ende des Blockes 2 befestigt, um die Wand 28 des Hohlraumresonators 3 zu bilden. Der Plansch 4 ist als ein Teil des Blockes 2 geformt, beispielsweise durch Gieaeen, und der Koppelschlitz 22 ist durch den Plansch in den Resonator 3 eingeschnitten, um Energie vom Resonator 3 zu einem

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nicht dargestellten Bohlleiter zu koppeln·

Der Pfosten 6 ist ähnlioh dem nach Fig. 1, nur dai ein leitender Pfosten 29"axial durch eine axial segmentierte Hülse 31 verschiebbar ist,"die eine Anzahl leitender Pinger bildet, die ölen axial bewegbaren Pfosten 29 ergreifen« Die Hülse 31 ist fest am Boden 7 <ies Resonators 3 "befestigt, und der leitende Pfosten 29 weist einen mit Gewinde versehenen Yerlängeruttgsteil auf, der durch eine Überwurfmutter greift, um eine axiale Bewegung des Pfostens 29 hervorzurufen. Der Pfosten 6 bildet einen kapazitiven Spalt zwischen dem Pfosten 6 und den Innenwänden dee Resonators 3. In diesem Spalt fliesst ein Yersohiebungsstrom, der durch die elektrischen Feldlinien zwischen dem Pfosten 6 und den Wänden des Resonators 3 dargestellt ist. Die Diode 12 ist in der Nähe der Seite des Pfostens 6 montiert und damit kapazitiv mit dem Pfosten 6 gekoppelt und erhält einen Teil des Verschiebungsstroms, der vom Pfosten 6 zum restlichen Teil des Resonators 3 fliesst· Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 und- 5 kann dieser Teil des VerschiebungsStroms, der zur Diode fliesst, relativ zu dem Versohiebungsstrom justiert werden, der zu dem anderen Teil des Resonators fliesst· Die Kopplung zwischen der Diode und den Mikrowellenströmen des Resonators kann also gegenüber leitungsstromgekoppelten Kreisen wesentlich herabgesetzt werden« Der Hohlraumresonator 3 wird durch Axialbewegung des Pfostens 29 abgestimmt.

In Fig* 6 ist eine weitere AusführungsforB der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungeform weist der Oszillator 1 einen Körperblock 2 mit einer zylindrischen Bohrung 33 aufj die die Seitenwände des Hohl« raumresenators bildet. Ein leitender Pfosten 6 ist axial im Resonator 3 angeordnet. Der Pfosten β weist ein Gewinde 54 auf, das in ein Innengewinde im Körper 2 eingeaehraubt ist, so daß der Pfosten axial innerhalb des Hohlraums 3 bewegt werden kann, um dieο·η abzustimmen. Das Innere Ende des Pfostens 6 bildet einen kapazitiven Spalt zwischen dem Ende 9 des Pfostens 6 und einer Endwand 36 des Hohlraumresonatore 3* Die Diode 12 ist auf die Endwand 36 im kapazitiven Spalt montiert, so daß eine Versehiebungsstromkopplung mit der Diode 12 erreicht wird·

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; Die Vorepannungs&Ohaltung ist im wesentlichen, die gleiche wie sie in Verbindung mit Fig. 1 * 5 beschrieben wordea ist, und weist einen Wendelleiter 14, einen Nebenschlusskondensator 15 und einen Anschluss 16 auf»

Mikrowellenleistung wird vom Hohlraum 5 über eine Koaxialleitung 3? zu einer Last gekoppelt· Die Koaxialleitung 3? hat einen verlängerten ' Mittelleiter, der in den Hohlraum 3 ragt, so daß eine Koppelsonde in Form einer Antenne gebildet wird, mit der eile Energie kapazitiv zur Koaxialleitung 37 gekoppelt wird. Im Betrieb arbeiten die Oszillatoren 1 naoh Fig. 4 «.6 im wesentlichen in der gleichen Weise wie der Oszillator 1 naoh Fig- 1 und 2. .

Sin Vorteil von erfindungsgemässaa Oszillatoren*- die mit Verschiebungs» • Stromkopplung zwischen den Strömen des EsMsaunresonators 3 der Diode .' 12 arbeiten, besteht darin- daß die B&usdkz&hL des Oszillators 1 wesentlich verbessert wird· Genauer gesagt₃ dac Äusgaiigsepektrum des älteren Oszillator mit Leitungskopplung oder direkter Kopplung der HF-Ströme des Hohlraums mit der Biode ist als Oszillographenaofzeichnung 41 in Fig. 7 dargestellt· Aus dieser Aufzeichnung ist zu erkennen, daß das Aus gangs-Spektrum dee Oszillators erhebliche Bauschkomponenten enthält.

Ψ In Fig. θ ist die oszillographische Aufzeichnung 42 des Ausgangs spektrums eines Oszillators mit Merkmalen der Erfindung dargestellt, bei dem die Diode 12 mit den Strömen des Hohlraumresonators 3 verschiebungsstromgekoppelt ist· Aus der Oszillographenauf zeichnung 42 ist zu erkennen, daß die Sausehkomponenten des Auegangsspektrums wesentlich verringert worden sind, verglichen mit der mittleren Ausgangsfrequenz des Spektrums nach/ Fig, 7. Genauer gesagt, das Amplitud«nmodulätions3Hraschen, gemessen in dB unter dem Trägerpegel eines Oszillators 1 nach der Erfindung, der bei 10,5 GHz arbeitet und eine Ausgangsleistung von 50 Milliwatt liefert, variiert zwischen - 100 dB bei 1 kHz Versetzung gegen den Träger-bi» etwa · 114 dB bei 100 kHz Versetzung gegen den Träger j diese Messungen beziehen sich auf eine Bandbreite von 1 kHz· Das Frequenzmodulations-

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rauschen des Ausgangsapektrums eoheint relativ eng auf Bereiche neben der Trägerfrequenz konzentriert zu sein· Genauer gesagt, das Äquivalent des geometrischen Kittels dex etatietieohen Frequenzabweichung für die oben genannte Frequenz und Ausgangsleistung liegt etwa bei 135 Hz bei 2 kHz Versetzung gegen den Träger und bei etwa 60 Hz bei 4 kHz Verseifung gegen den Träger, und bei etwa 45 Hz bei 1 HHz Versetzung gegen den Träger} alle Messungen sind mit einer Abfragebandbreite von IkHz durchgeführt.

In Fig. 9 ist die Abhängigkeit der Rausehzahl in dB von der Frequenz in GHz für einen Mikrowellenempfänger dargestellt, bei dem ein Oszillator 1 nach der Erfindung in einen abgeglichenen Mischer verwendet wird, verglichen mit der Verwendung e'inea üblichen Rüokwärtswellen-Oazillatore als lokalen Oszillator. Aus der Kurve 51 für den Oszillator 1 und der Kurve 52 für den Rüokwärtswellenoezillator ist zu erkennen, daß die Rauschzahl für den Rückwärtsvellenoszillator und für den Oszillator 1 nach der Erfindung ia wesentlichen gleich ist, wenn der letztere in einem abgeglichenen Mischer verwendet wird. Der abgegliohene Mischer dient dazu, Amplitudenmodulations-Rausohkomponenten im Signal des lokalen Oszillators im wesentlichen auszulöschen. Sie Frequenzmodulations-Rausohkomponenten werden jedoch nicht ausgelöscht, ao daß die gemessene Rauschzahl im wesentlichen gleich dem Frequenzmodulationerausohen des lokalen Oszillators ist. Vie aus Fig. 9 zu ersehen ist, ergibt sieh nur eine sehr kleine Differenz der Rauschzahl des Systems zwischen dem Oszillator 1 nach der Erfindung und dem Rückwärtswellenosziilator als Bezug für das Frequenzinterval], in dem der Misoherabgleich gut ist und die Amplitudenmodulationssperre hoch ist. Aus Fig. θ und 9 kann der Schluss gezogen werden, daß bei eines Frequenzabstand vom Träger von wenigstens 50 MHz der Hauptbeitrag zum Rausohen auf Amplitudenmodulations-Seitenbänder des Oszillators 1 zurückzuführen ist und nicht auf Frequenzmodulationsrauschen, das bei diesen Frequenzen auf einen sehr niedrigen Wert abgesunken ist·

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In Fig. 10 ist eine andere Nebenschluss-Sohaltung dargestellt, mit der die Vorspannung an.-""das Pestkörper-Bauelement 12 mit negativem Widerstand angelegt werden kann« Genauer gesagt, eine Hochfrequenz-Koaxialleitung 6i ist an die Endwand 28 des Hohlraums 3 montiert, so daß der Mittelleiter 62 der Koaxialleitung durch eine Öffnung 63 in der Endr wand 28 hindurchführt und an den innersten Anschluss des Festkörper-Bauelementes 12 angeschlossen ist. Mn ringförmiger Hohlkern 64» bei« speilsweise aus Kupfer oder Messing, ist axial auf dem'Mittelleiter 62 verschiebbar, um eine einstellbare Nebenßehlusskapazität für die Koaxialleitung zu bilden« Der Hohlkern 64 dient dazu, einen hochfrequenzmäs·. eigen Kurzschluss in der Koaxialleitung 61 zu erzeugen. Zwei Isolierhülsen 65 und 66, beispielsweise aus Teflon, sind koaxial zwisohen den leitenden Abstimmkern 64 und die Innen» und Aussenleiter der Koaxialleitung 61 eingesetzt, um den Aisstimmkern daran zu hindern, einen gleichetrommäseigen Kurzschluss für die Koaxialleitung 61 zu bilden· Die Gleich-Vorspannung wird bei 16 an den Mittelleiter gelegt, um die Diode 12 vorzuspannen·

Der Abstimmkern 64 ist in einem solchen Abstand von der Diode in der Koaxialleitung 61 positioniert, daß die Entfernung längs der Koaxialleitung 61 zwischen dem Abstimmkern 64 und der Diode 12 gleich einer ungeradzahligen Anzahl von"elektrischen Viertelwellenlängen ist, so daß an der Diode 12 ein offener Kreis für Mikrowellenenergie bei der Betriebsfrequenz des Hohlraums 3 dargeboten wird.*Die Vorspannungsschaltung nach Pig. 10 hat den Vorteil, daß sie relativ einfach konstruiert ist und einstellbar ist, so daß eine minimale hochfrequenzraässige Kopplung zwischen desi Hohlraum 3 und der VorSpannung»schaltung erhalten wird·

Im Betrieb wird der kapazitive Abstimmkern 64 so eingestellt, daß die Kopplung bei der Mikrowellenfrequenz zwisohen dem Anschluss 16 der Koaxialleitung 61 und dem Hohlraum 3 kleiner als 35 ^*und vorzugsweise grössenordnungsmäseig 5 # oder weniger beträgt. Auf diese Weise werden hochfrequente Rauschkonponenten, die in der Vorepannungeschaltung Tor«

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handen sind, nachdem sie durch die Lawineneffekte-der Diode 12 erzeugt worden sind, nicht merklieh mit dem Hohlraum 5 gekoppelt, um Rauschen in der Ausgangsspannung, die vom Hohlraum 3 abgeleitet wird, zu erregen.

In Fig. 11 ist eine bevorzugte Ausführungsförm einer erfindungagemäsaen Vorspannungsschaltung dargestellt· Bei dieser Schaltung ist die Diode 12 in einer Bohrung in einer dielektrischen Platte 67 einer gedruckten Schaltung, beispielsweise aus Glass, Teflon oder dergleichen, an der Wand §8 des Hohlraums 5 befestigt· Sin Vorspannungeleiter 68 ist auf* metallisiert oder in anderer Weise auf der Platte 67 gebildet oder an diese gebunden, um eine Verbindung zwischen der Diode 12 und einer Vorspannungsleitung 69 zu schaffen, die durch eine Bohrung 71 in der Wand 28 hindurchführt· Ein Nebenschlusskondensator 15 ist in der Vorspannungsschaltung an der Stelle vorgesehen, an der die Leitung 69 durch die Bohrung 71 hindurchführt. Die metallisierte Leitung 68 weist einen Hing ^2 auf, der elektrischen Kontakt mit einer Seite der Diode 12 herstellt und der, beispielsweise duroh Löten, mit der Leitung 6^ am anderen Ende der metallisierten Leitung 68 verbunden ist. Die elektrische Länge der Vor» spannungssohaltung von der Diode 12 zum Nebenschlusskondensator 15 ist etwa eine Viertelwellenlänge lang, um für Mikrowellenenergie an der Diode 12 eine hohe Impedanz darzubieten, so daß die Vorspannungsschaltung im wesentlichen von den hochfrequenten zirkulierenden Strömen im Hohlraum 3 entkoppelt ist. DerGrad der hoohfrequenzmässigen Kopplung bei der Re-> spnanz-Betriebsfrequenz des Hohlraums 3 zwischen der Klemme 16 und dem Ausgang 22 des Hohlraums 3 ist kleiner als 25 $ und vorzugsweise kleiner als 5 ^a/°* Dadurch wird die Kopplung von hochfrequenten Rausohkomponenten, die durch die Vorspannungesohaltung erzeugt werden, duroh den Hohlraum 3 zuB Ausgang 22 reduziert.

Ein Vorteil der Oszillatorausführungsform naoh der Erfindung ist die Einfachheit der Vorspannungesohaltung nach Fig. 11 und 12. Genauer ge» sagt, der metallisierte Leiter 68 ist sehr leicht herzustellen, und sein Anschluss an die Diode 12 und an den Durchführungskondensator I5 bildet

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eine sehr einfache Vorspannungssehaitung₉ die die Herstellung von Mikro-, wellenschaltungen mit solchen Dioden 12 erheblich vereinfacht« In diesem

Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die Vorspannungsleitung 68 in der bei - der Herstellung τοη gedruokten Schaltungen üblichen Technik hergestellt : werden kann.

Der. Grund, warum der Oszillator 1 nach der Erfindung eine wesentlich

■ bessere Rausohsahl ergibt, besteht darin, daß die Verachiebungsetron-

' kopplung eine gesohwäehte Hochfrequenzkupplung mit der Diode 12 bewirkt, P weil nur ein Bruchteil der gesamten hochfrequenten elektrischen Feld*

linien auf der Diode enden« Dementsprechend ist der Hohlraumresonator J : wie ein grossen Schwungrad zu betrachten, das durch den relativ kleinen \ Strom in Schwingung gehalten wird, der durch die Diode 12 hinzugefügt

■ wird· Der Schwungradeffekt dient dazu, das von.der Diode 12 erzeugte Kauschen auszulöschen;

Erfindungsgemässe Mikrowellenschaltungen, die oben beschrieben worden sind, weisen alle einen Fundamentalmodusresonator auf, in dem Vorkehrungen dafür getroffen sind, daß ein Teil des zirkulierenden Stromes um die Diode 12 herumgeleitet wird, so daß die Kopplung zwischen der Diode 12 und dem Hohlraum 3 verringert wird, verglichen mit älteren ■t Anordnungen, bei denen ein grosser Teil des zirkulierenden Stromes durch die Diode 12 hindurchfloss. Der Nebenschluss ist in Fig« 13 angedeu- ; tet und weist eine Teiler schaltung auf, die um die Diode 12 herum angeordnet ist und aus Reihen» und Nebenschluss-Impedanzen Z.., Z„ und Z, besteht« Durch Einstellen der Reihea«· und Nebenschluss-Impedanzen .Z*, Z- und Z, kann die hoehfrequenzmässige Kopplung der Diode 12 mit den zirkulierenden Strömen des Hohlraumresonators leicht einjustiert werden« '

Diese Teilerschaltung ist zwar bei weitem kein idealer Impedanztrans·» foraator, er bildet jedoch eine Möglichkeit, die Diodenkopplung leicht zu verändern und einen beträchtlichen Bereich für eine Impedanzvariation zu erreichen. In der Praxis werden die Seihen« und Nebenschluss-Impedanzen als konzentrierte Elemente eingesetzt, um die Schaltung einfach zu halten·

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Selbst dann sind die Verteilungseffekte beträchtlich, und derzeit gibt ·■ keine exakte Messung der Impedanz, die diese Schaltungen zur Diode reflektieren· .

Grundsätzlich kann deshalb die vorliegende Schaltung schematisch gemäas Pig· 14 betrachtet werden· Die Diode kann als durch einen Transformator mit dem Hohlraumresonator gekuppelt betrachtet werden, durch den der Impedanzpegel ausgewählt werden kann, und der Hohlraum seinerseits ist durch einen weiteren Impedanztransformator mit der aussen befindlichen Last gekoppelt« Bei einer solchen Anordnung ist es theoretisch möglich, effektiv die Diode 12 über irgendeinen willkürlichen Wert des Gütefaktors für den Hohlraum an die Last anzupassen. In der Praxis sind vergleichbare Leistungen und Wirkungsgrade für belastete Gütefaktoren Q. im Bereich zwischen 50 und 1200 erreicht worden, es waren jedoch einige Justierungen in der Teilersohaltung notwendig. Fig. 15 zeigt den typischen Auegangewirkungsgrad eines Oszillators mit konstanter Kopplung Diode-Kreis und variabler Kopplung zwischen dem Hohlraum 3 und der Last· Da der Eingangstransformator festliegt, würde man erwarten, daß der Leietungsübergang optimal ist, wenn die Ausganffskopplung einen Wert erreicht, bei dem die kombinierten Hohlraum- und Lastverluste an die Generator impedanz angepasst sind. Bei dem dargestellten Aueführungsbeispiel trat das bei einem Q_ » 1000 und einem Kreiswirkungsgrad von 50 Ί° auf. In Fig. 16 sind die Ausgangsleistungen und der Wirkungsgrad der gleichen Diode für grundsätzlich andersartige Einbettungen der Diode in den Hohlraum-dargestellt. Eine ergab ein Q. ■- 50 und die andere ein Q- » 65Ο· Die sehr gute Wirkung der Anpassung zeigt sich in der nahezu identischen Wirkungsgrad- -und Ausgangsleistung-Charakteristik,

Um die Differenz au erhalten, die sich durch höhere Gütefaktoren beim Rauschverhalten ergibt, sind Fig. 17 und 18 heranzuziehen» Fig. I7 zeigt das Aeplitudenmodulationsrauschen in einem Band von 1 kHz Breite in Abhängigkeit von der Versetzung gegen den Träger für einen Oszillator, bei dem der belastete Gütefaktor durch die Ausgangekopplung in einem Bereich von etwa 6OO - 1200 verändert worden ist. Erwartungsgemäss ergibt sich

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eine dauernde Verbesserung des Rauschverhaltens bei wachsendem Gütefaktor. Der geringfügige Anstieg des Rauschens im Bereioh von 10 kHz bis 100 kHz ist normalerweise bei solohen Geräten nicht vorhanden, bei dem speziellen Lauf ergab er sich aber·

Pig, 18 zeigt die äquivalenten Frequenzmodulationerauschen-Messungen für die gleiche Diode und die gleiche Schaltung im gleichen Seitenbandbereich, wo sioh die fortgesetzte Verbesserung des Frequenzmodulationerauschen bei höheren Gütefaktoren noch deutlicher ergibt.

Das Festkörper-Bauelement 12 mit negativem Widerstand ist zwar als Avalanohe-Diode oder Lawinen-Diode beschrieben worden, es können jedoch auch andere Festkörper-Bauelemente mit negativem Widerstand bei Mikrowellenfrequenzen im Rahmen der Erfindung verwendet werden. Diese anderen Festkörper-Bauelemente mit negativem Widerstand sind beispielsweise Gunneffekt-Dioden, LSA-Modus-Dioden und andere Laufzeit-Bauelemente*

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Claims (1)

1. VI F2O5 D

   F a t ent an Sprüche

   1. Hochfrequenzgerät mit einem Hochfrequenz-Resonanzkreis, der Hochfrequenzströme führen kann« einem Pestkörper-Bauelement, das unter gewissen Bedingungen einer angelegten Vorspannung einen negativen Widerstand zeigen kann, und das mit dem Hochfrequenz-Resonanzkreis gekoppelt ist, und einer Vorspannungsschaltung, mit der die gewisse Vorspannung an das Festkörper-Bauelement angelegt wird, um dafür zu sorgen, daß dieses Bauelement dem Hochfrequenz-Resonanzkreis einen negativen Widerstand bietet, um eine hochfrequente Ausgangsspannung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Pestkörper-Bauelement mit den hochfrequenten Strömen des Hochfrequenz-Resonanzkreises verschiebungastrom-gekoppelt ist.

   2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _t daß der Hochfrequenz-Resonanzkreis einen Teil aufweist, der einen kapazitiven Spalt bildet, und das Bauelement in diesem kapazitiven Spalt angeordnet ist, so daß ein Teil des hochfrequenten kapazitiven Verschiebungsstromes des Hoohfrequenzkreises über den kapazitiven Spalt zu dem Bauelement fliesst.

   5· Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der HochfrequenzeHesonanzkreis einen Hohlraumresonator enthält.

   4· Gerät nach Anspruch 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum einen leitenden Pfosten enthält, der den kapazitiven Spalt mit wenigstens einer Innenwand des Hohlraumresonators bildet·

   5· Gerät nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, d_aß der leitende Pfosten, axial innerhalb des Hohlraumresonators bewegbar ist, tun die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonatora abzustimmen und damit die Ausgangsfrequenz des Hochfrequenzgerätea.

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   6. Gerät nach Anspruch 4 oder % dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Bauelement axial pit* den leitenden Pfosten ausgefluchtet ist«

   7* Gerät nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Festkörper-Bauelement an der Seite des leitenden Pfostens zwischen einer Seite des leitenden Pfostens und einer Innenwand dee Hohlraumresonators angeordnet ist,

   8· Gerät nach einem der Anspräche 3 -■ ?» dadurch gekennzeichnet, daß ein nebenschluss vorgesehen ist, der dafür sorgt, daß der überwiegende Teil der hochfrequenten, zirkulierenden Ströme des Hohlraumresonators ua das EaueleeeEt herum geleitet wird, so daß das Bauelement nur schwach alt äem Hohlraumresonator gekoppelt ist.

   9» Gerät nach Anspruch 8» dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator, wie er alt dein Beseieeeiit gekoppelt 1st, einen belasteten Gütefaktor Q groeeer· aia 800 hat.

   10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß das FestkBrper-Baueleeeat «it negativem Widerstand eine Avalanche-Diod* ist«

   11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 —9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement eine Inp&ct-Axalanche- und Laufzeit-Diode ist. ' . '; ^: '-"..'" -

   12. Gerät nach einem der Anspräche 1 -11, dadurch gekennzeichnet, daß die TorspannungssohalttHig eine hohe Reiheninduktivität in einem Leiter der TorspamiuiigBsohaltung aufweist und die hohe ßeiheninduktivität eines Seil aufweist, der in den Hochfrequenz-Resonanzkreis hineinragt·

   ims

   JfS

   13· Gerät naoh Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Reiheninduktivität eine ungeradsahlige Anzahl von elektrischen Viertelvellenlängen der Hohen Ausgangsfrequenz lang ist·

   14« Gerät nach Anspruoh 12 oder 15t dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Reiheninduktivitat einen dielektrischen Block enthält, an den ein Reiheninduktivitätsleiter gebunden ist.

   15. Gerät naoh Anspruoh 12, 15 oder 14, daduroh gekennzeichnet, daß ein Hebensohlueekondeneator ein Ende der hohen Reiheninduktivität ■it dem anderen Leiter der Torapannungeschaltung verbindet, um die hohe Reiheninduktt*ität der Torapannungaachaltung für die hochfrequente Energie zu überbrücken· .

   16. Gerät nach eines des Aneprüche 12 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequente Koppluxg von der Vorspannungssohaltung duroh den Resonanzkreis zua Ausgang des Resonanzkreises bei der Resonanzfrequenz des Hochfrequenz-Resonanzkreises kleiner als 25* ist.

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   BAD

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