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Verstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einem Halbleiterelement
mit negativer FlWiderstandscharalçteristik Die Erfindung bezieht sich auf einen
Verstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei der der negative Widerstand
eines Halbleiterelements, insbesondere einer Tunneldiode in der bei Reflexionsverstärkern
bekannten Art verwendet wird und bei dem ein der Stabilisierung dienender ohmscher
Widerstand vorgesehen ist, der den negativen Widerstand außerhalb des Betrie bsfrequenzbereiches
aufhebt und andererseits ein Resonanzeigenschaften aufweisendes Element (Resonanzkreis),
das die Wirkung des ohmschen Widerstandes innerhalb des Betriebsfreauenzbereiches
des Verstärkers aufhebt.
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Da solche Verstärkeranordnungen mit Halbleiterelementen der genannten
Art, wie z.B. Tunneldiode zumindest im Betriebsfrequenzbereich einen negativen Widerstand
an den Eingangsklemmen zeigen, werden diese Halbleiterelemente meist an einen Arm
eines Zirkulators angeschaltet, an dessen nächstfolgenden Arm der Lastwiderstand
liegt.
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Dabei entsteht durch Fehlanpassung die Gefahr von Selbsterregung der
Verstärkereinrichtung. Der negative Widers-tand der Tunneldiode wurde daher bei
einer bekannten Einrichtung für außerhalb des Betriensfrequenzbereiches liegende
Frequenzen durch einen der Stabilisierung dienenden ohmschen Widerstand kompensiert,
dessen Wirkung im Boti'iebsirequenzbereich des Verstärkers durch einen Resonanzleitungsabschnitt
aufgehoben wurde. Es ist jedoch erwünscht, daß solche Verstärker in einem möglichst
breiten
Bc-triebsfrequenzbereich einen eindeutigen negativen Widerstand zeigt und außerhalb
dieses Bereiches nicht zur Selbsterregung neigen. Dies ist besonders bei sehr hohen
Frequenzen mit Schwierigkeiten insbesondere hinsichtlich der Anordnung verbunden.
Bei einem Tunneldiodenverstärker, bei der die Tunneldiode und anschließend der Stabilisierungswiderstand
im Zuge des Innenleiters des Koaxialleitungsabschnitts angeordnet sind, wird gemäß
einem älteren Vorschlag bereits eine größere Bandbreite dadurch erreicht, daß anstclle
von Resonanzleitungsabschnitten konzentrierte Schaltungselemente verwendet werden.
Die Induktivitäten solcher Resonanzgebilde bestehen dabei aus dünnen Drähten oder
gedruckten Leitern, die sich zwischen Innen- und Außenleiter des Koaxialleitungsabschnitts
erstrecken. Der Stabilisierungswiderstand wird im Betriebsfrequenzbereich durch
einen äußeren Resonanzkreis überbrückt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Verstärkeranordnung
der obigen Art unter Angabe einer günstigen Schaltung in Miniaturbauweise auszuführen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verstärker für sehr kurze elektromagnetische
Wellen, bei der der negative Widerstand eines Halbleiterelements, insbesondere einer
Tunneldiode in der bei Reflexionsverstärker bekannten Art verwendet wird und bei
dem ein der Stabilisierung dienender ohmscher Widerstand vorgesehen ist, der den
negativen Widerstand außerhalb des Betriebsfrequenzbereiches aufhebt und andererseits
ein Resonanzeigenschaften aufweisendes Element (Resonanzkreis), das die Wirkung
des ohmschen Widerstandes -innerhalb des Be triebsfrequenzbereich-es des Verstärkers
aufhebt, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Resonanzkreis ein auf die mittlere
Betriebsfrequenz abgestimmter Parallelresonanzkreis
ist, der über
den Widerstand und gegebenenfalls eine der Gleichstromabbloclcung dienende Kapazität
parallel zum Halbleiterelement geschaltet ist, und daß wenigstens für Hochfrequenzströme
dem Halbleiterelement eine Induktivität L1 parallel liegt, die zusammen mit deren
IÇanazität und gegebenenfalls Streukanazitäten einen ebenfalls auf die mittlere
Betriebsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis bildet, daß ferner die Induktivitäten
beider Resonanzkreise aus dünnem, vorzugsweise in Druckschaltungstechnik ausgeführten
Leitern bestehen, die im Betriebsfrequenzbereich noch keinen Lcitungscharakter zeigen.
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Eine derartige Schaltung erlaubt den Aufbau einer derartigen Schaltung
in Druckschaltungstechnik, besondeis einfach dadurch, daß eine Leitschichtfläche
vorgesehen ist, die gleichzeitig den einen Hochfrequenzanschluß des Reflexionsverstärkers
bilde-t und mit dem einen Anschluß der Diode verbunden ist, ferner mit den in der
Ebene der Beiterschichten liegenden Stabilisierungswiderstand mit anschließendem
Parallelresonanzkreis und der Induktivität L1 und daß diese Leitschicht von einer
Masseleitschicht wesentlich größerer Fläche umgeben ist, auf der die anderen Enden
des Parallelresonanzkreises und der Induktivität L1 münden und die den einen Belag
der Gleichstromabblockkapazität bilden, der isoliert ein Gegenbelag gegenüberliegt,
der mit dem anderen Anschluß der Diode verbunden ist.
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Zur besseren Abstimmung der Resonanzkreise ist es vorteilhaft, wan
parallel zu den als schmale Leiter ausgebildeten Indul;tivitäten der Resonanzkreis
e eins-tellbare Kanazitäten vorgesehen sind, bestehend aus gegenüber den Induktivitäten
wesentlich breiteren Beitschichten, die bis nahezu an die umgebende Masseleitschicht
herangeführt sind und aus im Bereich des Isolierspaltes zwischen Masseleitschicht
und
den breiteren Leitschichten isoliert ängebrachten, veränderbaren,
insbesondere geteilten und verdrehbar auf der Frontfläche eines- Stempels befindlichen
Leitschichten.
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Eine günstige Ausführungsform,insbesonder für den unmittelbaren Anschluß
an Koaxialleitungen, besteht darin, daß das Halbleiterelement mit seiner Achse senkrecht
zur Plattenebene auf die Leitschichtfläche aufgesetzt ist.
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und daß diese Leitschichtflächen, oder der betreffende Anschluß der
Diode selbst, den, vorzugsweise auf den Innenleiter einer Koaxialleitung führenden,
Hochfrequenzanschluß darstellen.
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Eine andere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß die Dioden
mit ihrer Achse parallel zur Leitschichtebene angeordnet ist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert
Die Fig. 1 zeigt die Prinzipschaltung, die den nachgeschilderten Anordnungen der
Bauelemente und Leitungen zugrunde liegt. Da cs sich um einen Reflexionsverstärker
handelt, bei dem die Hochfrequenz an einem Klemmenpaar zu und wieder abgeführt wird,
befindet sich zwischen diesem Klemmenpaar ein Doppelpfeil mit der Bezeichnung HF.
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Als negativer Widerstand dient die eine im negativen Kennlinienbereich
betriebene Tunneldiode TD. Der Kennlinienpunkt wird durch die mit + - bezeichnete
Vorspannungsquelle eingestollt. Die Kapazität CK überbrückt diese Vorspannungsquelle
und entkoppelt sie dadurch bis zu tiefen Prequenzen hin von der Hochfrequenzschaltung.
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Nochfrequenzmäßig liegt parallel zur Diode die Induktivität L1, die
zusammen mit der Tunneldiodenkapazität, den Streukapazitäten der Schaltung und einer
gegebenenfalls vorzusehenden Trimmkanazität Cl einen auf die Betriebsfrequenz abgestimmten
Resonanzkreis bildet.
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Ferner liegt hochfrequenzmäßig parallel zur Diode der Stabilisierungslcreis,
bestehend aus dem Widerstand RST in Serie mit dem Parallelresonanzkreis L2, C2.
Letzterer ist ebenfalls auf die Betriebsfrequenz abgestimmt und beseitigt in diesem
Frequenzbereich die Wirkung des Dämpfungswiderstandes RST. Außerhalb des Betriebsfrequenzbereiches
sorgt der entsprechend bemessene Stabilisierungswiderstand seinerseits für die Aufhebung
der Wirkung-des negativen Widerstandes um unerwünschte Schwingungen zu vermeiden.
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Für diese Schaltung zeigt die Fig. 2 eine nraktische Ausführung in
Druckschaltungstechnik oder Dickfilmtechnik, die sehr gut geeignet ist, folgende
Forderungen- zu erfüllen.
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Es soll sich eine kleine zuverlässige und einfache Baueinheit ergeben,
die wenn nötig, mit einem Zirkulator integrierbar ist. Die Ausführung soll ferner
eine möglichst große Betriebsfrequenzbandbreite erlauben und die Verwendung von
Dioden mit hohem Spitzenstrom, d.h. hoher Ausgangsleistung. Dic Fig. 2 zeigt in
ihrem oberen teil eine Draufsicht und in ihrem unteren Teil einen Schnitt durch
die Verstärkeranordnung in der durch A-B angegebenen Ebene0 Der gewählte Maßstab
ist 1:10, woraus ersichtlich wird, daß eine Miniaturausführung vorliegt, die auch
bis zu sehr hohen Frequenzen, z.B. 30 GHz noch alle gestellten Forderungen erfüllt.
Auf einer Isolierstoffplatte 10 ist eine Massoleitschicht 4 aufgebracht. Diese Masseleitschicht
ist identisch mit dem Leiter 4 in Fig. 1 der den einen Anschluß der Hochfrequenzleitung
bildet, wie auch z
sonst die Leiter bei Fig. 2 so wie in Fig. 1
gekennzeichnet sind. In einer U-förmigen Aussparung dieser Fläche befindet sich
eine Leitschichtfläche 1, die mit dem einen Anschluß der Tunneldiode Kontakt hat.
Dies' kann auch auf einfache Weise dadurch errcicht werden, daß die Tunneldiode,
wie im Schnitt AB, einen Gewindezapfen trägt, der in die Isolierstoffplatte eingeschraubt
ist, so daß der großflächige tellerförmige, untere Anschluß der Diode mit der Leitschicht
1 kontaktiert. Die Induktivität 1,1 ist als dünner Leiter ausgebildet, der sich
zwischen der Lcitschicht 1 und der Masseleitschicht 4 erstreckt. Der gegebenenfalls
vorgesehene Trimmer C1 wird einerseits durch die Leitschichtfläche 2, die durch
einen Trennstift 8 von der Leitschichtfläche 4 getrennt ist und einem einstellbaren
Element, das snäter anhand der Fig. 5 näher erläutert wird, gebildet. Die Leitschichtfläche
1 bildet gleichzeitig den HF-Anschluß 1 in Fig. 1. Ferner ist mit dieser Le,itschichtfläche
der in der gleichen Ebene angebrachte Stabilisierungswiderstand RST verbunden, z.B.
durch Löten, dessen anderes Ende auf den Resonanzkreis L2, C2 führt. Die Realisierung
dieses Resonanzkreises ist ähnlich dem durch Ld, Cl gebildeten.
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Um die relativ große Kapazität CK zu realisieren, liegt auf den erwähnten
Leitschichten, getrennt durch eine dünne Isolierstoffolie 6, z.B. eine Styroflexfolie,
ein leitender Block 5 auf. Dieser Block wird durch die vorzugsweise aus Isolierstoff
bestchenden Schrauben 9 gegen die Platte 10, und vor allem gegen die Stirnfläche
des oberen Diodenanschlusses gepreßt. Der leitende Block ist mit dem +Pol der Vorspannungsquelle
verbunden. Durch den Bolzen 7 wird der später anhand der Fig. 5 näher erläuterte
Trimmer betätigt.
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Um eine 1(orsteliung von der tatsächlichen Größe des Gebildes zu erhalten,-
ist die Draufsicht links tinten in die Leitschichtfläche 4 hineingezeichnet.
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Eine ähnliche Schaltung, vjie die in Fig. 1, ist in Fig. 3 angegeben,
bei der die Kapazität OK versetzt ist, so daß der Stabilisierungskreis unmittelbar
parallel zur Tunneldiode liegt. Der zusätzliche Widerstand RO sorgt dabei für die
Überbrückung der Vorspannungsquelle um Schwingungen auf sehr niedrigen Frequenzen
auch dann zu vermeiden, wenn die Vorspannungsquelle einen relativ hohen Innenwiderstand
hat Zufolge diescr Änderung ist die Masseleitschicht bei der Realisierung der Schaltung
nach Fig. 3 gemäß Fig. 4 in die Schichten 4a und 4b unterteilt, zwischen denen sich
der gegebenenfalls flächig ausgeführte Widerstand RO befindet. Der leitende Block
5 überbrückt, getrennt durch die Isolierstoffolie, z.B. aus Polystyrol, die beiden
Flächen kapazitiv. Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Turnieldiode achsenparallel
zu den Leitschichtebenen und -teillleise in die Isolierstoffplatte eingefügt. Zur
besseren Kontaktierung der Diode am Anschluß 15 kann diese dort mit der Leitschicht
verlötet sein oder die Leitschicht ist rechtwinkelig zur Plattenebene in die Durckbrechung
zur Aufnahme der Diode hineingezogen und mit der Diode durch Druck kontaktiert.
Der Druck kann am einfachsten durch die von außen bedienbare Madenschraubc 16 erzeugt
werden, die in eine mit Innengewinde versehene Aufnahme 17 in der Druckschaltungsplatte
einschraubbar ist. Die übrigen Elemente der Schaltung sind so ausgeführt wie bei
Fig. 2. Diese Bauweise ist besonders für die Verwendung von dicken Isolierstoffplatten
gut geeignet.
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Dic Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Trimmkapazität C1
oder C2. Hier ist eine Ausführung gezeigt, die
z.B. in der Fig.
2 für die Kapazität C2 verwendet wird.
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Die durch den Trennspalt 8 voneinander isolierten Leitschichtflächen
3 und 4 sind von einer dünnen Isolierstofffolie abgedeckt. Auf der Stirnseite eines
verdrehbaren Stempels 20 befindet sich, wie im Oberteil der Fig. durch die gestrichelten
Linien angedeutet, eine aus zwei voneinander isolierten Halbkreisflächen bestehende
Leitschicht.
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Durch Verdrehen des Bolzens kann die Kapazität zwischen 3 und 4 in
kleinen Grenzen, z.B. mit einer Kapazitätsvariation von 1/4 pF, verändert werden.
Bei der Fig. 2 ist der Bolzen 7 in umgekehrter Richtung durch die Druckschaltungssplatte
10 hindurchgeführt.
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Die Figuren 6 un d7 zeigen Beispiele für die Realisierung von Parallel-
(L2, C2) bzw. Serienresonanzkreisen (L, C) unter Verwendung der oben erläuterten
Trimmkapazität.
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In der Fig 8 ist schließlich eine für dn unmittelbaren Anschluß än
Koaxialleitungen besonders geeignete Ausführung der Schaltung nach Fig. 1 ohne Trimkapazität
C1 dargestellt.
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Die Tunneldiode TD kontaktiert dabei mit ihrem oberen Zapfenanschluß
mit dem Innenleiter 12 einer Koaxialleitung. Auf der Oberseite der verlustarmen
Isolierstoffträgerpaltte 10 befinden sich die Elemente L1, RST, L2, 3 ähnlich wie
in den Figuren 2 bzw. 4. der obere Anschluß der Tunneldiode ist mit der zentralen
Leitschichtfläche ähnlich wie bei Fig. 2 kontaktiert. Der andere Anschluß der Diode
ist bei 21 Dieser PUnkt förmig mit einer untern Leitschicht 5 auf der Isolierstoffplatte
10 durch Lötung verbunden. Dieser Punkt führt auf den +Pol der Vorspannungsquelle.
Zur Bildung ds anderen Beläges der Kapazität OK in Fig. t ist diese Isolierstoffplatte
über eine weitere Isolierstoffolie in eine topfförmige Hülse 14 eingesetzt, und
zwar so, daß an den Rändern 11 des Blockes 5 keine elektrisch Verbindung
zwischen
Teil 14 und Kaschierung 5 entsteht. Der Rand 22 der oberen Metallisierung ist hingegen
durch Druck mit dem Außenleiter 13 der Koaxialleitung kontaktiert, der mit der topfförmigen
Hülsc 14 ebenfalls leitend verbunden ist. Im einfachsten Fall ist die tonfförmige
Hülse 14 als Schraubkappe ausgebildet und auf ein entsprechendes Außengewinde des
Außenleiters 13 aufgeschraubt. Die Kapazität C2 kann durch einen entsprechend langen
Stift des Außenleiters betätigt werden.
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Die Ausführungen nach den Figuren 2 und 4 können leicht sowohl an
Koaxialleitungen als auch an jedem anderen Hochfrequenslcitungstyp, z.B. an eine
Streifenleitung angeschlossen werden. Durch Anwendung der Fotoätztechnik können
derartige Tunneldiodenverstärker auf einfache Weise auf,gebaut werden und sind bis
zu sehr hohen Frequenzen im Mikrowellenbereich mit konzentrierten Bauelementen realisierbar.
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5 Pat entansprüche 7 Figuren