DE1949328C3 - Verstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einem Halbleiterelement mit negativer Widerstandscharakteristik - Google Patents

Description

Jen Widerstand und gegebenenfalls eine der Gleichitromabblockung dienende Kapazität parallel zum Halbleiterelement geschaltet ist, und daß dem Halbleiterelement eine Induktivität LX parallel liegt, die zusammen mit deren Kapazität und gegebenenfalls Streukapazitäten einen ebenfalls auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis bildet, daß ferner die induktivitäten beider Resonanzkreise aus dünnen, in Druckschaltungstechnik ausgeführten Leitern bestehen, die im Betriebsfrequenzbereich noch !-.einen Leitungscharakter zeigen.

Eine derartige Schaltung erlaubt einen besonders einfachen Aufbau dadurch, daß auf einer Druckschaltungsplatte eine Leitschichtfläche vorgesehen ist, die gleichzeitig den einen Hochfrequenzanschluß des Reflexionsverstärkers bildet und mit dem einen Anschluß der Diode verbunden ist, ferner mit den in der Ebene der Leiterschichten liegenden Stabilisierungswiderstand mit anschließendem Paralle'resonanzkreis und der Induktivität Ll, und daß diese Leitschicht von einer Masseleitschicht wesentlich größerer Fläche umgeben ist, auf der die anderen Enden des Parallelresonanzkreises und der Induktivität Ll münden und die den einen Belag der Gleichstromabblockkapazität bilden, der isoliert ein Gegenbelag gegenüberliegt, der mit dem ahderen Anschluß der Diode verbunden ist.

Zur besseren Abstimmung der Resonanzkreise ist es vorteilhaft, wenn parallel zu den als schmale Leiter ausgebildeten Induktivitäten der Resonanzkreise einstellbare Kapazitäten vorgesehen sind, bestehend aus gegenüber den Induktivitäten wesentlich breiteren Leitschichten, die bis nahezu an die umgebende Masseleitschicht herangeführt sind und aus im Bereich des Isolierspaltes zwischen Masseleitschicht und den breiteren Leitschichten isoliert angebrachten, veränderbaren, insbesondere geteilten und verdrehbar auf der Frontfläche eines Stempels befindlichen Leitschichten.

Eine günstige Ausführungsform, insbesondere für den unmittelbaren Anschluß an Koaxialleitungen, besteht darin, daß das Halbleiterelement mit seiner Achse senkrecht zur Plattenebene auf die Leitschichtfläche aufgesetzt ist und daß diese Leitschichtflächen, oder der betreffende Anschluß der Diode selbst, den, vorzugsweise auf den Innenleiter einer Koaxialleitung führenden, Hochfrequenzanschluß darstellen.

Eine andere vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß die Dioden mit ihrer Achse parallel zur Leitschichtebene angeordnet ist.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Figuren näher erläutert. so

Die F i g. 1 zeigt die Prinzipschaltung, die den nachgeschilderten Anordnungen der Bauelemente und Leitungen zugrunde liegt. Da es 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 Als negativer Widerstand dient die eine im negativen Kennlinienbereich betriebene Tunneldiode TD. Der Kennlinienpunkt wird durch die mit + — bezeichnete Vorspannungsquelle eingestellt. Die Kapazität CK überbrückt diese Vorspannungsquelle und entkoppelt sie dadurch bis zu tiefen Frequenzen hin von der Hochfrequenzschaltung.

Hochfrequenzmäßig liegt parallel zur Diode die Induktivität Ll, die zusammen mit der Tunneldiodenkapazität, den Streukapazitäten der Schaltung und einer gegebenenfalls vorzusehenden Trimmkapazität CI einen auf die Betriebsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis bildet. Ferner liegt hochfrequenzmäßig parallel zur Diode der Stabilisierungskreis, bestehend aus dem Widerstand RST in Serie mit dem Parallelresonar-zkreis Ll, Cl. Letzterer ist ebenfalls auf die Betriebsfrequenz abgestimmt und beseitigt in diesem Frequenzbereich die Wirkung des Dämpfung^widerstandes RST. Außerhalb des Betriebsfrequenzbereiches sorgt der entsprechend bemessene Stabilisierungswiderstand seinerseits für die Aufhebung der Wirkung des negativen Widerstandes, um unerwünschte Schwingungen zu vermeiden.

Für diese Schaltung zeigt die F i g. 2 eine praktische Ausführung in Druckschaltungstechnik oder Dickfilmtechnik, die sehr gui geeignet ist, folgende Forderungen zu erfüllen. 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. Die F i g. 2 zeigt in ihrem oberen Teil eine Draufsicht und in ihrem unteren Teil einen Schnitt durch die Verstärkeranordnung in der durch A-B angegebenen Ebene. Der gewählte Maßstab ist 1:10, woraus ersichtlich wird, daß eine Miniaturausführung vorliegt, die auch bis zu sehr hohen Frequenzen, z.B. 30GHz noch alle gestellten Forderungen erfüllt. Auf einer Isolierstoffplatte 10 ist eine Masseleitschicht 4 aufgebracht. Diese Masseleitschicht ist identisch mit dem Leiter 4 in F i g. 1, der den einen Anschluß der Hochfrequenzleitung bildet, wie auch sonst die Leiter bei F i g. 2 sowie in F i g. 1 gekennzeichnet sind. In einer U-förmigen Aussparung dieser Fläche befindet sich eine Leitschichtfläche I. die mit dem einen Anschluß der Tunneldiode Kontakt hat. Dies kann auch auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß die Tunneldiode, wie im Schnitt AB, einen Gewindezapfen trägt, der in die Isolierstoffplatte eingeschraub» ist, so daß der großflächige tellerförmige, untere Anschluß der Diode mit der Leitschicht 1 kontaktiert. Die Induktivität Ll ist als dünner Leiter ausgebildet, der sich zwischen der Leitschicht 1 und der Masseleitschicht 4 erstreckt. Der gegebenenfalls vorgesehene Trimmer CI wird einerseits durch die Leitschichtfläche 2, die durch einen Trennstift 8 von der Leitschichtfläche 4 getrennt ist, und einem einstellbaren Element, das später an Hand der F i g. 5 näher erläutert wird, gebildet. Die Leitschichtfläche 1 bildet gleichzeitig den HF-Anschluß 1 in F i g. 1. Ferner ist mit dieser Leitschichtfläche der in der gleichen Ebene angebrachte Stabilisierungswiderstand RST verbunden, z. B. durch Löten, dessen anderes Ende auf den Resonanzkreis L2. Cl führt. Die Realisierung dieses Resonanzkreises ist ähnlich dem durch Ll, O gebildeten. Um die relativ große Kapazität CK zu realisieren, liegt auf den erwähnten Leitschichten, getrennt durch eine dünne Isolierstoffolie 6, z. B. eine Styroflcxfolie, ein leitender Block 5 auf. Dieser Block wird durch die vorzugsweise aus Isolierstoff bestehenden Schrauben 9 gegen die Platte 10 und vor allem gegen die Stirnfläche des obe ren Diodcnanschlusses gepreßt. Der leitende Block isi mit dem + Pol der Vorspannungsquelle verbunden Durch den Bolzen 7 wird der später an Hand dei F i g. 5 näher erläuterte Trimmer betätigt.

Um eine Vorstellung von der tatsächlichen Größe des Gebildes zu erhalten, ist die Draufsicht links unier in die Leitschichtfläche 4 hineingezeichnet.

Eine ähnliche Schaltung wie die in F i g. 1 ist ir F i g. 3 angegeben, hei der die Kapazität CK versetz

st, so daß der Stabilisierungskreis unmittelbar parallel iur Tunneldiode liegt. Der zusätzliche Widerstand RO sorgt dabei für die Überbrückung der Vorspannungsquelle, urn Schwingungen auf sehr niedrigen Frequenzen auch dann zu vermeiden, wenn die Vorspannungsquelle einen relativ hohen Innenwiderstand hat. Zufolge dieser Änderung ist die Masselcitschicht bei der Realisierung der Schaltung nach F i g. 3 gemäß F i g. 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 Isolierstoffoüe, z. B. aus Polystyrol, die beiden Flächen kapazitiv. Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Tunneldiode achsenparallel zu den Leitschichtebenen und teilweise in die Isolierstoffplatte eingefügt. Zur besseren Kontaktierung der Diode am Anschluß 15 kann diese dort mit der Leitschicht verlötet sein oder die Leitschicht ist rechtwinklig zur Plattenebene in die Druchbrechung zur Aufnahme der Diode hineingezogen und mit der Diode durch Druck kontaktiert. Der Druck kann am einfachsten durch die von außen bedienbare Madenschraube 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 F i g. 2. Diese Bauweise ist besonders für die Verwendung von dicken Isolierstoffplatten gut geeignet.

Die F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Trimmkapazität Cl oder Cl. Hier ist eine Ausführung gezeigt, die z. B. in der F i g. 2 für die Kapazität Cl verwendet wird. Die durch den Trennspalt 8 voneinander isolierten Leitschichtflächen 3 und 4 sind von einer dünnen lsolierstoffolie abgedeckt. Auf der Stirnseite eines verdrehbaren Stempels 20 befindet sich, wie im Oberteil der Figur durch die gestrichelten Linien angedeutet, eine aus zwei voneinander isolierten Halbkreisflachen bestehende Leitschicht. Durch Verdrehen des Bolzens kann die Kapazität zwischen 3 und 4 in kleinen Grenzen, z. B. mit einer Kapazitätsvariation von ¹A pF, verändert werden. Bei der F i g. 2 ist der Bolzen 7 in umgekehrter Richtung durch die Druckschaltungsplatte 10 hindurchgeführt.

Die F i g. fe und 7 zeigen Beispiele für die Realisierung von Parallel- (L2, C2) bzw. Serienresonanzkreisen (L C) unier Verwendung der oben erläuterten Trimnikapazität.

In der F i g. 8 ist schließlich eine für den unmittelbaren Anschluß an Koaxialleitungen besonders geeignete Ausführung der Schallung nach F i g. 1 ohne Trimmkapazität Cl dargestellt. Die Tunneldiode TD kontaktiert

ίο dabei mit ihrem oberen Zapfenanschluß imit dem Innenleiter 12 einer Koaxialleitung. Auf der Oberseite der verlustarmen Isolierstoff trägerplatte tO befinden sich die Elemente Ll, RST, L 2. 3 ähnlich wie in den F i g. 2 bzw. 4. Der obere Anschluß der Tunneldiode ist mit der zentralen Leitschichtfläche ähnlich wie bei F i g. 2 kontaktiert. Der andere Anschluß der Diode ist bei 21 kreisförmig mit einer unteren Leitschicht 5 auf der Isoliersioffplatte 10 durch Lötung verbunden. Dieser Punkt führt auf den ■+■ Pol der Vorspannungsquelle.

zo Zur Bildung des anderen Belages der Kapazität CK in F i g. 1 ist diese Isolierstoffplatte über eine weitere lsolierstoffolie in eine topfförmige Hülse 14 eingesetzt, und zwar so, daß an. den Rändern 11 des Blockes 5 keine elektrische Verbindung zwischen Teil 14 und Kaschierung 5 entsteht. Der Rand 22 öcr oberen Metallisierung ist hingegen durch Druck mit dem Außenleiter 13 der Koaxialleitung kontaktiert, der mit der topfförmigen Hülse 14 ebenfalls leitend verbunden ist. Im einfachsten Fall ist die topfförmige Hülse 14 als Schraubkappe ausgebildet und auf ein entsprechendes Außengewinde des Außenleiters 13 aufgeschraubt. Die Kapazität Cl kann durch einen entsprechend langen Stift des Außenleiters betätigt werden.

Die Ausführungen nach den F i g. 2 und 4 können leicht sowohl an Koaxialleitungen als auch an jedem anderen Hochfrequenzleitungstyp, z. B. an eine Streifenleitung, angeschlossen werden. Durch Anwendung der Fotoätztechnik können derartige Tunneldiodenverstärker auf einfache Weise aufgebaut werden und sind bis zu sehr hohen Frequenzen im Mikrowellenbereich mit konzentrierten Bauelementen realisierbar.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Achse parallel zur Leitschichtebene angeordnet ist. Patentansprüche:

1. Verstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bei dem 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 Betriebsfrequenzbereiches aufhebt und andererseits ein Resonanzeigenschaften aufweisendes Element (Resonanzkreis), das die Wirkung des ohmschen Widerstandes innerhalb des Betriebsfrequenzbereiches des Verstärkers aufhebt, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis ein auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimmter Parallelresonanzkreis (C2, L2) ist, der über den Widerstand (RSt) und gegebenenfalls eine der Gleichstromabblockung dienende Kapazität (CK) parallel zum Halbleiterelement (TD) geschaltet ist, und daß dem Halbleiterelement eine Induktivität (Z-I) parallel liegt, die zusammen mit deren Kapazität und gegebenenfalls Streukapazitäten einen ebenfalls auf die mittlere Betriebsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis bildet, daß ferner die Induktivitäten (Ll, L2) fceider Resonanzkreise aus dünnen, in Druekschaltungstechnik ausgeführten Leitern bestehen, die im fletriebsfrequenzbereich noch keinen Leitungscharakter zeigen.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Druckschaltungsplaite (10) eine Leitschichtfläche (1) vorgesehen ist, die gleichzeitig den einen Hochfrequenzanschluß des Refle- * ionsverstärkers bildet und mit dem einen Anschluß iler Diode verbunden ist, ferner mit den in der Ebene der Leiterschichten liegenden Stabilisierungswiderstand (RSt) mit anschließendem Parallelresonanzkreis (C2,L2) und der Induktivität (Ll), und daß tliese Leitschicht von einer Masseleitschicht wesentlich größerer Fläche umgeben ist, auf der die anderen Enden des Parallelresonanzkreises (C2.12) und tier Induktivität (Ll) münden und die den einen Belag der Gleichstromabblockkapazität (CK) bilden, eier isoliert ein Gegenbelag gegenüberliegt, der mit dem anderen Anschluß der Diode verbunden ist.

3. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den als schmale Leiter ausgebildeten Induktivitäten der Resonanzkreise einstellbare Kapazitäten vorgesehen sind, bestehend aus gegenüber den Induktivitäten (Ll, 12) wesentlich breiteren Leitschichten (2, B), die bis nahezu an die umgebende Masseleittchicht (4) herangeführt sind und aus im Bereich des Isolierspaltes zwischen Masseleitschicht (4) und den breiteren Leitschichten (2,3) isoliert aufgebrachten, veränderbaren, insbesondere geteilten und verdrehbar auf der Frontfläche eines Stempels befindlichen Leitschichten.

4. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement mit seiner Achse senkrecht zur !'!auenebene auf die Leitschichtfläche (1) aufgesetzt ist und daß diese Leiischichtfläche, oder der betreffende Anschluß der Diode selbst, den Hochfre-(juenzanschluß darstellen.

5. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Diode mit ihrer 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 Reflexionsverstär-

kern bekannten Art verwendet wird und bei dem ein der Stabilisierung dienender ohmscher Widerstand vorgesehen ist. der den negativen Widerstand außerhalb des Betriebsfrequenzbereichs aufhebt und andererseits ein Rescnanzeigenschaften aufweisendes Element (Reis sonanzkreis), das die Wirkung des ohmschen Widerstandes innerhalb des Betriebsfrequenzbereiches des Verstärkers aufhebt.

Da solche Verstärkeranordnungen mit Halbleiterelementen der genannten Art, wie z. B. Tunneldiode, zu-

mindest im Betriebsfrequenzbereich einen negativen Widerstand an den Eingangsklemmen zeigen, werden die Hi?lbleiterelemente meist an einen Arm eines Zirkulators angeschaltet, an dessen nächstfolgendem Arm der Lastwiderstand liegt Dabei entsteht durch Fehlanpassung die Gefahr von Selbsterregung der Verstärkereinrichtung. Der negative Widerstand der Tun neldiode wurde daher bei einer bekannten Einrichtung für außerhalb des Betriebsfrequenzbereiches liegende Frequenzen durch einen der Stabilisierung dienenden

ohmschen Widerstand kompensiert, dessen Wirkung im Betriebsfrequenzbereich des Verstärkers durch einen Resonanzleitungsabschnitt aufgehoben wurde. Es ist jedoch erwünscht, daß solche Verstärker in einem möglichst breiten Betriebsfrequenzbereich einen ein-

deutigen 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 dem die Tunneldiode und anschließend der Stabilisierungswiderstand im Zuge des Innenleiters des Koaxialleitungsabschnitts angeordnet sind, wird gemäß einem älteren Vorschlag bereits eine größere Bandbreite da durch erreicht, daß an Stelle 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 Koaxialieitungsabschnitts erstrecken. Der Stabilisierungswiderstand wird im Betriebsfrequenzbereich durch einen äußeren Resonanzkreis überbrückt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkeranordnung der obigen Art unter Angabe einet günstigen Schaltung in Miniaturbauweise auszuführen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verstärker für sehi kurze elektromagnetische Wellen, bei dem der negative Widerstand eines Halbleiterelements, insbesondere einer Tunneldiode in der bei Reflexionsverstärkern be kannten Art verwendet wird und bei dem ein der Stabi lisierung dienender ohmscher Widerstand vorgeseher ist, der den negativen Widerstand außerhalb des Be triebsfrequenzbereiches aufhebt und andererseits eir Resonanzeigenschaften aufweisendes Element (Reso nanzkreis), das die Wirkung des ohmschen Widerstan des innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs des Ver stärkeis aufhebt, gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß der Resonanzkreis ein auf die mittlere Betriebsfre quenz abgestimmter Parallelresonanzkreis ist, der übei