DE1949645A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen

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Description

Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen, und insbesondere solche Vorrichtungen, mit denen gesteuerte Mikrowellenausgänge erzeugt werden können.
Bisher wurde die Frequenzsteuerung des durch ein Mikrowellen erzeugendes Element, wie etwa eine Avalanchediode, erzeugten Ausganges durch eine mechanische Einrichtung vorgenommen. Dies geschah dadurch, daß an einem Ende eines Hohlraumresonators, in dem ein Mikrowellen erzeugendes Element, wie etwa eine oben erwähnte Vorrichtung, angeordnet ist, ein beweglicher Kurzschlußkolben vorgesehen wird, und daß dieser Kolben so einge-
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stellt wird, daß ein Ausgang erzeugt wird, der in Resonanz mit dem Resonator ist, und dieser so erzeugte Ausgang wird sodann
durch einen Wellenleiter zu einem Verbraucherendabschnitt geführt. Diese Art der Steuerung eines Mikrowellenausganges, bei dem die Steuerung mechanisch ausgeführt wird, ist nur schlecht durchführbar, und es ist äußerst mühsam, eine Feineinstellung zu erreichen.
Ein anderer Weg, die Frequenz und/oder die Amplitude eines Mikrowellenausgangs zu steuern, wie er von einem gewöhnlichen
Pestkörperelement, wie etwa .einer üblicherweise verwandten
Avalanchediode, abgegeben wird, besteht darin, daß ein Wechselspannungs- oder ein G-leichspannungssteuersignal direkt auf die Diode gegeben wird, um dadurch den Arbeitspunkt der Diode selbst zu verändern, um hierdurch die Frequenzmodulation zu bewirken. Bei dieser Art von Modulation besteht jedoch die öefahr, daß
in dem Element ein thermischer Durchbruch auftritt, der auf eine übermäßige leistung zurückzuführen ist, die durch ein Modulationssignal erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung bezweckt deshalb, eine Vorrichtung
zur Erzeugung von Mikrowellen anzugeben, die frei von den oben erwähnten Nachteilen ist,
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Die vorliegende Erfindung bezweckt weiterhin, eine Vorrichtung zur Erzeugung von gesteuerten Mikrowellen anzugeben, ohne den Arbeitspunkt eines Erzeugungselementes zu verändern.
Dies wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung erreicht, die sich auszeichnet durch einen Hohlraumresonator, ein erzeugendes Element, das in dem Hohlraumresonator angeordnet ist, durch ein veränderliches Reaktanzelement, das in der Nähe des erzeugenden Elementes in dem Hohlraumresonator angeordnet ist/ und durch eine Einrichtung, um ein Steuersignal auf das veränderliche Reaktanzelement zu geben. Die Anordnung des veränderlichen Reaktanzelementes sollte so sein, daß, wenn sich das veränderliche Reaktanzelement in dem Resonator auf einer Seite des erzeugenden Elementes liegt, auf der ein Verbraucher angeordnet ist, das Reaktanzelement in einem Abstand von dem erzeugenden Element liegt, der so groß wie zwei Wellenlängen einer von der Vorrichtung zu erzeugenden Mikrowelle ist, während, wenn das veränderliche Reaktanzelement auf der entgegengesetzten Seite des erzeugenden Elementes in dem Resonator liegt, das Reaktanzelement zwischen dem erzeugenden Element und einem Kurzschlußkolben liegen soll. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch den Betrieb des veränderlichen Reaktanzelementes ein gesteuerter Mikrowellenausgang erhalten werden, der in Resonanz mit dem Resonator ist.
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Im folgenden soll die Erfindung näher anhand eines in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispiels erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für die Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen ebenso wie ein Beispiel für die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt; und
Pig. 2 eine graphische Darstellung, in der eine charakteristische Kurve eines veränderlichen Reaktanzelementes dargestellt i3t, das in der in Pig. 1 gezeigten Vorrichtung verwandt werden kann.
In Pig. 1 ist eine vorzugsweise Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In Pig. 1 sind in einem Hohlraumresonator 1 ein Mikrowellen erzeugendes Element 2, z.B. eine Avalanchediode, und ein veränderliches Reaktanzelement 3, z.B. eine veränderliche Kapazitätsdiode, die als Varaktor bekannt ist, in der Nähe der Avalanchediode 2 angeordnet. Pur die Avalanchediode 2 und das veränderliche Reaktanzelement 3 sind jeweils getrennte Gleichspannungsquellen 4 bzw. 5 vorgesehen. An einem Ende des Hohlraumresonators 1 ist ein veränderlicher Kurzschlußkolben 6 angeordnet. Während des Betriebes wird der Kurzschlußkolben 6 verschoben, um den wirksamen Hohlraum des
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Resonators 1 einzustellen, und indem die an das veränderliche Reaktanzelement 3 angelegte Vorspannung auf einen geeigneten Wert eingestellt wird, kann die Vorrichtung auf eine gewünschte Frequenz abgestimmt werden. D.h., wenn an die Avalanchediode eine Vorspannung durch die Gleichspannungsquelle 4 angelegt und in einen Mikrowellen erzeugenden Zustand gebracht wird, wird eine vorbestimmte Mikrowelle erzeugt. Die Frequenz der Schwingung kann lediglich dadurch geändert werden, daß die Vorspannung geändert wird, die an das veränderliche Reaktanzelement angelegt ist. Somit wird bei der vorliegenden Erfindung die Abstimmung des Hohlraumresonators 1 elektrisch durch das veränderliche Reaktanzelement 3 ausgeführt, während die Abstimmung bei den bisher bekannten Vorrichtungen meist mechanisch durch den Kurzschlußkolben 6 vorgenommen wurde.
Das veränderliche Reaktanzelement 3 kann eine bekannte veränderliche Kapazitätscharakteristik aufweisen, die von der Spannung V abhängt, die an den p-n Übergang des veränderlichen Reaktanzelementes 3 angelegt wird, wobei die Änderung der Kapazität C des Elementes von einigen Picofarad bis 10 Picofaiad reichen kann, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Aus diesem Grunde ist eine elektrische Einstellung der Abstimmfrequenz des Resonators durch die veränderliche Kapazitätscharakteristik des Elementes 3, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, möglich, wenn das veränder-
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liehe Reaktanzelement 3 mit dem Mikrowellen erzeugenden Element 2 in den Resonator 1 eingebaut wird und die Gleichspannung der Spannungsquelle 5 geeignet eingestellt wird.
Es wurde festgestellt, daß die Anordnung des veränderlichen Reaktanzelementes 3 in Bezug auf das Mikrowellen erzeugende Element 2 in dem Hohlraumresonator so getroffen werden sollte, daß sich das veränderliche Reaktanzelement 3 in einem Abstand in der Größe von 2 Wellenlängen der durch die Vorrichtung erzeugten Mikrowelle befindet, wenn dieser Abstand von dem Element 2 gegen den Verbraucher hin gemessen wird, oder daß das veränderliche Reaktanzelement 3 zwischen dem Element 2 und der Endwand oder dem Kurzschlußkolben 6 angeordnet ist. Es wurde festgestellt, daß der sich ergebende Mikrowellenausgang nicht zufriedenstellend und die Abstimmempfindlichkeit beschränkt war, wenn das Element 3 nicht in der oben angegebenen Weise angeordnet wurde, während sich eine äußerst gute Betriebsweise und ein äußerst kleiner Aufbau der Vorrichtung ergab, wenn ein einziger Halbleitergrundkörper verwandt wurde, indem beide Elemente 2 und 3 nach der sogenannten Integrationsschaltungstechnik ausgebildet wurden, um die Elemente nahe beieinander anzuordnen, oder um das Element 3 in einem Abstand von 3/8 oder 7/8 Wellenlängen einer erzeugten Mikrowelle von dem Element 2 anzuordnen.
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Weiterhin kann eine Frequenzmodulation dadurch erreicht werden, daß einer geeigneten Gleichspannungsvorspannung, die an das veränderliche Reaktanzelement 3» wie etwa eine veränderliche Kapazitätsdiode, angelegt wird, ein Wechselspannungssignal überlagert wird. D.h. entsprechend der Fig. 1 wird an den Varaktor oder das veränderliche Eeaktanzelement 3 eine geeignete Gleichspannungsvorspannung durch die Gleichspannungsquelle 5 angelegt, und gleichzeitig wird auf das veränderliche Reaktanzelement 3 von einer Signalquelle 7 ein Modulationssignal gegeben. Da der Arbeitspunkt des veränderlichen' Reaktanzelementes 3 in Abhängigkeit von dem von der Quelle 7 zugeführten Modulationssignal verändert wird, wird der von der Vorrichtung erzeugte Ausgang frequenzmoduliert und an den Verbraucher gegeben. Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergab sich bei der Verwendung eines Modulationssignals bei 2 bis 10 MHz eine Frequenzmodulationsbreite von ungefähr 1 MHz pro Volt. ·
Weiterhin können, selbst wenn sich die Frequenz der erzeugten Mikrowelle aus irgendeinem unerwarteten Grunde ändert, z.B. wenn der Betriebszustand der Avalanchediode 2 zufällig schwankt, solche Schwankungen automatisch gemäß der vorliegenden kompensiert werden.
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Wie aus Pig. 1 zu ersehen ist, wird dies dadurch erreicht, daß ein Teil des Ausganges der Vorrichtung dazu verwandt wird, eine Frequenzabweichung oder einen Frequenzunterschied des Ausganges von dem normalen Betriebszustand festzustellen, und daß die festgestellte Frequenzdifferenz einem Frequenzdiskriminator 8 zugeführt und in diesem in ein Spannungssignal umgewandelt wird. Der Ausgang des Frequenzdiskriminators 8 wird negativ zu dem Varaktor 3 über einen Verstärker 9 zurückgekoppelt. Auf diese Weise läßt sich eine automatische Frequenzsteuerung der Vorrichtung erreichen.
Obgleich in der obigen Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Avalanchediode als Mikrowellen erzeugendes Element erwähnt wurde, können dennoch auch andere anregende Pestkörperelemente, wie etwa eine Grunn-Diode, LSA-Diode oder eine Tunneldiode in gleicher Weise verwandt werden. Als veränderliches Reaktanzelement kann neben einem Varaktor ein beliebiges Halbleiterelement verwandt werden, das ähnliche Eigenschaften wie ein Varaktor aufweist, etwa eine gewöhnliche p-n Übergangsdiode, eine Schottkyspenschichtdiode, eine Metalloxydsiliziumdiode oder eine Punktkontaktdiode.
Wie oben beschrieben wurde, umfaßt die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen einen Hohlraumresonator, ein Anregungselement, das in dem
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Hohlraumresonator angeordnet ist, ein veränderliches Reaktanzelement, das in der Nähe des Anregungselementes in dem Resonator angeordnet ist, und eine Einrichtung, um ein Steuersignal auf das Reaktanzelement zu geben, so daß ein beliebiges Ausgangssignal im Mikrowellenbereich erzeugt werden kann, ohne daß der Arbeitspunkt des Anregungselementes selbst geändert wird, wobei das Anregungselement in einem gewünschten stabilisierten Zustand betrieben wird, weshalb keine thermischen Durchbrüche in dem Anregungselement mehr auftreten. Der Aufbau der Vorrichtung ist beträchtlich vereinfacht. Da das veränderliche Reaktanzelement, wie etwa eine veränderliche Kapazitätsdiode, zusätzlich eine hohe Impedanz in Bezug auf eine Modulationssignalquelle aufweist, kann ein Modulationssignal vorzugsweise eine kleinere Amplitude aufweisen, als sie bisher üblicherweise verwandt wurde.
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Claims (1)

  1. - ίο -
    Patentansprüche
    1.J Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellen, gekennzeichnet durch einen Hohlraumresonator (1), ein Anregungselement (2), das in dem Resonator angeordnet ist, durch ein veränderliches Reaktanzelement (5), das in der Nähe des Anregungselementes in dem Resonator angeordnet ist, und durch eine Einrichtung (7), um ein Steuersignal auf das veränderliche Reaktanzelement zu geben.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungselement ein Mikrowellen erzeugendes Festkörperelement ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das veränderliche Reaktanzelement aus einem Element mit veränderlicher Kapazität besteht, dessen Kapazität durch eine Spannung verändert wird, die an das Element mit veränderlicher Kapazität angelegt wird.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das veränderliche Reaktanz-
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    element (3) auf der Seite des Anregungselementes (2) angeordnet ist, auf der ein Verbraucher an den Resonator ange-
    ti
    koppelt ist, und daß der Abstand zwischen dem Anregungselement und dem veränderlichen Reaktanzelement nicht größer als zwei Wellenlängen einer Mikrowelle ist, die durch die Vorrichtung erzeugt werden soll.
    β Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch g e kennzeichnet , daß das veränderliche Reaktanzelement (3) zwischen dem Anregungselement (2) und einem Kurzschlußkolben (6) angeordnet ist, der an dem Ende auf einer Seite des Resonators vorgesehen ist, die der Seite des Resonators gegenüberliegt, auf der ein Verbraucher an den Resonator angekoppelt ist.
    6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das veränderliche Reaktanzelement (3) und das Anregungselement (2) aus einem einzigen Grundkörper ausgebildet sind.
    7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das veränderliche Reaktanzelement (3) in einem Abstand von 3/8 Wellenlängen einer
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    erzeugten Mikrowelle von dem Anregungselement (2) entfernt angeordnet ist.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das veränderliche Reak-
    ^ tanzelement (3) in einem Abstand von 7/8 Wellenlängen einer erzeugten Mikrowelle von dem Anregungselement (2) entfernt angeordnet ist.
    9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein Frequenzdiskriminator (8) vorgesehen ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Differenz zwischen dem tatsächlichen Ausgang und einem vorbestimmten normalen Ausgang der Vorrichtung darstellt, und daß das Differenzsignal zu dem veränderlichen Reaktanzele-
    " ment (3) rückgekoppelt wird.
    10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
    gekennzeichnet, daß dem Steuersignal, das an . das veränderliche Reaktanzelement angelegt wird, ein Modulationssignal überlagert wird.
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