DE2032595A1 - Mikrowellenoszillator für Halbleiter vorrichtungen mit negativem Widerstand - Google Patents
Mikrowellenoszillator für Halbleiter vorrichtungen mit negativem WiderstandInfo
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- H03B9/12—Generation of oscillations using transit-time effects using solid state devices, e.g. Gunn-effect devices
- H03B9/14—Generation of oscillations using transit-time effects using solid state devices, e.g. Gunn-effect devices and elements comprising distributed inductance and capacitance
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- H03B7/08—Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element being semiconductor device being a tunnel diode
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- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Description
DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT D-I MÖNCHEN 60
BXCKERSTRASSE 3
Varian Associates, PaIo Alto, California,
USA
Mikrowellenoszillator für Halbleitervorriohtungen mit
negativem Widerstand
Priorität» 2. Juli 1969, USA, Serial Number 838
Es wird ein Mikrowellenoszillator angegeben, bei dem eine
Reihenschaltung aus einem punktförmigen Kondensator und
einer Halbrleitervorriohtung verwandt wird, die einen Bereich
mit negativem Widerstand aufweist. Die Kapazität dee Kondensators
HeAt in Reihenresonanz mit ihrer Selbstinduktivität und bildet das wichtigste frequenzbestimmende Element des
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Resonanzkreises, so daß eine Breitbandabstimmung mit einer
verhältnismäßig einfachen und somit billigen Resonatorschaltung
erreicht werden kann.
Stand der Teohniki
Bieher wurden Halbleitervorrichtungen mit negativem Widerstand
in Resonanzkreisen mit verteilten Konstanten bei Hikrowellenfrequenzen
verwandt. Üblicherweise enthielten derartige Resonanzkreise einen Abschnitt einer Koaxialleitung, die so bemessen
war, daß sie ein Viertelwellenlängenglied darstellte, um einen Resonanzkreis mit verteilten Konstanten zu bilden.
Die Halbleitervorrichtung mit negativem Widerstand, wie etwa eine Gunn-Diode, eine Avalanche-Diode, eine Tunneldiode oder
dergleichen wurde mit dem Mittelleiter des Koaxialresonators in Reihe oder im Nebenschluß geschaltet. Der die Betriebsfrequenz
des Oszillators bestimmende Resonator war mit Hilfe eines in axialer Richtung verschiebbaren Abstimmelementes,
wie etwa einer berührenden KurzSchlußendwand oder eines dielektrischen
Ringes, über ein verhältnismäßig breites Band abstimmbar*
Typische Beispiele für die bisher bekannten Mikrowellenschaltungen mit verteilter Konstante sind solche Schaltungen,
wie sie in den Zeitschriften "Proceedings of the IEEB vom Januar 1965, Seite 80" und "Electronic Letters vom
Dezember 1966, Vol. 8, No. 12, Seiten 467 und 468" beschrieben
sind. Der Nachteil dieser bekannten Oszillatoren besteht darin, daß sie verhältnismäßig komplex und deshalb verhältnismäßig
teuer herzustellen sind. Darüberhinaus wäre es wünschenswert, den Oszillator zu verkleinern.
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Jie vorliegende Erfindung strebt hauptsächlich einen verbesserten Milcrowellenoszillator für Kalbleitervorrichtungen
mit r.erutive::. Widerstand an.
Gemäß der J£rfii:-dur..? wird ein .punktförmiges Kondensatorelement
ir.it einer Vorrichtur.r nit negativen Widerstand in Reihe geschaltet,
.wcbei das punktf ;irmige Kondensatorelement eine
'Selbstinduktici: besitzt, die bei der Mikrowellenarbeitsfrequcn:ir
äes C-aiiialators in heihenresonanz -mit äev Kapazität des
Kondensat oröleiuer.tns lie^t, so daß der Oszillator bedeutend
kleiner und einfacher ausgebildet-.werden kann.
v,-ird der Kondensator veränderlich ausgebildet ur.ü \vt?ist swenicnaßiger-.veise wenigstens zwei axial interdigixierte
koaxial an^eoi-ii^ete ■ zylindrische Leiter auf.
Yieiteri-in wird ^ν,-eckraüßiger-.veisQ ein leitendes Gehäuse vorgeööiion,
das ier. kondensat er und die Yorricntung mit negativem
Viierstand u:.schließt, ur.d es werden in vorteilhafter Weise
durch eine Wan"! des Gehäuses-führende Einrichtungen vergesehen,
.tun Energie von dem Oszillator an einen geeigneten Verbraucher -
auszukoprelr.. , . ·
Vorzugsweise besteht die Halbleitervorrichtung mit negativem Widerstand aus .einer Vorrichtung, die mit dem Gunn-Effekt
arbeitet. ..'...
In folgenden soll die Erfindung näher anhand von in der Zeichnung
dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispielen erläutert werden. Ir. der Zeichnung seigern
j?ig. 1 einen Längsschnitt durch einen gemäß der vorliegenden
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Erfindung ausgebildeten M'ikrowellenoszillator, Figo 2 eine vereinfachte schematische Schaltung für den in
Fig. 1 gezeigten Oscillator,
Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt durch den in Fig. 1 dargestellten
Teil, der durch die Linie 3-3 umrandet ist, und
i'ig. 4 eine graphische Darstellung der -Ausgangsleistung bei Dauerbetrieb in LIilliwatt in Abhängigkeit von der Frequenz in Gigahertz für einen typischen Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung.
i'ig. 4 eine graphische Darstellung der -Ausgangsleistung bei Dauerbetrieb in LIilliwatt in Abhängigkeit von der Frequenz in Gigahertz für einen typischen Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung.
Vorzug3WeJjB1G- Au_sf üjirun/?_sformen:
In Fit:. 1 ist ein Uikrowellenoszillator 1 mit den Merkmalen äer
vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Likrov/ellenoszillator
1 v/eist eine iieihenschaltung eines herkömmlicher. Trimmer-Kondensators
2 ν.τΛ eine Halbleitervorrichtung 3 mit negativem
Vriäerstand, wie etv/a einer Gunn-Effekt-Diode, einer Avalanche-Diode
USV/., auf. Der Kondensator 2 und die Diode 3, die witeinar.der
±i\ Reihe gecchaltot sind, cl^i von einem leitenden
Gehäuse 4 uir.schlosser,o Eii.e Gleichspaniiungsquölle 5 i.iit einer
Verstärkung von etv/a 1C bis 20 Volt für eine Gunn-Diode wird
über eine Leitung 6 an eine Klemme 7 angelegt, die zwischen
dem Kondensator 2 mA der Vorrichtung 3 Kit negativem Widerstand
angeoranet ict. Das Gehäuse 4 liegt auf Srdpotential.
Line thermisch und elektrisch leitende Stiftschraube 8 ist
äurcL eine Gev/indebohrung in der Endv;&.nd 11 des Gehäuses 4
eingeschraubt, ur-d diese Stiftschraube & ist mit der Halbleitervorrichtung
3 derart ausgerichtet, daß eine Klemme oder eine
Zuführung der Vorrichtung 3 über die ',Värrr.e abführende Stiftschraube
&, die etwa aus Tellur Kupfer besteht, in gutem
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BAD OFtIGINAl
elektrischem und thermischem Kontakt mit dem Gehäuse 4 steht.
-Zwischen die Zuführung 6 und das Gehäuse 4 ist ein Ableitkondensator 12 geschaltet, um die Leitung durch eine Öffnung
in dem Gehäuse zu führen, während auf das Gehäuse 4 die gesamte
Mikrowellenenergie abgeleitet wird, die nicht durch die Induktivität dieser Leitung 6 unterdrückt worden ist.
In dem Inneren des Gehäuses 4 ist eine Auskoppelschleife 14
angeordnet und mit einem Abschnitt einer Koaxialleitung 15
verbunden, um Mikrowellenenergie von dem Oszillator zu einem geeigneten, nicht dargestellten Verbraucher auszukoppeln.
Das Gehäuse 4 ist auf seinen Innenwänden vorzugsweise mit einem
äußerst gut elektrisch leitenden Material, wie etwa Silber oder Kupfer, plattiert bzw. überzogen. Geeignete Materialien für die
Wände des Gehäuses 4 sind zum Beispiel Invar, Kupfer oder
Aluminium.. Besonders geeignet ist Invar, da dieses Material
einen sehr, niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt,
wodurch die Verstimmeffekte möglichst niedrig gehalten
werden, die auf einer thermischen Ausdehnung oder Zusammenziehung des Gehäuses 4 beruhen. Diese Yerstimmeffekte sind im
allgemeinen klein, da hauptsächlich das die Frequenz bestimmende
Element der Schaltung aus dem Kondensator 2 und seiner Selbstinduktivität besteht. Ein weiterer kleiner Verstimmeffekt
rührt von den Induktivitäten und den Kapazitäten her, die von
dem Halbleitermaterial, den Leitungen und dem Gehäuse der zusammengebauten Diode 3 herrühren.
Die Quelle für die Vorspannung ist als Gleichspannungsquelle dargestellt, wie sie für einen Dauerwellenbetrieb des Oszillators
verwandt wird. Bei einigen Anwendungen ist es erwünscht,
einen gepulsten Ausgang zu erzeugen, und in diesem Falle würde die Vorspannungsquelle 5 aus einer Quelle mit gepulster
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Spannung, mit etwa 30 oder 40 Volt für eine Gunn-Diode, bei einem geeigneten Tastverhältnis bestehen, mn den durch Wärme in
der Diode entstehenden leistungsverlust auf ungefähr 10 Watt zu
beschränken.
In Fig. 2 ist die für den in Fig. 1 gezeigten Mikrowellen-Oszillator
äquivalente Schaltung dargestellt.^ In der Schaltung
sind der Kondensator 2 und seine Selbstinduktivität L miteinander und mit der Halbleitervorrichtung 3 mit negativem Widerstand
in Reihe geschaltet. Das Gehäuse 4 bildet eine leitende Verbindung zwischen dem Kondensator 2 und der Diode 3, und es
besitzt eine kleine induktive Reaktanz, die klein im Verhältnis zu der Kapazität des Kondensators 2 und der Induktivität, der
Selbstinduktion L ist, so daß diese beiden letzteren Elemente die bestimmenden Elemente für die Frequenz des Serienresonanzkreises
darstellen.
Die Kapazität des Kondensators 2 wird verändert, um die Mikrowellenreiheneigenresonanzfrequenz
des Kondensators 2 auf die gewünschte Arbeitsfrequenz des Oszillators 1 abzustimmen.
Ein Belastungswiderstand R wird magnetisch über eine Kopp-
lungsschleife 14 an den Reihenresonanzkreis angekoppelt. Durch
die Vorspannung, die von der Vorspannungsquelle 5 geliefert wird und die an der Vorrichtung 3 mit negativem Widerstand
liegt, wird diese Vorrichtung derart in einem Bereich mit negativem Widerstand vorgespannt, daß der Kreis in einer
Dauerschwingung in der Nähe der Mikrowellenreiheneigenresonanzfrequenz
des Kondensators 2 schwingt. Durch die Reiheninduktivität der Vorspannungsleitung 6 und die Kapazität des
Ableitkondensators 12 wird ein Tiefpaßfilter gebildet, durch
das verhindert wird, daß Mikrowellenenergie von dem Resonanz-
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kreis ir. die Ycrspannungsquelle 5 eingekoppelt wird.
In Άι\. 3 ist der Trinimer-Kondensator 2 mehr im einzelnen darren teilt c Der Kondensator 2 "besteht aus einem herkömmlichen,
in Υ.ητΛel erhältlichen Trimmer-Kondensator von tlikroniniatur-,'.röße.
" üir. typisches Beispiel für einen derartigen Kondensator
;:, (vor ir; einer Schaltung verwandt werden kann, die bei einer
Llittel^requens von 5 Gigahertz arbeitet, ist ein JLIC Model
-'/Ο,■", dor aus einem Likrorainiatur-Triminerkondensator besteht,
dor einen Kapazitätsbereich von-ü, 35 pi1 bis 3»5 pF, ein
Q rei cIiQ Γ.Ηζ von größer als 2C0C und einen Temperaturkoeffizienter vor. 1JC + T-O prc I'illior, pro G besitz- - Tie'LUii^e- in dem
üe:.ause ·ί bo-jräVt 0,714 ei" und uor grüßte Durdunesser beträgt
)-?r rrirrjr.ur-iLonaGiisator 2 enthält' eine zentral aiigeordiiete
ojiiraube ..1, die rr.vei sylijidrisoh-i, leitende Glieder 22 und
/~': -iui'v/^iat-r aie koaxial zueinander ui:d zu der Schraube i.1
iir.;-*t?orär.ex sii.a. Γ-ie nylindrigc^.-·;; Glieder ?.2 und £J5 sind
ic. .-»*jr: Ii.nerer. ZnCw dor 3c}.z*aiiVo 1 befestigt, und sie bilden
eir.e iv.'ndcneatorplutte des Ilo2id»3:-n-;tcrs: 2. Die zylindrischen
ilieder 2" und 23 greifen axial rit eine::: zweiten Paar zy-
-ir.driacr.er, leitor.der 33Jedei· ;-:<' ur.d 25 ineinander, üie von
oiiuir üeiter.aer: ooheibe .16 gehalten vverder.. Die Scneibc 26
ur.d aie sich hiervon ir. axialer dichtung erstreckenden und
koaxial an^ecrdneten Z3-lindrisc2:en Glieder 24 und 25 bilden
die zweite Ecrßenaatorplatte des Kondensators 2. Sie ineinandci'^reilenden
Kondensatorplatteii des Kondensators sind
von einer, hohl zylindrischen Isolf.torkürper 27, der etwa aus
■Tonerde best ent, umgeben, und dieser Isolierkörper ist an einen
Snde mit der Scheibe 26 und an den anderen Ende mit einer mit
InnengeViar.de versehenen leitenden Hülse 28 verbunden. Das Innei:-
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ORIGINAL
gewinde der Hülse 28 ist auf das Außengewinde auf der Schraube 21 aufgeschraubt, so daß bei einer Drehung der Schraube 21
die sich gegenseitig gegenüberliegenden Flächen der ineinandergreifenden
zylindrischen Glieder 22 bis 25 verändert werden, so daß sich die Kapazität des Kondensators 2 ändert. Auf der
Hülse 28 ist ein Außengewinde ausgebildet, das in das Innengewinde einer Gewindebohrung in der oberen Wand des Gehäuses
4 eingeschraubt ist. Eine Feststellmutter 29 ist auf das Außengewinde der Hülse 28 aufgeschraubt, um den Kondensator 2
in seiner Stellung in bezug auf die Endwand des Gehäuses 4 festzustellen.
In Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Dauerwellenausgangsleistung in Milliwatt in Abhängigkeit von der Frequenz
in Gigahertz (GHz) dargestellt, die die Ausgangsk.ennlinie des Likrowellenoszillator3 1 der Fig. 1 unter Verwendung einer
Gunn-Effekt-Laufzeitdiode 3 zeigt. Y/ie aus Fig. 4 hervorgeht,
kann die Ausgangsleistung einer besonderen Galliumarsenid-Diode
über den verhältnismäßig breiten Bereich von 4,5 bis 5,7 GHz ohne eine merkliche Verringerung der Ausgangsleistung
abgestimmt werden. Bei einem Impulsbetrieb mit einem Tastverhältnis
von annähernd 10;& wurden wesentlich größere Spitzenleistungsausgänge
erzielt. Zum Beispiel wurde bei 4,5 GHz
eine Spitzenleistung von 20 Watt erhalten. Gemäß der Erfindung ausgebildete Oszillatoren 1 können über den Frequenzbereich
von 2 bis 8 GHz betrieben werden.
Der Hauptvorteil eines die llerkmale der vorliegenden Erfindung
verkörpernden Uikrowellenoszillators 1 besteht darin, daß das
hauptsächlich die Frequenz bestimmende Element des Kreises aus
einem Trir.me r-Kond ensat or 2 besteht t der im Handel erhältlich
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■und billig ist. Hierdurch wird der IJikrowellenoszillator we-"sentlich
verkleinert und der Aufbau des Mikrowellenoszillators
wird wesentlich vereinfacht. Die Größe des Mikrowellenoszillators wird weitgehend durch die Verwendung des punktförmigen
Kondensators 2 verringert. Zum Beispiel würde der in der oben
genannten Zeitschrift "Electronic Letters" beschriebene äquivalente
Oszillator eine Länge von annähernd 10 cm aufweisen,
während die äquivalente Länge des erfindungsgemäßen Oszillators 1 annähernd 1S25 cm beträgt.
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Claims (1)
- Patentansprücheί 1. /Mikrowellenossillator mit einer einen Resonanzkreisbildenden,, zur Resonanz bei einer Llikrowellenfrequenz
abgestimmten Einrichtung, mit einer Halbleitervorrichtung, die in diesen Resonanzkreis eingeschaltet ist und die einen negativen'Widerstand aufweist, wenn an sie eine bestimmte Vorspannung angelegt wird, um eine Mikrowellenschwingung bei der Mikrowellenresonanzfrequenz des Resonanzkreises zu erzeugen, und mit einer Einrichtung zum Auskoppeln von Mikrowellenenergie aus diesem Resonanzkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis einen Kondensator (2) enthält, der eine Kapazität (G) und eine SeIbstinduktivität(L ) besitzt, daß die Kapazität und die Selbstinduktivität sdes Kondensators die hauptsächlich die Frequenz des Resonanzkreises bestimmenden Elemente sind und daß die Kapazität des Kondensators bei im wesentlichen der Mikrowellenbetriebsfrequens des Oszillators in Reihenresonanz mit der Selbstinduktivität geschaltet ist.2. Vorrichtung nach Anspruch 1s dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) aus einem veränderlichen Kondensator besteht, der wenigstens zwei axial Ineinandergreifende, koaxial zueinander angeordnete zylindrische Leiter (22, 23, 24, 25) aufweist.3ο Vorrichtung nach Anspruch 23 dadurch gekennzeichnet, daB die ineiandergreifenden zylindrischen Leiter axial gegeneinander verschiebbar sind, um die Kapazität des Kondensators zu verändern.009882/1S724. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung (3) mit negativem V/iderstand in Reihe mit dem Kondensator und der Selbstinduktion des Kondensators geschaltet ist.h« Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) und die Halbleitervorrichtung (3) rait negativen Widerstand von einem leitenden Gehäuse (4) umgeben sind.6. Vorrichtung nach einen: der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (6) mit einer Anschlußklemme (7) verbunden ist, die zwischen dem Konden- ™ sator (ei) und der Halbleitervorrichtung (3) angeordnet ist, um die bestirnte Vorspannung an die Halbleitervorrichtung anzulegen.7» Vorrichtung r.ach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch t:okenr.zeicknet, daß die Halbleitervorrichtung nit negative!:. Widerstand au3 einer !.lasseneffelrtdiode besteht.f. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Llassenexi'ektdiQie aus ■ eii.er Güim-Sffekt-Diode besteht.009882/1672Leerseite
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