DE2032595A1 - Mikrowellenoszillator für Halbleiter vorrichtungen mit negativem Widerstand - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DR. CLAUS REINLÄNDER _{V1 p261 D}

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

Zusammenfassung!

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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Zusammenfassung der Erfindung;

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.

Vorzug3WeJjB₁G_- Au_sf üjirun/?_sformen:

In Fi_t:. 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 1_S25 cm beträgt.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ί 1. /Mikrowellenossillator mit einer einen Resonanzkreis

   bildenden,, 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 s

   des 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 1_s 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.

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   4. 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.

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