DE2042844A1 - Mikrowellenoszillatorschaltung für eine Vorrichtung, die einen durch Raumeffekte bedingten negativen Widerstand aufweist - Google Patents

Mikrowellenoszillatorschaltung für eine Vorrichtung, die einen durch Raumeffekte bedingten negativen Widerstand aufweist

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DE2042844A1
DE2042844A1 DE19702042844 DE2042844A DE2042844A1 DE 2042844 A1 DE2042844 A1 DE 2042844A1 DE 19702042844 DE19702042844 DE 19702042844 DE 2042844 A DE2042844 A DE 2042844A DE 2042844 A1 DE2042844 A1 DE 2042844A1
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harmonic
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voltage
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Arthur Bayard Menlo Park Calif. Vane (V.StA.). H04b 1-10
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Varian Associates Inc
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  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Description

  • tung eine der zweiten Harmonischen entsprechende Spannung auf~ tritt, wodurch der Umwandlungswirkungsgrad des Oszillators verbessert wird. Dem Oszillator wird Leistung mit Hilfe eines Pilterkreises entnommen, der so abgestimmt ist, daß er die Grundfrequenz durchläßt und die Harmonische zurückhält.
  • Stand der Technik: Bisher wurden bei Nikrowellenoszillatorschaltungen für Vorrichtungen, die einen durch Raumeffekte bedingten negativen Widerstand aufweisen, ein offener Halbwellenlängen-Resonanz abschnitt einee Bandleiters verwandt, der an seinen einander gegenüberliegenden Enden Kondensatoren aufwies, wobei die die Raumeffekte zeigende Vorrichtung parallel zu dem Bandleiter an einem Punkt in der Nähe einer Nullapannung des Grundmodus geschaltet war, Eine derartige Oszillatorschaltung ist in der USA-Patentschrift 3 416 099 der Anmelderin bebeschrieben. Es wurde festgestellt, daß bei einer solchen Schaltung der Umwandlungswirkungsgrad im L-Band für durch schnittliche Gunn Dioden bei annähernd 6 ffi lag, und die übliche von einer Gunn Vorrichtung erhaltene Stromwellenform bestand au. kurzen Impulsen, die sich mit der Grundfrequenz des Oszillators wiederholten. Es soll eine ähnliche Schaltung mit einem verbesserten Umwandlungswirkungsgrad angegeben werden, Es ist bereite bekannt, daß der Umwandlungswirkungsgrad einer Vorrichtung, die einen durch Raumeffekte bedingten negativen Widerstand zeigt, wie etwa eine Gunn-Dlode, dadurch verbessert werden kann, daß die Gunn-Diode in einen Resonanzkreis eingebaut wird, bei dem die Hochfreqvlenzfelder der zweiten Harmonischen der Schaltung in die Gunn-Dlode eingekoppelt werden. Es wird angenommen, daß die Vetbesserung, die sich für den Umwandlungswirkungsgrad ergibt, auf der Erzeugung eines annähernd rechteokwellenförmigen Stroms durch die Gunn-Vorrichtung beruht, wenn sie durch eine EF-Spannung, wie etwa die halbsinu#förmige Welle, die erzeugt wird, wenn eine Grundsinuswellenspannung mit einer Sinuswelle der zweiten Harmonischen kombiniert wird, die eine halb so große Amplitude aufweist, abwechselnd unter und über einen Schwellenwert vorgespannt wird, \Wenn Jedoch die HP-Spannung an der Diode bei der zweiten Harmonischen, wenn diese der HF-Grundspannung und einer Gleichspannungsvorspannung überlagert wird, eine bestimmte Spannungshöhe überschreitet, so kann die Gunn-Diode in einen Avalanche-Betriebszustand geschaltet werden, wodurch sich eine katastrophale Fehlschaltung ergibt.
  • Zusammenfassung der Erfindung: Gemäß der vorliegenden Erfindung soll eine verbesserte Mikron wellenoszillatorschaltung für eine eine niedrige Impedans aufweisende Vorrichtung mit auf Raumeffekten beruhenden negativen Widerstand angegeben werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zwei veränderliche punktförmige Eondeneatoren im Nebenschluß parallel zu den Enden eines kurzen Bandleiters geschaltet, um einen offenen Halbwellenlängenresonator zu bilden, der in seinem Grundresonanzmodus auf die Arbeitsfrequenz des Oszillators abgestimmt ist, und es wird eine Vorrichtung, die einen auf Raumeffekten beruhenden nega#tiven Widerstand zeigt, vorgesehen, die im Nebenschluß mit dem Resonanzbandleiter an einem Punkt in der Nähe einer Nullspannung für den Grundmodus verbunden ist, wobei die Reaktanz des Bandleiters und die Kondensatoren so abgestimmt sind, daß aufgrund des Resaanz-Xodus der zweiten Harmonischen an der Vorrichtung mit negativem Widerstand die geeignete Spannung erzeugt wird, um den Umwandlungswirkungsgrad des Oszillators zu verbessern.
  • Vorzugsweise wird ein punktförmiges kapazitives Element vorgesehen, das im Nebenschluß mit dem Bandleiter an einem Punkt in der Nähe der Raumeffekte zeigenden Vorrichtung verbunden wird, um den Wellenwiderstand des Bandleiterresonators zu verringern, und um das Einsetzen von Schwingungen bei der Grundfrequenz zu erleichtern.
  • Weiterhin kann zwischen die Leiter eins3andleiters eine hiermit im Wärmeaustausch stehende Platte aus einem Wärmeleitenden isolierenden Material, wie etwa aus Berryliiuq eingesetzt werden, um die Wärmeabführung der Raumeffekte zeigenden Vorrichtung zu erleiehtern, Der Ausgangekreis des Oszillators enthält vorzugsweise einen zweiten offenen Halbwellenlängenbandleiter mit veränderlichen punktförmigen Kondensatoren, die im Nebschluß mit den offenen Enden des Bandleltere verbunden sind, wobei ein solcher zweiter Resonator auf einen Grundresonanzmodue bei der Arbeitsfrequenz des Oszillators abgestimmt und so abgestimmt ist, daß die zweite Harmonische des zweiten Bandleiterresonators gegenüber der Frequenz der zweiten Harmonischen des Oszillators verstimmt ist, so daß die zweite Harmonische des Oszillators am Ausgang unterdrtlckt wird.
  • Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsformen erläutert werden. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine graphische Darstellung, in der der Gleichstrom I gegen die Gleichspannungsvorspannung V für eine typische Halbleitervorrichtung, die einen auf Raumeffekten beruhenden negativen Widerstand zeigt, aufgetragen ist, wobei eine derartige Halbleitervorrichtung in der erfindungsgemäßen Schaltung verwendbar ist, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Nikrowellenoszillators, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, und eine graphische Darstellung einer Hochfrequenzspannung Vrf gegen den Abstand d, in der die stehenden Wellen der Grundwellenlänge und der zweiten Harmonischen des Oszillators dargestellt sind, Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Nikrowellenoszillator der vorliegenden Erfindung, Fig. 4 einen Schnitt durch die in Fig. 3 gezeigte Anordnung entlang der Linie 4-4, Fig. 5 eine vergrößerte Teilansicht des Teils der in Fig. 4 gezeigten Anordnung, der durch die Linie 5-5 umgrenzt ist, und Fig. 6 eine vergrößerte Teilansicht einer anderen lusführungsform der in Fig. 5 gezeigten Anordnung.
  • Beschreibung vorsugßweiser iusftthrungsbeis#iele: In Fig. 1 ist die Charakteristik des Gleichstroms I gegen die Gleichspannungsvorspannung V für eine typische Halbleitervorrichtung, die einen auf Raumeffekten beruhenden negativen Widerstand besitzt, wie etwa eine Gunn-Diode, gezeigt. Wenn die Vorspannung V vergrößert wird, steigt der Strom I an, bis eine bestimmte Schwellenspannung Vt erreicht ist. Bei der Spannung Vt fällt der Strom I ab und bleibt mit steigender Spannung nahezu konstant. Gleichzeitig mit dem Stromabfall beginnt die Vorrichtung Mikrowellenschwingungen aus zu !~uhren, wodurch Gleichspannungsleistung in Mikrowellenleistung umgewandelt wird. Die Schwingungen treten aufgrund eines auf Raumeffekten beruhenden negativen Widerstands der Halbleitervorrichtung auf. Unter dem Ausdruck "Vorrichtungen , die einen auf Raumeffekten beruhenden negativen Widerstand aufweisen", sollen Vorrichtungen verstanden werden, die Gleichspannungsleistung in Mikrowellenleistung aufgrund eines Mechanismus umwandeln, der den Raum- bzw. Volumeneigenschaften der Halbleitervorrichtung zugeschrieben wird, im Gegensatz zu anderen Arten von Vorrichtungen mit einem negativen Widerstand, bei denen eine Gleichspannungsleistung in Mikrowellenleistung vorwiegend aufgrund der Eigenschaften eines p-n uebergangs umgewandelt wird. Ein typisches Beispiel für Vorrichtungen mit Raumeffekten sind Gunn-Dioden, die in verschiedenen Modi arbeiten können, wie etwa in einem Laufzeitenmouds, einem Modus mit gelöschten Domänen, einen Modus mit verzögerten Domänen, einem Modus mit begrenzter Raumladungsansammlung und mit hybriden Modi.
  • Der Modus, bei dem mit der vorzugsweisen Ausführungsform ein hoher Wirkungsgrad erhalten wurde kann als verzögerter Domänenmodus bezeichnet werden. Die Dicke des Halbleitermaterials ist bei dieser Schaltung nicht kritisch, und es konnten Vorrichtungen, deren Dicken zwischen 100 und 25 gm lagen, erfolgreich bei einer Grundfrequenz von 1090 MHz betrieben werden.
  • In den Fig. 2, 3 und 4 ist ein mit Raumeffekten arbeitender L-Band#krowellenoszillator 1 dargestellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der Oszillator 1 umfaßt ein hohles Metallgehäuse 2, in dem die Mikrowellensohaltung enthalten ist. Die Mikrowellenschaltung weist einen ersten kapazitiv belasteten Halbwellenlängenresonanzabschnitt einer Übertragungsleitung 3 auf, der an seinen Enden offen ist, so daß an einer über die Länge des Resoanzbandleiters 9 zentral angeordneten Stelle eine Mikrowellen Nullepannungeebene 4 erzeugt wird (8. die Darstellung der Mikvellenspannung Vrf gegen die Länge 1 der Leitung 3, die schematisch unter der Fig. 2 dargestellt ist, wobei die Kurve für die Frequenz f0 in ausgezogenen Linien dargestellt ist) Zwei veränderliche, punktförmige Kondensatoren 5 und 6 mit Luft-Dfelektrikum sind an den Enden des Resonanslelterabschnittes 3 angebracht. Mit dem Ausdruck "punktförmig" soll zum Ausdruck gebracht werden, daß die elektrisch aktive Länge des Gliedes bei seiner Betriebsfrequenz kleiner als ein Viertel der Wellenlänge im freien Raum ist. Die Kondensatoren 5 und 6 dienen dazu, einen Leiter 7 des Resaanzleitungsabschnittes in engem Kontakt mit einem Bandleiter 9 zu halten, der über dem anderen Leiter 8 angeordnet ist, der aus einer Erdplatte besteht, die durch eine Innenwand des Gehäuses 2 gebildet wird. Zusätzlich bilden die Kondensatoren 5 und 6 eine Glelchspannungsisolation für den inneren Streifenleiter 7, so daß an diesem Streifenleiter eine Gleichspannungsvorspannung angelegt werden kann, was im einzelnen noch weiter unten beschrieben werden soll. Die Kondensatoren 5 und 6 bilden auch eine kapazitive Belastung für die Leitung 3 und sie fügen der Leitung 3 eine Reiheninduktivität hinzu, wodurch in der Resonanz ihre physikalische Länge bei einer halben Wellenlänge der Grundwellenlänge oder bei einer ganzen Wellenlänge der zweiten Harmonischen in dem Bandleiter kurz~geschloseen wird. Die Kondensatoren 5 und 6 sind darüberhinaus veränderlich ausgebildet, um die Resonanzfrequenz des Resonanzabschnittes der Leitung 3 zu verändern, und um die Lage 4 der Mikrowellen-Nullspannung auf der Länge des Bandleiters 9 gegebenenfalls für eine Impedanzanpassung zu verechieben, was ausführlicher weiter unten beschrieben werden soll.
  • Der Bandleiter 9 wird durch einen ersten streifenförmigen Leiter, der etwa aus silberpiattiertem Kupfer besteht, gebildet, der eine typische Breite von 1,27 cm besitzt und der von der unteren Wand 8 des Gehäuses 2 über 2 thermisch leitende, elektrisch isolierende Platten ii, etwa aus Beryllium, gehalten wird. Die Beryllium-Tafeln 11 sind dünn ausgebildet und haben eine typische Dicke von etwa 0,152 cm. Ein zweiter streifenförmiger Leiter 7, der etwa aus silberplattiertem Kupfer hergestellt ist, liegt über dem ersten Streifen 9 und ist an seinen sonden an den Trimmer-Kondensatoren 5 und 6 befestigt. Ein elektrisch leitendes Gitter 13, das etwa aus einem goldplattiertem Wolframdrahtgitter besteht, ist zwischen den streifenförmigen Leitern 9 und 7 angeordnet, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen diesen beiden Streifen herzustellen. Weiterhin bilden der breite Leiter 9 und die dünnen dielektrischen Platten 11 einen Abschnitt einesBandleiters mit niedriger Impedanz, wodurch der Wellenwidersted ffi wnfngert wird.
  • Eine Vorrichtung 14 mit einem auf einem Raumeffekt beruhenden negativen Widerstand, wie etwa eine in einem Laufzeitmodus arbeitende Gunn-Diode, ist mit dem Bandleiter 9 im Nebenschluß in der Nähe der Bullepannungelage 4 der Grundwellenlänge verbunden. Die einen Raumeffekt aufweisende Vorrichtung 14, die etwa aus einem einzigen Plättchen aus Gallium-Arsenid au.
  • einem Quadrat mit 1,5 mm Seitenlänge besteht, besitzt einen niedrigen Feldwiderstand von etwa 0,3 Ohm, eine verhältnismäßig niedrige Impedanz für Mikrowellenenergie, von etwa 6 Ohm und ist in der Nähe der Nullspannungslage 4 angeordnet, um die Vorrichtung 14 in der Impedanz an die Resonanzleitung 3 anzupassen, die mit einer Belastung gekoppelt ist. Ein kapazitiver Belastungssteg 15 verläuft quer zu dem str#ifenförmigen Leiter 9. Das Belastungsglied 15 umfaßt z.B. einen Kupferstreifen, der an dem Kupferbandleiter 9 angelötet ist, wobei das Belastungsglied mit Silber plattiert ist. Entsprechend einem typischen Beispiel liegt die untere Kante des kapazitiven Belastungssteges 15 innerhalb eines Abstandes von 0,025 cm von der geerdeten Platte 8 des Gehäuses entfernt.
  • Die Vorrichtung 14 mit einem auf einem Raumeffekt beruhenden negativen Widerstand (s. Fig. 6), ist mit ihrer unteren Klemme an dem geerdeten Leiter 8 angelötet oder anderweitig hiermit verbunden, und die obere Klemme der Vorrichtung 14 ist über einen elektrisch und thermisch leitenden Kontaktbolzen 16, der etwa aus Tellur-Kupfer besteht, elektrisch mit dem Steg 15 verbunden, wobei der Kontaktbolzen durch ein mit Gewinde versehenes Loch in dem Leiter 9 und dem Steg 15 eingeschraubt ist und gegen die obere Klemme der Gunn-Diode 14 anliegt, um mit der Diode 14 einen elektrischen Kontakt her zustellen und um die Wärme von dieser Diode #bzuleiten. Alternativ kann, wie es in Fig. 5 gezeigt ist ein dünner Streifen auF3 einer Lötfolie 17 zwischen die obere Klemme der Gunn-Diode 14 und die untere Kante den kapazitiven Belastungssteges 15 gepreßt werden, um einen guten elektrischen und tilermischen Kontakt zwischen der Diode und dem Steg 15 herzustellen. Die Ber~y@ium-Platten 11 erleichtern die Wärmeableitung von der Diode 14, in in#dem sie einen thermisch leitenden Weg von dem Leiter 9 über die Platte ii zu der eine Wärmesenke bildende Erdplatte 8 des Gehäuses 2 schaffen.
  • Es wird nunmehr Bezug auf die Fig. 3 und 4 genommen. Bei der in diesen Fig. dargestellten Anordnung wird eine Gleichepannungsvorspannung, von etwa 3,5 Vt Volt mit einer Widerholungsgeschwindigkeit von 20 kHz gepulst, wobei jeder Impuls eine Dauer von 500 Nanosekunden mit einer Anstiegszeit von 30 Nanosekunden aufweist, und diese Vorspannung wird an die einen Raumeffekt aufweisende Vorrichtung 14 angelegt. Die auf das geerdete Gehäuse 2 bezogene Vorspannung wird dem inneren Leiter 7 und somit dem Leiter 9 von der gepulsten Spannungsquelle, die nicht dargestellt ist, über die Leitung 18 zugeführt, Die Leitung 18 wird für Mikrowellen zu dem Gehäuse 2 über einen Durchführüberbrückungskondensator 19 über brückt. Der Leiter 18 ist kurz und weist einen verhältnismäßig großen Durchmesser auf, um die Reiheninduktivität für die einen hohen Strom fi#hrenden Vorspannimpulse zu verringern, wodurch das Überschwingen der Spannung an der Gunn-Diode 14 verringert wird, das durch die plötzliche Stromverringerung bewirkt wird, wenn die Diodenvorspannung die Schwellenspannung Vt übersteigt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die Mlkrowellenkopplrmg zu der Leitung 18 wird dadurch sehr klein gehalten, daß die Leitung entfernt von den dielektrischen Platten 11 angeordrlet tst, in denen der größte Teil der elektrischen Mikrowellenfelder konzentriert ist. Weiterhin ist die Leitung 18 mit dem Inneren Leiter 7 im wesentlichen Ln dem Mikrowellennullspannungspunkt 4 verbunden, um weiterhin die Mikrowellenenergie zu verringern, die an den Vorspannkreis ausgekoppelt wird Dcr in Resonanz befindliche @andleiter 9 besitzt eine charakterislische Impedanz Zo von annähernd 5Ohm. Der Bandleiter ist verhältnismäßig breit ausgeführt, wie es in F1g, 4 angedeutet ist, wobei elne beträchtliche kapazitive Belastung durch die Berylliumisolatoren 11 gegeben iet, und es ist ein verhältnismäßig enger Abstarlel, von etwa 0,152 cm, zwischen dem inneren Leiter 9 irnd der geerdeten Platte 8 vorgesehen, so daß der Wellenwiderstand der Leitung auf einen niedrigen Wert herabgesetzt ist. Darberhinaue dient die Nebenschlußkapazität, die durch das kapazitive Belastungselement 15 gebildet wird, dazu, den Wellenwiderstand der Leitung, insbesondere für die zweite Harmonische weiter zu verringern.
  • Ein sehr niedriger Wellenwiderstand ist deshalb erwünscht, um zu verhindern, daß das elektrische Feld an der Gunn-Diode 14 übermäßig groß wird, wodurch ein Avalanchestrom ausgelöst werden könnte, wenn die Schwingungen einsetzen. Der Nebenschlußkondensator 15 erleichtert darüberhinaus das Einsetzen der Schwingungen mit der Grundfrequenz sobald ein Vorepannungsimpuls angelegt wird. Ohne die durch das Element 15 gebildete Kapazität beginnen einige Gunn-Dioden-Plättchen, insbesondere Plättchen mit einer niedrigen Schwellwertspannung, lediglich mit der Frequenz der zweiten Harmonischen zu schwingen, und es kann sich eine Verzögerung von vielen Nanosekunden ergeben, bevor Schwingungen in der Grundfrequenz einsetzen.
  • Die Kondensatoren 5 und 6, die etwa aus herkömmlichen Luft-Trimmerkondensatoren bestehen, besitzen nicht nur ihre Kapazität C1 bzw. C2 sondern auch die jeweils hiermit in Reihe liegende Selbstinduktivität L1 bzw. L2. Die Reiheninduktivitäten ändern sich mit der Abstimmung der Kondensatoren und die Induktivitäten sind darüberhinaus noch frequenzabhängig, so daß die Reiheninduktivität der Kondensatoren bei der zweiten Harmonischen des Resonators 3 wesentlich verschieden von dem Wert der Induktivitäten bei der Grundfrequenz ist. Die Kondensatoren 5 und 6 sind so eingestellt, daß für die Grundfrequenz f0 die Impedanz der Belastung an der Klemme 26, wie sie von dem Resonator 21 angekoppelt wird, Bo transformiert wird, daß an den Klemmen der Ounn-Dioae 14 nicht weniger als die konJugiert komplexe Impedanz der Gunn-Diode bei der Frequenz fg erscheint. Die Abstimmung ist sodann so, daß für die Grundfrequenz f0 ein Nullspannungspunkt in einer Nullebene 4 in der Nähe der Lage der Gunn-Diode 14 erzeugt wird, die im allgemeinen in der Mitte der Länge des Resonators 3 angeordnet ist. Darüberhinaus sind die Kondensatoren 5 und 6 so eingestellt, daß eine der Nullspannungen der zweiten Harmonischen 2f0, wie es durch die gestrichelten Linien in dem Spannungsdiagramm unter der Fig. 2 dargestellt ist, in die Nähe der Querebene der Gunn-Diode 14 gebracht wird.
  • Die Frequenz 2fo wird nicht an die äußere Belastung ausgekoppelt, und der beste Wirkungsgrad und die stabilste Arbeitßweise werden dann erhalten, wenn die Kreisverluste für die Frequenz der zweiten Harmonischen möglichst klein gemacht werden.
  • Die Spannungsamplitude der zweiten Harmonischen muß ausreichend groß genug sein, um diese so mit der Spannung der Grundwelle zu kombinieren, daß das gesamte elektrische Feld an den Klemmen der Gunn-Diode 14 während einer ersten Halbperiode gut über dem Schwellenwert Vt und sodann etwas unter dem Schwellenwert liegt, um eine Domänenauebildung während einer zweiten Halbperiode der Grundfrequenz zu verzögern.
  • Durch einen derartigen Betrieb wird erreicht, daß der Strom in der Diode 14 annähernd eine Rechteckwelle mit der Frequenz der Grundwelle bildet, wodurch sich eine wirksame Umwandlung von Gleichspannungsleistung in Hochfrequensleistung ergibt. Wenn die Spannung unter die Schwellwertspannung absinkt, geht Leistung in dem positiven Widerstand der Diode 14 verloren, weshalb harmonische Frequenzen dazu verwandt werden, den negativen Teil des Hochfrequensspgnnungezyklus zu verringern, um dadurch den Wirkungsgrad zu vergrößeren.
  • Bei einer Gunn-Diode, die durch eine Gleichpannung leicht über die Schwellwertepannung vorgespannt iet, sollte die Spannung der zweiten Harmonischen an der Diode halb so groß wie die Spannung der Grundwellenlänge an der Diode sein, so daß sich bei einer Vereinigung der Spannungen eine annähernd halbe Sinuskurve für die Hochfrequenzspannung ergibt, die an die Diode angelegt wird. Bei einer Gunn-Diode, die höher vorgespannt ist, etwa bei 3,5 Vt, muß die Spannung der zweiten Harmonischen an den Klemmen der Diode im Verhältnis zu der Spannung der Grundfrequenz größer sein, um einen besten Wirkungsgrad zu erzielen. Der Leistungsgewinn und die Erhöhung des Wirkungsgrades, die sich aus einem Betrieb bei höherer Spannung ergeben, übersteigen bei weitem die zusätzlichen Leistungsverluste, die sich aus einem grösseren Spannungeschwung unter die Schwellwertspannung Vt ergeben.
  • Die Spannung der zweiten Harmonischen sollte in der Diode unter der Durchbruchs spannung oder dem Avalanchewert gehalten werden, Jedoch sollte sie genügend groß sein, so daß sie in der Art zu der Spannung der Grundfrequenz in der Diode addiert werden kann, daß eine Gesamtwellenform erzeugt wird, die annähernd das Aussehen einer halben Sinuskurve besitzt.
  • Um einen Durchbruch zu verhindern, sollten die Hoohfrequenz spannungen der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen, wenn sie der Vorspannung überlagert werden, eine Gesamtepannung erreichen, die niedriger als die Avalanohespannung ist.
  • Aufgrund der Spannung der zweiten Harmonischen wird der Umwandlungswirkungsgrad im L-Band des Oszillators typische weise von annähernd 6 s auf 15 X verbessert. Im einzelnen wurde eine Diode aus einem einzigen Gallium-Arsenid-Plät.thohen, das quadratisch mit einer Kantenlänge von 1,27 mm geschnitten war, wobei die Diode in einem auf einem Raumeffekt beruhenden Laufzeitmodus arbeitete, bei der Peak-ei-Leitung von 240 Watt bei einem Tastverhältnis von 1 X mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 15 % bei der L-Bandfrequenz von 1090 MHz betrieben. Dies wurde mit einer Vorspannung von 3,5 Vt erreicht, was annähernd 60 Volt entspricht, Es können höhere Wirkungegrade dadurch erreicht werden, daß die Gleich spannungsvorspannung auf höhere Vielfache von Vt, wie etwa z.B. auf 5 Vt, erhöht wird, wenn GaAs-Dioden von bester Qualität verwandt werden.
  • Um eine Nullspannung für die zweite Harmonische in die Nähe der Mittellage der Diode 14 zu verlegen, während gleichzeitig eine Nullspannung für die Grundfrequenz in der Nähe der Diode 14 erhalten wird, muß einer der Kondensatoren 5 oder 6 ein wesentlich größeres Produkt aus Kapazität und Selbstinduktivität aufweisen als der andere Kondensator.
  • Bei den in Fig, 2 dargestellten Fällen der Hochfrequenzpotentiale wurde der Kondensator 5 eine beträchtlich größere Kapazität C1 als der Kondensator 6 aufweisen. Zusätzlich würde die Reiheninduktivität L1 beträchtlich größer als die Reiheninduktivität L2 des zweiten Kondensators 6 sein. Diese induktive und kapazitive Belastung, die frequenzabhängig ist, wirkt sich so aus, daß das höher belastete Ende des Resonanzbandleiters 3 derart elektrisch verlängert wird, daß die Nullepannungen gegen das belastete Ende der Leitung hin verschoben werden, was durch die ausgezogene und die gestrichelt gezeichnete Linie der Fig. 2 angedeutet ist. Aufgrund der Prequenzabhängigkeit der Blindlast kann man durch geeignete Einstellung die Nuilspannungen sowohl der Grundresonanzwelle als auch der zweiten Harmonischen in die Nähe der Diode 14 verlegen.
  • Ein zweiter Halbweilenlängenabschnitt der Resonanzieitung 21 ist in dem Gehäuse 2 entlang einer dieser Leitung gegenüberliegenden Innenwand 22 angeordnet, Diese zweite Resonanzleitung 21 bildet einet Ausgangu rssonanakreis, und dieser Kreis ist im wesentlichen wie die erste Halbwellenresonanzleitung 3 aufgebaut und mit dieser elektromagnetisch gekoppelt. Zwei punktförmige Trimmer-Kondensatoren 23 und 24 sind im Nebenschluß mit den Enden der Resonansleitung 21 verbunden, um den inneren streifenförmigen Leiter 25, der etwa aus silberplattiertem tupfer besteht, im Abstand von der geerdeten Fläche des Gliedes 22 zu halten.
  • Das geerdete Glied 22 ist in einem ausreichenden Abstand von dem inneren streifenförmigen Leiter 25 angeordnet, so daß die charakteristische Impedanz des Bandleiters 25 annähernd im Bereich von 100 bis 50 Ohm liegt. Eine koaxiale Ausgangsleitung 26 ist über das Gehäuse 2 angekoppelt. Der innere Leiter 27 der koaxialen Leitung 26 ist durch das Gehäuse geführt und steht mit dem streifenförmigen Leiter 25 der Leitung 21 an einem Punkt in elektrischem Kontakt, der im wesentlichen in der Mitte der Länge dieses Leiters liegt. Der Kondensator 23 weist eine veränderliche Kapazität C3 und eine veränderliche Induktivität L3 (s. Fig. 2) auf, wobei diese Induktivität gleichfalls eine Funktion der Frequenz ist.
  • In ähnlicher Weise besitzt der Kondensator 24 eine veränderliche Kapazität C4 und eine veränderliche Induktivität L4, wobei diese Induktivität von der Frequenz abhängig ist. Die Kondensatoren 23 und 24 sind so abgestimmt , daß die Resaanz der Leitung 21 bei dem Grundmodus der ersten Leitung 3 und somit bei der Betriebafrequena des Oszillators 1 liegt.
  • Die Kondensatoren 23 und 24 sind jedoch so abgestimmt, daß die zweite Harmonische des zweiten Resonator 21 gegen die zweite Harmonische des ersten Resonators 3 verstint ist.
  • Auf diese Weise wird das Bignal der zweiten Harmonischen, das in dem ersten Resonator 3 erzeugt wird, nicht an den zweiten Resonator 21 gekoppelt, so daß es nicht an die Belastung ausgekoppelt wird. Im einselnen sind die Kondensatoren 23 und 24 so abgestimmt, daß die zweite Harmonische in Ocm ßweiten Resonator 21 ausreichend verstimmt ist, so daß die an die Belastung ausgekoppelte zweite Harmonische um mehr als 20 db in Bezug auf das ausgekoppelte Signal der Grundfrequenz verringert ist, Obgleich bei dem Oszillator, wie er oben beschrieben wurde, lediglich eine einzige, einen Gunn-Effekt aufweisende Diode 14 verwandt wurde, so ist dies dennoch keineswegs erforderlich, und in der Tat kann eine wesentlich größere Ausgangsleistung dadurch erhalten werden, daß mehrere solcher Dioden parallel zueinander über die Breite der Ubertragungsleitung 9 zwischen die innere Kante des Belastungssteges 15 und die innere Oberfläche der geerdeten Ebene 8 geschaltet werden.
  • Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform sind die Gunn-Effektdioden so dimensioniert, daß sie bei einem Laufzeitmodus eine Betriebsfrequenz aufweisen, die innerhalb + oder - 30 % der Betriebsfrequenz des Oszillators 1 liegt. In dieser Schaltung können dünne Dioden, die Laufzeitmodusfrequenzen besitzen, die bis zu vier mal so groß wie die Oszillatorfrequenz sind, mit hohen Wirkungsgraden betrieben werden, jedoch ist eine solche Arbeitsweise durch eine unerwünschte zufällige Verzögerung für die Anfangszeit der Grundschwingung nach der Anlegung jedes Vorspannungsimpulses begleitet.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    g I Mikrowellenoszillator mit einer Einrichtung, die ein Stück einer Bandleitungsübertragungsleitung bildet, mit zwei veränderlichen, punktförmigen Kondensatoren, die aneinander gegenüberliegenden Enden der Leitung im Neben schluß mit diesem Bandleiter verbunden sind, um einen an seinen Enden offenen Halbwellenlängenresonator zu bilden, der für einen Grundresonanzmodus auf die Betriebs frequenz des Oszillators abgestimmt ist, mit einer Halbleitervorrichtung mit einem durch Raumeffekt bedingten negativen Widerstand, wobei die Halbleitervorrichtung mit dem auf Resonanz gebrachten Bandleiter an einem Punkt in der Mitte der Länge des Bandleitere im Nebenschluß verbunden ist, wobei dieser Verbindungspunkt in der Nähe der Nullspannung des Resonatore für den Grundresonanzmodus liegt, um die niedrige Impedanz der Halbleitervorrichtung an die niedrige Impedanz des Resonators in der Nähe der Nullspannung anzupassen, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Produkt aus der Kapazität (01, C2) und der Selbstinduktivität (L L2) der Kondensatoren (5, 6) bei der zweiten Harmonischen der Betriebsfrequenz des Oszillators an einem Ende des Bandleitere (7, 9) wesentlich größer als an dem anderen Ende ist, um die Nulispannung der zweiten Harmonischen des Ossillators in die Nähe der Stelle der Halbleitervorrichtung zu verlagern, um den Umwandlungswirkungsgrad des Oszillators zu verbessern.
    2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i o h n e t , daß ein kapazitivee Glied (15) vorgesehen ist, das im Nebenschluß im wesentlichen an der Stelle der Halbleitervorrichtung (15) mit dem Bandleiter ( 7, 9) verbunden ist, um das Einsetzen der Schwingung des Oszillator.
    bei der Grundbetriebsfrequenz zu erleichtern.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i o h n e t , daß eine Platte (11) aus wärmeleitendem, isolierendem Material im Wärmeaustausch mit den Leitern (7, 9 ) des Bandleiters zwischen diese Leiter eingesetzt ist, um die Wärmeabführung der Halbleitervorrichtung zu erleichtern.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Bandleiter so dimensioniert ist, daß er eine charakteristische Impedanz von weniger als 10 Ohm aufweist, so daß der Bandleiter einen niedrigen Wellenwiderstand besitzt.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bif 4, dadurch g e k e n n z o i o h n e t , daß ein zweites Stück eines Bandleiters (25) vorgesehen ist, daß ein zweites Paar punktförmiger Kondensatoren (23, 24) vorgesehen ist, die mit dem zweiten Bandleiter an einander gegenüberliegenden Enden des Bandleiters im Nebenschluß verbunden sind, um einen an seinen Enden offenen Halbwellenlängenresonator zu bilden, der auf einen Grundresonanzmodus abgestimmt ist, der bni der Betriebsfrequenz des Oszillators liegt, daß der zweite Resonanz-Bandleiter elektromagnetisch mit dem ersten Bandleiter-Resonator gekoppelt ist, daß die zweiten Kondensatoren solche Kapazitäten (C3, C4) und Induktivitäten (L3, L4) aufweisen, daß die zweite Harmonische des zweiten Bandleiterresonators gegen die Frequenz der zweiten Harmonischen des Oszillators verstemmt ist, daß eine Auskoppelvorrichtung (26) vorgesehen ist, die mit dem zweiten Bandleiterresonator gekoppelt ist, us von dem zweiten Resonanzbandleiter Mikrowellenenergie aussukoppeln, wobei die zweite Harmonische des Oszillators unterdrückt wird.
    6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die einen Raumeffekt aufweisende Haibleitervorrichtung aus einer Gunneffektdiode besteht, die so bemessen ist, daß sie eine Laufzeitmodus-Betriebsfrequenz aufweist, die innerhalb + 30 % der Betriebsfrequenz des Oszillators liegt. Leerseite
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3239500A1 (de) * 1982-10-26 1984-04-26 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Oberwellenoszillator, insbesondere fuer millimeterwellen

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DE3239500A1 (de) * 1982-10-26 1984-04-26 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Oberwellenoszillator, insbesondere fuer millimeterwellen

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