DE2138939A1

DE2138939A1 - Microwellen Leistungs Verbund Oszilla tor

Info

Publication number: DE2138939A1
Application number: DE19712138939
Authority: DE
Inventors: Kaneyuki Murray Hill Magalhaes Frank Matthieu Berkeley Heights N J Kurokawa (VStA)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-08-07
Filing date: 1971-08-04
Publication date: 1972-02-10
Also published as: FR2102125B1; FR2102125A1; BE770943A; US3628171A; GB1348904A; NL7110882A; SE361799B

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY, KUROKAWA-MAGALHAES 3-3

INCORPORATED I₉. JuIi 1971 -133939

Microwellen-Leistungs-Verbund-Oszillator

Diese Erfindung betrifft einen nebenwellenfreien Hochfrequenzgenerator, der einen Hohlraumresonator aufweist, eine mit dem Hohlraumresonator gekoppelte Ausgangsübertragungsleitung und einen Oszillator, der einen Teil einer Übertragungsleitung enthält mit einem negativen Widerstandselement am einen Ende und einem angepaßten Abschluß am anderen Ende, wobei die Übertragungsleitung mit dem Hohlraumresonator an einer Stelle zwischen negativem Widerstandselement und angepaßtem Abschluß gekoppelt ist.

Wahrscheinlich ist die meistversprechende Festkörper-Microwellenquelle die als negativer Widerstand wirkende Avalanche-Diode, bekannt als die Impatt-Diode. Verschiedene Formen dieses Elementes sind beschrieben worden, z.B. in der US-PS 2 899 652 Read; in der Abhandlung "Impatt-Diode - A Solid State Microwave Generator" von K.D. Smith, Bell Laboratories Record, Band 45, Mai 1967, Seite 144; in der Abhandlung "Microwave Si Avalanche Diode With Nearly Abrupt Type Junction" von T. Misawa, IEEE Transactions on Electron Divices, Band ED-14, September 1967, Seite 580; und die US-PS 3 270 293 von B.C. De Loach, Jr., u.a. Wie alle Festkörperelemente zur Erzeugung von Microwellen verlangt die Konstruktion der Impatt-Diode einen Kompromiss zwischen Leistung und Frequenz.

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Steigt die Frequenz, verringert sich die zulässige Leistung. Der Wunsch, eine Vielzahl von Ausgängen solcher Elemente zu verbinden, war deshalb für einige Zeit offensichtlich. Als Beispiele mögen die US-PS 3 460 055 von Josenhans u.a., sowwie 3»516 008 von Schlosser dienen.

Die prizipielle Schwierigkeit im Verbinden der Ausgänge einer Vielzahl von negativen Wiederstandselementen wie Impatt-Dioden ist in der breit en. Frequenzbandweite begründet, über die ein negativer Widerstand erhalten werden kann. Wenn einige solcher Dioden mit einem gemeinsamen Resonator verbunden sind, sind sie in der Läge, die Schwingungen einer Zahl von Frequenzen aufrecht zu erhalten und neigen deshalb dazu in unerwünschten Nebenschwingungen zu arbeiten. Diese Erscheinung ist als Frequenz springen bekannt. Die verschiedenen Vorschläge zum Überwinden des Problems des Frequenzspringens erfordern gewöhnlich ziemlich umfangreiche Anordnungen. Z.B. kann für jede Diode ein separater Resonator benutzt werden um ein schmales Ausgangsband zu schaffen; es können Schaltungen zum Verschieben der unerwünschten Nebenfrequenzen benutzt werden\ Dämpfungselemente können an sinnvollen Stellen im Resonanzkreis angebracht werden.

Die US-PS 3 534 293 von E.T. Harkless zeigt einen mit einer Impatt-Diode arbeitenden Oszillator, der mit einem Resonator dadurch gekoppelt ist, daß die Diode an einem Ende eines Koaxialkabels angebracht ist, das am anderen Ende mit einer angepaßten Impedanz abgeschlossen ist. Ein Mittelteil des

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Kabels ist mit dem Resonator.gekoppelt, der dann wieder mit einer Ausgangsübertragungsleitung gekoppelt ist. Wenn diese Anordnung auch das Frequenzspringen verhindert, ist die verfügbare Ausgangsleistung doch begrenzt.

Diese Probleme werden durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß die Übertragungsleitungen eine Vielzahl solcher Oszillatoren mit dem Hohlraumresonator an Punkten gekoppelt sind, die untereinander entlang dem Hohlraumresonator den Abstand einer ganzzahligen Anzahl halber Wellenlängen haben.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Leiter der Übertragungsleitung des Oszillators, der sich etwa am Punkt maximaler magnetischer Feldstärke durch den Hohlraumresonator erstreckt

Ein weiteres Merkmal der Erfindung bezieht sich auf einen rechteckigen Hohlraumresonator, der im TEq^ - Resonanzmodus arbeitet, und auf den 2n Oszillatoren benutzenden Generator. Dabei bedeutet " η " eine ganze Zahl. Die Leiter der Übertragungsleitungen erstrecken sich an seine Wand angrenzend durch den Hohlraumresonator, wobei jeder Leiter etwa eine halbe Wellenlänge vom nächstgelegenen Leiter angeordnet ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung bezieht sich auf einen rechteckigen, im TEq2ii ~ Resonanzmodus arbeitenden Hohlraumresonator und auf den 3n Oszillatoren benutzenden Generator.

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Die Leiter der Übertragungsleitungen von η der 3n Oszillatoren sind entlang der Achse des Hohlraumresonators angeordnet, wobei jeder Leiter vom nächstgelegenen Leiter einen Abstand von einer halben Wellenlänge aufweist. Dabei bedeutet η eine ganze Zahl.

Ein weiteres Merkmal bezieht sich auf die übertragungsleitung des Oszillators,, die ein Teil einer Koaxialleitung ist.

Ein weiteres Merkmal bezieht sich auf die Übertragungsleitung des Oszillators, die ein Teil einer Streifenleitung ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung bezieht sich auf das negative Widerstandselement des Oszillators, das durch eine Impatt-Diode gebildet wird.

Die Koaxialkabel werden am besten an gegenüberliegenden Seiten des Resonators eingekoppelt, und zwar nacheinander im Abstand halber Wellenlägen. Es wurde gefunden, daß zuverlässige Frequenzstabilität mit einer Zahl von etwa 20 - 30 Dioden erreicht werden kann, wenn dafür gesorgt ist, daß die positive Impedanz von jeder Diode aus gesehen gleich ist der negativen Impedanz dieser Diode. Sind diese Bedingungen erreicht, wie es später ausführlicher .beschrieben wird, ist die Konstruktion der Koppelungsöffnung zwischen dem Koaxialkabel und dem Resonator nicht kritisch. Tatsächlich wird es zur Vereinfachung der Konstruktion vorgezogen, daß sich von jedem Koaxialkabel zur Ankoppelung an den Resonator lediglich der Kabelinnen-

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leiter zwischen oberer und unterer Wand durch das Innere des Hohlraumresonators hindurch erstreckt.

Diese und andere Merkmale, sowie die Vorteile der Erfindung werden verständlicher sein nach einer Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung einer Leistungs-Verbund-Oszillator-Schaltung bekannter Art;

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer anderen Leistungs-Verbund-Oszillator-Schaltung bekannter Art;

Fig. 3 ist die schematische Zeichnung einer Oszillator-Schaltung entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 stellt eine Perspektiv-Ansicht der Oszillator-Struktur von Fig. 3 und 4 dar;

Fig. 6 zeigt schematisch eine Struktur entsprechend einer anderen Ausführung der Erfindung. 109887/1379

Die Idee die Ausgangsleistungen einer Vielzahl von Oszillatoren zu verbinden.indem man sie mit einem einzigen Resonator koppelt, ist nicht neu. Die US-PS 2 177 272 von Zottu zeigt eine Anzahl von Trioden-Oszillatoren, die mit einem Koaxial-Resonator gekoppelt sind, der seinerseits mit einer Last verbunden ist. Neuerdings wurden Festkörper-Microwellenverstärkeranlagen mit solchen Leistungs-Verbund Einrichtungen kommerziell verkauft. Diese Art Einrichtung ist in Fig. 1 dargestellt und enthält 4 Transistor-Oszillatoren, die mit einem Koaxial-Resonator gekoppelt sind.

Wenn die Schaltung nach Fig. 1 auch arbeitet, so treten doch Probleme auf, bei dem Versuch.dasselbe Schema zu benutzen zur Verbindung der Ausgänge verschiedener mit negativem Widerstand arbeitender Dioden-Oszillatoren, wie Impatt- Dioden-Oszillatoren. Zusätzlich zum gewünschten Schwingungstyp, für den die Hochfrequenzströme durch alle Elemente in Phase sind, wie in Fig. 2 mit den durchgehenden Pfeilen angedeutet, werden einige unerwünschte Schwingungstypen ermöglicht und treten unvermeidlich auf. Z.B. möge der Verbund-Oszillator in einem Modus schwingen, für den die Hochfrequenzströme durch zwei der Dioden nicht in Phase sind bezüglich der Ströme durch die beiden verbleibenden Dioden, wie in Fig. 2 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet. Für den Fall von N symmetrisch mit dem Hohlresonator verbundenen Dioden gibt es mindestens N minus 1 solcher unerwünschter Schwingungs-Moden, die im wesentlichen alle mit derselben Wahrscheinlichkeit auftreten. Die Sache wird noch schlimmer, da eine geringe

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Arbeitspunktänderung der Elemente oder eine geringe Änderung der Lastbedingung oder nur der Umgebungstemperatur den Verbund Oszillator dazu bringen kann, wiederholt den Schwingungstyp zu wechseln, was zu unangenehmer Instabilität sowohl der Frequenz als auch der Ausgangsleistung führt. Dies ist das bekannte Problem des Frequenzspringens, auf das oben hingewiesen wurde.

Die Ursache, daß der Transistor-Verbund-Oszillator nach Fig. 1 im Gegensatz zu der Schaltung nach Fig. 2 arbeitet, ist darin zu finden, daß der aktive Frequenzbereich, in dem jeder individuelle Transistor schwingen kann, schmal ist, begrenzt durch die Rückkopplungsschaltung um ihn herum. Folglich können die Frequenzen aller unerwünschter Schwingungstypen außerhalb des aktiven Frequenzbereichs der Transistorbandbreite gelegt werden. Andererseits zeigen negative Widerstandselemente, wie Impatt-Dioden, einen negativen Widerstand über einen größeren Frequenzbereich, oft viel größer als eine Octave. Außerdem ist typischerweise die Arbeitsfrequenz von Impatt-Dioden viel höher als von Transistoren, so daß die in Wellenlängen gemessene elektrische Länge zwischen dem Verbund-Resonator und jeder Diode größer ist. Daraus ergibt sich, daß es schwierig ist, die unerwünschten Frequenzen zu Werten außerhalb des aktiven Frequenzbereichs der Dioden zu verlegen.

Eine Lösung ist es, jede Diode mit einem Stabilisierungs-Resonator R zu versehen, wie in Fig. 2 durch die gestrichelten

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Linien gezeigt. Dies würde natürlich die Verwendung so vieler Resonanzkreise verlangen wie Dioden vorhanden sind, zusätzlich zum Leistungs-Verbund-Resonator. Gemäß dieser Erfindung wird diese Anforderung in einer strukturell unkomplizierten Darstellung vermieden, gezeigt in den Fig. 3, 4 und 5.

Wie in Fig. 3 gezeigt, sind die Ausgänge einer Vielzahl von mit negativem Widerstand behafteten Dioden (20) durch Koaxial-Kabel (21) mit einem gemeinsamen Verbund-Resonator (22) gekoppelt. Zum Zweck der Kürze und Klarheit ist die übliche Versorgungsspannungsquelle für die Dioden nicht gezeigt. Jedes der Koaxial-Kabel weist einen Innenleiter (23) auf, der entlang einer Seitenwand des Verbund-Resonators (22) verläuft, wie in Fig. 4 gezeigt. Am Ende eines jeden Koaxial-Kabels ist der Diode gegenüber eine angepaßte, leistungsabsorbierende Impedanz (25) angebracht. D.h., der Widerstand der leistungsabsorbierenden Impedanz (25) ist gleich dem Wellenwiderstand der Koaxialenübertragungsleitung an die er angeschlossen ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die Innenleiter (23) symmetrisch an gegenüberliegenden Seiten des Verbund-Resonators (22) angebracht, jeweils im Abstand einer halben Wellenlänge bezüglich der Resonanzfrequenz des Resonators. Der Verbund-Resonator (22) ist mit einem Ausgangshohlleiter (26) verbunden, der die erzeugte Oszillator-Energie einer geeigneten L_agt zuführt.

Jede Diode (20) ist natürlich so hergestellt, daß sie Grundschwingungen bei der Resonanzfrequenz f des Verbund-Resonators (22) erzeugt. Unerwünschtes Frequenzspringen im Hohlraum ist

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ausgeschlossen durch das Streben, unerwünschte Frequenzkomponenten durch leistungsabsorbierende Impedanzen (25) zu vernichten und durch Widerstandsanpassung einer jeden Diode an den Schaltkreis, den sie jeweils sieht. Die von jeder Diode -gesehene Schaltkreis-Impedanz wird im wesentlichen negativ gleichgemacht der Impedanz dieser Diode durch Einschalten eines Transformators (27) in jeden Innenleiter.angrenzend an die Diode. Methoden zum der Dioden-Impedanz, Schaltkreis Impedanz, und für geeignete Konstruktion eines jeden Transformators sind mit normalem, dem Stand der Technik entsprechenden Sachverstand lösbar und sollen deshalb nicht im einzelnen erklärt werden.

Der Ausgangshohlleiter (26) und der Verbund-Resonator (22) können beide rechteckige Form haben und sind konstruiert, um die Oszillatorenergie zu führen. Genauer ausgedrückt, schwingt der Verbund-Resonator (22) im TE₀-^_n- Schwingungsmodus, wobei η gleich der Anzahl der Diodenpaare ist, deren Ausgänge entsprechend der abgebildeten Darstellung verbunden sind. Mit . dieser Konstruktion und mit dem Abstand, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, befindet sich jeder Innenleiter (23) an der Stelle, wo das elektrische Feld im wesentlichen 0 und das magnetische Feld maximal ist. Präzises Anbringen der Innenleiter an diesen Punkten ist nicht wesentlich für die Verbundwirkung, aber es erleichtert das Justieren der Schaltung. Z.B. mag es möglich sein, zwei Innenleiter (23) eng nebeneinander auf gegenüberliegenden Seiten des Punktes maximalen magnetischen Feldes anzubringen um die Anzahl der verbundenen

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Dioden zu erhöhen.

Es wird darauf hingewiesen, daß keine einzige Kopplungsöffnung zwischen jedem der Koaxial-Kabel und dem Verbund-Resonator (22) vorhanden ist. Vielmehr sind halbzylindrische Nuten in gegenüberliegende Wände des Resonators geschnitten zur Definition der Außenleiterteile des Kabels, dessen jeweiliger Innenleiterteii: gänzlich freiliegt, wo er sich durch den Resonator erstreckt. Es wurde gefunden, daß die Impatt-Diode, wenn sie in dieser Art mit dem Resonator gekoppelt ist, zum sauberen Arbeiten lediglich eine gute Impedanzanpassung an den externen Schaltkreis benötigt, eher als irgendeine besondere Kopplungsform. Impedanz-Feinanpassung einer ,jeden individuellen Diode wird nach dem Einbau jeder Diode erreicht durch ihr Verschieben in einem beweglichen Halter, wie es in Fig. 3 durch die Pfeile gezeigt ist. Das bedeutet, daß jede Diode individuell axial verschoben wird, bis ihr Ausgang durch den Ausgangshohlleiter (26) bei der Frequenz f auf den Maximalwert eingestellt ist. Ist dies durchgeführt, wird Impedanz-Feinabstimmung aller Dioden vorgenommen durch Drehen des rechtwinkeligen Ausgangshohlleiters (26) bezüglich des Hohlraum Resonators (22) an einer Drehverbindung (28). Die gedrehte Ausrichtung des Ausgangshohlleiters bezüglich des Resonators ist in der perspektivischen Darstellung einer experimentellen Version der Anordnung zu sehen, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Da sich der Winkel zwischen dem elektrischen Feld im Resonator und im Hohlleiter bekanntlich ändert, wenn der Ausgangshohlleiter gedreht wird, ändert sich

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die Kopplung zwischen ihnen und die Ausgangs-Impedanz, wie sie von der Diodenebene aus gesehen wird. Microwellen-Impedanzanpassung vergrößert nicht nur die Ausgangsleistung bei der Frequenz f, sondern hilft auch das' Frequenzspringen zu verhindern, entsprechend der Erfindung.

Die experimentelle Leistungs-Verbundeinheit, dargestellt in den Fig. 3-5» wurde erfolgreich aufgebaut und betrieben und enthielt 12 Impatt-Dioden im V-Gehäuse. Bei 9,1 Gigahertz sind 10,5 W Dauerstrich-Ausgangsleistung erreicht worden und zwar unter vorsichtigen Bedingungen, wie sie von Bauelemente-Ingenieuren für lange Diodenlebensdauer empfohlen wurden. Es wurden während des Einstellens der Schaltung und während des Betriebes keine Störfr -enzen beobachtet. Das Einstellen war einfach und das Ausgangsspektrum war rein. Schaltungsmessungen zeigen, daß bis zu etwa 32 Dioden mit dem Verbund-Resonator (22) gekoppelt werden können, ohne zusätzliche Mittel zur Nebenwellenunterdrückung. Noch mehr Dioden könnten verwendet werden durch Änderung des Q-Faktors, Einführen eines Nebenwellenunterdrückers wie z.B. dünnen Widerstandsfilm in den Hohlraum, oder durch Verwenden von Paaren von Koaxial-Kabeln, die symmetrisch um jedes Magnetfeld-Maximum angeordnet sind.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung der Diodenzahl ist die Verwendung eines Resonators, der in TE_02n-Modus arbeitet, wie er in Fig. 6 gezeigt ist. Das schematische Schnittbild von Fig. 6 entspricht dem Schnittbild von Fig. 3. Da der TE-,,, -

02n

Modus eine Nullstelle des elektrischen Feldes E und ein

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Maximum des magnetischen Feldes H sowohl in der Mitte des Resonators durchführen, wie in Fig. 6 gezeigt. Dies erlaubt demnach die Verwendung von 3 Dioden an allen aufeinanderfolgenden Punkten halber Wellenlänge.

Verschiedene andere Modifikationen und Ausführungen können von sachverständigen Fachleuten ohne Abweichen vom Charakter und Rahmen der Erfindung geschaffen werden. Z.B. können Streifenleiter-Übertragungsleitungen benutzt werden als Alternative zu den Koaxial-Kabeln in Fig. 3 und 4, die mit einem Streifenleiter-Resonator gekoppelt werden können. Die Kopplung sollte in diesem Fall an Stellen maximalen elektrischen Feldes durchgefährt werden, um, wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist, eine gute elektrische Kopplung zu erreichen.

als auch an gegenüberliegenden Seiten aufweist, kann ein Innenleiter durch die Mitte des Resonators *

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Claims

KUROKAWA-MAGALHAES 3-3 AS Patentansprüche

1.J Ein nebenwellenfreier Hochfrequenzgenerator_; der einen Resonator aufweist, eine mit dem Resonator gekoppelte Ausgangsübertragungsleitung und einen Oszillator, der einen Teil einer Übertragungsleitung enthält mit einem negativen Widerstandselement an dem einen Ende und einem angepaßten Abschluß am anderen Ende, wobei die Übertragungsleitung mit dem Resonator an einer Stelle zwischen negativem Widerstandselement und angepaßtem Abschluß gekoppelt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen (21,23) einer Vielzahl solcher Oszillatoren (20,21,23*25,27) mit dem Resonator (22) an Punkten gekoppelt sind, die entlang des Resonators (22) den Abstand einer geradzahligen Anzahl halber Wellenlängen haben.

2. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Leiter (23) einer Übertragungsleitung des Oszillators durch den Hohlraum-Resonator (22) an einem Punkt etwa maximaler magnetischer Feldstärke erstreckt.

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3. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum-Resonator (22) rechteckig ist und im TEq-j_n-Resonanz-Modus betrieben wird, daB der Generator 2 η Oszillatoren (20,21,23,25,27) benützt, wobei η eine ganze Zahl bedeutet, und daß die Leiter (23) der Übertragungsleitungen an seine Wand angrenzend durch den Hohlraum-Resonator (22) führen, wobei jeder Leiter (23) ungefähr eine halbe Wellenlänge vom nächstgelegenen Leiter (23) angebracht ist.

4. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum-Resonator (22) rechteckig ist und im TEQ^-Resonanz-Modus betrieben wird, daß der Generator 3n Oszillatoren (20,21,23,25,27) verwendet, und daß die Leiter (23) der Übertragungsleitungen von ö der 3n Oszillatoren entlang der Mittelachse des Hohlraum-Resonators (22) angebracht sind, wobei jeder Leiter (23) vom nächstgelegenen Leiter (23) einen Abstand von einer halben Wellenlänge aufweist, und wobei η eine ganze Zahl ist.

5. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung (21) des Oszillators (20,21, 23,25,27) ein Teil einer koaxialen Übertragungsleitung (21) ist. 109887/1379

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6. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungsleitung (21) des Oszillators (20,21, 23,25,27) Teil einer Streifenleitung ist.

7. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das negative Widerstandselement (20) des Oszillators (20,21,23,25,27) eine Impatt-Diode ist.

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