DE2253710A1 - Festkoerper-mikrowellenoszillator - Google Patents

Description

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LITTON INDUSTRIES, INC., 360 North Crescent Drive, Beverly Hills, ^ _m California 9021Q, USA

Pestkörper-Mikrowellenoszillator

Die Erfindung bezieht sich auf FestkÖrper-Halbleitermikrowellenoszillatoren hoher Leistung, und insbesondere auf Mikrowellenoszillatoren, bei denen eine Vielzahl von Mikrowellendioden, z.B. Gunn-Dioden gleichzeitig Mikrowellenenergie erzeugen.

Es sind speziellen Dioden bekannt, z.B. die Gunn-Dioden, die in der Lage sind, einen bestimmten Mikrowellenenergiepegel zu erzeugen. Eine bekannte Technik zur Erzielung von Mikrowellenenergie höherer Energiepegel besteht darin, eine Vielzahl solcher Vorrichtungen gleichzeitig zu betreiben, um eine Gesamtleistungsabgabe zu erzielen, die größer ist als die Leistungsabgabe, die von irgendeiner dieser Vorrichtungen allein zur Verfügung gestellt wird. Die Vervielfachung von Speisequellen auf diese Weise stellt eine praktische Alternative dar, um eine verbesserte individuelle Einrichtung zu erzielen, die individuell den gewünschten höheren Energiepegel gewährleistet. Bei einer Kombination der Ausgänge zahlreicher Mikrowellenenergiequellen in einen einzigen Oszillator muß der

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Oszillatoraufbau gewährleisten, daß jede der Mikrowellenenergiequellen mit der gleichen Frequenz und in Phase mitden anderen Quellen im Oszillator schwingt. V/ährend zahlreiche komplexe Steuerschaltungen, die im Betrieb aktiv und passiv sind, zur Erzielung dieser Synchronisation für Vakuumröhren- und Transistorquellen verwendet und vorgeschlagen worden sind, sind solche komplexen Schaltungen offensichtlich für Oszillatoren nicht notwendig, die Gunn Dioden oder andere Pestkörper-Halbleiterdioden als Mikrowellenenergiequellen verwenden.

Eine Konstruktion für einen solchen Mikrowellenoszillator, bei dem Mehrfach-Gunn-Dioden verwendet werden, ist in "IEEE G-MTT International Microwave Symposium Proceedings'^ 1971, beginnend auf Seite I56 in Form eines Aufsatzes mit dem Titel "Multi-Parallel Operation of Gunn Diodes for High RF Power" von Kaneko und anderen beschrieben. In diesem Oszillator werden eine Vielzahl von Dioden verwendet, die individuell zwischen den Boden- und Deckwänden eines Wellenleiters gekoppät sind. Die Mikrowellenenergie, die von den Dioden erzeugt wird, ist parallel mit einem Wellenleiterausgang gekoppelt. Bei einer Abänderung eines derartigen Oszillatoraufbaues werden zwei parallele Metall-Wellenleiteranordnungen verwendet, wobei die Wellenleiter eine Metallwand gemeinsam haben. Zwei Dioden sind individuell in der Schaltung zwischen der Deck- und der Bodenwand (die gemeinsame Wand) einer entsprechenden Wellenleiteranordnung eingeschaltet und zwei zusätzliche Dioden sind individuell zwischen die Deckwand (die gemeinsame Wand) und die Bodenwand der zweiten Wellenleiteranordnung geschaltet. Alle vier Dioden sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die senkrecht zu den Achsen der Wellenleiter orientiert ist. Der Ausgang aus den beiden individuellen Wellenleitern ist in eine gemeinsame Wellenleiter-Übertragungsleitung über einen konischen Wellenleiterabschnitt gekoppelt. Bei weiteren Ausführungsformen werden Mehrfach-anordnungen dieser vier Dioden an verschiedenen Stellen längs der Wellenleiteranordnung

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verwendet. Diese Anordnung wird in der Veröffentlichung als "Mehrfachparallelbetrieb" bezeichnet* Obgleich die beschriebene Anordnung zeigt, daß es möglich ist, Dioden in Vielfachschaltung zu verwenden, um vergrößerte Leistungspegel und bei einer einzigen Frequenz zu erzielen, ist dies unnötig kompliziert. Erstens wird eine komplizierte Drossel- und Durehführungsanordnung verwendet, um die Vorspannungen in die Dioden einzuspeisen. So wird ein Anschluß der Dioden von der Wellenleiterwandung isoliert gehalten, und ein drosseiförmiger Verbinder mit einem HF-Filter ist zwischen den nicht geerdeten Anschluß der Diode und die Vorspannspeisequelle gelegt. Zweitens ergibt die Verwendung einer Mehrfachwellenleiteranordnung einen räumlich größeren und komplizierteren Aufbau, als dies erwünscht ist.

Ein weiterer Oszillator, bei welchem Mikrowellenenergie erzeugende Dioden, z.B. IMPATT-Dioden in Mehrfachschaltung angeordnet sind, um höhere Ausgangsleistungen zu erzeugen, ist in "Proceedings of the IEEE", Januar 1971* Seiten 102 und 103 in einem Aufsatz mit dem Titel ¹¹An X-Band ΙΟ-Watt MuI ti pie -IMPARR Oscillator" von Kurokawa und Magalhaes beschrieben und dargestellt. Bei diesem Oszillator wird jede der Dioden am einen Ende einer entsprechenden einer Vielzahl von Koaxialleitungen in Kontakt mit dem Mittelachsenleiter angeordnet und eine Mikrowellenabsorptionseinrichtung ist an den Enden einer jeden Koaxialleitung vorgesehen. Die Koaxialleitungen sind voneinander im Abstand angeordnet und in den Seitenwandungen eines größeren 'Resonatorhohlraumes befestigt. Jede Koaxialleitung ist längs einer Seite offen, damit Mikrowellenenergie in den Resonator eintreten kann. Die von den Verfassern des zitierten Artikels gewählte Anordnung beruhte anfänglich durch Analogie auf einer einwandfrei arbeitenden Transistoranordnung sehr einfacher Konstruktion. Aufgrund der Unterschiede in den charakteristischen Eigenschaften zwischen Transistoren und Mikrowellenenergie erzeugenden Dioden war jedoch ein einfacher Austausch nicht möglich, und die Dioden arbeiteten nicht in Phase und

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ergaben eine Instabilität in der Frequenz. Während diebeschriebene Schaltung diese Probleme löst, erscheint sie räumlich zu komplex und ist noch komplexer als die Konstruktion der ursprünglichen Transistoroszillatoranordnung.

Es besteht somit ein Bedarf an einem Festkörper-Mikrowellenoszillator hoher Leistung und einfacher Konstruktion, der kleinere Größenabmessungen, geringeres Gewicht und einen weniger komplizierten Aufbau als die bisher zur Verflgung stehenden vergleichbaren Oszillatoren aufweist, bei dem eine Schwingbereichänderung nicht auftritt, bei dem die Dioden in Phase arbeiten und bei dem Vorspannspeisequellen mit der Viel zahl von Dioden ohne Verwendung teuerer, platzaufwjiendiger und komplizierter Lirosseln oder Filter verbunden werden können. Alle diese Probleme sollen mit vorliegender Erfindung gelöst werden, zusätzlich soll die Erfindung eiien Festkörper-Mikrowellenoszillator schaffen, bei dem die Ausgangsleistung, die aus verschiedenen, kombinierten Dioden erhalten wird, in bestimmten Fällen größer als die Summe der individuellen Leistungsabgabe, die aus Jeder der Dioden allein erhalten wird.int.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Festkörper-Mirkrowellenoszillator mit einer Vielzahl von Mikrowellenenergie erzeugenden Dioden, die innerhalb eines Wellenleiters angeordnet sind, vorgesctia|en, daß wenigstens eine Anordnung eines Paares von Dioden vorgesehen ist, deren Pole gleicher Polarität mit zwei entgegengesetzt gerichteten Oberflächen eines metallischen, zentrischen Einführelementes verbunden sind, wobei die oder jede Serienanordnung der ersten Diode des Paares, das metallische Einführelement, und die zweite Diode des Paares so angebracht sind, daß sie sich durch den Wellenleiter erstrecken, während die anderenPole des Paares von Dioden mit den entgegengesetzten Wandflächen des Wellenleiters verbunden sind.

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Nach einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das metallische, zentrische Einführelement ein Bolzen, und der Wellenleiter ist ein rechteckförmiger Wellenleiter, Vorzugsweise sind wenigstens zwei solcher Serienanordnungen in einer Ebene rechtwinkelig zur Richtung der Fortschreitung der Mikrowellenenergie bei Kopplung mit einem Ausgangswelenleiter angeordnet. Um eine Steuerung der Frequenz des Oszillators zu erzielen, kann ein Abstimmsystem für den Wellenleiter vorgesehen sein, z.B. eine bewegliche Endwand des Wellenleiters, die das Abstimmsystem darstellt. line besonders einfache Konstruktion wird erzielt, wenn wenigstens ein Einführleiter mit dem oder jedem metallischen, zentrischen Einführelement verbunden wird, damit der Ausgang von einer Vorspannenergiequelle an das Element angelegt werden kann, wobei der bzw. die Einführleiter direkt zentrisch durch den Wellenleiter von einer Einlaßöffnung bis zum Einführelement verlaufen, so daß die Kopplung von Mikrowellenenergie mit der Vorspannenergiequelle weitgehend verhindert wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Paar von Stellschrauben vorgesehen, deren eine sich durch eine der entgegengesetzten Wände des Wellenleiters in Ausrichtung ndb der anderen Schraube erstreckt, wobei die beiden Schrauben eines Paares die Serienanordnung in der Stellung aufrechterhalten und elektrische Verbindungen mit den Wänden bilden.

rait Der Oszillator gemäß vorliegender Erfindung kann ferner einem metallischen, rechteckförmigen Wellenleiter vorbestimmter Länge mit einem Kurzechlußabschluß an einem Ende und einem offenen Durchgang am anderen Ende des Wellenleiters versehen sein. Wenigstens ein Paar von Gunn Dioden oder anderer entsprechender Mikrowellenenergie erzeugender Dioden kann dabei innerhalb des Wellenleiters zwischen den Deck- und Bodenwänden des Wellenleiters in mechanischer Serienanordnung der ersten Gunn Diode, eines metallischen, zylindrischen Bolzens und .der zweiten Gunn Diode befestigt sein.

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Die Bezugnahme auf die Deck-, Boden- und Seitenwände ist so auszulegen, daß sie sich ausschließlich auf eine als normal angenommene Orientierung im Raum bezieht, wie dies in Verbindung mit der Zeichnung weiter unten erläutert wird. Die obere -Gunn Diode steht mit ihrem negativen Anschluß in elektrischem Kontakt mit der oberen Wellenleiterwand und der positive Anschluß in elektrischem Kontakt mit dem oberen Ende des zylindrischen Bolzens. Die untere Diode steht mit ihrem negativen Anschluß in elektrischem Kontakt mit der Bodenwand des Wellenleiters, wodurch sie elektrisch mit dem negativen Anschluß der ersten Diode zusammengeschaltet wird, und die zweite Diode steht mit dem positiven Anschluß in elektrischem Kontakt mit dem Bodenende des zylindrischen Bolzens, wodurch er elektrisch mit dem positiven Anschluß der ersten Diode in Verbindung steht.

Ein Ausgangsanschluß tiner Polarität einer Vorspannspeisequelle ist mit dem zylindrischen Bolzen und der andere Anschluß der Speisequelle mit dem metallischen Wellenleiter verbunden, damit an die Dioden ein Vorspannpotential angelegt wird.

In entsprechender Weise ist eine gleiche Serienanordnung eines zusätzlichen Paares von Gunn Dioden mit einem zentrischen, zylindrischen Bolzen im Abstandvon dem ersten Diodenpaar in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Richtung der Fortschreitung der Energie durch den Wellenleiter befestigt, damit insgesamt vier kombinierte Dioden erzielt werden. In gleicher Weise können zusätzliche Diodenpaare mit dazwfcchenllegenden Bolzen an unterschiedlichen Stellen in Längsrichtung des Wellenleiters angeordnet sein.

Die elektrisch leitenden Bolzen werden elektrisch entweder über Mehrfachverbindungen mit der Vorspannspeisequelle oder andererseits über eine elektrische Zwischenverbindung innerhalb des Wellenleiters zwischen die verschiedenen zylindrischen Bolzen

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gemeinsam geschaltet. Die Vorspannspeisequelle ist mit dem oder den stromleitenden Bolzen" über eine elektrisch leitende Verbindung geschaltet, die sich durch einenIsolierten Durchgang in einer Seitenwand des Wellenleiters erstreckt.

In Hinblick auf die Abstimmanordnung kann der Kurzschlußabschluß auf unterschiedliche Stellen in Längsrichtung des Wellenleiters verschoben werden, und weist vorzugsweise eine Abstimm-Stichleitung auf, so daß eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Abstandes zwischen den Dioden und dem Kurzschlußabschluß und damit eine Änderung in der Frequenz der Schwingung möglich ist.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Oszillators gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Linien 2-2 nach Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, die die Oszillatorbaugruppe nach den Figuren 1 und 2 in äußerer Ansicht darstellt,

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Oszillators gemäß der Erfindung, und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Frequenz, wie sie bei einem Oszillator der Ausführungsform nach den Figuren 1, 2 und 5 erzielt wird.

In Fig. 1 ist der Oszillator 1 mit einer Wellenleiter-Übertragungsleitung 2 und der Ausgang der Leitung mit einer elektronischen Belastung, die schematisch durch den gestrichelten Block 4 angedeutet ist, gekoppelt gezeigt. Der Hauptkörper des Oszillators ist ein hohler, rechteekförmiger Metallkörper, vorzugsweise ein dickwandiger, rechteekförmiger, metallischer Wellenleiter.

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Der Wellenleiter kann ein Abschnitt einer kommerziell zur Verfügung stehenden rechteckförmigen Metall-Wellenleiteranordnung sein, oder aber au/einer speziell hergestellten Anordnung aus Metallplatten bestehen, die mitdnander mittels Schrauben befestigt sind. Die inneren Höhen- und Breitenmaße, die für den rechteckförmigen Wellenleiterabschnitt gewählt werden, sind die Dimensionen, die herkömmlicherweise für das interessierende Frequenzband vorgesehen werden. Beispielsweise betragen bei einer Verwendung im Frequenzbereich zwischen 8 und 12,4 GHz, also im X-Band, die inneren Breiten- und Höhenmaße eines Wellenleiters 2,25 cm (Breite) χ 1,0 cm (Höhe). Der Wellen* leiter 1 besteht aus einer Deckwand 3» einer Bodenwand 5* einer ersten Seitenwand 7 und einer zweiten Seitenwand, die die vordere Seitenwand 9 bildet. Ein Teil der Seitenwand 9 ist teilweise herausgebrochen dargestellt, damit die innenliegenden Elemente des Oszillators und ihre Beziehung zueinander sichtbar werden. Der Wellenleiter wie auch die inneren Wandflächen bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, im allgemeinen Metall, vorzugsweise Kupfer.

Eine elektrisch leitende, bewegliche Endwand 11, die einen Kurzschlußabschluß darstellt, ergibt an der Rückseite des Wellenleiterdurchganges eine Begrenzung. Beispielsweise setzt sich die Endwand 11 in herkömmliche Federfinger 12 durch, damit ein elektrischer Kontakt mit den inneren Flächen der Wände des Wellenleiters gewährleistet ist.

lin Zapfen 13 aus festem Material, das metallisch oder dielektrisch sein kann, ist mit der beweglichen Endwand 11 verbunden und erstreckt sich vom WelJaileiter 1 nach außen, damit ein Handgriff gebildet wird. Da der Zapfen 13 gleitend innerhalb des Durchganges im Wellenleiter befestigt ist, kann die Lage der Endwand 11 durch Verschiebung in Längsrichtung des Wellenleiters eingestellt werden. Die bewegliche Endwand 11 ergibt einen elektrischen Kurzschlußabschluß für den Wellenleiter, wenn er als Übertragungsleitung betrachtet wird,und stellt die Abstimmanordnung dar, da sie die effektive Länge der Wellenleiterübertragungsleitung

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zwischen der Endwand 11 und dem vorderen Ende des Wellenleiters und den Dioden festlegt, wie weiter unten ausgeführt wird.

Ein elektrisch leitender, zylindrischer, metallischer Bolzen 15* vorzugsweise aus Kupfer* ist in unmittelbarer Nähe des vorderen Endes des Wellenleiters und im Abstand von diesem versetzt, wobei seine Achse parallel zu den Seitenwänden 7 und 9 des Wellenleiters verläuft. Der zylindrische Bolzen ist in der Höhe kleinerals die Dimension für die Innenhöhe des Wellenleiters. Eine erste Gunn Diode 17 ist zur elektrischen Verbindung mit dem positiven Anschluß in Anlage mit dem oberen Ende^. des Bolzens 15 und eine zweite Gunn Diode 18 mit dem positiven Anschluß in Kontakt und in Anlage mit dem unteren Ende des Bolzens 15 angeordnet. Die obere Wand 3 des Wellenleiters weist einen Gewindedurchgang auf, der in axialer Richtung mit dem Bolzen 15 ausgerichtet ist, sowie eine Metallschraube 21, vorzugsweise aus Kupfer, die in den Durchgang eingesetzt ist. Die Schraube 21 steht elektrisch in Kontakt mit dem metallischen Wellenleiter, wenn sie_xsich durch die Wandung 3 erstreckt, und ist soweit eingeschraubt, daß die Spitze in Kontakt mit dem negativen Anschluß der Gunn Diode 17 steht. Ein ähnlicher Gewindedurchgang erstreckt sich durch die Bodenwand 5 des Wellenleiters in axialer Ausrichtung mit dem Bolzen 15 und der Schraube 21. Eine elektrisch leitende Metallschraube 25 ist innatfialb des Durchganges durch die Bodenwand 5 eingesetzt und in den Durchgang so eingeschraubt, daß die Spitze an dem negativen Anschluß der Gunn Diode 1$ anliegt. Die Schrauben dienen zum mechanischen Befestigen der beiden Dioden und des Bolzens in der dargestellten Lage, sie ergeben ferner eine elektrische Kontinuität zwischen den Dioden und dem Wellenleiter. Beispielsweise hat der Bolzen 15 einen Durchmesser von etwa 0,4 cm und eine Höhe von etwa 0,75 cm, die Dioden 17 und l8 haben jeweils eine Dicke von etwa 0,05 cm und jede der Schrauben steht in dem Durchgang um etwa 0,075 cm vor.

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Die Anordnung der beiden Dioden und des zentrischen Bolzens, die das Einführelement darstellt, können als mechanische Serienanordnung von Diode und Metallbolzen und Diode zwischen den Deck- und Bodenwänden desWellenleiters bezeichnet werden. Bei sehr genauer Herstellung unter Beachtung exakter Toleranzen können die Dioden auch an den Wänden direkt anliegen und die Schrauben dann weggelassen werden.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Ausführungsform nach Fig. 1 längs der Linien 2-2 nach Fig. 1 in einer Ebene senkrecht zur Zeichenfläche. Die Deckwand 3> die Bodenwand 5* die Seitenwandungen 7 und 9 des Wellenleiters wie auch die bewegliche Endwand 11 sind hier sichtbar. Wie die Fig. 2 zeigt, die jedoch der Fig. 1 nicht zu entnehmen ist, ist in der gleichen Ebene und gleichem Abstand vom vorderen Ende des Wellenleiters eine zusätzliche, identische, mechanische Serienanordnung aus einer Diode 31 und einem Metallbolzen 33 sowie einer Diode 32 vorgesehen, diese zweite Anordnung ist hinter der ersten Anordnung in Fig. 1 vorgesehen.

Die Mikrowellenübertragungsleitung 2, vorzugsweise ein rechteckförmiger Wellenleiter, ist zwischen dem Ausgang des Oszillators am vorderen Ende des Wellenleiters 1 und einer angepaßten Belastung 4 eingeschaltet. Die Innenwandflächen des Wellenleiters 2 sind durch gestrichelte Linien 27 angedeutet. In der dargestellten Ausführungsform bildet ein Abstimmknopf 28, der als verschiebbarer Tauchtrimmer bekannt ist, einen Teil des Wellenleiterabschnittes 2. Bei einer anderen Ausführungsform kann am vorderen Ende des Wellenleiters 1 eine feste Blende oder ein abgestimmtes Fenster vorgesehen seh.

Die mechanische Serienanordnung, d.h. die Anordnung aus Diode 17, stromleitendem Bolzen 15 und Diode 18 zwischen den Einstellschrauben 21 und 25 ist besser der Fig. 2 zu entnehmen. Im Abstand von und vorzugsweise symmetrisch in bezug auf eine zentrische Ebene mit der erstbeschriebenen mechanischen Serienanordnung ist die zweite mechanische Serienanordnung aus

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Diode 31> Metallbolzen 33 und Diode 32 zwischen der elektrisch leitenden Metallschraube y\_t die in der Deekwand 3 des Wellenleiters befestigt ist, und der elektrisch leitenden Metallschraube 35» die in der Bodenwand 5 des Wellenleiters befestigt ist, angeordnet, und von ihr Jeweils aufgenommen. Diese zweite mechanische Serienanordnung aus einer Diode, einem Bolzen und einer 'weiteren Diode ist inder gleichen Weise wie die erste solche Anordnung zusammengoaut. Somit sind die beiden Dioden 31 und 32 mit ihren positiven Anschlüssen in Anlage und in Kontakt mit den oberen und unteren Enden des Bolzens 33. Beispielsweise beträgt der Abstand zwischen der Mitte des zylindrischen Bolzens 15 und der Innenfläche der Wand 9 0,635 cm, und der Abstand zwischen der Mitte des zylindrischen Bolzens 33 und der Innenfläche der Wandung 7 ebenfalls 0,635 cm. Vorzugsweise sind diese Abstände gleich. Dies ergibt einen Abstand zwischen den Bolzen 15 und 33 von Mitte zu Mitte von etwa 1,0 cm, Die maximale Dicke eines Bolzens 15* 33 soll im allgemeinen ein Viertel des Abstandes zwischen den Innenwänden der Seitenwände 7 und 9 nicht überschreiten.

Ein kleiner Durchgang 37 erstreckt sich durch die Seitenwand 9 und ein entsprechender zweiter kleiner Durchgang 38 durch die Seitenwand 7* vorzugsweise in der gleichen Ebene wie der, die die beiden mechanischen Serienanordnungen aus einer Diode, einem Bolzen und einer weiteren Diode enthält. Die Durchgänge 37 und 38 sind verglichen mit der Wellenlänge der Oszillatorfrequenz, vorzugsweise 1/20*K im Durchmesse^ klein, damit die Ableitung von Mikrowellenenergie vermieden wird. Elektrische Leiter 39 und 41 führen von dem Hohlraum innerhalb des Wellenleiters durch die entsprechenden Durchgärige nach außen und sind mit einem entsprechenden der zylindrischen Bolzen 15 und 33 verbunden, z.B. verlötet. Vorzugsweise sind die Durchgänge in der Mitte zwischen den oberen und unteren inneren Wandflächen des Wellenleiters angeordnet und die elektrischen Leiter sind steif und selbsttragend ausgebildet, so daß sich jeder längs einer geraden Linie zwischen dem Durchgang und dem

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Mittelpunkt des zugeordneten Bolzens erstreckt. Die Leiter sind elektrisch von entsprechenden Wänden durch geeignetes Isoliermaterial entweder um die Leiter oder an den Wänden der Durchgänge oder beiden isoliert. In den Durchgängen 37 und 38 sind entsprechende Isolierungen 36 und 40 angedeutet.

Eine Speisequelle 42 für die Vorspannung einer Gunn Diode, z.B. 10 V, ist mit jedem der elektrischen Leiter und mit elektrischer Erde verbunden dargestellt. Der Wellenleiter der Oszillatoranordnung ist ebenfalls mit elektrischer Erde verbunden. Damit ist ein elektrischer Vorspannpfad für jedes Diodenpaar in der ersten und zweiten mechanischen Serienanordnung vervollständigt. Für die erste Serienanordnung kann der Pfad von dem positiven Anschluß der Vorspannquelle 42 zum stromleitenden Bolzen 15 und zu den Kontakten der positiven Anschlüsse der entsprechenden Dioden 17 und l8, vom negativen Anschluß der Vorspannquelle 42 über elektrische Erde zu den Wänden des Wellenleiters 1 und durch die Metallschrauben 25 und 21 zu den negativen Anschlüssen der entsprechenden Dioden l8 und 17 geführt werden. Ein entsprechender elektrischer Pfad ist über die Leitung 41 und Erde von den positiven und negativen Anschlüssen der Vorspannquelle zu dem stromleitenden Bolzen 33 und den Schrauben 34 und 35 in den Wellenleiterwänden vorhanden.

Eine Alternative zu den getrennten und individuellen Verbindungen zwischen der Vorspannquelle 42 und den stromleitenden Bolzen 15 und 33 kann mit Hilfe einer inneren Zwischenverbindungsleitung zwischen den Bolzen 15 und 33 erzielt werden. In diesem Falle kann der elektrische Leiter 41 und sein Durchgang 38 weggelassen werden.

Eine perspektivische Ansicht des Oszillators nach Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 dargestellt, die eine mechanische Einfachanordnung zeigt, welche aus dem Wellenleiter 1, dem vorstehenden Ende des Abstimmzapfens 13> den Schrauben 21 und 34, deren Länge kürzer

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ausgeführt werden kann, so daß eine Aussparung in der Wellenleiterwand vorgenommen wird, und einer elektrischen Leitung J59> die in den Durchgang 37 führt, besteht.

Im Betrieb liefert die Vorspannquelle 42 Ströme und Spannungen an jede der vier Gunn Dioden 17, 18, 31 und 32, Wie bekannt, zeigen die Gunn Dioden eine negative Widerstandscharakteristik, wenn sie in geeigneter Weise in den negativen Widerstandsbereich über die Vorspannquelle vorgespannt sind. Die Wellenleiterübertragungsleitung, die innerhalb des Wellenleiterkörpers des Oszillators 1 ausgebidet ist, wird durch den Kurzschlußabschluj3 in Form der Metallfläche 11 abgeschlossen.

Eine kurzgeschlossene Übertragungsleitung zeigt, wie dies bekannt ist, charakteristische Eigenschaften elektrischer Kapazität und Induktivität, deren Größe von der Länge der Leitung (dem Abstand zu dem Kurzschlußabschluß) abhängt und als Frequenzbestimmungsschaltung bei dieser Art von Oszillatoren üblich ist.

Der Frequenzbestimmungshohlraum des Oszillators ist so ausgebildet, daß der Abschnitt des Wellenleiters, der durch den beweglichen Kurzschlußabschluß und die Ebene, die die Gunn Dioden enthält, begrenzt ist. Die Länge dieses Abschnittes ist bei der üblichen Betriebsart gleich einer halben Wellenlänge. Bei einer Frequenz, bei der die Länge der kurzgeschlossenen Übertragungsleitung effektiv eine halbe Wellüänge beträgt, wie 'sie den Dioden dargeboten wird, ist somit die Wechselstromimpedanz bei der entsprechenden Frequenz sehr niedrig, im wesentlichen, um einen Kurzschluß darzustellen, so daß die Leitung einen Resonator gleicher induktiver und kapazitiver Reaktanzen darstellt. Die Gunn Diode ist eine Vorrichtung geringer Impedanz und koppelt effektiv zum Resonator. Die Oszillationsfrequenz ist weitgehend mit Hilfe des beweglichen KurzSchlußabschlusses in Form der Wandung 11 einstellbar. Diese wird eingestellt, bis in dem speziellen, hier gegebenen Beispiel die Ausgangsfrequenz die gewünschte Frequenz innerhalb des X-Bandes ist. Der

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verschiebbare Tauchtrimmer 28 paßt die Last an die Gunn Dioden zum Zwecke der Optimierung des Oszillatorwirkungsgrades an, d.h., zur Erzielung der maximal möglichen Leistungsabgabe. Dies hat einen zweitrangigen Effekt auf die Frequenz (die hauptsächlich durch die Lage des beweglichen Kurzschlusses bestimmt ist), obgleich die Ausgangsmikrowellenleistung weeentlich erhöht werden kann. Dies wird durch herkömmliche Methoden mit einer geeigneten Testeinrichtung zur Erzielung einer maximalen Leistungsabgabe eingestellt. Sine richtig eingestellte Blende herkömmlichen Aufbaus wird häufig zur Erzielung des gleichen Effektes verwendet. Die erzeugte Mikrowellenenergie wird über die Wellenleiterübertragungsleitung 2 in Fig. 1 zur Last 4 geleitet. Die elektrische Last kannbeispielsweise ein Verstärker oder eine andere Stufe eines herkömmlichen Radarempfängers sein.

Man hat festgestellt, daß der beabsichtigte Betrieb von vier Dioden, die miteinander bei der gleichen Frequenz und in Phasenkohärenz verriegelt sind, einfach erreicht werden kann. Dieses Phänomen wird als "Injektionsverriegelung" ("injection locking") bezeichnet, wobei ein von außen erzeugtes Signal eine Diode so beeinflußt, daß sie mit der gleichen Frequenz schwingt und in Phasenkohärenz mit dem angelegten Signal steht.

Da die elektrischen Leiter 39 und 41 sich durch den Wellenleiterhohlraum zu den zentrischen Einführelementen, nämlich den Bolzen, auf einem Pfad erstrecken, auf dem die elektrischen Felder ein Minimum sind, ist die Kopplung der erzeugten Mikrt&llenenergie zu den Leitern 39 und 41 demgemäß ein Minimum. Somit wird es nicht mehr notwendig, komplizierte Mochfrequenzdrosseln oder -filter einzubauen, um eine Ableitung über die Einführleiter auf einem Minimum zu halten.

Soweit die Dioden unter leichtem Druck mechanisch in Kontakt mit Schrauben stehen, die ihrerseits auf den breiten Wellenleiterwänden befestigt sind, ermöglicht der so gebildete

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thermische Pfad von den Dioden, daß die Wellenleiterwände als eine große Wärmesenke wirken, um in den Dioden erzeugte Wärme abzuleiten.

Obgleich in der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 3 vier Dioden verwendet werden, kann für niedrigere Leistungspegel auch eine Anordnung mit zwei Dioden verwendet werden, wie sie im Querschnitt schematisch in Fig. 4 dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt einen Wellenleiterkörper 51 mit einer Deckwand 52, einer Bodenwand 53» Seitenwandungen 54 und 55 und einer Rückwand 56. Die Rückwand 56 kann eine bewegliche Endwand sein, wie sie bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 verwendet wird. Eine erste Schraube 57 wird in eJren Gewindedurchgang in der Deckwand 52 eingesetzt, eine zweite Schraube in einen Gewindedurchgang in der Bodenwand 53· Die Durchgänge in den Deck- und Bodenwänden des Wellenleiters sind wechselseitig aufeinander ausgerichtet und vorzugsweise näher der Seitenwand angeordnet, durch die der Vorspanneinführleiter geht. Ein zylindrischer, elektrisch leitender Metallbolzen 59, eine erste Gunn Diode 60 und eine zweite Gunn Diode 61 bilden, eine mechanische Reihenanordnung, wenn sie miteinander unter leichtem Druck, vorzugsweise über die Metallschrauben 57 und 58 befestigt sind, ähnlich wie im Falle der Befestigungsanordnungen bei der Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2. Der positive Anschluß der Gunn Diode 60 steht in Kontakt mit dem oberen Ende cte Bolzens 59 und der negative Anschluß in Kontbkt mit der Schraube 57, die diesen Anschluß elektrisch mit dem Wellenleiter 5I gemeinsam schaltet. Die Gunn Diode 6l steht mit ihrem positiven Anschluß in Kontakt mit dem unteren Ende des Bolzens 59> der negative Anschluß in Kontakt mit der Metallschraube 58, die den negativen Anschluß der Diode mit dem Wellenleiter 51 gemeinsam schaltet. Ein Durchgang 62 erstreckt sich durch die Seitenwand 54. Dieser Durchgang nimmt vorzugsweise ehen Isolator 63 auf, durch den eine elektrische Einführleitung 64 führt, die am einen Ende mit der Mitte des Bolzens 59 verbunden ist, dessen anderes Ende außerhalb des Wellenleiters 51 liegt. Eine Yor-

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spannspeisequelle 65, z.B. von 10 V, ist mit ihrem positiven Anschluß an das äußere Ende des Einführleiters 64 gelegt, während der negative Anschluß mit dem Wellenleiter 51 verbunden ist. Entsprechend der Ausfuhrungsform nach den Figuren 1 bis 3 wird ein Vorspannkreis über den Bolzen 59 und den Wellenleiter geschlossen, und die Spannung wird somit an jede der Dioden 60 und 6l angelegt, Die Betriebsart und Betriebsweise dieser Ausführungsform der Erfindung ist die gleiche wie die der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 3· Soweit nur zwei dünn Dioden bei dieser Ausführungsform verwendet werden, beträgt die erzielbare Ausgangsleistung etwa die Hälfte der, die bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 3 (vier Dioden) erzielt werden kann.

Bei einem speziellen von zahlreichen Versuchen mit der Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 3 wurde jede der einzelnen Dioden getrennt betrieben. Bei einem solchen Versuch betrug die Vorspannung an der Diode 17 8 V, die Stromstärke 550 mA und die Leistungsabgabe bei einer Frequenz von 9*2 GMz 48 mW. Die Stromaufnahme bei der Diode 18 betrugt bei gleicher Vorspannung 470 mA und die Ausgangsleistung betrug bei einer Frequenz von 8,5 GMz 44 mW. Die Diode 3I, die mit 8 V vorgespannt

Ausgangs- ■ wurde, nahm 550 mA Strom auf und ergab eine Leistung von 56 mW bei 10,5 GHz. Schließlich nahm die Diode 32, die mit 8 V vorgespannt wurde, einen Strom von 550 mA auf und ergab eine Ausgangsleistung von 69 mW bei 9*4 GHz. Bei gleichzeitigem Betrieb aller vier Dioden der Oszillatoranordnung nach den Figuren 1 bis 3 und unter Zugrundelegung einer Vorspannung von 8 V betrug die Stromaufnahme 2,1 A und es wurde eine Ausgangsleistung von 320 mW bei einer Frequenz von 9»2 GHz erzielt. Eigenartigerweise und recht überraschend übertraf üie gesamte Ausgangsleistung von 320 mW bei weitem die Ausgangsleistung, die aus den einzelnen Dioden erzielt wurde, und die summiert nur 217 mW ergab. Die Dioden waren miteinander injektionsverriegelt und wurden bei

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9,2 GHz bei minimalem Geräusch und keinen feststellbaren fehlerhaften Signalen betrieben.

Bei einem zweiten Versuch, bei dem andere Dioden verwendet wurden, wurden die folgenden Werte für die Vorspannung, die Stromaufnahme, die Frequenz und die Ausgangsleistung erhalten:

Diode 17: 8,6" V, 0,96 A, 9,2 GHz, l40 mW

Diode 18: 8,9V , 1,070 A, 8,6 GHz, 135 mW

Diode 31: 8,9 V, 1,070 A, 8,6 GHz, 135 mW

Diode 32: 8,0 V, 1,090 A, 9,6 GHz, l80 mW

Bei einer Vorspannung von 10,5 V und einer Stromstärke von 4,0 A wurde eine Ausgangsleistung von 990 mW bei einer Frequenz von 8,34 GHz erzielt. Dies steht überraschend im Widerspruch zu der Summe der Ausgangsleistungen, dfe erhalten wird, wenn die vier Dioden einzeln betrieben werden, da in letzterem Fall die Leistung dann nur 590 mW beträgt.

Die graphische Darstellung nach Fig. 5 zeigt VBrsuchsergebnisse, die mit dem gleichen Ausführungsbeispiel durchgeführt wurden, wenn die bewegliche Endwand 11 0,85 cm von der Ebene entfernt angeordnet war, die die vier Dioden aufnimmt, und zwar über einen Frequenzbereich von 7*5 bis 10,5 GHz. Die Kurve A zeigt die Ausgangsleistung als Funktion der Frequenz, wenn alle vier Dioden gleichzeitig betrieben werden. Die Kurve B zeigt die Ausgangsleistung gegenüber der Frequenz und der Verwendung der gleichen Konfiguration, wobei jedoch die Vorspannspeisequelle von den Dioden 31 und 32 abgeschaltet war, so daß sie nicht zur Ausgangsleistung beitragen. Die Kurve C zeigt die Ausgangsleistung gegenüber der Frequenz bei dem gleichen Oszillator, nämlich dem nach den Figuren 1 bis 3, wobei jedoch die Vorspannspeisequelle von den Dioden 17 und 18 abgeschaltet wurde, so daß die Dioden 17 und,l8 nicht zur Ausgangsleistung beitragen.

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Bei einer Frequenz von 8 GHz ergaben die alleine betriebenen Dioden 17 und 18 eine Ausgangsleistung von 0,6 W. Die Dioden 31 und 32 im Betrieb ergaben eine Ausgangsleistung von 0,62 W. Die Ausgangsleistung bei dieser Frequenz mit allen vier Dioden im Betrieb ergab einen Wert von 1,12 W bsi einem Wirkungsgrad von etwa 91,7#. Im Gegensatz hierzu ergaben bei einer Frequenz von etwa 8,5 GHz die Dioden 17 und 18 eine Ausgangsleistung von 0,5 W. Die Dioden 31 und 32 ergaben eine Ausgangsleistung von 0,55 W; wenn alle Dioden im Betrieb waren, ergab sich eine Ausgangsleistung von 1,09 W für einen Wirkungsgrad bei Überlagerung von mehr als 100$.

Obgleich spezielle Details in Verbindung mit vorstehender Beschreibung zweier Ausführungsformen der Erfindung angegeben sind, dienen solche Details lediglich der Erläuterung und stellen in keiner Weise eine Beschränkung der Erfindung dar.

Beispielsweise kann ein unterschiedlicher Mechanismus zur Änderung der Frequenz des Oszillators auf einfache Weise wie folgt vorgesehen werden. Sine Gewindebohrung kann in dem Wellenleiter zwischen - vorzugsweise zentrisch zwischen - der kurzgeschlossenen Endwand und der Ebene der Gunn Dioden angeordnet sein und ehe Schraube aus dielektrischem Material, z.B. aus Teflon, Rexolite oder entsprechenden Materialien wird in die Bohrung eingeschraubt und erstreckt sich in den Wellenleiterdurchgang. Die Einsetztiefe der dielektrischen Schraube in den Wellenleiterdurchgang beeinflußt die elektrischen Eigenschaften des Wellenleiters in Hhblick auf die Gunn Dioden, und damit die Schwingungsfrequenz der Anordnung. Je größer die Länge des dielektrischen Materiales, das in den Wellenleiter eingesetzt wird, ist, desto geringer die Schwingungsfrequenz. Mit einer derartigen Modifikation kann die Lage der Kurzschluß-Endwand dauernd beibehalten werden oder in einer beliebigen festen Stellung vorgesehen werden, da die Kurzschluß-Endwand nicht zur Abstimmung des Oszillators verwendet werden muß.

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Ferner können herkömmliche elektrische Verbinder am Oszillator eingebaut werden, damit Durchführungen, d.h. Strompfade in den Wellenleiter vorgesehen werden. Somit würden die Vorspannleiter entsprechende Verbinderteie eingebaut erhalten.

Zusätzlich ist die Gunn Diode als die Diode in der Konstruktion der gezeigten Ausführungsbeispiele nach vorliegender Erfindung verwendet. Da die Gunn Diode ein Bauelement der Gattung von Halbleiterdioden ist, die eine negative Widerstandscharakteristik zeigen, und welche als "Mikrowellenenergie erzeugende Dioden" bezeichnet werden, können auch andere vorhandene Diodenarten, einschließlich IMPATT-Dioden anstelle der Gunn Dioden verwendet werden.

Weiterhin besitzt, wie oben angegeben, die Gunn Diode einen Anschluß positiver Polarität und einen Anschluß negativer Polarität (in dem Sinn, daß der Betrieb auftritt, wenn die Diodenanschlüsse mit Anschlüssen gleicher Polarität einer Vorspannspeisequelle verbunden sind), die mit den entsprechenden positiven und negativen Anschlüssen der Vorspannspeisequelle verbunden werden müssen. Bei der vorausgehenden Beschreibung der Ausführungsformen sind die negativen Anschlüsse der Diode als mit dem Bolzen verbunden dargestellt. Durch Vertauschen der Orientierung aller Dioden in der Weise, daß der positive Anschluß mit dem Bolzen verbunden wird, und durch Vertauschen der Polarität der Verbindungen der Speisequelle, derart, daß der positive Anschluß mit dem Bolzen verbunden wird, läßt sich eine andere Modifikation erzielen. Um eine einwandfreie Verbindung mit dem Diodenanschluß einer Polarität zu vervollständigen, ist es erforderlich, daß er an einen Ausgangsanschluß der Vorspannspeisequelle entsprechender Polarität gelegt wird.

Weitere Modifikationen sind z.B. folgende: Der Diodenanschluß liegt d/iirekt an dem stromleitenden Bolzen bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen an. Es ist aber auch möglich,

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elektrisch leitende Abstandshalter zwischen das Ende des Bolzens und den Diodenanschluß zu legen oder einen Diodensockel an den Enden des stromleitenden Bolzens hinzuzufügen. Obgleich in Verbindung mit den oben beschriebenen Ausführungen beispielen ein direkter Kontakt dargestellt ist> können andere weniger direkte, aber herkömmliche Mittel verwendet werden, so daß die DiodenanschlUsse elektrisch gemeinsam mit den entsprechenden Bauteilen des Oszillators geschaltet werden.

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Claims (11)

1. 28.10.1972 W/He - 2 1 - L/p 7510

   Patentansprüche;

   "L.J Festkörper-Mikrowellenoszillator mit einer Vielzahl von Mikrowellenenergie erzeugenden Dioden, die innerhalb eines Wellenleiters angeordnet sind, gekennzeichnet durch wenigstens eine Anordnung eines Paares von Dioden (17» 18; 31» 32; 60, 61), deren Pole gleicher Polarität mit zwei entgegengesetzt gerichteten Oberflächen eines metallischen, zentrischen Einführelementes (15J 33} 59) verbunden sind,, wobei die oder jede Serienanordnung derersten Diode des Paares, das metallische Einführelement und die zweite Diode des Paares so angeordnet sind, daß sie sich durch den Wellenleiter (Ij 51) erstrecken, während die anderen Pole des Paares von Dioden mit den entgegengesetzten Wandflächen des Wellenleiters verbunden sind.
2. 2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische, zentrische Einführelement (15 > 33; 59) ein Bolzen ist.
3. 3· Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (lj 51) ein rechteckförmiger Wellenleiter ist.
4. 4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei der Reihenanordnungen innerhalb einer Ebene rechtwinkelig zur Richtung der Fortschreitung der Mikrowellenenergie bei Kopplung mit einem Ausgangswellenleiter angeordnet sind.
5. 5. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß _%die Dioden Gunn-Dioden sind.
6. 6. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden IMPATT-Diοden sind.

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   28.10.1972 V/He - 22 - L/p
7. 7· Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Abstimmanordnung (11) für den Wellenleiter.
8. 8. Oszillator nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Endwand (11) des Wellenleiters das Abstimmsystem bildet.
9. 9. Oszillator nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ei:; Einführleiter (39» 41» 64) mit dem oder jedem metallischen, zentrischen Einfihrelement (15} 33» 59) verbunden ist, damit der Ausgang von einer Vorspannungs-Speisequelle (42j 65) an das Einführelement anlegbar ist.
10. 10. Oszillator nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Einführleiter sich direkt zentrisch durch den Wellenleiter von einer Einlaßöffnung bis zum Einführelernent erstrecken.
11. 11. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch wenigstens ein Paar von Stellschrauben (21, 25J 34-1 35i 57» 58), deren eine sich dirch eine der entgegengesetzten Wände des Wellenleiters in Ausrichtung mit der anderen Schraube erstreckt, wobei die beiden Schrauben eines Paares jeweils eine Serienanordnung in der Stellung aufrechterhalten und elektrische Verbindungen mit den Wänden bilden.

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    . i3

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