DE2337060B2 - Mikrowellenoszillator - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen zweikreisigen Mikrowellenoszillator, bestehend aus einem Hatiptkreis mit einem Halbleiterelement als aktivem Element, das unter dem Einfluß einer angelegten Spannung einen negativen Widerstand aufweis' und eine durch die Resonanz des Hauptkreises bestimmte Schwingung erzeugt, und einem an den Hauptkreis über eine Kopplungsöffnung im Bereich des Halbteiterdementes angekoppelten Stabilisierungsresonator mit hoher Kreisgüte, bei dem der Hauptkreis als inhomogene Leitung ausgebildet ist, die aus einem metallischen Innenleiter und einem den Innenleiter abschließenden Halbleiterelement besteht.

Bei MikroweUenoszillatoren mit einem Halbleiterelement als aktivem Element beispielsweise aus dem Bericht »High Stability, High Power. Impatt Oscillator«, von K. Wilson. A. J. Tebby and D. W. Langdon. A. N ο ν e I, Proceedings 1971 European Microwave Conference, A6/2:l-A/6 2:4. ist es bekannt, daß dieses Halbleiterelement in einem z. B. koaxialen Hauptkreis angeordnet ist und daß zur Stabilisierung der in diesem Kreis erzeugten Schwingung ein Stabili sierungsresonator mit hoher Kreisgüte angekoppelt ist. Der Hauptkreis des Oszillators besteht aus einem koaxialen Leitungsstück, welches einerseits mit dem Halbleiterelement (Gunn-Diode) und andererseits mit tinem. im Mikrowellenbereich als Kurzschluß wirkenden Körper abgeschlossen ist. Der Hauptkreis steht über einen λ/4 langen rechteckigen Verbindungswellenleiter mit dem Stabilisierungsresonator in Verbindung. Die Ankopplung der Diode an den Stabilisierungsresonator erfolgt über eine rechteckige Kopplungsöffnung in der Resonatorwand und den erwähnten Verbindungswellenleiter. Der Stabilisierungsresonator ist abstimmbar. Bei fest eingestelltem Hauptkreis kann bei dieser Art Oszillatoren, die erzeugte Frequenz durch Veränderung der Resonanzfrequenz des Stabilisierungsresonators über einen Ziehbereich gezogen werden (Pulling-Bereich). )e größer die Kreisgüte des Hauptkreises gewählt wird, um so schmäler wird der Ziehbereich des Oszillators. Durch Verschieben des Kurzschlusses im Hauptkreis, d. h. durch Anpassen des Hauptkreises an den Stabilisierungsresonator, kann der Abstimmbereich vergrößert werden. Diese bekannten Mikrowellenoszillatoren haben den Nachteil, daß der Frequenzziehbereich relativ klein ist. Eine gleichzeitige Veränderung der Resonanzfrequenz des Stabilisierungsresonators und des Hauptkreises läßt sich nicht leicht realisieren, da die beiden betreffenden Abstimmcharakteristiken so verschieden sind, daß zum Errci chen eines Gleichlaufes ein kompliziertes Funktionsgetriebe notwendig wäre. Die rechteckige Kopplungsöffnung weist zusammen mit dem λ/4 Linien, rechteckigen, für eine Frequenz ausgelegten Verbindungswellenleiter einen sehr schmalen Übertragungsbereich auf.

Zum Stand der Technik gehört ferner die DT-OS 23 19 632, in der ein Mikrowellenoszillator mit einer die Resonanzfrequenz und die Impedanzanpassung bestimmenden Struktur beschrieben ist.

\us US-PS 35 93 192 ist ein weiterer abstimmbarer Halbleitermikrowellenoszillator mit einer zweikreisigen Hohlraumresonatoranordnung bekannt. Ein mittels eindrehbaren Stempeln abzustimmender Hilfskreis ist nach der auch beim Bau von Klystrons üblichen Art an einen Haupikreis angekoppelt. Im Hauptkreis selbst befindet sich als Os/illatorelement ein Halbleiter (Schwingende Diode). Dieser Halbleiter ist durch eine einerseits als Diodenhalterung und andererseits als ei sie Zuleitung einer Richt-Spannung (Bias-Voltage) dienenden Achse auf einer, mit der zweiten Zuleitung in Verbindung stpSipnclen .Stiftschraube fixier·.. Die Achse ist auf der Halbleiterseite abgesetzt und in ihrem Mittelteil mit einer Eindrehung, zur Bildung einet HF-Sperre (High-Frequenzy-Choke), versehen.

Die verwendete Rejonator-Ankopplung wirkt eben-

falls als Verbindungswellenleiter; der Ziehbereich der Schwingungsfrequenz ist relativ schmal.

Die Aufgabe, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden soll, besteht darin, mit konstruktiv einfachen Mitteln, unter Verwendung weniger Teile den Bau von MikrowellenosziDatoren mit hoher Kurzzeitstabilität und großen FrequenzabstimmbereichTn, zu ermög liehen. Insbesondere soll auch die Fi^equenzabstimmung

gegenüber den im Stand der Technik beschriebenen ».. _e«n. .^w...—_&

Anordnungen vereinfacht sein. Auf die bekannten, als io führt. Zwischen dem Zuführungsleiter H^ und <tem bidllli ikd R^

9 isoliert. Im Zentrum der Leitung 1 ist ein Zuführungsleiter 11 vorhanden, der an einem Ende ein Gewinde 15 aufweist und in der Isolierplatte 12 eingeschraubt ist. Diese Isolierplatte 12 ist auf dem Flansch 8 befestigt. Sie ist leicht federnd ausgeführt, so daß der Zuführungsleiter 11 auf das am anderen Ende liegende Halbleiterelement 3 drückt. Die über den Zuführungsleiter 11 geleitete Betriebsspannung wird auf diese Weise unter gute<- Kontaktgabe dem Halbleiterelement 3 zuge-

Außenleiter 9 ist ein konzentrisch -mgeordnetes Teil eingepreßt Es ist durch eine dünnwandige Isolierhülse 14 vom Zuführungsleiter U isoliert. Dieses Teil besteht aus zwei aneinandergereihten Büchsen 6 und 13. Die vom Halbleiterelement 3 aus gesehene erste Büchse 6 stellt zusammen mit der Einschnürung 21 des Außenleiters 9 die erforderliche Inhomogenität dar und ist entsprechend dimensioniert. Die Stirnseite 4 der zweiten

oc... ^.....^..eog^...«.^.. .».^.^„_t.._t„^„,_aiv„ _15l Büchse 13 bildet den Mikrowellen-Kurzschluß. In der der Stabilisierungsresonator unmittelbar, d. h. ohne 20 der inhomogenen Leitung 1 gegenüberliegenden Wand

Anordnungen vereinfacht sein. Auf die bekannten, als Verbindungswellenleiter wirkenden Rev»i.-.oran^opplungsglieder soll verzichtet werden können

Der erfuKUingsgemäße Mikrowellenosziilaior ist dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter der inhomogenen Leitung koaxial zum Innenleiter und zum Halbleiterelement verläuft und daß die Kopplungsöffnung /um Stabilisierungsresonator unmittelbar ·η den Außenleiter eingelassen ist

Beim erfindungsgemäßen Mikrowellcnoszillaior ist

Zwischenschalten eines z. B. λ/4 langen Wellenleitersiückes, an den Hauptkreis angekoppelt Durch die Ausbildung des Hauptkreises als inhomogene Leitung und durch deren besondere Ausgestaltung vei läuft de ren Impedanz mit der Frequenz derart, daß der Hauptkreis mit der Diode über einen großen Frequenzbereich an den Stabilisierungsresonator angepaßt ist. Es ergibt sich daraus der Vorteil, daß der Oszillator einen großen Ziehbereich (Pulling-Bereich) aufweist.

des Flansches 8 ist eine Schraube 16 eingelassen. Die an die Leitung 1 angrenzende Stirnseite der Schraube 16 ist mit einem Gewinde 17 versehen, mit welchem das Halbleiterelement 3 befestigt ist Die Lage des Halbleiterelementes 3 im Wellenleiter kann mittels der Schraube 16 eingestellt werden.

Der Stabilisierungsresonator 2 ist zylindrisch. Er ist mittels einer U-förmigen Kopplungsöffnung 5 unmittel-

olien z.ienDereicn vruniiig-Dereicnj auiweisi. bar an den Hauptkreis angekoppelt. Die durch die Um-

Darüber hinaus ist in einer anderen Ausführungsform 30 risse der U-Form gebildete Zunge 18 ist parallel zum sowohl die inhomogene Leitung als auch eier als Mikro- elektrischen Feld E im Resonator 2 gerichtet Der Rewellenkurzschluß wirkende Körper entlang der Lei- sonator 2 ist in bekannter Weise durch Verschieben des tung verschiebbar angeordnet Die inhomogene Lei- Kolbens 19 abstimmbar.

tung ist in diesem Fall so gestaltet, daß die Abstimm- Der Ausgangswellenleiter 7 ist zwecks Anpassung an

Charakteristiken des Hauptkreises und des Stabilisie- 35 die Leitung 1 mit einer als Anpassungsglied wirkenden rungsresonators praktisch gleich verlaufen. Hiermit Einstellschraube 20 versehen.

Der in F i g. 2 dargestellte Mikrowellenoszillator ist im Prinzip gleich aufgebaut wie derjenige in Fig. Gleiche Teile wie in F i g. 1 sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Oszillator unterscheidet sich insofern, als die als Hauptkreis wirkende inhomogene Leitung 1 veränderbar aufgebaut ist. Die als Inhomogenität wirkende Büchse 6 sowie die Büchse 13 mit der als Mikrowellen-Kurzschluß wirkenden Stirnseite 4 sind entlang der Leitung 1 verschiebbai angeordnet. Der mechanische Aufbau der veränderbaren inhomogenen Leitung 1 sieht folgendermaßen aus:

Im Zentrum der Leitung ist wiederum der Zufüh-

lator gemäE F 1 g. 2. rungsleiter 11 angeordnet. Er ist ebenfalls durch die

Der Mikrowellenoszillator gemäß Fig. la und Ib 50 Isolierplatte 12 gehaltert und mittels der Isolierbüchse besteht aus der als Hauptkreis wirkenden inhomogenen 14 isoliert. Das zum Außenleiter 9 konzentrische Teil

""'" ^J— ist axial verschiebbar angeordnet

Zwischen diesem Teil und dem Außenleiter 9 ist eine dünnwandige Isolierbüchse 22 eingelegt. Das verschiebbare Teil besteht aus vier aneinandergereihten Büchsen 6, 26, 27, 28. Die vom Halbleiterelement 3 aus gesehen erste Büchse 6 stellt wiederum die Inhomogenität der Leitung 1 dar. Die zweite Büchse 26 liegt an

if. der Isolierbüchse 22 an. Durch diese Büchse 26 wird ein

Der mechanische Aufbau der inhomogenen Leitung 60 Hohlraum 26a mit einer ungefähren Länge von λ/4 ge-1 sieht folgendermaßen aus: bildet. Die dritte Büchse 27 liegt auf der Isolierbüchse

' ' " " ' ■ —"■-'——' 14 auf und bildet zusammen mit dem Außenleiter 9

einen ungefähr λ/4 langen Hohlraum 27a. Die zweite,

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wird auf einfache Weise ein Gleichlauf erreicht, der einen sehr großen Abstimmbereich des Oszillators ermöglicht

An Hand der Zeichnung werden im folgenden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Mikrowellenoszillators näher erläutert

Die F i g. la und Ib zeigen dabei einen Mikrowellenoszillator, bei dem der Hauptkreis fest abgestimmt aufgebaut ist;

F i g. 2 zeigt einen Mikrowellenoszillator, bei dem der Hauptkreis abstimmbar aufgebaut is·

l· i g. 3 zeigt einen Schnitt durch den Mikrowellenoszillator gemäE F i g. 2.

Leitung 1. dem Stabilisierungsresonator 2 sowie dem Ausgangswellenleiter 7. Der Hauptkreis, d. h. die inhomogene Leitung 1, ist in einem zwischen item Stabilisierungsresonator 2 und dem Ausgangswellenleiter 7 eingefügten Flansch 8 untergebracht Die Leitung 1 steht senkrecht zum Ausgangswellenleiter 7. Der Flansch weist beidseitig eine kreisrunde Öffnung 10a bzw. 10i> auf.

Die inhomogene Leitung 1 ist koaxial ausgeführt und ist einerseits mit einer Büchse 13 mit einer im Mikrowellenbcrcich als Kurzschluß wirkenden Stirnseite und andererseits mit einem Halbleiterelement 3 abgeschlossen. Der Innenleiter der Leitung 1 dient gleichzeitig der Zuführung der Betriebsspannung des Halbleiterelementes 3 und ist deshalb von dem Außenleiter

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dritte und vierte Büchse 26, 27, 28 sowie der Ring aus absorbierendem Material bilden ein Sperrfilter für die entlang der Isolierbüchsen 14, 22 laufenden Wellen. Die vierte Büchse weist ein Innengewinde 29 auf, in das eine Mutter 30 eingeschraubt ist. Diese Mutter 30 weist

eine zentrale Bohrung auf, durch welche der Zuführungsleiter 11 hindurchgeführt ist. Mittels dieser Mutter 30 ist ein Ring 31 aus absorbierendem Material, sogenanntem Dämpfungsferrit, sowie eine Mitnehmerplatte 32 auf dem Teil 6, 26, 27, 28 befestigt. Am Flansch 8 ist ein Winkel 33 befestigt, in welchem eine Spindel 34 gelagert ist. Die Spindel 34 greift in ein Gewinde der Mitnehmerplalte 32 ein, so daß diese bei sich drehender Spindel 34 hin- oder herbewegt wird und dabei das Teil 6, 26,27, 28 der inhomogenen Leitung 1 verschiebt. Auf der Spindel 34 ist als Antriebselement ein Zahnrad 35 vorgesehen. Als Antriebselement zur Verschiebung des Kolbens 19 des Stabilisierungsresonators 2 ist ein weiteres Zahnrad 36 vorgesehen. Die beiden Zahnräder 35

IO und 36 sind mit einem gemeinsamen Antrieb 37 versehen, was in der Zeichnung nur schematisch angedeutet ist.

In F i g. 3 ist ein Schnitt durch den Mikrowellenoszillator in F i g. 2 dargestellt. Gleiche Teile sind ebenfalls mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Kolben 19 wird mittels einer durch das Zahnrad 36 angetriebenen Spindel 38 hin oder her verschoben. Im Gleichlauf mit dieser Bewegung wird über das Zahnrad 35 die inhomogene Leitung verändert, d. h. der jeweiligen Resonanzfrequenz angepaßt.

An Stelle des Hauptkreises in Koaxial-Technik isi ebenso ein solcher in nicht koaxialer bzw. in Streifen· leiterlechnik verwendbar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

1. Patentansprüche:

   t. Zweikreisiger Mikrowellenoszillator, bestehend aus einem Hauptkreis mit einem Halbleiter- S dement als aktivem Element, das unter dem Einfluß «Her angelegten Spannung einen negativen Widerstand aufweist und eine durch die Resonanz des Hauptkreises bestimmte Schwingung erzeugt, und einem an den Hauptkreis über eine Kopplungsöff-Bung im Bereich des Halbleiterelementes angekoppelten Stabilisierungsresonator mit hohe Kreisgü-Ie, bei dem der Hauptkreis als inhomogene Leitung susgebildet ist. die aus einem metallischen Innenleiter und einem den Innenleiter abschließenden Halbleiterelement besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (8.9) der inhomogenen Leitung (1) koaxial zum Innenleiter (11) und zum Halbleiterelement (3) verläuft und daß die Kopplungsöffnung (106) zum Stabilisierungsresonator (2) unmittelbar in den Außenleiter (8. 9) eingelassen ist.
2. 2. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, bei dem der Hauptkreis fest abgestimmt aufgebaut ist und bei dem die Frequenz des Oszillators durch die Abstimmung des Stabilisierungsresonators innerhalb des Frequenzziehbereiches bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhomogenität (6) der Leitung (1) derart gewählt ist, daß deren frequenzabhängige Imp?danzänderung, wenigstens über einen bestimmten Frequenzziehbereich, eine Anpassung des Hauptkreises an den Stabilisierungsresonator (2) bewirkt (Fig. 1).
3. 3. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1. bei dem eine Veränderung der Resonanzfrequenz des Stabilisierungsresonators und eine frequenzabhängige Anpassung des Hauptkreises an den Stabilisierungsresonator vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die als Inhomogenität wirkende Büchse (6) und die im Mikrowellenbereich als Kurz-Schluß wirkende Stirnseite (4) entlang der Leitung (1) verschiebbar angeordnet und derart gewählt sind, daß die Abstimmcharakteristik der Leitung (1) bezüglich optimaler Anpassung an den Stabilisierungsresonator (2) annähernd gleich verläuft wie die Frequenz-Abstimmeharakterisiik des Stabilisierungsresonators (2) und daß ein mechanischer Gleichlauf erzielt ist (F i g. 2).
4. 4. Mikrowellenoszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem als Hauptkreis ein koaxiales Leiterstück vorhanden ist. welches einerseits mit dem Halbleiterelement und andererseits mit einem Kurzschluß abgeschlossen ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des lnnenund/odei¹ Außenleiters der Leitung (1) im Bereich zwischen dem Halbleiterelement (3) und dem Kurzschluß (4) abgestuft ist (F i g. 1 und 2).