DE2342649C3 - Stabilisierte Oszillatoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine stabilisierte Oszillatoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei herkömmlichen Festkörper-Oszillatoren mit einem Gunn-Element oder einer IMPATT-Diode ändert sich die Schwingungsfrequenz stark mit der Umgebungstemperatur aufgrund des hohen Temperaturkoeffizienten des Bauelements. Für eine Anwendung eines derartigen Oszillators auf Nachrichtenübertragungsund Radareinrichtungen wurde bereits die Schwingungsfrequenz mittels eines Hohlraumresonators mit hohem Gütefaktor Q in einem gewissen Phasenbereich stabilisiert.

Ein solcher Festkörper-Oszillator mit einem stabilisierenden Hohlraumresonator hat den in der F i g. 1 gezeigten Aufbau.

Ein Oszillator-Bauelement 1 ist in einem Wellen- oder Hohlleiter 2 vorgesehen, und Gleichstrom wird durch eine HF-Drossel 4 und einen Stift 3 eingespeist.

Am einen Ende des Wellenleiters ist ein Kurzschlußglied (kurzschließende Einrichtung) 20 als Teil eines freischwingenden Oszillators 8 vorgesehen.

Ein stabilisierender Hohlraumresonator 11 ist an der Ausgangsieitung 10 des freischwingenden Oszillators 8 angebracht, indem er an diese durch eine Koppelöffnung 12 gekoppelt ist.

Die Frequenz des Oszillators 8 wird durch die Länge des Stifts 3 zum Kurzschlußglied 20 bestimmt Die Verwendung des Hohlraumresonators U mit einer hohen Güte und die Wahl eines geeigneten Kopplungsgrades erlauben es, daß die allgemeine Schwingungsfre- quenz hauptsächlich durch den Hohlraumresonator 11 bzw. seine Grundwelle oder -schwingung in einem gewissen Phasenbereich bestimmt ist Durch die Verwendung einer stabilisierenden Einrichtung ist es möglich, die Stabilität der Schwingungsfrequenz um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zu einer Anordnung zu verbessern, bei der lediglich der freischwingende Oszillator verwendet wird.

Dabei konnte die Stabilität der Frequenz verbessert werden durch ein Bandpaßfilter in der Ausgangsleitung, eine daran angeordnete Detektordiode und ein mit ihr verbundenes Frequenzregelglied, das über eine Vorspannungsschaltung eine Kapazitätsdiode in einem den freischwingenden Oszillator bildenden Resonator beeinflußt (vgl. FR-OS 20 73 325).

Diese Stabilisierungseinrichtungen haben den Nachteil, daß ein verstärkter Kopplungsgrad des Hohlraumresonators eine Zunahme des Phasenverriegelungs-Bereiches bewirkt wobei sich eine weniger gute Stabilität aus einem nicht optimalen Gütefaktor Q ergibt Daher ist es schwierig, ohne verringerte Stabilität einen ausreichend großen Phasenverriegelungs-Bereich sicherzustellen, was dazu führt, daß derartige Störungen wie ein Phasenverriegelungs-Fehler des Oszillators aufgrund großer Änderungen der Frequenz des Oszillators auftreten können.

Es ist ferner eine stabilisierte Oszillatoranordnung der eingangs genannten Art bekannt geworden (vgl. FR-PS 14 09 669), bei der der Richtkoppler lediglich dazu dient, die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators zu erfassen, also insoweit keine Stabilisierung möglich ist, so daß bei dieser bekannten Oszillatoranordnung Phasenverriegelungs-Fehler auftreten können.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer stabilisierten Oszillatoranordnung der eingangs genannten Art eine extreme Frequenzstabilität zu erzielen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.

so Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die Phase der von einem Grundwellen-Resonator reflektierten Welle äußerst empfindlich mit der Frequenz eines freischwingenden Festkörper-Oszillators im Phasenbereich des stabilisierenden Grundwellen-Resonators ändert Durch das automatische Frequenzregelglied wird dann ausgehend von der vom Phasendetektor erfaßten Phasendifferenz der vom Grundwellen-Resonator reflektierten Welle in bezug auf die in den Grundwellen-Resonator einfallende Welle die Übereinstimmung zwischen der Schwingungsfrequenz des freischwingenden Festkörper-Oszillators und der Resonanzfrequenz des Grundwellen-Resonators erzielt.

Durch die Vermeidung des Phasenverriegelungs-Feh-

^ft5 lers wird auch die Lebensdauer der stabilisierten Oszillaioranordnung erhöht.

Es sei hier nochmals auf den einschlägigen bekannten Stand der Technik eingegangen:

Bei der Oszillatoranordnung der vorher genannten Art (vgL FR-PS 14 09 669) ist insbesondere kein Gmndwellen-Resonator vorgesehen und empfängt der iiichtkoppler keine reflektierte Welle, da — wie gesagt — der Richtkoppler lediglich die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators erfaßt

Allerdings ist bereits für sich (vgl. DE OS 19 32 467) eine stabilisierte Oszillatoranordnung bekannt geworden, bei der der Oszillator ein freischwingender Festkörper-Oszillator ist, dessen Schwingungsfrequenz auf die Resonanzfrequenz eines mit der Ausgangsleitung verbundenen Grundwellen-Resonators phasenverriegelt ist Jedoch ist in diesem Zusammenhang überhaupt kein Richtkoppler angegeben. Mit dieser bekannten stabilisierten Oszillatoranordnung wird angestrebt vor allem das Frequenzrauschen in unmittelbarer Nähe der erzeugten Trägerschwingung des Oszillators mit einfachen Mitteln wesentlich zu reduzieren, und zwar in Verbindung mit einer Frequenzstabilisierung der erzeugten Trägerschwingung.

Bekannt ist auch (vgl. Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, H. M e i η k e, F.W. G u η d 1 a c h, Springer Verlag Berlin/Heidelberg/New York, 1S68, S. 385,386), mit einem Richtkoppler aus einem Signal die hinlaufende Welle von der reflektierten Welle entkoppelt abzugreifen.

Gegenüber dem Stand der Technik nach DE-OS 19 32 467 wird mit der erfindungsgemäßen stabilisierten Oszillatoranordnung unmittelbar die Phase der reflektierten Welle bzw. deren Phasendifferenz gegenüber der Phase der einfallenden Welle erfaßt, während sie bei der Anordnung nach der DE-OS 19 32 467 nur über Änderungen der Stelle erfaßt wird, an der die Stehwellenspannung ein Minimum ist, so daß erfindungsgemäß durch unmittelbare Erfassung der Phasendifferenzänderung der reflektierten Welle in bezug auf die einfallende Welle zur Frequenzstabilisierung letztere verbessert wird.

Die erfindungsgemäße stabilisierte Oszillatoranordnung weist sowohl die Phasenverriegelung als auch die Rauschbeschränkung eines mit einem herkömmlichen Grundwellen-Resonators verbundenen stabilisierten Festkörper-Oszillators als auch die Stabilität eines mit einem herkömmlichen automatischen Frequenzregelglied (AFC-GIied) versehenen Oszillators auf, so daß sie im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik eine außerordentlich hohe Schwingungsfrequenzstabilität aufweist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Dabei gibt der Patentanspruch 2 eine Realisierungsmöglichkeit dafür an, wie die Phasendifferenz der vom Grundwellen-Resonator reflektierten Welle in bezug auf die in den Gmndwellen-Resonator einfallende Welle erfaßt werden kann.

Die Lehre nach dem Patentanspruch 3 ist besonders vorteilhaft weil danach das Einstellen der Phase der reflektierten Welle und das Abschwächen der Amplitude der einfallenden Welle einen relativen Anstieg der Amplitude der reflektierten Welle ermöglichen, um die Phasenerfassung zu verbessern.

Demgegenüber ist es bisher lediglich noch für sich bekannt geworden (vgl. US-PS 34 57 521), in eine Phasendetektor-Schaltung mit einem Richtkoppler weitere Schaltelemente einzufügen, um eine vorgegebene Beziehung zwischen der einfallenden und der reflektierten Welle herzustellen, wobei jedoch diese Schaltelemente weder als Phasenschieber noch als Dämpfungsglied ausgebildet sind.

Die Lehre nach dem Patentanspruch 4 dient zur besseren Kopplung der Last mit dem Grundwellen-Resonator, um die Phasenerfassung noch empfindlicher zu gestalten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand F i g. 2 der Zeichnung erläutert

In Fig.2 ist ein Grundwellen-Resonator311 eng mit einer Ausgangsleitung 310 eines freisrhwingenden Festkörper-Oszillators 38 zur Frequenzstabilisierung durch Phasenverriegelung gekoppelt Die Ausgangsleitung 310 ist mit einem Richtkoppler 317 versehen, um die einfallende und reflektierte Welle herauszugreifen.
Wenn bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel angenommen wird, daß das Oszillator-Ausgangssignal 100 mW beträgt und der Richtkoppler 317 einen Koppelgrad von 20 dB hat dann ist der Koppelgrad des Grundwel'len-Resonators 311 zur Ausgangsleitung 310 so bestimmt, daß die reflektierte Welle im Resonanz-Zeitpunkt 10 dB kleiner als die einfallende Weile ist Die beiden Anschlüsse des Richtkopplers 317 sind, wie in der Zeichnung dargestellt, mit einem verstellbaren Dämpfungsglied 318 und einem Phasenschieber 319 verbunden, so daß das Signal einer reflektierten Welle und das auf eine Leistung von ungefähr 1 mW eingestellte Signal einer einfallenden Welle zu einem Phasendetektor 320 jeweils von dem rechten und linken Anschluß des Richtkopplers 317 gespeist werden. Der Phasendetektor 320 umfaßt eine Hybrid-Schaltung 321, die einem 3 dB-Richtkoppler gleichwertig ist, und Detektor-Dioden 322 und 323.

Der Phasendetekior 320 arbeitet so, daß die Phasendifferenz der vom Grundwellen-Resonator 311 reflektierten Welle in bezug auf die in den Grundweilen-Resonator 311 einfallende Welle erfaßt wird, wobei Signale entgegengesetzter Polarität für die Frequenzregelung von den Dioden 322 und 323 erzeugt werden.

Der Phasenschieber 319 ist so eingestellt, daß die beiden Detektor-Dioden 322 und 323 Ausgangssignale gleichen Pegels erzeugen, wenn die Schwingungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz des Grundwellen-Resonators 311 übereinstimmt Die Ausgangssignale der Detektor-Dioden 322 und 323 werden zum automatischen Frequenzregelglied (AFC-Glied) 315 gespeist, wodurch der freischwingende Festkörper-Oszillator 38 so gesteuert wird, daß eine Abweichung der Schwingungsfrequenz ausgeschlossen ist.

Wenn der Richtkoppler 317 an einem geeigneten Punkt angebracht ist, kann der Phasenschieber 319 weggelassen werden. Indem der Koppelgrad des Grundwellen-Resonators 311 verbessert und so die Größe der reflektierten Welle ausreichend vergrößert wird, ist es möglich, das verstellbare Dämpfungsglied 318 wegzulassen.

Bei angepaßter Last, d. h. ein nicht-reflektierendes Ende ist mit dem linken Ende der Ausgangsleitung 310 des betrachteten Ausführungsbeispiels verbunden, unterliegt die vom Grundwcllen-Resonator 311 reflektierte Welle Änderungen von ± 90° hinsichtlich der einfallenden Welle bei Frequenzänderungen. Selbst wenn deshalb die Schwingungsfrequenz Änderungen in einem derartigen Ausmaß unterliegt, daß der Phasenverriegelungs-Bereich überschritten wird, kann deshalb die Polarität der Frequenzabweichung leicht erfaßt

fes werden, wodurch eine automatische Frequenzregelung möglich ist. Wenn weiterhin eine Totalreflexion durch Verbindung mit einer Last, deren Impedanz niedriger als der Wellenwiderstand der Auseanesleitune 310 ist.

bewirkt wird, ändert sich die Phase um einen Maximalwert von ± 180°, wodurch eine empfindlichere Phasendetektion möglich ist.

Selbstverständlich kann eine Totalreflexion auch bewirkt werden, indem der Grundwellen-Resonator 311 schrittweise mit Schrittlängen π χ 1/2 Ag (η ganzzahlig) an das hintere Ende des Festkörper-Oszillators 38 gebracht wird.

Die vorliegende Erfindung kann auf einen TYa Oszillator statt des Festkörper-Oszillators mit Bauelement mit vorgegebenem negativen Wid angewendet werden.

Außerdem kann der im Ausfiihrungsbeispiel vi hene Wellenleiter durch eine Koaxial- oder Strc tung ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Stabilisierte Oszillatoranordnung mit einem Oszillator, der an eine Ausgangsleitung und an eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung angeschlossen ist, mit einem Phasendetektor, dessen Ausgang an den Eingang eines automatischen Frequenzregelglieds angeschlossen ist, dessen Ausgang seinerseits mit dem Oszillator verbunden ist, und mit einem mit der Ausgangsleitung verbundenen Richtkoppler, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator ein freischwingender Festkörper-Oszillator (38) ist, dessen Schwingungsfrequenz auf die Resonanzfrequenz eines mit der Ausgangsleitung (310) verbundenen Grundwellen-Resonators (311) phasenverriegelt ist, daß der Richtkoppler (317) mit der Ausgangsleitung (310) zwischen dem Festkörper-Oszillator (38) und dem Grundwellen-Resonator (311) verbunden ist und daß der Phasendetektor (320) die Phasendifferenz der vom Grundwellen-Resonator (311) reflektierten Welle in bezug auf die in den Grundwellen-Resonator (311) einfallende Welle erfaßt, indem er über den Richtkoppler (317) sowohl die reflektierte als auch die einfallende Welle empfängt

2. Oszillatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (320) am Eingang eine Hybridschaltung (321) und am Ausgang zwei Dioden (322, 323) aufweist, die bezüglich ihrer Durchlaßrichtung gegensinnig geschaltet sind.

3. Oszillatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (320) mit dem Richtkoppler (3i7) über einerseits einen Phasenschieber (319) für die Phase der reflektierten Welle und andererseits ein verstellbares Dämpfungsglied (318) für die einfallende Welle verbunden ist.

4. Oszillatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleitung (310) mit einer Last verbunden ist, die kleiner als der Wellenwiderstand der Ausgangsleitung (310) ist.