DE2533459B2

DE2533459B2 - Integrierbare mikrowellenschaltung

Info

Publication number: DE2533459B2
Application number: DE19752533459
Authority: DE
Inventors: Michel De Pontoise Vecchis (Frankreich)
Original assignee: Lignes Telegraphiques Et Telephoniques, Paris
Priority date: 1974-07-26
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1977-05-26
Also published as: FR2280240B1; DE2533459C3; GB1516722A; FR2280240A1; BE831089A; DE2533459A1; IT1036481B

Description

,Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierbare .„,. Mikrowellenschaltung mit einem einen Transistor >i*nthaltenden Hochfrequenzgenerator, einer Anordnung zur Vervielfachung der vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Frequenz, einer Sende-Empfangs-Antenne und einer Mischstufe zur Bildung der die Dopplerfrequenz darstellenden Differenz zwischen der Sendefrequenz und der Empfangsfrequenz.

60 Bin« MikrowellenschnHung dsr angegebenen An Ist Gegenstand des alteren Patents 24 IS 895, Durch die Frequenzvervielfachung kann mit einer Sendefrequenz gearbeitet werden, die höher »Is die höchste Frequenz ist, die der Transistor-Hochfrequenzgenerator erzeugen

kann. ,. ... .

Mikrowellenschaltungen dieser Art dienen hauptsächlich dem Zweck, das Vorhandensein eines sich relativ zu ihnen bewegenden Objekts festzustellen. {j_SUp_tanwendungsgebiete sind Alarm- und Sicherungsanlagen, aber auch Detektoren für Blinde. In allen diesen Fällen bestehen die Forderungen nach großer Betriebssicherheit bei möglichst einfachem und billigem Aufbau sowie nach geringem Gev/icht und Platzbedarf, Die meist sehr kurzen Meßentfernungen erfordern ferner die Anwendung sehr hoher Sendefrequenzen, die wiederum die Erzielung sehr kleiner Abmessungen begünstigt.

Es ist bekannt, daß die Höchstfrequenz-Transistoren insbesondere durch einen maximalen Frequenzwert gekennzeichnet sind, der Übergangsfrequenz (Transitfrequenz) fr genannt wird, bei welcher der Stromverstärkungsfaktor in Emitter-Schaltung den Wert 1 hat. Der Wert der Übergangsfrequenz fr hängt von dem technologischen Aufbau des Transistors ab und wird vom Hersteller angegeben. Ein Betrieb bei einer Frequenz, welche die Übergangsfrequenz fr überschreitet, ergibt eine Ausgangsleistung, die kleiner als die Eingingsleistung ist, falls der Transistor als Verstärker arbeitet; oberhalb der Übergangsfrequenz fr ist deshalb die Verwendung des Transistors als Schwingungserzeuger nicht möglich. Anstelle der Übergangsfrequenz Λ wird auch manchmal die maximale Grenzfrequenz angegeben, die mit dem Leistungsverstärkungsfaktor verknüpft ist.

Bei einer den Gegenstand des älteren Patents 24 !5 895 bildenden Mikrowellenschaltung der eingangs angegebenen An werden die vorstehend angeführten Tatsachen dadurch berücksichtigt, daß eine Kapazitätsdiode einerseits die vom Transistor-Hochfrequenzgenerator erzeugte Frequenz ve/vielfacht und andrerseits als Mischstufe die der Dopplerfrequenz entsprechende Differenz zwischen der Sendefrequenz und der Empfangsfrequenz bildet. Dadurch ist einerseits der Schaltungsaufwand sehr gering, und andrerseits kann der Transistoroszillator verhältnismäßig einfach und billig aufgebaut sein, weil die von ihm erzeugte Frequenz wesentlich niedriger ist als die Sendefrequenz; bei festgelegter Sendetrequenz kann insbesondere ein Transistor mit niedrigerer Übergangsfrequenz / verwendet werden. Auch läßt sich eine Mikrowellen-Schaltung gemäß dem älteren Vorschlag leicht in integrierter Form herstellen.

Ein Transistoroszillator mit nachgeschalteter Kapazitätsdiode zur Frequenzvervielfachung, jedoch ohne subtraktive Mischung, ist auch aus der Zeitschrift »Proceedings of the IRE«, Juli 1960, Seiten 1334 und 1335, vorbekannt.

Aus der »RCA-Appiication Note SMA-40« ist es bekannt, einen Verstärkertransistor durch Ausnutzung der nichtiinearen Kapazität des Koiiekiöf-Bäsis-übergangs als Frequenzvervielfacher zu verwenden, wobei im Basiskreis ein auf die Grundfrequenz abgestimmter Kreis und im Kollektorkreis ein auf die vervielfachte Frequenz abgestimmter Kreis liegt. In diesem Fall arbeitet der Transistor aber nicht als Oszillator.

Ein Transistoroszillator, der im Emitterkreis und im Kollektorkreis miteinander gekoppelte Kreise und im

Kollektorkreis einen auf die Ausgangsfrcquenz nbgcstimmten Resonanzkreis aufweist, ist aus der DT-AS IO 87 180 bekannt, Dabei ist aber die Ausgcngsfrcquenz gleich der Frequenz der erzeugten Schwingungen; eine Frequenzvervielfachung findet nicht statt
_.... Aus der DT-PS 614 676 ist es bekannt, an den !Anodenkreis einer Röhrenstufe eine Sende-Empfangsfantenne anzuschließen.

j Schließlich ist es aus der »Siemens-Zeitschrift«, Oktober 1959, Heft 10, Seiten 648-655, bekannt, mit Hilfe des gleichen Schaltungselemente eine Schwingung zu erzeugen und die Frequenz der erzeugten Schwingung zu vervielfachen. Das Schaltungselement ist in diesem Fall eine Scheibentriode, in deren Kathodenkreis ein auf die Schwingungsfrequenz abgestimmter Kreis und in deren Anodenkreis ein auf die vervielfachte Frequenz abgestimmter Kreis liegt. In diesem Fall ist es auch vorgesehen, die Kreise als Bandleitungskreise auszuführen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Mikrowellenschaltung der eingangs angegebenen Art, die bei gleicher Leistungsfähigkeit noch einfacher und billiger ist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch _; gelöst, daß der Transistor des Hochfrequenzgenerators '' im Emitterkreis und im Basiskreis miteinander gekop-" pelte, auf eine Frequenz /Ό abgestimmte Kreise aufweist, daß im Kollektorkreis des Transistors ein auf die -Frequenz /i/o abgestimmter Kreis liegt, daß die Sende-Empfangs-Antenne an den Kollektorkreis angekoppelt ist und daß mit dem Basiskreis des Transistors eine Anordnung zur Abnahme der Dopplerfrequenz verbunden ist.

Bei der Mikrowellenschaltung nach der Erfindung dient ein einziger Transistor als Oszillatortransistor zur Schwingungserzeugung, als Frequenzvervielfacher und -als Mischstufe zur Bildung der Doppierfrequenz. Er ersetzt somit den Transistor und die Kapazitätsdiode des älteren Vorschlages. Zu diesem Zweck wird die Tatsache, daß die Strom-Spannungs-Kennlinien der verschiedenen den Transistor bildenden Dioden nichtlinear sind, zweifach ausgenutzt Diese Eigenschaf\ die bei Verwendung des Transistors als Verstärker störend ist, wird einerseits für die Vervielfachung der Schwingungsfrequenz des Transistors im Innern des Transistors selbst ausgenutzt, so daß man eine Quelle erhält, die eine merkliche Leistung bei einer Frequenz liefert, die höher als die maximale Verwendungsfrequenz des Transistors sein kann, und zwar unter bedriedigenden Stabilitäts- und Wirkungsgradbedingungen; andrerseits dient die gleiche Nichtlinearität für eine subtraktive Mischung der erzeugten Sendefrequenz und der reflektierten Empfangsfrequenz, wodurch die der Dopplerfrequenz entsprechende Differenz erhalten wird.

Bei der Mikrowellenschaltung nach der Erfindung schwingt der Transistor auf der Frequenz k, die unterhalb seiner Übergangsfrequenz liegt. Infolge der Nichtlinearität des Kollektor-Basis-Übergangs entstehen Oberweilen dieser Schwingung, und der im Koiiektürkreis des Transistors liegende Kreis ist auf eine dieser Oberwellen abgestimmt Dadurch kann im Ausgangskreis des Transistors eine Mikrowelle erhalten werden, deren Frequenz Ober der Übergangsfrequenz des Transistors liegt. Nach Aussendung dieser Mikrowellen und Empfang der? an einem bewegten Objekt reflektierten Welle erfolgt in dem gleichen Transistor an dem nichtlinearen Kollektor-Basis-Übergang eine subtraktive Mischung,durcheile im ßnsiskreis ein f'gnol mit der Dopplerfrequenz erlalten wird,

Die Einstellung d«s Kollektorstroms des Transistor·· ermöglicht die Steuerung der Ausgangsleistung bei dir

Frequenz π ft.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemiJßen Mikrowe'lcnschaltung besteht in der Verringerung der Kosten für die Halbleiter-Bauelemente auf etwa dio Hälfte im Vergleich au einer Schaltung, die einen

ίο Oszillatortransistor und eine Kapazitätsdiode zur Frequenzvervielfachung enthüll

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Mikro· wellenschaltung besteht in der verhältnismäßig hohen Leistung der Ausgangnwelle mit der Frequenz nh, Diese hohe Leistung ergibt sich nämlich aus dem Frodukt der Leistung bei der Frequenz k mit dem Umwandlungs-Wirkungsgrad. Nun liegt die Leistung bei der Frequenz /ö in der Größenordnung von 80 bis 100 Milliwatt, und der Uimvandlungswirkungsgrad ist bei der erfindungsgemilßen Mikrowellcnschaltung bei einem Frequenzvervielfachungsfaktor η=2 größer als 10%.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Mikrowellenschaltung sehr robust. Die Schwingung findet bei einer Frequenz /o statt, bei welcher der Wirkungsgrad des Transistors groß ist. und der Transistor eine sehr lange Lebensdauer hai.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die verschiedenen Kreise der Transistorschaltung durch Leitungsabschnitte gebildet, die vorzugsweise als MikrowelSen-Bandleitungsabschnhte ausgebildet sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüdhen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, lii der Zeichnung zeigt

Fig.! eine integrierte Mikrowellenschaltung nach der Erfindung,
F i g. 2 das elektrische Ersatzschaltbild der Schaltung von F i g. 1 und

F i g. 3 die Kennlinie der Leistung eines Transistoroszillators bekannter An in Abhängigkeit vom Kollektorstrom.
Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält ein Substrat 30 aus Aluminiumoxid, das auf der nicht sichtbaren Rückseite ■vollständig metallisiert ist und auf der Vorderfläche einen gehäuselosen Transistor 31 trägt. Dieser Transistor ist mit seiner Kollektor-Metallisierung mit einem Ausgangs-Mikrowellen-Bandleitungsabschnitt 32 verbunden. Die Basis des Transistors 31 ist durch zwei Golddrähtchen von einigen Mikron Durchmesser einerseils mit einer Mikrowellen-Bandleitung 34 und andrerseits mit einer Mikrowellen-Bandleitung 36 verbunden. Der Emitter des Transistors 31 ist durch einen Golddrelt mit einer Mikrowellen-Bandleitung 35 verbunden. Die Mikrowellen-Bandleitungen 35 und 36 sind nebeneinander angeordnet, damit eine geeignete Kopplung entsteht, die den Transistor in Schwingungen versehen kann, deren Frequenz ta unter

der Übergangsfrequenz h des Transistors liegt. Eine Mikrowelien-Bandleilung 37, deren Länge der Hälfte der Wellenlänge Λ bei einer Frequenz η h entspricht, ist senkrecht zu der Ausgangs-Mikrowellenbandleitung 32 in einem Abstand (4K + 1) λ/4 vom Transistor angeordnet. Die Frequenz nf₀ ist ein ganzzahliges Vielfaches der Schvyingungsfrequenz fa und entsteht durch Vervielfachung dieser Schwingungsfrequenz um den Faktor η im Transistor selbst. Die Verlängerung der

Mikrowellen-Bandleitung 32 ist mit einem Schlitz 38 gekoppelt, der als Antenne dient und auf der vollständig metallisierten Seite des Substrats 30 angeordnet ist. Die Strahlungsimpedanz des Schlitzes 38 bei der Frequenz η /ο ist an die "npedanz der Mikrowellen-Bandleitung 32 angepaßt. Der Schlitz 38 dient gleichzeitig als Sendeantenne für die Welle mit der Frequenz η /Ό und als Empfangsantenne für die an einem Hindernis reflektierte Welle, deren Frequenz nf_o+ofo sich um die Dopplerfrequenz von der Sendefrequenz unterscheidet, wenn das Hindernis bewegt ist.

In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß der Frequenzvervielfachungsfaktor den Wert /7=2 hat, doch kann er auch gleich 3 oder 4 gewählt werden. Der Abstand zwischen dem Transistor 31 und der Mikrowellen-Bandieitung 37 wird gleich 5λ/4 gewählt, damit die zweite Harmonische begünstigt wird. Der verwendete Transistor kann ein gehäuseloser Transistor des Typs 35 820 A oder des Typs X 56 oder irgendein anderer Transistortyp sein, der unter den normalen Verwendungsbedingungen bei 5 GHz arbeitet; durch die Frequenzverdoppelung kann dann mit der dargestellten Anordnung eine Schwingung der Frequenz 10 GHz erhalten werden.

Fig.2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung von Fig. 1. In diesem Schaltbild sind die Mikrowellen-Bandleitungen 34 und 36 durch einen Resonanzkreis dargestellt, der aus zwei in Serie geschalteten Induktivitäten 42 und 44 und einem Kondensator 43 besteht. Ein Transistor 41 entspricht dem gehäuselosen Transistor 31. Die Mikrowellen-Bandleitung 35 von F i g. 1 ist durch eine Induktivität 45, von der ein Teil mit der Induktivität 44 gekoppelt ist, und einen Kondensator 46 dargestellt. Die Ausgangs-Mikrowellen-Bandleitung 32 ist durch einen Transformator 47 dargestellt, der mit einem Kreis 48 gekoppelt ist, der eine Induktivität und eine Kapazität enthält und auf die Frequenz π k abgestimmt ist. An die Ausgangsklemmen ist die durch den Schlitz 38 gebildete Antenne angeschlossen, die in F i g. 2 nicht dargestellt ist.

Die Wirkungsweise der Schaltung kann folgendermaßen erläutert werden:

Es wird zunächst angenommen, daß die Mikrowellen-Bandleitung 37 fortgelassen wird, so daß das Schaltbild vn F i g. 2 den Resonanzkreis 48 nicht enthält Es ist bekannt, daß man den Wert der Frequenz f₀ dadurch ändern kann, daß die Eigenschaften der Mikrowellen-Bandieitung 34 geändert werden, was einer Änderung der Werte der Induktivität 42 und des Kondensators 43 gleichwertig ist. Eine solche Schaltung ist ohne besondere Schwierigkeit industriell reproduzierbar. Die Einstellung des Kollektorstroms / bei konstanter Kollektor-Basis-Spannung ermöglicht eine Änderung der im Ausgangskreis verfügbaren Leistung.

Mit einem Transistor des Typs 35 820 A ist es beispielsweise möglich, die in Fig.3 dargestellte Kennlinie 51 der Änderung der Ausgangsleistung als Funktion des Kollektorstroms /bei einer Kollektor-Basis-Spannung von 22 Volt für die Schwingfrequenz 5 GHz zu erhalten. Es ist zu erkennen, daß eine Zone besteht, in der die Ausgangsleistung eine angenähert lineare Funktion des Koliektor-Basis-Gleichstroms ist. Infolge der Temperaturerhöhung des pn-Übergangs, welche die Zunahme der Ausgangsleistung begleitet, entsprechen die optimalen Bedingungen für einen stabilen Langzeitbetrieb dem Punkt A der Kurve.

Wenn nun die Mikrowellen-Bandieitung 37 vorhanden ist, so enthält das Ersatzschaltbild von Fig.2 den auf die Frequenz 10 GHz abgestimmten Kreis 48. Durch Einwirkung auf den Kollektorstrom in der Mähe des dem Punkt A der Kurve 51 entsprechenden Wertes kann festgestellt werden, daß es möglich ist, einen verhältnismäßig großen Energiepegel bei der Frequenz 2 /o zu erhalten, und auch diesen Pegel zu ändern. Der Kollektor-Basis-Übergang des Transistors 41 spielt die Rolle einer veränderbaren Kapazität Cj, und die Grenzfrequenz des Kollektor-Basis-Obergangs liegt

ι ο höher als die Übergangsfrequenz des Transistors.

Damit eine Schaltung mit einer Kapazitätsdiode eine Frequenzvervielfachung mit einem guten Wirkungsgrad durchführt, müssen bekanntlich die beiden folgenden Bedingungen erfüllt sein:

1. Die kleinste Kapazität Q des Übergangs bei der

angelegten Spannung V und der Eingangsfrequenz /Ό müssen miteinander durch die Beziehung Q= \0~Vfo (in

MKSA-Einheiten) verknüpft sein;

2. die Grenzfrequenz der Kapazitätsdiode muß wenigstens gleich dem Zehnfachen der Ausgangsfrequenz n/o sein.

Die erste Beziehung ermöglicht die Berechnung der kleinsten Kapazität Cj des Kollektor-Basis-Übergangs : Cj=02 ■ ΙΟ-¹² Farad (ungefähr). Da die Ein-

gangskapazität C₀ des Transistors vom Hersteller mil 10-^l2 Farad angegeben ist, kann vernünftigerweise unterstellt werden, daß die Grenzfrequenz des Kollektor-Basis-Übergangs ein Mehrfaches der Übergangsfi equenz/r des Transistors ist.

Die zweite der zuvor angegebenen Bedingungen ist nicht eingehalten, und deshalb wird der theoretische Wirkungsgrad nicht erhalten; die Leistung bei 10 GHz ist jedoch keineswegs vernachlässigbar. Die folgende Tabelle zeigt die Leistungswerte, die bei 10 GHz bzw. bei 5GHz mit dem gleichen Transistortyp erhalten werden, mit dem auch die Kurve von Fig.3 aufgenommen worden ist, wenn die Kollektor-Basis-Spannung wie bei dem zuvor angegebenen Betrieb auf 22 Volt gehalten wird.

Kollektorstrom
(mA)

Leistung bet

10GHz

(mW)

Leistung bei

5GHz

(mW)

22

20,5

19

5 2.5

Wie zu erkennen ist, sind die Vorspannungsbedingun-

gen, die dem Leistungsmaximum der selbstschwingenden Schaltung bei 5GHz entsprechen, auch die Bedingungen, die dem Maximum der abgegebenen Gesamtleistung entsprechen. Wenn es jedoch infolge der Anwendungsbedingungen notwendig ist, kann durch

Verringerung des Kollektorstroms auch nur die Schwingung mit der Frequenz 10 GHz beibehalten werden.

Wenn die Leitung der von der Antenne 38 abgestrahlten Welle mit der Frequenz η F₀ in der Nähe

von 10 Milliwatt liegt, ist es möglich, die Anordnung zur Erkennung eines sich bewegenden Zieles mit Hilfe des !Dopplereffekts zu verwenden. Die am Ziel reflektierte ^WeIIe hat eine Frequenz, die sich um die Dopplerft eiquenz 6f₀ von der Frequenz der gesendeten Welle

C₅ unterscheidet Nachdem die reflektierte Welle von der ^Antenne 38 aufgefangen worden ist, wird sie von der Mikrowellen-Bandieitung 32 bis zum Kollektor-Basi=- uJbergang geführt, und die Schwebung zwischen der an

Ort und Stelle erzeugten Schwingung mit der Frequenz nk und der reflektierten Welle mit der Frequenz η fo+6 /o wird durch den Übergang demoduliert. Bei einer praktischen Ausführung ermöglicht eine die Abnahme einer Spannung von 5 Millivolt an einer Klemme eines Widerstandes von'200 Ohm, der in Serie in den Speisekreis der Basis des Transistors 31 eingefügt ist, wenn sich eine Person in einer'Entfernung von 5 m

- Antenne mit einem Gewinn von 15 dB bei 10 GHz die 5 von der Antenne 38 mit normaler Schrittgeschwindigan die Mikrowellen-Bandleitung 32 angeschlossen ist, keit bewegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

■A .

J T. ¹^. f

Claims

Patentansprüche:

1. lntcgrierbarc Mikrowellenschalturiß mit einem einen Transistor enthaltenden Hochfrequenzgene- s

.rator, einer Anordnung zur Vervielfachung der vom Hochfrequenzgenerator erzeugten Frequenz, einer 8TIcJe-Empfangs-Antenne und einer Mischstufe zur , Bildung der die Dopplerirequenr, darstellenden ■ Differenz zwischen der Sendeirequenz und der ι ο Empfangsfrequenz, dadurch gekennzeichne t, daß der Transistor (31; 41) des Hochfrequenzgenerators im Eniitterkrcis und im Basiskreis miteinander gekoppelte, auf eine Frequenz /Ό abgestimmte Kreise (34, 35, 36; 42, 43, 44, 45, 46) aufweist, daß im Kollektorkreis des Transistors ein _y< 'auf die Frequenz nk abgestimmter Kreis (37; 48) liegt, daß die Sende-Empfangs-Antenne (38) an den Kollektorkreis (32) angekoppelt ist und daß mit dem Basiskreis des Transistors (31, 41) eine Anordnung zur Abnahme der Dopplerfrequenz verbunden ist.

2. Mikrowellenschalti'ng nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kollektorkreis des Transistors (31) Hegende Kreis durch einen Leitungsabschnitt (37) gebildet ist, dessen Länge einer halben Wellenlänge bei der Frequenz η h entspricht und der im Abstand (AK + 1) λ/4 vom Transistor als Stichleitung an die Ausgangsleitung (32) des Transistors angeschlossen ist, wobei A die Wellenlänge bei der Frequenz η /₀ auf der Ausgangsleitung und K eine ganze Zahl ist.

3. Mikrowellenschaitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ^r'ie Länge der Ausgangsleitung (32) zwischen dem Transistor (31) und dem Anschlußpunkt der Stichleitung (37) 5A/4 beträgt

4. Mikrowellenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Emitterkreis und im Basiskreis des Transistors (31) liegenden Kreise durch Leitungsabschnitte (34, 35, 36) gebildet sind, deren Länge einer halben Wellenlänge bei der Frequenz /₀ entspricht.

5. Mikrowellenschaltung nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Leitungsabschnitte (32,34,35,36,37) durch Mikrowellen-Bandleitungsabschnitte gebildet sind.

6. Mikrowellenschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-Empfangs-Antenne durch einen strahlenden Schlitz (38) in der vollständig metallisierten Fläche des die Mikrowellen-Bandleitungsabschnitte tragenden Substrats (30) gebildet ist.

7. Mikrowellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Basiskreis des Transistors (31) verbundene Anordnung zur Abnahme der Dopplerfrequenz ein Widerstand ist.