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Integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnung Die Erfindung betrifft
eine integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnung, die sich insbesondere gemäß ihrem
Aufbau zum Anschluß an eine Mikrowellenschaltung, etwa einen Wellenleiter oder Hohlleiter,
eignet.
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Um Hohlleiter mit aus integrierten Mikrowellenschaltern bestehenden
Empfänger-Mischstufen oder Festkörper-Oszillatoren zu verbinden, ist es in der Praxis
üblich, den Hohlleiter über einen eigenen Wellenleiter-Koaxialtransformator anzuschließen,
indem an der integrierten Mikrowellenschaltung ein Koaxialanschluß vorgesehen wird.
Bei dieser herkömmlichen Methode besteht jedoch die Tendenz, daß die Einfügungsdämpfung
der Schaltung zunimmt und die stehende Welle auf der Leitung gewöhnlich groß wird,
was die Leistung verschlechtert und gleichzeitig zu höheren Herstellkosten führt.
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Bei einer anderen herkömmlichen Methode wird versucht, an der oberen
Substratfläche der integrierten Mikrowellenschaltung ein Antennenmuster zu formen
und dieses Antennenmuster in den Hohlleiter unter Entfernen des Leiters an der hinteren
Fläche einzufügen, um den Bandleiter auf dem Substrat direkt in den Hohlleiter zu
überführen. Bei dieser Methode
ist es jedoch sehr schwierig, die
integrierte Mikrowellenschaltung an dem Hohlleiter anzubringen und von dem Hohlleiter
abzunehmen; darüber hinaus läßt sich die integrierte Mikrowellenschaltwng nur schwer
luftdicht halten.
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Der Erfindung liegt generell die Aufgabe zugrunde, Nachteile, wie
sie bei integrierten Kikrowellen-Schaltungsanordnungen nach dem Stand der Technik
bestehen, wenigstens teilweise zu beheben. Eine speziellere Aufgabe der Erfindung
kann darin gesehen werden, eine integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnung zu schaffen,
die sich an Mikrowellenschaltungen, wie etwa Hohlleitern oder Hornantennen, leicht
anbringen und davon lösen läßt. Die Schaltungsanordnung soll außerdem hermetisch
dicht und frei von Einflüssen der umgebenden Atmosphäre sein.
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Außerdem soll die integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnung in ihrem
Aufbau einfach und unaufwendig sein.
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Die erfindungsgemäße integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnung
umfaßt eine Antenne, mindestens ein Schaltungselement und eine aus einem Halbleiterelement
(etwa einem Oszillatorelement) bestehende integrierte Nikrowellenschaltung, wobei
alle diese Teile auf einer Metallplatte angeordnet und unter einer auf der Metallplatte
geformten für Mikrowellen durchlässigen Kappe hermetisch abgedichtet sind.
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Vorzugsweise besteht die Antenne aus einem elektrisch leitenden Teil,
das vertikal oder horizontal zu der Metallplatte angeordnet ist. Alternativ kann
die Antenne auch aus einer auf der Metallplatte angeordneten dielektrischen Schicht
bestehen.
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Bei dem Oszillatorelement mag es sich gewöhnlich beispielsweise um
eine Gunn-Diode, eine IQMPATT-Diode, eine Tunnel-Diode oder einen Transistor handeln.
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Die Antenne und die übrigen Elemente sind dabei je nach der gewünschten
Funktion der Schaltung miteinander verbunden.
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Ferner arbeitet die Antenne je nach Bedarf als Sendeantenne oder als
Empfangsantenne oder als Sende- und Empfangsantenne.
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Bei Anschluß an einen Kühlkörperblock, eine Reflektorplatte oder
eine weitere Mikrowellenschaltung arbeitet die
Metallplatte vorzugsweise.
als metallische Wandfläche.
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Die erfindungsgemäße integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnung
ist als Einheit aufgebaut, wobei in der Wandfläche der Mikrowellenschaltung, , bei
der es sich etwa um einen Hchlleiter oder eine Hornantenne handelt, ein Loch vorgesehen
ist, in das-die Kappe hineinpaßt, so daß sich die Einheit leicht ankoppeln läßt.
Da die integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnung unter der für Mikrowellen durchläßigen
Kappe hermetisch abgedichtet ist, bleibt die Schaltung von in der umgebenden Atmosphäre
vorhandenen Staub, Schmutz und Feuchtigkeit unbeeinflußt.
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überdies läßt sich einfach durch Drehen der integrierten Mikrowellen-Schaltungseinheit
die Ankopplung zwischen dieser Einheit und der Mikrowellenschaltung ohne weiteres
in den optimalen Zustand bringen, wodurch Probleme der mangelhaften gegenseitigen
Ausrichtung der Vorrichtungen beseitigt werden.
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Zugleich läßt sich die Einheit bei Auftreten von Störungen sehr leicht
auswechseln.
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Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen
zeigen: Figur 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
dem eine integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnung an einem Hohlleiter montiert
ist; Figur 2 einen Schnitt längs der Linie A-A''nach Figur 1, nach oben gesehen;
Figur 3 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
integrierten Mikrowellen-Schaltungsanordnung; Figur 4 einen Schnitt längs der Linie
B-B' nach Figur 3, nach oben gesehen; Figur 5 ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem die Schaltungsanordnung nach Figur 3 und 4 an einer Hornantenne montiert
ist; Figur 6 einen Schnitt durch ein witeres Ausführungsbeispiel
der
Erfindung, bei dem die integrierte Mikrowellenschaltungsanordnung in einem Hohlleiter
montiert ist, wobei insbesondere eine integrierte Oszillator-Mikrowellenschaltungsanordnung
gezeigt ist, bei der die Antenne aus auf einem dielektrischen Substrat vorgesehenen
Dünnfilm-Leitern besteht; Figur 7 eine perspektivische Darstellung für ein weiteres
Ausführungsbeispiel einer integrierten Empfangs-Mikrowellenschaltungsanordnung mit
den Merkmalen der Erfindung; und Figur 8 einen Querschnitt durch wieder ein anderes
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen integrierten Mikrowellen-Schaltungsanordnung,
bei der die aus Kunstharz bestehende Kappe so gestaltet ist, daß sie an der integrierten
Mikrowellen-Schaltungsanordnung und der Antenne dicht anliegt.
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In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine integrierte
Oszillator-Mikrowellenschaltungsanordnung 3 mittels Schrauben 4 und 5 in einem vorgegebenen
Abstand von einer Kurzschlußplatte 2 eines Hohlleiters 1 montiert. Figur 2 zeigt
nur die Oszillator-Nikrowellenschaltungsanordnung 3 im Schnitt, gesehen nach oben.
Genäß Figur 1 und 2 ist ein Kühlkörperblock 6 der Schaltungsanordnung 3 mit einem
dielektrischen Substrat 7, einer Gunn-Diode 8 und einer aus einem elektrisch leitenden
Teil bestehenden Antenne 9 versehen. Von einem Vorspannungsanschluß 10 mit luftdichtem
Aufbau wird die Diode 8 über einen HF-Dro#selkreis in, einen Bandleiter 12 und einen
Verbindungsdraht 13 mit einer Gleichvorspannung versorgt, wobei die Elemente 11
bis 13 auf dem Substrat 7 geformt sind.
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Der Bandleiter 12 ist mit einem Scheibenresonator 14 gekoppelt, der
aus einem Dünnfilm-Leiter besteht, um die Schwingfrequenz auf einen ge>tUnschten
Wert auf der Grundlage des Mitnahmeeffekts zu steuern und dort zu stabilisieren.
Das Oszillator-Ausgangssignal wird über eine Gleichspannungssperre, nämlich über
einen Kondensator 15, der Antenne 9 über einen mit dieser verbundenen streifenförmigen
Leiter 16
zugeführt. Die Antenne 9 besteht aus einem Metallstab,
dessen Länge etwa 1/4 der Wellenlänge beträgt> undist mit einem Ende geerdet.
Die Antenne 9 dient dazu, das Mikrowellen-Oszillatorausgangssignal in das Innere
des Hohlleiters 1 durch eine luftdichte, aber für Mikrowellen durchläßige, auf dem
Kühlkörperblock 6 montierte hutförmige Kappe 17 hindurch auszustrahlen.
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Die Kuppe 17 besteht aus einem für Mikrowellen durchläßigen dielektrischen
Material, wie etwa Keramik, Kunstharz oder Kunststoff.
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Der Bandleiter 12 hat einen Wellenwiderstand von etwa 50 Ohm. Zur
Anpassung des Bandleiters 12 an den Hohlleiter 1, der einen Wellenwiderstand von
300 bis 400 Ohm aufweist, ist die Verbindungsstelle zwischen dem streifenförmigen
Leiter 16 und der Antenne 9 in geeigneter Weise zu wählen, und die Länge der Antenne
9 sollte ebenfalls für diesen Zweck optimal dimensioniert werden. Der Abstand der
Antenne 9 von der Kurzschlußplatte 2 wird gewöhnlich auf ein Viertel der Wellenlänge
in dem Hohlleiter eingestellt.
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Die so aufgebaute integrierte Oszillator-Mikrowellenschaltungsanordnung
3 ist ihrer äußeren Form nach kreisrund, wodurch es möglich wird, sie bei ihrem
Einbau in den Hohlleiter 1 zu drehen, um die Kopplung zwischen der Antenne und dem
Hohlleiter zu justieren sowie das Oszillator-Ausgangssignal und die Frequenz auf
beliebige gevEinschte Werte einzustellen. Mit dieser einfach aufgebauten Anordnung
lassen sich Schwankungen in den charakteristischen Eigenschaften, die bei früheren
integrierten Mikrowellen-Schaltungsanordnungen ein Problem darstellten, ohne weiteres
beseitigen, so daß sich letzten Endes sehr hohe Arbeitswerte erzielen lassen. Eine
weitere Eigenschaft der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß sich selbst
dann, wenn die erwähnte Justierung nicht ausgeführt wird, ein stabiles Verhalten
aufgrund der Tatsache erreicht wird, daß ein das Mikrowellen-Ausgangssignal erzeugender
Teil berührungsfrei über die Antenne angeschlossen ist.
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Das in Figur 3 und 4 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
integrierten Oszillator-Mikrowellenschaltungsanordnung weist einen noch einfacheren
Aufbau auf. Dabei sind diejenigen Teile, die die Anordnung mit der nach Figur 1
und 2 gemeinsam hat, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 3 und 4 ist der Vorspannungsanschluß 10 zur Zuführung einer Gleichvorspannung
als ein den Kühlkörperblock 6 durchsetzendes Teil, nämlich als Mittelleiter eines
Koaxialkondensators 18,ausgebildet, wobei das andere Ende des Vorspannungsanschlußes
10 zum Unterschied von der Ausführungsform nach Figur 1 und 2 als Antenne 9 arbeitet.
Ein an dem Mittelleiter montierter Lelterblock 24 dient dabei als HF-Drossel, um
unerwünschte Mikrowellen-Leckverluste in dem Koaxialkondensator 18 zu unterdrücken;
gleichzeitig dient der Leiterblock 24 als Anpassungselement für den Ausgangskreis.
Die übrigen Funktionen sind denen bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 und 2
gleich.
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Eine besondere Eigenschaft des Ausführungsbeispiels nach Figur 3
und 4 besteht darin, daß die Anordnung lediglich aus dem kreisförmigen Resonator
14 und einem Bandleiter 12 auf dem dielektrischen Substrat 7 besteht, so daß der
Aufbau sehr einfach und platzsparend ist und geringe Herstellkosten verursacht.
Zur Stabilisierung des Oszillators wird in diesem Ausführungsbeispiel ein kreisförmiger
Resonator verwendet; statt dessen kann jedoch ein dielektrischer Resonator verwendet
werden. Ebenso kann anstelle der Gunn-Diode auch eine INPATT-Diode, ein Transistor
oder ein Feldeffekttransistor verwendet werden.
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Das in Figur 5 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
integrierten Oszillator-Mikrowellenschaltungsanordnung dient als Doppler-Radarantenne.
Die Anordnung 3 ist bei dem Aufbau nach Figur 5 nahezu die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach Figur 3 und 4 mit der Annahme, daß die Antenne 9 zur Ankopplung an eine Hornantenne
19 rechtwinkelig umgebogen ist. Die Anordnung 3 ist über eine Metallfassung
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und eine Befestigungsschraube 4 fest an der Hornantenne 19 montiert.
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Die Anordnung nach Figur 5 arbeitet folgendermaßen. fieber einen
geerdeten Anschluß 21 und einen über einen Serienwiderstand liegenden Anschluß 22
wird eine Gleichvorspannung einem Vorspannungs-Versorgungspunkt am anderen Ende
der Antenne 9 zugeführt, so daß das Mikrowellen-Ausgangssignal des aus einer Günn-Diode
8 bestehenden Oszillatorelements über die Antenne 9 von der Antenne 19 in den äußeren
Raum abgestrahlt wird. Die von einem sich bewegenden externen Ziel reflektierte
Mikrowelle gelangt über die Hornantenne 19 und die Antenne 9 an das Oszillatorelement
8 zurück und wird aufgrund der Nicht-Linearität des Oszillatorelements eingemischt.
Dabei wird über einen Kondensator C an einem Anschluß 23 ein Dopplersignal erzeugt,
dessen Frequenz zur Geschwindigkeit des sich bewegenden Ziels proportional ist,
woraus sich das Ziel ermitteln läßt. Mit dem Anschluß 23 ist eine Signalverarbeitungsschaltung
verbunden, die nicht Teil der Erfindung und daher nicht weiter dargestellt ist.
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Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist eine integrierte
Oszillator-Mikrowellenschaltung 3 auf einer Kurzschlußplatte eines Hohlleiters,
beispielsweise an der Stelle der Platte 2 nach Figur 1 montiert. Die Anordnung 3
ist dabei folgendermaßen aufgebaut. Das dielektrische Substrat 7 und die Gunn-Diode
8 sind auf dem Kühlkörperblock 6 montiert, wobei die Antenne 9, die aus einem Dünnfilmleiter
einer halben Wellenlänge besteht, auf der Oberfläche des dielektrischen Substrats
7 vorge-sehen und die Gunn-Diode 8 über einen Verbindungsdraht 13 mit der Antenne
9 verbunden ist. Eine für Mikrowellen durchläßige Kappe 17 deckt den Vorspannungsanschluß
10 und die Antenne 9 ab.
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Der Leiter 6 an der hinteren Fläche des dielektrischen Substrats
7 wirkt als Reflektorplatte, und die Antenne 9 weist die Funktion einer Dipolantenne
zur Abstrahlung des Ausgangssignals sowie die eines Resonators zur Bestimmung der
Arbeitsfrequenz der Gunn-Diode 8-auf. Je näher der Anschlußpunkt des
Verbindungsdrahts
13 an der Mitte der Antenne 9 liegt, desto geringer wird die Impedanz. Durch geeignete
Wahl des Anschlußpunktes läßt sich daher leicht die Gunn-Diode 8 mit optimaler Last
versehen. Auch diejenige Stelle, an der der Leitungsdraht von dem Vorspannungsanschluß
10 mit der Antenne 9 verbunden ist, sollte in der Mitte der Antenne -9 liegen, wo
die HF-Spannung minimal ist, um Leckverluste des Mikrowellen-Ausgangssignals zu
vermeiden.
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Die integrierte Oszillator-Mikrowellenschaltungsanordnung 3 wird
an der Kurzschlußplatte 2 des Hohlleiters 1 angebracht und zur Änderung des Kopplungsgrades
bezüglich des Hohlleiterkreises gedreht. Figur 6 zeigt eine Anordnung, bei der das
elektromagnetische Feld des Hohlleiters 1 mit der Richtung der Antenne 9 übereinstimmt,
was maximal wirksame Kopplung ergibt. In diesem Fall arbeitet die Antenne 9 als
Resonator, wobei sich trotz der Tatsache, daß die Antenne nahe der von dem Leiter
an der hinteren Fläche des dielektrischen Substrats 7 gebildeten Kurzschlußfläche
angeordnet ist, die Wirksamkeit der Kopplung auf den Hohlleiter dank des magnetischen
Feldes, das durch den die Antenne 9 durchsetzenden elektrischen Strom bewirkt wird,
erhöhen läßt. Durch Verstärken der Dicke des dielektrischen Substrats 7 läßt sich
die Wirksamkeit der Bindung weiter verstärken.
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Die integrierte Oszillator-Nikrowellenschaltung 3 kann man als generellen
Oszillator, als Doppler-Radareinrichtung sowie auch als Verstärker mit negativem
Widerstand, falls die l:rirksamkeit der Bindung wie oben erwähnt erhöht wird, einsetzen.
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In diesem Fall wird zur Trennung zwischen Mikrowelleneingang und
-ausgang ein nicht-reversibler Kreis, etwa ein Zirkulator oder eine Hybridschaltung,
verwendet. Eine besondere Eigenschaft dieses Verstärkers besteht darin, daß sich
durch Drehen der Antenne 9 zur Änderung ihrer Richtung die Wirksamkeit der Kopplung
zwischen dem Oszillatorelement und der Schaltung ändern läßt, so daß sich der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers leicht einstellen läßt. Bei der praktischen Ausführung dieses Beispiels
ist es ferner möglich,
eine stabilere Arbeitsweise dadurch zu erzielen,
daß ein (nicht gezeigter) Kreis zur Absorption unerwünschter Schwingungsmodi in
geeigneter Weise eingefügt wird.
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Brfindungsgemäßinsbesondere gemäß dem Au sführungsbe ispiel nach
Figur 6 hat das Substrat nur eine kleine Fläche, wodurch es möglich wird, eine Anzahl
von Schaltungen aus einem hochpräzisen Dünnfilmsubstrat zu schneiden und dadurch
die Herstellung der Anordnung billiger zu machen.
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In der in Figur 7 schematisch dargestellten Anordnung ist die Erfindung
bei einer integrierten Mikrowellen-Schaltungsanordnung zum stirnseitigen Empfang
angewendet, wobei die äußere Erscheinung der Anordnung ähnlich ist wie bei den obigen
Ausführungsbeispielen, jedoch unter der hermetisch dichten, aber für Mikrowellen
durchläßigen (nicht gezeigten) Kappe viele Schaltungselemente enthalten sind.
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Gemäß Figur 7 sind das dielektrische Substrat 7 und die Gunn-Diode
8 auf dem Kühlkörperblock O montiert, und die Schaltungsanordnung, die wiederum
als Empfangs- oder über lagerungsoszillator arbeitet, ist die gleiche wie in dem
Ausführungsbeispiel nach Figur 2. Im vorliegenden Fall wird Jedoch das Oszillator-Ausgangssignal
weitgehend von einem nicht-reflektierenden Anschluß 25 aufgenommen, wobei ein Teil
davon mit Hilfe eines Richtungskopplers 26 wiedergewonnen wird, um die Energie in
Form von Empfangsoszillator-Energie über eine Leitung 28 einer Brücken- oder Gegentaktmischstufe
27 zuzuführen. Ein Ende der Antenne 9, deren Länge etwa einer Viertel-Wellenlänge
entspricht und die aus einem geknickten Leiterteil besteht, ist an eine Leitung
29 für Mikrowellen signale angeschlossen. Das Zwischenfrequenz-Ausgangssignal der
beiden Mischdioden 30 und 31 wird an einem Anschluß 33 abgenommen, wodurch ein Ende
eines Leitungsdrahtes 32 geerdet wird. Die integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnung
nach diesem Ausführungsbeispiel läßt sich außer für generelle Empfänger auch für
Doppler-Radareinrichtungen verwenden. In dieser letzteren Verwendungsart wird die
infolge Streuverlusten auf die Antenne 9 gekoppelte Mikrowellenenergie
zur
Aussendung benützt.
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In dem weiteren Ausführungsbeispiel nach Figur 8 besteht die integrierte
Mikrowellen-Schaltungsanordnung aus dem dielektrischen Substrat 7, der Antenne 9
und dem Vorspannungsaflschluß 10, wobei diese Elemente auf dem Kühlkörperblock 6
montiert sind, sowie einer luftdichten, für Mikrowellen aurchläßigen Kappe 17 aus
Kunststoff oder Kunstharz, die das Substrat 7 und die Antenne 9 bedeckt. Mit dem
dielektrischen Substrat 7 ist ferner ein (nicht gezeigtes) Halbleiterelement, etwa
eine Gunn-Diode, verbunden.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 8 hat die Kappe 17 einen Aufbau,
der das Substrat 7 und die Antenne 9 umschließt. Dieser Aufbau läßt sich jedoch
derart vereinfachen, daß nur die Halbleiterelemente und die metallischen Teile von
einer Kappe aus einem Kunstharz- oder Kunststofffilm bedeckt werden, um die Schaltungselemente
gegen die umgebende Atmosphäre zu schützen.
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Anstelle des dielektrischen Substrats kann bei Bedarf auch ein magnetisches
Substrat verwendet werden, um dem in der integrierten Mikrowellen- Schaltung sanordnung
gegebenenfalls vorgesehenen nicht-reversiblen Kreis, etwa einem Zirkulator, ein
magnetisches Feld zuzuführen. Auch in dem Ausführungabeispiel nach Figur 8 wird
die Gunn-Diode als aktives Element verwendet. Es wird darauf hingewiesen, daß jedoch
auch andere Elemente, etwa IMPATT-Dioden und Transistoren, verwendet werden können.
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Wie oben dargelegt, lassen sich erfindungsgemäß für die verschiedensten
Anwendungsfälle integrierte Mikrowellen-Schaltungsanordnungen mit sehr geringen
Abmessungen bauen, wobei die Schaltungselemente geschützt sind, wobei sich ferner
die Anordnung leicht an Mikroarellenechaltungen, wie etwa Hohll eitern, anbringen
und von derartigen Schaltungen lösen läßt und wobei Justierungen leicht durchführbar
sind.