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Breitbandiger Mikrowellen-Oszillator
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem breitbandigen Mikrowellen-Oszillator
mit niedriger belasteter Güte, bestehend aus einem aktiven Element, beispielsweise
einem Festkörperzweipol, mit negativem Widerstand in einem Resonanzkreis aus einem
unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiter von rechteckigem Querschnitt
und einer Koppelanordnung zur Auskopplung der Energie.
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Neben rauscharmen, frequenzstabilen Oszlllatoren ett liohor belasteter
Güte QL die naturgemäß nur über ein schmales Frequenzband mechanisch, elektronisch
oder durch Synchronistation mit einem Fremdsignal durchstimmbar sind, sind zunehmend
Os#illatoren mit niedriger Güte QL von technischer
lsedeutung Von
solchen Oszillatoren verlangt man das Beibehalten charakteristischer Eigellschaften
wie Ausgangs leistung, Phasenlinearität, Durchstiminbarkeit usw. über einen möglichst
großen Frequenzbereich. In der Elikrowellentechnik finden sie z.B. Anwendung als
injektion#synchronisierte Frequenzmodulations-Verstärker oder als elektrisch durchstimmbare
Oszillatoren (VCO).
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Im Prinzip besteht ein solcher Oszillator aus einem aktiven Element,
einem Festkörperzweipol, mit negativem Widerstand und einem oder mehreren Resonanzkreisen,
die in der Mikrowellentechnik aus meist geeignet abgeschlossenen Leitung stücken
bestehen. Eine niedrige belastete Güte Q daß nur wenig Blindenergie im Resonanzkreis
gespeichert wird.
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Bestehende Breitbandoszillatoren werden in llohlleiter-, Streifen-
oder Schlitzleitungstechnik oder mit Koaxialleitungen aufgebaut. Streifen- oder
Schlitzleitungsoszillatoren ermöglichen zwar relativ niedrige Gütewerte und sind
in der Praxis jedoch schwer abzustimmen und nur für niedrige Frequenzbereiche geeignet.
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Bereits verwendete Hohlleiteroszillatoren in Rechteckhohlleitern,
Steghohlleitern haben den Nachteil, daß mit ihnen
niedrige Cütewerte
nur schwer erreichbar sind. Das eine Hohlleiterende muß dann kurzgeschlossen werden,
wobei durch die stark frequenzabhängige Reflexion an dieser Stelle ein Resonanzkreis
hoher Güte entsteht.
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Es ist auch ein ,ohlleiteroszillator bekannt (Claxton, D.H.
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Grciling, P.T.: .Broad-band varactor tuned I#1PATT-diode oszillator".
IEEE - Trans. MITT, Vol. MTT 12, 1975, pp. 501 bis 50/*), bei dem, um diese Reflexion
zu vermeiden, beide Hohlleitcrenden mit einer Last abgeschlossen sind. Damit wird
zwar die Breitbandigkeit wesentlich erhöht und die Güte vermindert, jedoch muß man
die Ausgangsleistung aus beiden Abschlüssen (außer bei speziellen Anwendungen) wieder
über einen besonderen Koppler addieren.
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Recht gute, d.h. -geringe, Werte für die Güte QL erzielt man mit koaxialen
Oszillatoren. Auf der einen Seite des koaxialen Resonators wird das aktive Element
montiert, auf der anderen Seite über Viertelwellenlängen-Transformatoren die Last
angeschlos#~n.
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Ein wesentlicher Nachteil ist hier der komplizierte mcchanische Aufbau
durch eine große Baulänge, die Gleichspannungszuführung über den Innenleiter u.a.
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Damit vergleichbar gute Ergebnisse wurden mit einem in der
DT-OS
2 356 445 beschriebenen Oszillator erreicht, bei dem ein unterhalb seiner Grenzfrequenz
betriebener Rechteckiiohlleiter als Schaltungselement eingesetzt wird. Allerdings
ist dieser Aufbau nur für den Frequenzbereich unterhalb von 5 Gllz geeignet, da
eine konzentrierte Kapazität, ein Feinkondensator, zur Resonanztransformation der
Last benötigt wird.
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Die vorbekannte Anordnung hat außerdem den großen Nachteil, daß die
Ankopplung der 50-Ohm-Last am Ende des unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen
Hohlleiters erfolgt. Dabei ist es nämlich erforderlich, auf einer Seite der Diode
die llohlleiterhöhe zu vergrößern, da sich nur so die voluminöse Koppelvorrichtung
im Oszillator unterbringen läßt. Dadurch entsteht im Hohlleiter ein Querschnittssprung,
in dem Blindenergie gespeichert wird. Ferner muß bei dieser Art der Lastankopplung
der Leiterzug vom Gunnelement zur Last in komplizierter Weise in mehreren Winkeln
geführt werden, was ebenfalls zu zusätzlicher Speicherung von Blindenergie führt.
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Die Speicherung von Blindenergie hat aber zur Folge, daß die Güte
größer und die Synchronisationsbandbreite geringer werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Oszillator anzugeben, der einen
größeren Durchstimmbereich aufweist als die vorbekannten Lösungen und bei Injektionssynchronisation
einen
größeren Ziehbereich hat, der auf einfache Art durch zus.itzlichen
Einbau eines Varaktors über einen großen Frequenzbe reich elektrisch durchstimmbar
ist und der auch über 5 Gliz (etwa bis 20 G11z) noch einwandfrei arbeitet. Bei all
diesen Eigenschaften soll die Ausgangsleistung nur wenig schwanken.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Koppelanordnung
so weit von den Enden des Hohlleiters entfernt ist, daß die erzeugte Grundwelle
von den Abschlüssen des Hohlleiters nicht beeinflußbar und das aktive Element mit
einer Zusatzkapazität nahe der Auskopplung angeordnet sind, wobei die Koppelanordnung
aus einem Längsschlitz in der Schmalseite des Hohlleiters besteht. Eine Weiterbildung
der Erfindung besteht darin, daß die Auskopplung der Energie in einen Koppelhohlleiter
erfolgt, dessen Querschnitt die Existenz der ausgekoppelten Grundwelle zuläßt, wobei
die Höhe des iiohlleiters reduziert sein kann und zwischen Koppelanordnung und Koppelhohlleiter
eine Querschnittstransformation möglich ist. Es ist zweckmäßig, die Zusatzkapazi
tät aus mindestens einer Stellschraube oder einer Varaktordiode zu bilden.
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Besondere Vorteile bietet eine Anordnung, bei der die Höhe des unter
seiner Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiters gleich der Gehäusehöhe des Festkörperzweipols
ist und wenn der Querschnitt
des unterhalb seiner Grenzfrequenz
betriebenen hohlleiters so bemessen ist, daß harmonische Wellen der Betriebswellenlänge
ausbreitungsfähig sind. Weitere Nöglichkeiten der Anwendung bietet eine Ausbildung
des unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiters, wenn dieser beidseitig
mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen oder beidseitig kurzgeschlossen oder an dem
einen Ende mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen und an dem anderen Ende kurzgeschlossen
oder an dem einen Ende kurzgeschlossen und von dem anderen Ende mit einem Signal
steuerbar ist.
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Mit dieser Anordnung gelingt es, eine Durchstimmbarkeit über einen
weiten Frequenzbereich zu erreichen. Die Lastankopplung erfolgt hierbei in einfacher
Weise in der Mitte des unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiters mit
einer Lochkopplung. Die Hohe dieses Hohlleiters ist konstant und komplizierte Koppelelemente
entfallen. Es wird keine zusätzliche Blindenergie gespeichert, wodurch die Güte
geringer und die Bandbreite für die Injektionssynchronisation größer werden.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung noch näher beschrieben. In
den Figuren der Zeichnung ist im einzelnen dargestellt: In der Fig. 1 der schematische
Aufbau der Anordnung nach der Erfindung in perspektivischer Darstellung, in der
Fig. 2 das Ersatzschaltbild der Anordnung nach der Erfindung,
in
der Fig. 3 ein Diagramm über den Verlauf des Leitwertes des Festkörperzweipols in
der Leitwertebene, in der Fig. 4 das Leitwertdiagramm für die Schwingbedingungen
des Festkörperzweipols und in den Fig. 5a - 5d Anwendungsbeispiele für die verschiedenen
Abschlüsse des unterhalb seiner Grenzfrequenz betriebenen Hohlleiters.
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Den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt die
Fig. 1. Ein iiohlleiter 1 mit rechteckigem Querschnitt mit Kantenlängen a und b
ist mit einem zweiten Hohlleiter 2, ebenfalls mit rechteckigem Querschnitt mit den
Kantenlängen a' und b' über einen Koppelschlitz 3 verkoppelt.
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Die Betriebsfrequenz fo des Oszillators wird so gewählt, daß die IllO-Welle
mit der Frequenz fo im Ifohlleiter 1 ausbreitungsfähig ist, im Hohlleiter 2 jedoch
nicht, da die Breite des Hohlleiters 2 a' 4 ko/2 ist, wobei ko die freie Wellenlänge
ist. Der Hohlleiter 2 wird also im Sperrbereich betrieben, in dem der Wellenwiderstand
Z2 der H10-Welle Z2 = jX2 rein induktiv ist, wenn man von geringen Verlusten absieht.
Er enthält den Festkörperzweipol 4 und eine Zusatzkapazität 5, die aus einer Abstimmschraube
oder einer Varaktordiode besteht. Beide Elemente, Festkörperzweipol 4 und Zusatzkapazität
5 sind dicht beieinander angeordnet.
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Der Abstand dieser Elemente wird von der Betriebsfrequenz und dem
Durchstimmbereich der Frequenz bestimmt.
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Die Länget 2 des Sperrbereichshohlleiters in z-Richtung ist ausreichend
groß, so daß die Abschlüsse an beiden Enden am Ort des aktiven Elements 4 ohne Wirkung
bleiben. Somit liegen zu dem Scheinleitwert Y4 des Festkörperzweipols 4 der induktive
Blindleitwert 2 Y2 = 2 Z2 des Sperrbereichshohl-Z2 leiters und der kapazitive Blindleitwert
Y5 der kapazitiven Schraube 5 parallel. Über den Schlitz 3 wird der Leitwert der
Last Y1 = zl in Y1 transformiert und liegt parallel zu dem Blindleitwert Y3 der
Schlitzblende. Vom aktiven Element aus gesehen befindet sich die Last Jedoch in
einer Serien-Resonanz, da die Parallelschaltung von Yi mit Y3 noch über die Länge
a'/2 transformiert wird, wenn man den Sperrbereichshohlleiter hier als Leitung transversal
zur z-Richtung auffant, da in z-Richtung ja keine Wellenausbreitung möglich ist.
Dieser Serienresonanzkreis ist ebenfalls parallel zu dem Scheinleitwert Y4 des Festkörperzweipols
geschaltet. Er besteht aus dem Blindleitwert Y3 (Y3 über a'/2 transformiert) mit
dem Leitwert Yf (Y über a'/2 transformiert).
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Damit kann man die Hohlleiteranordnung der Fig. 1 durch das Ersatzschaltbild
der Fig. 2 beschreiben. Hier wurden in der Parallelresonanz zusätzlich ohmsche Verluste
G2 im Sperrbereichshohlleiter 2 berücksichtigt. G2 ist jedoch sehr klein.
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Weiterhin wird der Festkörperzweipol 4 durch die Parallelschaltung
Y4 = -G4 + jB4 darge#tellt. G4 und U4 sind Funktiojien der Frequenz f, der Schwingamplitude
U und aijderer Parameter, wie z.B. der Versorgungsspannung U= und der Temperatur
# @. Ein charakteristischer Verlauf von Y4 (f, U)ist in Fig. 3 in der Leitwertebene
aufgezeichnet. Ebenfalls mit eingetragen ist die Belastung YL an den Klemmen 4-4
des Festkörperzweipols 4.
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In der Fig. 4 ist das Leitwertdiagramm für die Schwingbedingung dargestellt.
Mit der einstellbaren Kapazität der Schraube 5 wird die Resonanz-Frequenz des Parallelkreises
auf f2 eingestellt. Der Serienkreis hat die Resonanzfrequenz fi < f2 und verursacht
die Schlinge im Verlauf von YL (f).
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Pfeile an der Ortskurve deuten wachsende Frequenz an. Die Schwingbedingung
besagt, daß Y4 + YL = O, d.h. Y4 = -YL sein muß.
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Es ergeben sich für den freilaufenden Oszillator stabile Schwingungen
bei fo. Durch Einstellung an der Schraube 5 und damit verbundener Änderung von f2
kann der Oszillator über einen weiten Frequenzbereich durchgestimmt werden.
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Die Durchstimmung kann auch durch einen Varaktor erfolgen, der an
Stelle von Schraube 5 oder zusätzlich dicht beim aktiven Element eingebaut wird.
Statt des sprunghaften Überganges vom Hohlleiter 1 auf den Hohlleiter 2 kann es
in
der Praxis erforderlich sein, den ijoiilleiter 1 in reduzierter höhe b auuzufüren
oder einen Querschnittsanpasser dazwischenzuschaiten, um ausreichende Kopplung über
die Blende zu erzielen. Die höhe b des llohlleiters 2 ist zwockmiißig gleich der
Höhe des Gehäuses des aktiven Elements zu whlen, um keine zusätzlichen Energiespeicher
wie Pfosteninduktivität usw. einzuführen. Parameter für die Anpassung zwischen dem
aktiven Element und der Last sind weiterhin die Abmessungen des Schlitzes, die Breite
a' des Hohlleiters 2 und der Ort des aktiven Elements auf der z-Achse.
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Der erfindungsgema#ße Oszillator hat zunächst die günstigen Eigenschaften,
die mit der Verwendung von Sperrbereichshohlleitern allgemein verbunden sind: 1.
Er ist in dreierlei hinsicht breitbandig: 1.1 Er ist über einen großen Frequenzbereich
mechanisch durchstimmbar.
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1.2 Er ist in einem großen Frequenzbereich durch Einspeisung eines
Fremdsignals synchronisierbar.
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1.3 Bei Einbau einer Varaktordiode ist er breitbandig elektronisch
durchstimmbar.
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Dies läßt sich, wie folgt, begründen: Der Rechteckhohlleiter 2 wirkt
unterhalb seiner Grenzfrequenz
für die HiO-Welle wie ein induktiver
Energiespeicher. Ein solches Leitungsstück hat in einem weiten Frequenzbereich keine
Leitungseigenschaften: die Induktivität kann als quasikonzentriert bezeichnet werden.
Das gleiche gilt auch für eine durch eirleb Schraube 5 dargestellte Kapazität. Eine
Schaltung aus korjzentrierten Schaltelementen ist aber theoretisch breitbandiger
als eine solche aus Leitungs-Elementen.
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2. Die quasikonzentrierte Induktivität ist r.iumlich wohl definiert.
Das gleiche gilt für die Schraubenkapazität Y5. Man kann so - wie die Schaltung
und ihr Ersatzschaltbild zeigen - ein vorzugebendes Ersatzschaltbild einfach (wie
etwa auch in Streifenleitertechnik) Element für Element realisieren.
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Der erfindungsgemäße Aufbau führt aber zu Eigenschaften, die über
die bisher genannten Vorteile hinausgehen. Die angegebene Geometrie vermeidet jegliche
zusätzliche Speicherung von Blindenergie in parasitären Blindwiderständen. Das drückt
sich darin aus, daß es möglich ist, die Ortskurven der Leitwerte Y4 und YL in einem
sehr großen Frequenzbereich dicht benachbart laufen zu lassen. Daraus resultieren
die folgenden bisher nicht erreichten Daten: 1. Die relative Bandbreite, in der
eine Durchstimmung mit der Abstimmschraube bei einer Leistungsschwankung von weniger
als 1 dB möglich ist, beträgt 20 ,~.
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2. Der Oszillator kann in einem Bereich von bis zu 20 9C mit einem
10 dfl unt seiner Ausgangsleistung liegendell Fremdsignal synchronisiert werden,
wobei die Schwankung der Ausgangsleistung wiederum weniger als 1 dB beträgt. Er
ist in dieser Art beispielsweise als Frequenzmodulations-Verstärker verwendbar.
Denn die Ausgangsphase verläuft in einem Frequenzbereich von 10 % linear.
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3. Anstelle oder zusätzlich zur Abstimmschraube kann auf sehr einfache
Art eine Varaktordiode eingebaut werden, mit der eine elektrische Durchstimmung
durchgeführt werden kann.
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Experimentell wurde ein elektrischer Durchstimmbereich von etwa 5
% erreicht.
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Eine weitere hervorstehende Eigenschaft des Oszillators gemäß der
Erfindung ist die Entkopplung von Grundschwingung und Oberschwingungen. Der Hohlleiter
2 ist so bemessen, daß die Grundwelle H10 mit der Frequenz fo nicht ausbreitungsfähig
ist, alle Harmonischen jedoch ausbreitungsfähig sind. Ferner ist die Länge t2 so
groß, daß die Abschlüsse des Hohlleiters 2 die Grundschwingung nicht beeinflussen.
Deshalb kann man im Hohlleiter 2 alle Harmonischen stark belasten, wie es in Fig.
5a dargestellt ist, und das Ausgangsspektrum der an den Hohlleiter 1 abgegebenen
Leistung oberwellenarm machen. Man hat aber auch die Möglichkeit, z.B. die erste
Harmonische oder die ersten beiden Harmonischen (Fig. 5b oder 5c), abzustimmen und
damit eine Verringerung des Rauschens oder eine
Erhöhung der Ausgangsleistung
zu erreichen. Ferner ist die Synchronisation des Oszillators gemäß Fig. 5d mit einer
Harmonischen möglich, ohne daß ein zusätzlicher Zirkulator eingebaut werden muß.
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