DE2812410A1

DE2812410A1 - Mikrowellen-oszillator

Info

Publication number: DE2812410A1
Application number: DE19782812410
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Barth; Michael Dipl Ing Bischoff
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1979-09-27
Also published as: DE2812410C2

Description

Beschreibung
Mikrowellen-Oszillator Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Oszillator, der besonders vorteilhaft im Millimeterwellenbereich einsetzbar ist.
Als Oszillatoren im Millimeterwellenbereich finden vielfach Gunn-Oszillatoren Verwendung, die sich durch relativ hohe Frequenzsta bilität auszeichnen, beispielsweise im Vergleich zu Impatt-Oszil latoren. Im praktischen Einsatz häufig unbefriedigend ist jedoch die verhältnismäßig geringe Ausgangsleistung der bekannten Gunn-Oszillatoren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellen-Oszillator insbesondere des Millimeterwellenbereiches anzugeben, der auch bei höheren Frequenzen im Millimeterwellenbereich eine gegenüber dem Stand der Technik hohe Ausgangsleistung abgibt und die Frequenzstabilität eines Gunn-Oszillators aufweist. Der erfindungsgemäße Oszillator soll darüber hinaus einfach frequenzmodulierbar sein.
Die Erfindung ist dem Patentanspruch 1 entnehmbar. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Wesentlich für die Erfindung ist demzufolge die Doppelausnutzung eines Varaktors als abstimmendes und als frequenzvervielfachendes Element. Durch Variation der Varaktorspannung ist der erfindungsgemäße Oszillator frequenzmodulierbar.
Die Frequenzvervielfachung und die Frequenzabstimmung mittels eines Varaktors sind in der Mikrowellentechnik an sich bekannt, nicht aber die Ausnutzbarkeit eines Varaktors für diese beiden Aufgaben gleichzeitig durch die erfindungsgemäße konstruktive und betriebliche Vereinigung eines Gunn-Oszillators mit einem Varaktor innerhalb eines gemeinsamen Hohlraumresonators.
Beim erfindungsgemäßen Oszillator wird die Leistung des Gunn-Oszillators bei der Grundfrequenz in Leistung bei einer Vielfachen dieser Grundfrequenz umgesetzt. Diese Ausgangsleistung ist in manchen Anwendungsfällen vorteilhaft zur Frequenzsynchronisation eines durch Injektions-Synchronisation steuerbaren Impatt-Oszillators benutzbar, wodurch die Frequenzstabilität eines Gunn-Oszillators und die Ausgangsleistung eines Impatt-Oszillators miteinander kombiniert werden; auch hierbei ist die Durchführung einer Frequenzmodulation durch Steuerung der Varaktorspannung möglich, was bei Verwendung dieses kombinierten Oszillatorsystems, beispielsweise in einem CW/FM-Radarsystem, zu einer hohen wün- schenswerten Empfindlichkeit führt, wenn der Sende-Oszillator gleichzeitig als Misch-Oszillator in üblicher Weise benutzt wird.
Die Ausgangsleistung des erfindungsgemäßen Oszillators ist im Bedarfsfall auch vorteilhaft mittels eines Reflexionsverstärkers heraufsetzbar.
Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Oszillator immer dann, wenn ein herkömmlicher Gunn-Oszillator wegen seiner physikalisch bedingten oberen Frequenzgrenze oder seiner beschränkten Ausgangsleistung nicht mehr einsetzbar ist.
Die Abbildung zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses enthält im Beispielsfall einen Gunn-Oszillator mit einer Betriebsfrequenz fO = 45 GHz. Zu diesem Oszillator gehört ein Gunn-Element 1 innerhalb eines höhenreduzierten Hohlleiters vom Typ WR 19. Der Hohlleiter dieses Gunn-Oszillators ist in einem Metallblock 2 eingebracht. Der elektrische Abstand des Gunn-Elements 1 vom Kurzschlußabschluß dieses Hohlleiters ist mit bezeichnet. Mit 3 ist die Spannungszuführungsleitung des Gunn-Elements 1 bezeichnet. In die genannte Abschlußwand ragt zur Frequenzfeinabstimmung im Beispielsfall ein Saphirstift 4.
An den Metallblock 2 schließt sich ein Metallblock 5 an, der als Abstandsstück zum an ihn anschließenden Varaktorabschnitt 6 fungiert. Im Abstandsstück 5 und im Varaktorabschnitt 6 ist der Hohlleiter des Gunn-Oszillators fortgesetzt. Der gegenseitige elektrische Abstand des Varaktors 7 zum Gunn-Element 1 ist mit bezeichnet, der elektrische Abstand des Varaktors 7 zum auskoppelseitigen Ende des Hohlleiters mit +3. Die Leistungsauskopplung erfolgt mittels eines Hohlleiters 8 vom Typ WR 10 mittels eines Koppelstückes 9. Der Hohlleiter 8 hat eine über der Grundfre- quenz fO des Gunn-Oszillators liegende Grenzfrequenz m ~ f (mit zum <2) und wirkt demzufolge als Hochpaß.
Die Hohlleiteranordnung mit den elektrischen Längen #1' 2 und sowie die spannungsgesteuerte Kapazität des Varaktors 7 bilden einen Resonator für die Frequenz fo. Dieser Resonator wird durch den negativen Leitwert des Gunn-Elements 1 entdämpft. Man erhält damit einen Gunn-Oszillator, dessen Frequenz fO durch die am Varaktor angelegte Spannung und mittels des Saphirstifts 4 beeinflußt werden kann. Zwischen der Spannung und der Kapazität am Varaktor 7 besteht ein nicht linearer Zusammenhang, wodurch sich eine Umsetzung der Mikrowellenleistung bei der Frequenz fO in Mikrowellenleistung bei der Frequenz n ~ f ergibt. Die Auskopplung der Oszillator-Leistung erfolgt vorzugsweise bei der Frequenz 2 fo, jedoch ist auch durch entsprechende Wahl der Grenzfrequenz des Hohlleiters 8 eine höhere Harmonische bei gleichzeitiger Unterdrückung der Grundfrequenz und der zweifachen Grundfrequenz möglich.
Die Grenzfrequenz des Hohlleiters, in dem sowohl f als auch 2 fO existieren, ist so zu wählen, daß die elektrischen Längen #1 + #2 + #3 # p ½(fo) näherungsweise den Resonator für f und die Längen #2 + #3 # q ½#(2 fo) näherungsweise einen Resonator für 2 fO bilden. p und q sind ganze Zahlen und werden durch das Frequenzumsetzungsverhältnis n bestimmt.
Hierbei gilt für die Hohlleiterbreite a die Beziehung dabei ist Freiraumwellenlänge bei der Frequenz f 0 # (fo) Hohlleiterwellenlänge bei der Frequenz fO X (2 fO)Hohlleiterwellenlänge bei der Frequenz 2 fo, Die Optimierung der Gesamtanordnung wird durch Änderung der elektrischen Länge des Abstandsstückes, durch Änderung der Eintauchtiefe des Saphir-Abstimmstiftes in den durch die elektrische Länge +1 bestimmten Resonator und durch Einstellen der Varaktorspannung ermöglicht.
Diese Anordnung verhält sich wie ein spannungsabgestimmter Oszillator mit nachfolgender Frequenzverdopplung und zeichnet sich durch die beschriebene Doppelausnutzung des Varaktors aus.
Anstelle des in der Abbildung gezeigten Hohlleiterresonators ist beim Erfindungsgegenstand grundsätzlich jeder Mikrowellenleitungsresonator einsetzbar (z. B. Koaxial-Leitungsresonator).
Das Abstandsstück 5 ist zur Einstellung der elektrischen Länge #2 variabel und gleicht Toleranzen, insbesondere des Gunn-Oszillators und des Varaktorabschnitts, aus. Dieser Toleranzausgleich kann auch mittels nicht gezeigter, aber bekannter Phasen-Einstellelemente erfolgen.
In der Praxis ist es häufig vorteilhaft für die Einstellung der elektrischen Länge p3 Abstimmelemente vorzusehen (z. B. einen weiteren nicht gezeigten Saphirstift).
Anstelle des gezeigten Hohlleiters 8, der die Funktion eines Hochpasses hat, können auch andere Siebschaltungen (Bandpaß, Bandsperre) verwendet werden.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Mikrowellen-Oszillator insbesondere des Millimeterwellenbereichs, gekennzeichnet durch die konstruktive und betriebliche Vereinigung eines Gunn-Oszillators mit einem sowohl die Frequenzvervielfachung als auch die Frequenzabstimmung ermöglichenden Varaktor innerhalb eines gemeinsamen Resonators, vorzugsweise eines Hohlraum-Resonators.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung der auf n ~ fO vervielfachten Gunn-Oszillator-Frequenz f (mit n = 2, 3, ...) aus dem Resonator eine Siebschaltung, z. B. ein Hochpaß in Form eines Wellenleiters, vorzugsweise eines Hohlleiters, mit einer über der Grundfrequenz f des Gunn-Oszillators gewählten Grenzfrequenz m ~ fO (mit 1< m < n) angeschlossen ist.
3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator in Form eines Hohlleiters-vorzugsweise über die gesamte Resonatorlänge gleich groß gewählten rechteckförmigen Querschnitts - ausgebildet ist, bestehend aus der Aneinanderreihung erstens eines Hohlleiter-Gunn-Oszillators, in dessen einseitig durch einen Kurzschluß abgeschlossenen Hohlleiterabschnitt mindestens ein Frequenzabstimmelement, z. B. ein Saphirstift, einwirkt, zweitens aus einem Phasen-Einstellelement, z. B. einem Abstandsstück, drittens aus einem Varaktor-Hohlleiterteil, und daß an letzterem der Auskoppel-Wellenleiter angeschlossen ist.
4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Grenzfrequenz des Hohlleiter-Resonators und andererseits der Abstand t1 des Varaktors von dem Gunn-Element und der Abstand #2 des Varaktors von dem Gunn-Element und der Abstand des Varaktors von dem Auskoppel-Wellenleiter bei gewünschtem n = 2 derart gewählt sind, daß der Resonator über die Länge + + bei f0 und über die Länge o, +3 bei 2 fO resonanzfähig ist.
5. Oszillator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe +2 und/oder die Varaktorspannung und/oder das Frequenzabstimmelement zwecks Optimierung des Betriebs der Gesamtanordnung einstellbar sind.
6. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihm ein Impatt-Oszillator nachgeschaltet ist in der Weise, daß letzterer durch Injektions-Synchronisierung frequenzstabilisiert ist.
7. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihm zur Leistungsverstärkung ein Reflexionsverstärker nachgeschaltet ist.
8. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er durch Steuerung seiner Varaktorspannung frequenzmodulierbar ist.