DE2924341A1

DE2924341A1 - Mikrowellengenerator

Info

Publication number: DE2924341A1
Application number: DE19792924341
Authority: DE
Inventors: John R Davis; Michael C Driver; James G Oakes
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-06-15
Filing date: 1979-06-15
Publication date: 1979-12-20
Also published as: IN150382B; BE876914A; GB2023364B; JPS551795A; US4176295A; JPS631763B2; GB2023364A; BR7903675A; CA1133596A; FR2428942A1

Description

WS171P-1977

Mikrowellengenerator

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellengenerator mit einem Hohlleiter, an welchem zumindest zwei Übertragungsleitungen in vorgegebenen Abständen angeschlossen sind.

Es ist bekannt, Mikrowellengeneratorenmit Hilfe von bipolaren Transistoren, Feldeffekttransistoren,Gunn-Effektdioden und Lawinendioden aufzubauen. Ein typischer . Aufbau ist

durch die US-PS 3 628 171 bekannt, bei welchem eine Vielzahl von Avalanche-Elementen mit negativem Widerstand, wie z. b. sogenannte IMPATT-Dioden an einem Ende eines Koaxialleiters montiert sind, der mit einer angepaßten Impedanz abgeschlossen ist. Die Mitte eines jeden Koaxialleiters ist an einen gemeinsamen Hohlraumresonator gekoppelt, um ausgangsseitig ein kombiniertes Leistungs signal zu erhalten, welches über einen an den Hohlraumresonator angeschlossenen Hohlleiter abgegeben wird.

Ein gleichartiger Mikrowellenoszillator ist in der US-PA 3 984 788 beschrieben. Dabei finden eine Vielzahl von IMPATT-Dioden Ver-

• ■ wendung

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ORIGINAL INSPECTED

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Wendung, welche das eine Ende einer koaxialen Übertragungsleitung elektromagnetisch an einen Hohlraumresonator ankoppeln. Zumindest ein weiterer Oszillator ist elektrisch mit dem Hohlraumresonator an einem Punkt verkoppelt, in dem das elektrische Feld ein Maximum hat, wodurch die abgegebene volumetrische Leistung um etwa 50% vergrößert werden kann. Die erzeugte elektromagnetische Energie wird an eine externe Schaltung, z.B. eine Antenne oder einen Hohlleiter abgegeben.

Für Leistungsniveaus über etwa 10 oder 100 W haben sich die erwähnten Halbleitereinrichtungen nicht als zweckmäßig und zufriedenstellend verwendbar erwiesen. Die Größe der für hohe Leistungserzeugung notwendigen Halbleiteranordnungen bedingen eine Begrenzung der Ansprechzeit, wodurch sie für Mikrowellenfrequenzen praktisch nicht verwendbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellengenerator zu schaffen, der eine höhere Mikrowellenleistung liefern kann, als dies bisher für lichttriggerbare Schalter der Fall ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Mikrowellengenerator erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an jedsr Übertragungsleitung ein von Licht triggerbarer Schalter angeschlossen ist und daß die Schalter von einer Las er lichtquelle aus über Lichtübertragungseinrichtungen betätigbar sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Mit den Maßnahmen der Erfindung ist es möglich, einen Mikro-

wellengenerator

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wellengenerator mit verhältnismäßig hoher Leistung zu schaffen, wobei bekannte lichttriggerbare Schalter für Mikrowellenfrequenzen verwendbar sind, für welche diese Schalter bei bisher bekannten Mikrowellengeneratoren nicht mehr geeignet sind, 5

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines Mikro

wellengenerators mit hoher Spitzenleistung gemäß der Erfindung;

Fig. 2A bis 2E schematische Darstellungen zur Wirkungs-

weise des Generators.

Gemäß Fig. 1 arbeitet der Mikrowellengenerator für hoheSpitzenleistungen mit einer Laserlichtquelle 10 zusammen, die über eine T rigger schaltung 12 eingeschaltet wird. Die Laserlichtquelle kann mit einem Nd:YAG (Neodym:Yttrium- Aluminiumgranat); einem Neodymglaslaser oder einem beliebig anderen Laser bestückt sein, welcher eine Schwingung mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von etwa 1,0 bis etwa 1,1 η liefert.

Der von der Las er lichtquelle 10 gelieferte Lichtstrahl wird übei" ein optisches System geführt, das einen Spaltspiegel 16 und eine Vielzahl von Ablenkspiegeln 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 und 32 umfaßt. Dabei sind die Spiegel 18 und 20 als Lochspiegel ausgebildet, um einen Teil des Laserlichtstrahls zu den Ablenkspiegeln 22 und 24 übertragen zu können. Die Ablenkspiegel 18 und

reflektieren

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reflektieren ferner einen Teil des Laserlichtstrahls zu den Ablenkspiegeln 26 und 28. Entsprechend reflektieren die Ablenkspiegel und 24 einen Teil des Laserlichtstrahls zu den Ablenkspiegeln 30 und 32.
5

Der Laserstrahl ist derart geführt, daß er über gleiche optische Weglängen an den Ort von Halbleiterdioden übertragen wird, die mit Hilfe des Laserlichts getriggert werden können. Wenn die vom Laserlichtstrahl durchlaufenen Wegstrecke in physikalischer Hinsieht verschieden lang sind, können sie optisch aneinander angepasst werden, indem entsprechende Verzögerungsstrecken in Form von dichterem Übertragungsmaterial, z.B. Glas, in die Lichtwege der kürzeren Übertragungsstrecken eingefügt werden, um durch Verlängern der Übertragungszeit dafür zu sorgen, daß an allen lichtgetriggerten Halbleiterdioden 52 bis 58 der Laserlichtstrahl genau zur selben Zeit ankommt. Anstelle der Ablenkspiegel kann die Übertragung des Laserlichtstrahls zu den einzelnen Halbleiterdioden auch über jeweils eine Glasfaseroptik erfolgen, wobei die einzelnen Übertragungsstrecken in optische!* Hinsicht jeweils gleich lang sind.

Der Mikrowellengenerator umfaßt eine Vielzahl von Resonanzleitungen 34, 36, 38 und 40, die in der dargestellten Ausführungs form aus Koaxialleitungen bestehen, jedoch auch aus Bandleitern oder Streifenleitungen aufgebaut sein können.

Die koaxialen Resonanzleitungen 34, 36, 38 und 40 haben jeweils einen Innenleiter und einen Außenleiter, wobei der Innenleiter mit dem einen Ende über jeweils einen Widerstand 44, 46, 48 bzw. 50 an eine Gleichstromquelle 42 angeschlossen ist und das andere

Ende

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Ende des Innenleiteismit jeweils einer der lichtgetriggerten Halbleiterdioden 52, 54, 56 und 58 verbunden ist. In Serie zu den Halbleiterdioden ist ferner eine Koppelschleife 62 bzw. 64, 66 oder 68 geschaltet. Die lichtgetriggerten Halbleiterdioden haben eine extrem kurze Schaltzeit, welche in der Größenordnung von Nanosekunden oder kürzer liegt.

Die Außenleiter der Resonanzleitungen gehen unmittelbar in den Außenleiter eines Hohlleiters 60 über, so daß die Außenleiter insgesamt auf dem Referenzpotential der Gleichspannungsquelle liegen. Die Außenleiter der Resonanzleitungen sind jeweils mit kleinen Eintritts öffnungen für den Laserstrahl an der Stelle der Halbleiterdioden 52, 54, 56 und 58 versehen, die jedoch in der Zeichnung nicht angedeutet sind. Die Übergangsbereiche von der Resonanzleitung zu dem Hohlleiter sind in der Darstellung gemäß Fig. 1 mit A, B, C und D bezeichnet. In diesen Übergangsbereichen enden jeweils die Koppelschleifen, wobei die Koppelschleifen und 66 auf der einen Seite und die Koppelschleifen 64 und 68 auf der gegenüberliegenden Seite am Hohlleiter enden.

Der Hohlleiter 60 ist an einem Ende mit einem Leitungsabs chiuß kurzgeschlossen, wobei dieser Abschluß zur Abstimmung vor der Verwendung geeignet ist. Die Mikrowellenleistung breitet sich in Richtung des Pfeiles vom offenen Ende des Hohlleiters ausgehend aus und zwar mit einer Frequenz f . Die Resonanzleitung 34 ist

cL - _

normalerweise in einem Abstand von einer Viertelwellenlänge ( \ g ) vom Leiterabschluß 70 entfernt angeordnet. Alle weiteren

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Resonanzleitungen sind jeweils in einem Abstand von einer halben Wellenlänge ( Λ. g) von einander entfernt. Die Wellenlänge Kg

(Formel)

ο
des Hohlleiters ist:

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A.g = ^a

Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Hohlleiter dabei ist f die Ausgangsfrequenz,

et

Die Resonanzleitungen haben jeweils bei der Ausgangsfrequenz f

eine Länge von Λ T , wobei
2

^/V Ausbreitungsgeschwindigkeit der Energie in

der Resonanzleitung

dabei ist ^,T gleich der Wellenlänge in der Resonanzleitung.

Die Wirkungsweise des Mikrowellengenerator wird anhand der Fig. 2A bis 2E erläutert. In den Resonanzleitungen ist aufgrund C der Sperrwirkung der Halbleiterdioden 52, 54, 56 und 58 elektris ehe Energie von der Gleichspannungsquelle 42 aus gespeichert. Zu einem vorgegebenen Zeitintervall wird die Laserlichtquelle getriggert und gleichzeitig alle Halbleiterdioden 52 bis 58 in den leitenden Zustand geschaltet. Der über die Koppelschleifen 62 bis

_on 68 fließende Gleichstrom bewirkt, daß elektromagnetische Energie in den Hohlleiter eingekoppelt wird. Dabei entstehen zwei Wellenzüge, von welchen der eine in der Darstellung von Fig. 1 sich nach rechts und der andere nach links ausbreitet. Dies ist in Fig. 2A schematisch angedeutet. Aufgrund der physikalischen Anordnung

_,. der Koppelschleifen haben die Energieimpulse abwechselnd eine positive und eine negative Polarität. Zum Zeitpunkt t = 0 entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 2A nehmen die Impulse A, B, C und D die dargestellten Positionen ein, wobei die Impulse A an der Stelle A, die ImpulseB an der Stelle B usw. des Hohlleiters erzeugt werden.

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Um der einfacheren Erläuterung willen werden die nach rechts wandernden Energieimpulse ignoriert, da diese den Hohlleiter 60 am rechtsseitigen Ende verlassen. Die Aufmerksamkeit wird lediglich auf diejenigen Energieimpulse gerichtet, die sich nach links in Richtung auf den Leitungsabschluß 70 ausbreiten.

Sobald diese Energieimpulse den Leitungsabschluß 70 erreichen, werden diese

1. reflektiert und wandern nach rechts in Richtung zum offenen Leitungsende,

2. in ihrer Polarität umgekehrt.

Am Ende des ersten Zyklus zum Zeitpunkt t = — hat sich der Impuls A gemäß Fig. 2C um eine Wellenlänge, d. h. zur Position B verschoben und wurde gleichzeitig invertiert. Außerdem ist der Impuls B am Ende des ersten Zyklus um eine Wellenlänge weitergewandert und hat die Position A erreicht. Auch dieser Impuls B hat eine Phasenumkehr am Abschluß erfahren. Im selben /^eitintervall haben sich die Impulse C bzw. D zu den Positionen A bzw. B verschoben. Da diese Impulse am Abschluß 70 noch nicht reflektiert wurden, wandern sie nach links weiter.

2
Am Ende des Zeitintervalls t + γ gemäß Fig. 2C wurden auch die Energieimpulse D und C am Abschluß reflektiert und wandern nunmehr, wie durch die gestrichelten Felder angedeutet, nach 3 rechts. Am Ende des Zeitintervalls t + -p- gemäß Fig. 2D, haben die Impulse D und C eine Verschiebung zu den Positionen C und D erfahren und lösen sich zum Zeitpunkt t + ^. vom Wellenleiter 60 ab. Als Folge dieses Funktionsablaufes ergibt sich eine gleichmäßige Impulsfolge mit einer Dauer von vier Zyklen, wie sie in Fig. 2E dargestellt ist.

Nach

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Nach Ablauf eines ausreichend langen Zeitintervalls, während dem. die Resonanzleitungen 34, 36, 38 und 40 über die Gleichspannungsquelle 42 eine Aufladung erfahren, kann die Laserlichtquelle 10 erneut getriggert werden, um die nächste Serie von Leistungsimpulsen zu erzeugen. In Anwendungsfällen für Radarsysteme kann der Zeitpunkt der Zündung der Las er lichtquelle durch das Radarsystem bestimmt sein. Wenn z.B. der Empfang der reflektierten Impulse vor dem Aussenden neuer Impulse wünschenswert ist, dann ergibt sich offensichtlich ein längeres Zeitintervall zwischen zwei Triggerungen der Laserlichtquelle, wogegen bei einem Radarsystem mit kontinuierlichem Sendebetrieb die Auswahl der Zündfolge der Laserlichtquelle 10 von untergeordneter Bedeutung ist.

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ORIGINAL· INSPECTED

Claims

PATENTANSPRÜCHE
2.

Mikrowellengenerator mit einem Hohlleiter, an welchem zumindest zwei Übertragungsleitungen in vorgegebenen Abständen angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß an jeder Übertragungsleitung (34, 36, 38, 40) ein von Licht triggerbarer Schalter (52, 54, 56, 58) angeschlossen ist,

- und daß die Schalter von einer Las er lichtquelle (10) aus über Lichtübertragungseinrichtungen (12, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32) betätigbar sind.

Mikrowellengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Laserlichtquelle (10) eine T rigger schaltung (12) zugeordnet ist,

- daß die Triggers chaltung periodisch die Laserlichtquelle aktiviert,

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ORIGINAL INSPECTED

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- und daß die optischen Lichtübertragungseinrichtungen den Las er lichtstrahl derart zu den einzelnen triggerbaren Schaltern übertragen, daß diese gleichzeitig betätigt werden.
3. Mikrowellengenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß jede der Übertragungsleitungen (34, 36, 38, 40) als koaxiale Resonanzleitung aufgebaut ist,deren Innenleiter in Serie zum lichttriggerbaren Schalter und einer Koppelschleife (62, 64, 66, 68) liegt, wobei die Koppelschleife in den Innenraum des Hohlleiters (60) ragt und mit dem Hohlleiter verbunden ist, der andererseits mit den Außenleitern der Resonanzleitungen in Verbindung steht.
4. Mikrowellengenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Koppelschleifen (62, 64, 66, 68) innerhalb des Hohlleiters (60) derart angeordnet sind, daß abwechselnd positive und negative Impulse in den Hohlleiter eingekoppelt werden.
5. Mikrowellengenerator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die lichttriggerbaren Schalter aus Halbleiterdioden bestehen.

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' ORlGiNAL INSPECTED COPY