DE2932994C2

DE2932994C2 - Halbleiter-Mikrowellenoszillator

Info

Publication number: DE2932994C2
Application number: DE19792932994
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Takatsuki Yoshimura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1979-08-14
Filing date: 1979-08-14
Publication date: 1985-05-30
Also published as: DE2932994A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Mikrowellenoszillator mit einem Hohlraumresonator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine der Hauptschwierigkeiten bei einem im Mikrowellen- oder Millimeterbereich arbeitenden Gerät unter Verwendung eines Halbleiter-Oszillators, z. B. einer Gunn-Diode und einer IMPATT-Diode, besteht in der Stabilisierung der Oszillatorfrequenz des Mikrowellen-Halbleiteroszillators mit einfachen Mitteln. Eine aus der US-PS 40 08 446 bekannte Maßnahme besteht darin, einen Halbleiteroszillator mit einem dielektrischen Hohlraumresonator mit großer Dielektrizitätskonstante elektromagnetisch zusammenzukoppeln, um dadurch einen hohen Gütefaktor f<?-Faktor) sowie eine hohe Stabilität zu erzielen (hohe Stabilität bedeutet hier, daß die Resonanzfrequenz des dielektrischen Hohlraumresonators einen niedrigen Temperaturkoeffizienten besitzt).

Bei dieser herkömmlichen Auslegung arbeitet der dielektrische Hohlraumresonator im Grenzwellenhohlraum eines ersten rechteckigen Wellenleiters, und ein zweiter rechteckiger Hohlleiter oder ein Koaxialleiter sind neben dem Grenzwellenhohlraum angeordnet. Außerdem ist ein Halbleiteroszillatorelement an einem von zwei Plätzen montiert. Einmal ist er an einem Platz montiert, an welchem er elektromagnetisch an den dielektrischen Hohlraumresonator innerhalb des zweiten rechteckigen Hohlleiters oder des Koaxialleiters gekoppelt ist. Alternativ ist er an einem Platz angeordnet, an welchem der Oszillator elektromagnetisch an den dielektrischen Hohlraumresonator innerhalb des Grenzwellenhohlraumes des ersten rechteckigen Hohlleiters gekoppelt ist.

Eine Oszillatorleistung mit einer stabilen Oszillatorfrequenz wird von einer externen Schaltung abgegriffen, die an den Grenzwellenhohlraum angeschlossen ist.

In beiden Fällen ist der dielektrische Hohlraumresonator im Grenzwellenhohlraum des rechteckigen Hohlleiters angeordnet. Der Grund für die Anordnung des dielektrischen Hohlraumresonators im Grenzwellenhohlraum des rechteckigen Hohlleiters ist folgender. Innerhalb des Grenzwellenhohlraums besteht nur ein gedämpftes elektromagnetisches Feld, d. h .lin mit dem Abstand exponentiell abfallendes elektromagnetisches Feld. Der dielektrische Hohlraumresonator ist nur ein Resonanzkreisbauteil, das an eine externe Schaltung angekoppelt werden kann. Der dielektrische Hohlraumresonator besitzt die Eigenschaften eines Bandfilters, wenn er an einer Stelle angeordnet ist an welcher das abfallende elektromagnetische Feld nicht vollständig abgebaut ist Durch Anordnung des dielektrischen Hohlraumresonators zwischen dem Halbleiteroszillatorelement und der externen Schaltung kann aus dieser eine elektromagnetische Spannung mit einer Oszillatorfrequenz abgegriffen werden, die fast ausschließlich durch den dielektrischen Hohlraumresonator gesieuert wird.

ίο Ein Ausführungsbeispiel der herkömmlichen Auslegungen eines Halbleiter-Mikrowellenoszillators ist in F i g. 1 a und F i g. 1 b gezeigt F i g. 1 a ist eine Vorderansicht eines Halbleiter-Mikrowellenoszillators und Fi g. 1 ein Querschnitt längs der Linie A-A der Fi g. la. Ein bogenförmiger Leiter 5 ist an einer Stelle innerhalb eines Grenzwellenhohlraumes 4 eines rechtwinkligen Hohlleiters senkrecht zu den //-Ebenen des rechteckigen Hohlleiters angeordnet An einem Ort zwischen dem säulenförmigen Leiter 5 und der //-Ebene befindet sich ein Halbleiteroszillatorelement 1. Ein scheibenförmiger dielektrischer Hohlraumresonator mit großer Dielektrizitätskonstante und einem hohen Q-Faktor ist an einem Träger 6 so angeordnet daß die Frontfläche der Scheibe parallel zur £-Ebene steht Bei dieser Auslegung sind das Halbleiteroszillatorelement 1 und der dielektrische Hohlraumresonator 2 miteinander elektromagnetisch gekoppelt und eine Oszillatorspznnung mit einer stabilen Oszillatorfrequenz wird an einem Ausgang 3 abgegriffen, an welchen ein rechteckiger Hohlleiter angeschlossen ist Der dielektrische Hohlraumresonator 2 sollte eine hohe Stabilität der Oszillatorfrequenz des Halbleiter-Mikrowellenoszillators selbst bei einer Eigenschwankung der Oszilatorfrequenz des Halbleiteroszillatorelements erbringen.

Bei dieser herkömmlichen Auslegung ist der dielektrische Hohlraumresonator in dem Grenzwellenhohlraum angeordnet, und daher müssen sowohl der dielektrische Hohlraumresonator 2 als auch das Halbleiteroszillatorelement 1 entfernt vom Ausgang angeordnet sein, und außerdem muß das Halbleiteroszillatorelement entfernt von der Kurzschlußebene angeordnet sein. Wenn beispielsweise ein Grenzwellenhohlrauin ausgebildet ist, dessen Breite die Hälfte der langen Seite der rechteckigen öffnung des rechteckigen Hohlleiters beträgt muß ein Abstand von etwa AgIl zwischen dem Halbleiteroszillatorelement 1 und der widerstandsmäßig abgeschlossenen und kurzgeschlossenen Ebene gewahrt werden, worin Ag eine Leiterwellenlänge im rechteckigen Hohlleiter ist. Durch diese Distanzierung wird der gesamte Oszillator so groß wie etwa Ag. Auf der anderen Seite besteht eine Einschränkung die längere Seite der Rechtecköffnung zu verkürzen, um auch das Gerät zu verkleinern, da ein effektiver reiner (^-Faktor infolge der Wirkung der nahen Wand des dielektrischen Hohlraumresonators abnimmt, wenn die längere Seite um weniger als die Hälfte der ursprünglichen Länge verkürzt wird und ein Grenzwellenhohlraum gebildet wird.

Wenn andererseits eine Koaxialleitung zur Montage eines Teiles des Halbleiteroszillators verwendet wird, um den Abstand zwischen dem Halbleiteroszillatorelement 1 und der widerstandsmäßig abgeschlossenen und kurzgeschlossenen Ebene zu verkürzen, dann wird die Größe des Montageteils in axialer Richtung der Koaxialleitung infolge der Montageauslegung groß. Es ist auch schwierig, den dielektrischen Hohlraumresonator und seinen Träger im engen und tiefen Grenzwellenhohlraum genau einzubauen.

Ein weiterer Halbleiter-Mikrowellenoszillator ist aus

IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1978, VoL MTT 26, No. 3, S. 147 bekannt Dieser weist einen Hohlraumresonator einschließlich eines Kopplungsfenstei s zur Ankopplung an eine externe Schaltung und ein Halbleiterosziilatordement auf, das in eine an einer Innenwand des Hohlraumresonators ausgeformte Ausnehmung eingebauc ist Die Ausnehmung besitzt eine Öffnung, die hinreichend kleiner ist als die Innenabmessung des Hohlraumresonators.

Die AufRabe der Erfindung besteht darin, einen HaIbleiter-Mikrowellenoszillator zu schaffen, dessen Oszillatorfrequenz dadurch stabilisiert wird, daß ein Halbleiteroszillator elektromagnetisch mit einem dielektrischen Hohlraumresonator mit einer großen Dielektrizitätskonstante und einem hohen Q-Faktor zusammengekoppelt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Oszillator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Eine spezielle Ausführung der Erfindung kann wie folgt zusammengefaßt werden: Es wird ein kompakter Halbleiter-Mikrowellenoszillator zur Erzeugung einer Schwingung mit einer in hohem Maße stabilisierten Frequenz mit einem Hohlraumresonator geschaffen, in welchem ein Kopplungsschlitz zur Ankopplung an eine externe Schaltung ausgeformt ein Halbleiteroszillatorelement und ein dielektrischer Hohlraumresonator mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und einem hohen Q-Faktor vorhanden ist Das Halbleiteroszillatorelement ist in einer Ausnehmung eingebaut, die auf einer Innenseitenwand des Hohlraumresonators ausgeformt ist und eine im Vergleich zur Innenabmessung des Hohlraumresonators genügend kleine Öffnung besitzt. Der dielektrische Resonator ist im Hohlraumresonator so angeordnet, daß er der Öffnung der Ausnehmung benachbart und dieser zugekehrt ist

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen

Fig. la eine Vorderansicht eines herkömmlichen Halbleiter-Mikrowellenoszillators mit einem dielektrischen Hohlraumresonator;

Fig. Ib einen Querschnitt längs der Linie A-A der Fig. la;

Fig.2a einen Seitenriß eines Halbletter-Mikrowellenoszillators nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.2b einen Querschnitt längs der Linie A-A der F ig. 2a;

Fig.3a eine Vorderansicht eines Halbleitermikrowellenoszillators nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.3b einen Querschnitt längs der Linie A-A der F ig. 3a;

F i g. 3c einen Querschnitt längs der Linie B-3 der F i g. 3a;

Fig.4a und 4b eine Vorderansicht und einen Seitenriß des Halbleiter-Mikrowellenoszillators der F i g. 3 mit Angabe der Abmessungen seiner Hauptteile;

Fig.5 eine klassische Darstellung der Magnetlinien mit einem Schemabild einer elektromagnetischen Kopplung zwischen drei Schaltbauteilen der Fig.3, nämlich dem Halbleiteroszillator, dem dielektrischen Hohlraumresonator und der externen Schaltung;

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild des Halbleiter-Mikrowellenoszillators der F i g. 5 und

F i g. 7 eine Seitenansicht eines gefertigten Exemplars des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Der Halbleiter-Mikrowellenoszillator umfaßt einen Hohlraumresonator mit einem Kopplungsschlitz zur Ankopplung einer externen Schaltung, ein Halbleiteroszillatorelement sowie einen dielektrischen Resonator mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und einem hohen Q-Faktor. Das Halbleiteroszillatorelement ist in eine Ausnehmung auf der Innenwand des Hohlraumresonators eingebaut und hat eine Öffnung, die hinreichend kleiner ist als die Innenabmessung des Hohlraumresonators. Der dielektrische Resonator ist im Hohlraumresonator so angeordnet daß er neben der Öffnung der Ausnehmung und dieser zugekehrt liegt Der erfindungsgemäße Halbleiter-Mikrowellenoszillator kann eine Mikrowellenspannung erzeugen, deren Frequenz durch Verwendung eines Hohlraumresonators von einfachem Aufbau stabilisiert ist ohne einen Grenzwellenhohlraum zu bilden. Daher wird die Fertigung des Oszillators einfach und außerdem kann der Oszillator mit kleinen Abmessungen ausgelegt sein, wodurch er auch leicht an Gewicht wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert F i g. 2a zeigt einen Seitenriß eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiter-Mikrowellenoszillators, und F i g. 2b ist ein Querschnitt längs der Linie A-A der Fig. 2a. Eine Ausnehmung 9 mit einer Öffnung 11, die hinreichend kleiner ist als die Innenabmessung eines Hohlraumresonators 8 ist an einer bestimmten Stelle an der Innenwand des Hohlraumresonators 8 ausgeformt.

Dieser besitzt ein Kopplungsfenster 7 zur Ankopplung an eine externe Schaltung. Die Ausnehmung 9 ist ein enger, mit Ausnahme an der Öffnung 11 von leitenden Wänden umschlossener Raum, in welchem ein Halbleiteroszillatorelement 10 angeordnet ist. Ein scheibenförmiger dielektrischer Resonator 12 mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und einem hohen Q-Faktor ist vor der Öffnung 11 der Ausnehmung 9 und dieser zugekehrt angeordnet, so daß der dielektrische Resonator 12 mit dem Halbleiteroszillatorelement 10 elektromagnetisch gekoppelt ist. Eine Oszillatorspannung mit einer stabilisierten Oszillatorfrequenz, welche durch eine Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators bestimmt wird, wird durch das Kopplungsfenster 7 von einer externen Schaltung abgegriffen. Obwohl die Form des Hohlraumresonators 8 in den F i g. 2a und 2b aus Gründen der Einfachheit als Kugel dargestellt ist, können für dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung auch andere Formen für den Hohlraumresonator 8 verwendet werden. Auch die Öffnung 11 kann anders ausgeformt sein als der in den F i g. 2a und 2b gezeigte Schlitz, soweit ihre Abmessung genügend klein ist gegenüber dem Innendurchmesser des Hohlraumresonators 8, und der dielektrische Resonator 12 durch die Öffnung 11 elektromagnetisch mit dem Halbleiteroszillator gekoppelt bleibt. Der Hohlraumresonator 8 kann auch eine Einstellvorrichtung 13 für die Oszillatorfrequenz bzw. eine Absorptionsvorrichtung 14 für elektromagnetische Wellen aus Ferrit umfassen. Die Einstellvorrichtung 13 für die Oszillatorfrequenz dient zur Frequenzfeineinstellung. Die elektromagnetische Absorptionsvorrichtung 14 ist mindestens an einer Stelle an den Innenwänden des Kopplungsfensters 7, des Hohlraumresonators 8 und der Ausnehmung 9 angeordnet. Sie verhindert ein unerwünschtes Überspringen der speziellen Oszillatorfrequenzen des Halbleiteroszillatorelements 10 und verhindert auch die nachteilige Erscheinung, daß beim Anschluß einer Spannungsquelle an das Halbleiteroszillatorelement 10 möglicherweise keine Schwingung ange-

regt wird.

Der Oszillator funktioniert wie folgt. Die an der Innenwand des Hohlraumresonators 8 ausgeformte Ausnehmung 9 dient zur Konzentration elektromagnetischer Energie des Halbleiteroszillatorelements 10 in dem engen Raum, der durch leitende Seitenwände umschlossen wird, wodurch eine betriebssichere Schwingung gewährleistet ist. Der dielektrische Resonator 12 mit einer hohen Dielektrizitätskonstanten und einem hohen Q-Faktor bewirken ebenfalls eine Bündelung der elektromagnetischen Energie in einem engen Raum. Daher ist es leicht, den dielektrischen Resonator 12 dadurch elektromagnetisch an das Halbleiteroszillatorelement 10 anzukoppeln, daß die Scheibenstirnfläche des dielektrischen Resonators 12 vor der öffnung 11 der Ausnehmung 9 und der öffnung ! 1 zugekehrt angeordnet wird. Ein Grund für diese Anordnung des dielektrischen Resonators 12, bei welcher die Stirnfläche seiner Scheibe der öffnung 11 der Ausnehmung 9 zugekehrt ist, kann wie folgt dargestellt werden.

Die die Grundschwingung Hq\o(oist ein von der Dikke des scheibenförmigen dielektrischen Resonators 12 abhängiger Parameter) des scheibenförmigen dielektrischen Resonators 12 induzierenden magnetischen Kraftlinien einer externen hochfrequenten Quelle (Hochfrequenz bedeutet im folgenden eine Frequenz im Mikrowellen- und Millimeterbereich) verlaufenden fast senkrecht zur Stirnfläche der Scheibe, mit Ausnahme an deren Umfang. Andererseits bildet sich an der öffnung 11 der Ausnehmung 9 eine Magnetwand aus (mit Magnetwand wird eine Wand bezeichnet, an welcher η ■ E=O und η χ W=O erfüllt sind, worin fein Vektor eines hochfrequenten elektrischen Feldes, Hein Vektor eines hochfrequenten Magnetfeldes und η ein Einheits-Normalvektor der Wand ist).

Somit bildet das durch das Halbleiteroszillatorelement 10 induzierte hochfrequente Magnetfeld magnetische Kraftlinien, welche fast senkrecht zur Öffnungsfläche der Ausnehmung 9 stehen, wobei die Richtung der magnetischen Kraftlinien gleich ist der Richtung eines hochfrequenten Magnetfeldes zur Induktion der Grundschwingung Woiri in dem dielektrischen Resonator 12. Daher wird die Grundschwingung Hm<> in den dielektrischen Resonator 12 induziert und damit dieser elektromagnetisch an das Halbleiteroszillatorelement 10 angekoppelt.

Die Größe des Hohlraumresonators 8 kann so gewählt werden, daß seine Resonanzfrequenz im Nutzfrequenzbereich liegt. Vorzugsweise soll jedoch seine Größe so klein wie möglich ausgelegt werden (die Untergrenze liegt bei /i/4, entsprechend dem Nutzfrequenzbereich), am eine Resonanzfrequenz zu erhalten, die höher ist als die in diesem Frequenzbereich, da diese Verringerung der Abmessungen des Hohlraumresonators 8 eine sehr kompakte Form des Oszillatorgehäuses ergeben. Die Verringerung der Abmessungen des Hohlraumresonators 8 läßt sich ohne weiteres durchführen, da die Auswirkung der naheliegenden Wand des dielektrischen Resonators 12 durch die Auslegung verringert wird, in welcher die Stirnfläche der Scheibe des dielektrischen Resonators 12 der öffnung 11 der Ausnehmung 9 zugekehrt ist.

im Ausführungsbeispiel der Fig.2a und 2b ist nur eine Ausnehmung 9, ein Halbleiteroszillatorelement 10, ein dielektrischer Resonator 12 und ein Kopplungsfenster 7 zum Anschluß an die externe Schaltung vorgesehen. Um jedoch die Ausgangsleistung zu erhöhen, können auch andere Anordnungen verwendet werden, bei welchen mehrere Halbleiteroszillatorelemente in eine Ausnehmung eingebaut sind oder mehrere Halbleiteroszillatorelemente in mehreren Ausnehmungen angeordnet sind. Um die Stabilität der Oszillatorfrequenz zu verbessern, können mehrere scheibenförmige dielektrische Resonatoren neben und einer Ausnehmung zugekehrt angeordnet sein.

Für die Beschreibung der Erfindung bedingt der Ausdruck »der dielektrische Resonator von hoher Stabilitat« nicht unbedingt, daß der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators annähernd Null ist. Er bedeutet jedoch, daß der Temperaturkoeffizient der Oszillatorfrequenz des gesamten Halbleiter-Mikrowellenoszillators einschließlich des dielektrischen Resonators annähernd Null ist. Das heißt, daß der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators einen kleinen positiven Wert besitzt. Außerdem bedeutet der Ausdruck »Stabilität« eine gute Wiederholbarkeit der Resonanzfrequenz und eine hohe Stabilität der Resonanzfrequenz über die Zeit.

Die F i g. 3a, 3b und 3c zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiter-Mikrowellenoszillators. F i g. 3a ist eine Vorderansicht des Halbleiter-Mikrowellenoszillators, Fig.3b ein Querschnitt längs der Linie A-A der F i g. 3a und F i g. 3c ein Querschnitt längs der Linie B-B der F i g. 3a.

Die F i g. 4a und 4b zeigen eine Vorderansicht und einen Seitenriß des Halbleiter-Mikrowellenoszillators der F i g. 3 mit den Abmessungen seiner Hauptteile. Eine Seitenwand in axialer Richtung eines Hohlraumresonators 15 eines recheckigen Hohlleiters ist durch eine leitende Wand 151 kurzgeschlossen. In einem Mittelteil der leitenden Wand 151 ist eine Ausnehmung 16 mit einem Schlitz von der Fläche a' ■ b' (worin a', b' die Längenabmessungen der langen und der kurzen Seite sind) sowie einer Tiefe von c' ausgeformt. Der Ausnehmung 16 ist so gestaltet, daß die lange Seite des Schlitzes parallel zur f/-Ebene des rechtwinkligen Hohlleiters verläuft. Ein Halbleiteroszillator 17 ist in der Ausnehmung 16 so angeordnet, daß seine Achse parallel zur kurzen Seite des Schlitzes liegt.

Die Abmessung a'der langen Seite der schlitzförmigen öffnung ist gleich oder beinahe gleich der halben Breite eines rechtwinkligen Hohlleiters. Die Abmessung ö'ist gleich oder annähernd gleich der Baugruppenhöhe des Halbleiteroszillatorelements 17. Somit ist die Fläche (a' ■ b')des Schlitzes hinreichend klein gegenüber einer Fläche (a ■ b) der widerstandsmäßig abgeschlossenen und kurzgeschlossenen Ebene 151, die eine Innenwandflache des Hohlraumresonators 15 des rechteckigen Hohlleiters bildet- Beispielsweis? b??r?.gs" die Abmessungen im Falle eines nach den Normen der Electronic Industries Association of Japan (EJ-A-J.) mit WR-!20 angegebenen rechteckigen Hohlleiters: a —19,05 mm und 6=9,525 mm. Bei diesem Ausführungsbeispiel betragen jedoch die Abmessungen a'=9,0 mm und i'=3,0mm, und daher ist das Verhältnis (a' ■ b')/(a ■ b)=: 1/7. Die Tiefe c'der Ausnehmung 16 ist so gewählt, daß das Halbleiteroszillatorelement 17 innerhalb gewisser Grenzen mil genügend Raum eingebaut werden kann. Der Wert c' muß im wesentlichen eine Ungleichheitsbeziehung erfüllen: Agl%<c'<Agl4. Daher kann der Halbleiteroszillator 17 durch Verwendung der vorstehend erwähnten Auslegung in die enge Ausnehmung 16 eingebaut werden. Dies ist im Falle der herkömmlichen Auslegung nach F i g. 1 nicht möglicht
Wie nachstehend näher erläutert wird, läßt sich die

Länge a' der langen Seite des Schlitzes sowie ein Abstand d experimentell bestimmen, welcher die Lage des Halbleiteroszillatorelements 17 in der Ausnehmung 16 angibt. In den Fig. 3a—3b sowie 4a—4b ist gezeigt, daß das Halbleiteroszillatorelement 17 im Mittelpunkt des Hohlraumresonators 15 bei Sicht auf einen Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung des rechtwinkligen Hohlleiters angeordnet ist. Diese Lage ist jedoch nicht absolut wichtig, obwohl die Abmessungen verschiedener Teile verändert werden müssen, wenn die Lage des Halbleiteroszillatorelements 17 etwas verändert wird.

Andererseits sind leitende Bleche 19 und 20 auf der anderen Seite des Hohlraumresonators 15 des rechtekkigen Hohlleiters vorgesehen, nämlich an der Seite gegenüber der kurzgeschlossenen Ebene 151 in axialer Richtung des Hohlleiters. Ein induktives Fenster 18 ist zwischen den leitenden Blechen 19 und 20 ausgeformt Ein Träger für einen dielektrischen Resonator 22 ist mit seinem einen Ende an dem einen Blech 19 durch Kleber befestigt (der Träger 21 ist in F i g. 4b nicht gezeigt). Der Träger 21 muß eine niedrige Dielektrizitätskonstante und einen geringen dielektrischen Verlust im Hochfrequenzbereich aufweisen. Außerdem muß er einen kleinen Wärmedehnungskoeffizienten besitzen. Ein bevorzugter Werkstoff für den Träger 21 ist Quarzglas. Der dielektrische Resonator 22 ist an der gegenüberliegenden Spitze des Trägers 21 durch Klebstoffe befestigt. An der Ausgangsseite des Fensters 18 ist ein rechteckiger Hohlleiter 23 zum Anschluß an eine externe Schaltung vorgesehen.

Die Länge des Hohlraumresonators 15 des rechteckigen Hohlleiters ist so gewählt, daß sie in axialer Richtung etwa/i£-'4 beträgt, wobei sowohl die Verkleinerung der Abmessungen des Halbleiter-Mikrowellenoszillators als auch die Wirkung der naheliegenden Wand des dielektrischen Resonators 22 berücksichtigt wurden. Doch kann die Länge dg/4 noch weiter verkürzt werden, da sie einiges Spiel für den Wandnäheneffekt läßt Natürlich kann der Hohlraumresonator 15 verlängert werden, wenn die geringe Größe des Halbleiter-Mikrowellenoszillators keine Rolle spielt Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Gesamtabmessung des Halbleiter-Mikrowellenoszillators etwa XgIl oder weniger. Außerdem kann die Ausnehmung auch an seiner Seitenwand der Ε-Ebene anstelle an der Kurzschlußebene 151 des Hohlraumresonators 15 ausgeformt sein. Dies würde eine weitere Herabsetzung der Gesamtgröße des Mikrowellenoszillators ermöglichen.

Die Fläche des Fensters 18 beeinflußt die Größe der elektromagnetischen Kopplung der externen Schaltung 23 an den dielektrischen Resonator 22. Eine elektrisch leitende Schraube 25 zur Feinabstimmung der Frequenz ist neben dem Fenster angeordnet und ragt durch die //-Ebene hindurch. Durch Veränderung der Einführungstieie der leitenden Schraube 25 kann auch die Größe der elektromagnetischen Kopplung des dielektrischen Resonators 22 an das Halbleiteroszillatorelement 17 und außerdem die Größe der elektromagnetischen Kopplung der externen Schaltung 23 an den dielektrischen Resonator 22 zusätzlich zur Feinabstimmung der Oszillatorfrequenz verändert werden.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des Hohlraumresonators 15 des rechteckigen Hohlleiters in axialer Richtung etwa Ägl4, und daher weist der Hohlraumresonator 15 keine Resonanzfrequenz im Oszillatorfrequenzbereich dieses Halbleiter-Mikrowellenoszillators auf. Daher erregt das Halbleiteroszillatorelement 17 nur den dielektrischen Resonator 22, und kein anderer Teil des Resonanzkreises außer dem dielektrischen Resonator 22 wird beaufschlagt. Somit wird eine hochstabile Schwingung erzielt. Um die Stabilität der Schwingung noch weiter zu verbessern, ist eine Absorptionsvorrichtung 24 für elektromagnetische Wellen an der Innenwand der Ausnehmung 16 vorgesehen. Die Absorptionsvorrichtung 24 für elektromagnetische Wellen verhindert ein unerwünschtes Überspringen der speziellen Oszillatorfrequenz des Halbleiteroszillatorelements 10 und verhindert ebenso die unerwünschte Erscheinung, daß bei einem Anschluß einer Spannungsquelle an das Halbleiteroszillatorelement 17 möglicherweise keine Schwingung erzeugt wird.

An der schlitzförmigen Öffnung bildet sich ebenso wie im Faiie des ersten Ausführungsbeispieis eine Magnetwand. Eine Grundschwingung H wird in den scheibenförmigen dielektrischen Resonator 22 induziert, der neben der Öffnung angeordnet und dieser zugekehrt ist.

Daher ist der dielektrische Resonator 22 elektromagnetisch an das Halbleiteroszillatorelement 17 gekoppelt.

F i g. 5 zeigt den Zustand der gegenseitigen elektromagnetischen Ankopplung durch die magnetischen Kraftlinien im Mikrowellenbereich zwischen dem HaIbleiteroszillatorelement 17, dem dielektrischen Resonator 22 und der externen Schaltung 23.

Aus der bisherigen Erläuterung geht hervor, daß eine elektrische Ersatzschaltung des Mikrowellenoszillators nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach der Darstellung der F i g. 6 ausgeführt sein kann. In der Ersatzschaltung bezeichnet Yd einen Scheinleitwert des Halbleiteroszillatorelements 17 in Betrieb, und Yd besitzt eine negative Leitwertkomponente. Ym bezeichnet einen durch die geometrischen Abmessungen der Ausnehmung 16, in welcher das Halbleiteroszillatorelement 17 montiert ist, bestimmten Blindleitwert. DR bezeichnet einen in Reihe geschalteten Resonanzkreis mit einem hohen (^-Faktor, welcher dem dielektrischen Resonator 22 entspricht. Die gegenseitige Ankopplung zwischen dem Halbleiteroszillator 17 und dem dielektrischen Resonator 22 wird durch einen Koppiungsbeiwert K1, und die gegenseitige Ankopplung zwischen dem dielektrischen Resonator 22 und der externen Schaltung 23 durch einen Kopplungsbeiwert K 2 ausgedrückt.

Z₅ zeigt die Lastimpedanz der externen Schaltung 23. Wie F i g. 4 zeigt, können, falls das Halbieiteroszillatorelement 17 und der dielektrische Resonator 22 festgelegt sind, die Größe a'der langen Seite des Schlitzes, der Abstand c/des Halbleiteroszillators 17 von der Innenfläche der Vertiefung 16, die Abstände (x, y\) des dielektrischen Resonators 22 vom Haibieiterosziiiatorelemeni 17, der Abstand y> des Induktionsschlitzes von der Leiterplatte 19 und die Abmessungen W] und W2 durch wiederholte Experimente gewonnen werden, die so durchgeführt werden, daß ein Endstabilitätsfaktor der Oszillatorfrequenz über der Temperatur Afr, diese über der Last Af_L sowie eine Oszillatorspannung P₀ als Sollwert gewonnen wird. Unter dem Gesichtspunkt der Gü- te und anhand der F i g. 6 betrachtet heißt dies, daß der über der Temperatur Ah der Oszillatorfrequenz aufgetragene Stabilitätsfaktor hauptsächlich von der Temperaturkurve des Halbleiteroszillatorelements 17 und des dielektrischen Resonators 22 sowie vom Kopplungsbeiwert K1 zwischen Oszillatorelement 17 und Resonator 22 abhängt Der Stabilitätsfaktor über der Last Af_L des Oszillators hängt hauptsächlich vom Kopplungsbeiwert K 2 zwischen dem dielektrischen Resonator 22 und der

ίο

externen Schaltung 23 ab.

Andererseits hängt die Oszillatorspannung von beiden Kopplungsbeiwerten K 1 und K 2 ab. Der Stabilitätsfaktor über der Temperatur AiV kann durch die Größe der Frequenzverschiebung bei einer Temperaturänderung gemessen werden, beispielsweise von —20° C bis +40⁰C. Und der Stabilitätsfaktor über der Last df_L kann durch die Größe der Frequenzverschiebung gemessen werden, wenn sich die Phase der externen Last von 0 bis 360° ändert, indem das Stehwellenverhältnis gegenüber der externen Last auf einem konstanten Wert, beispielsweise 1,5 gehalten wird. Um den besten Stabilitätsfaktor über der Temperatur Δ(τ bei Verwendung eines gewünschten Halbleiteroszillatorelements zu erreichen, müssen die vorstehend beschriebenen Experimente durch Austausch verschiedener dielektrischer Resonatoren mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten nacheinander durchgeführt werden. Ein tatsächlich durchgemessenes Muster des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels zeigt folgende Werte:

Rechteckiger Hohlleiter
Halbleiteroszillatorelement

Betriebsspannung

Strom

Nennfrequenz

Ausgangsleistung

Dielektrischer Resonator:

Scheibendurchmesser
Spezielle Dielektrizitäts-
~~ konstante '
Q unbelastet

Temperaturabhängigkeit der
Resonanzfrequenz

Daten der Ausgangsfrequenz des Halbleiter-Mikrowellenoszillators

Ausgangsfrequenz f₀ 11 660 GHz

Ausgangsleistung Po 10 mW

_ Stabilitätsfaktor über der

Temperturz/Λ- 340KHz

Stabilitätsfaktor über der

280KHz

Bezüglich einer Kopplungsvorrichtung an die externe Schaltung sei bemerkt, daß der rechteckige Hohlleiter bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung als eine Ausgangsübertragungsleistung dient Jedoch können sowohl koaxiale Übertragungsleitungen als auch eine Mikrowellenstreifenleitung verwendet werden. Ausführungsbeispjele, welche koaxiale und Streifenleitungen verwenden, werden nachstehend näher beschrieben.

Die durch das Halbleiteroszillatorelement erzeugte elektromagnetische Energie wird im engen Raum der Ausnehmung konzentriert, und die Magnetwand wird an der öffnung der Ausnehmung ausgeformt Es ist daher leicht, den dielektrischen Resonator elektromagnetisch an das Halbleiteroszillatorelement dadurch anzukoppeln, daß die Frontfläche der Scheibe des dielektrischen Resonators mit einer hohen dielektrischen Konsiante und einem hohen (?-Faktor neben der öffnung der Ausnehmung und dieser zugekehrt angeordnet wird. Diese starke Kopplung trägt viel zur guten Stabilisierung der Oszillatorfrequenz bei. Außerdem ist die Schwingungsfrequenz des Halbleiter-Mikrowellenoszillators frei von der Eigenfrequenz des Hohlraumresonators, und daher kann ein Hohlraumresonator von einfachem Aufbau verwendet werden. Beispielsweise werden für die Ausführungsbeispiele der Erfindung ge-

wohnliche rechteckige Hohlleiter als Hohlraumresonatoren verwendet und erbringen so eine vereinfachte Herstellung des Halbleiter-Mikrowellenoszillators.

Ein Beispiel zur Vereinfachung des Aufbaus des Halbleiter-Mikrowellenoszillators zeigt Fig.9. Ein Halblei-

ter-Mikrowellenoszillator der Fig.9 umfaßt die flanschförmigen oder distanzstückförmigen Teile 35,37, 38 und 39. Zuerst werden sie einzeln gefertigt. Nach Anordnung eines Halbleiteroszillators im Teil 36 und Einbau eines dielektrischen Resonators im Teil 37 mit

Hilfe eines Trägers werden sie mit Bolzen 40 zusammengebaut, um den Halbleiter-Mikrowellenoszillator zu bilden. Der erfindungsgemäße Halbleiter-Mikrowellenoszillator bedarf keines Grenzwellenbereiches, und daher bereitet es keine Schwierigkeit, den dielektri-

sehen Resonator genau an der vorbestimmten Stelle im

Hohlraumresonator anzuordnen.

WRJ120 Da die Schwingungsfrequenz des Mikrowellenoszilla-

Gunn Diode tors fast frei von der Eigenfrequenz des Hohlraumreso-7,5 V nators ist, kann ein Hohlraumresonator von kleineren

15OmA 25 Abmessungen verwendet werden, als ein Hohlraumre-

12,0GHz sonator mit einer Resonanzfrequenz im Schwingungs-

mW frequenzbereich des Mikrowellenoszillators. Eine Ver

ringerung der Größe ist außerdem durch äußerst nahe Anordnung des dielektrischen Resonators an der Öff-

nung der Ausnehmung möglich, da der Effekt der naheliegenden Wand des dielektrischen Resonators infolge des Vorhandenseins der Ausnehmung vermindert wird. Eine Abnahme des unbelasteten (^-Faktors des dielektrischen Resonator» wird dadurch vermieden, daß

die Frontfläche der Scheibe des dielektrischen Resonators nahe an der öffnung der Ausnehmung angeordnet wird. Es braucht jetzt nur der Effekt der naheliegenden Wand durch die andere Oberfläche der Scheibe gegenüber der öffnung der Ausnehmung beachtet zu werden,

um die Stabilität der Oszillatorfrequenz des Halbleiter-Mikrowellenoszillators zu verbessern.

Ein Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Halbleiter-Mikrowellenoszillators ist ein Überlagerungsoszillator für einen SHF-UKW-Umsetzer für ei-

nen SHF-Fernsehempfanger. In diesem Fall liegt die Oszillatorfrequenz des Halbleiter-Mikrowellenoszillators im Bereich von 11 —12GHz. Mit der Erfindung wird ein kompakter Halbleiter-Mikrowellenoszillator in Leichtbauweise geschaffen, der leicht herzustellen ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

5 mm

37,6
4000

dfIbT

= +4,1 ppm/°C 55

60

65

Claims

Patentanspruch:

Halbleiter-Mikrowellenoszillator mit einem Hohlraumresonator, der ein Kopplungsfenster zur Ankopplung an eine externe Schaltung aufweist, und einem Halbleiteroszillatorelement das in eine an einer Innenwand des Hohlraumresonators ausgeformte Ausnehmung eingebaut ist, die eine öffnung besitzt, die hinreichend kleiner ist als die Innenabmessung des Hohlraumresonators, dadurch gekennzeichnet, einen scheibenförmigen dielektrischen Resonator (12), der im Hohlraumresonator (8) vor der öffnung (11) der Ausnehmung (9) angeordnet ist und mit einer Scheibenstirnfläche der Ausnehmung (9) zugekehrt liegt