DE2941826A1

DE2941826A1 - Mikrowellen-oszillator

Info

Publication number: DE2941826A1
Application number: DE19792941826
Authority: DE
Inventors: Keiro Shinkawa; Chuichi Sodeyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-10-17
Filing date: 1979-10-16
Publication date: 1980-05-22
Also published as: DE2941826C2; US4307352A; JPS5553907A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Mikrowellen-Oszillator

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Oszillator mit einer Mikrostreifenleitung und insbesondere einen Mikrowellen-Oszillator mit einer Mikrostreifenleitung und einem dielektrischen Resonator.

Bevor Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden, sollen typische Beispiele des herkömmlichen Mikrowellen-Oszillators weiter unten beschrieben werden.

Der allgemeine Aufbau einer Mikrostreifenleitung ist in Fig. 1 gezeigt. Dabei ist ein dielektrisches Substrat 1 vorgesehen, auf dessen Oberseite ein Streifenleiter 2 ausgeführt ist, und ein Erdungsleiter 3 ist auf der Rückseite des dielektrischen Substrates 1 vorgesehen. Der Slrci-

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fenleiter 2 und der Erdungsleiter 3 bilden eine parallele Leitung für die übertragung eines Signales. Der Erdungsleiter 3 kann anstelle der Befestigung auf der Rückseite des dielektrischen Substrates 1 alternativ durch ein Metallgehäuse vorgesehen sein, in dem das dielektrische Substrat mit diesem in enger Berührung angeordnet ist. In einem derartigen Fall ist lediglich der Streifenleiter auf der Oberseite des dielektrischen Substrates angeordnet. Eine Gunn-Diode oder ein Feldeffekttransistor (FET) ist auf dieser Mikrostreifenleitung angebracht, und ein dielektrischer Resonator eines hohen Gütefaktors ist auf der Seite der Mikrostreifenleitung vorgesehen, um somit einen Mikrowellen-Oszillator zu bilden. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Mikrowellen-Oszillators mit einer Gunn-Diode, und Fig. 3 gibt ein Beispiel für einen Mikrowellen-Oszillator mit einem Feldeffekttransistor.

In Fig. 2 ist eine durch eine Mikrostreifenleitung einer Gunn-Diode 4 gebildete Ausgangsleitung 5 mit einem dielektrischen Resonator 6 gekoppelt, und eine Vorspannung liegt an der Gunn-Diode durch eine nicht gezeigte Vorspannungseinrichtung, wodurch ein Oszillator entsteht. Um die größte Reflexion bei der Resonanzfrequenz des dielektrischen Oszillators 6 zu erzielen, wird der Abstand zwischen der Gunn-Diode 4 und der Kopplungsstelle des dielektrischen Resonators 6 so gewählt, daß eine Eigenschwingungsschleife zwischen der Gunn-Diode 4 und dem dielektrischen Substrat 6 gebildet wird, wodurch eine Schwingung bei der Resonanzfrequenz des dielektrischen Oszillators 6 erzielt wird. Dieser dielektrische Resonator besteht im allgemeinen aus einem Material der Ti-Gruppe und hat eine Resonanzfrequenz abhängig von der Dielektrizitätskonstanten und der Umrißabmessung hiervon. Gegenwärtig gibt es einen dielektrischen Resonator mit einem Gütefaktor von ca. 3000 bis 5000.

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In Fig. 3 ist der dielektrische Resonator 10 auf der Seite einer Ausgangsleitung 9 aus einer Mikrostreifenleitung angeordnet, die mit einer Drain 8 eines Feldeffekttransistors verbunden ist, dessen Source 7 geerdet ist. Als Ergebnis ist der Betrag der Rückkopplung zwischen der Drain 8 und einem Gate 12 des mit einem Rückkopplungskondensator 11 verbundenen Feldeffekttransistors am größten bei der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators 10, bei der eine Schwingung auftritt. Obwohl dies in Fig. 3 nicht dargestellt ist, liegt eine Vorspannung an jeder Elektrode des Feldeffekttransistors durch eine Vorspannungseinrichtung. Außerdem ist das Gate 12 des Feldeffekttransistors mit einer Eingangsleitung 9¹ verbunden, die aus einer Mikrostreifenleitung besteht.

Wie aus dem Aufbau der in Fig. 2 und 3 dargestellten Oszillatoren folgt, macht es die reine Anordnung des dielektrischen Resonators in der Nähe der Mikrostreifenleitun<j möglich, eine Resonatorschaltung eines hohen Gütefaktors zu bilden, wodurch ein stabiler Oszillator verwirklicht wird.

Ein Beispiel für einen herkömmlichen Aufbau, in dem die Mikrostreifenleitung und der dielektrische Resonator miteinander gekoppelt sind, ist in Fig. 4 gezeigt. Ein elektrisches Feld 16 wird zwischen einem Streifenleiter 14 auf der Oberseite eines dielektrischen Substrates 13 und einem Erdungsleiter 15 auf dessen Rückseite konzentriert, so daß ein Signal in der Mikrostreifenleitungs-Betriebsart eines um den Strcifenleiter 16 erzeugten Magnetfeldes 17 übertragen wird. Wenn ein dielektrischer Resonator 18 neben dieser Mikrostreifenleitung vorgesehen ist, wird ein Magnetfeld 19 erzeugt, das mit dem Übertragungs-Magnetfeld 17 gekoppelt ist. Auf diese Weise ist die Mikrostreifenleitung mit dem dielektrischen

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Resonator 18 gekoppelt, so daß die Kennlinie eines Bandsperrfilters erzielt wird, in dem die höchste Dämpfung bei der Resonanzfrequenz fr des dielektrischen Resonators auftritt, wodurch eine Resonatorschaltung gebildet wird.

Der Aufbau der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung ist sehr einfach, da der dielektrische Resonator 18 lediglich durch ein Bindemittel od. dgl. auf dem dielektrischen Substrat 13 in der Nähe der Mikrostreifenleitung festgelegt ist. Im Hinblick auf ihren einfachen Aufbau wird diese Vorrichtung weit verwendet. Die Resonanzfrequenz fr des dielektrischen Resonators 18 hängt von dessen Abstand zur umgebenden Leiterwand ab. In der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung ändert sich die Resonanzfrequenz mit dem Abstand zwischen dem dielektrischen Resonator 18 und dem Erdungsleiter 15, d. h. mit der Dicke d des dielektrischen Substrates,wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn der Erdungsleiter näher beim dielektrischen Resonator 18 vorgesehen ist, in dem die Dicke des dielektrischen Substrates verringert wird, wächst die Resonanzfrequenz fr an. Selbst wenn daher die Dicke des dielektrischen Substrates auf d bei normaler Raumtemperatur festgelegt wird, ändert sich die Dicke d mit der Änderung der Raumtemperatur entsprechend der Wärmeausdehnung des Substratmaterials, so daß - wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substratmaterials konstant ist - sich die Resonanzfrequenz fr mit einem im wesentlichen festen Gradienten mit der Änderung der Raumtemperatur verändert. Um die Veränderung in der Schwingungsfrequenz des Oszillators mit der Änderung der Raumtemperatur zu dämpfen, wird ein dielektrischer Resonator aus einem Material, dessen Temperaturkoeffizient positiv ist, verwendet, um den negativen Temperaturkoeffizienten der im Oszillator verwendeten Bauelemente und den negativen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz entsprechend dem Grad der

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Wärmeausdehnung des Substratmaterials zu kompensieren.

Übliche Materialien des dielektrischen Substrats für die mit Mikrowellen verwendete Mikrostreifenleitung umfassen Quarz, Saphir oder Keramik. In jüngster Zeit wird je-

doch Teflon oder Teflon-Glasfaser mit Teflon als Hauptbestandteil oder Ferrit als Material des dielektrischen Substrates aufgrund geringen Aufwandes und günstiger Verarbeitung betrachtet. Da die aus diesen hochpolymeren Materialien bestehenden Substrate im Vergleich mit den herkömmlichen Substraten große Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, muß daher der positive Temperaturkoeffizient des dielektrischen Resonators beträchtlich hoch sein, um den großen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrates zu kompensieren. Dies führt zu dem Nachteil, daß die Veränderungen der Gradienten der Temperaturkennlinien der dielektrischen Resonatoren ansteigen, wodurch die Stabilitäten der Oszillatoren hinsichtlich der Temperatur für jeden Oszillator verändert werden. Auch hat Teflon einen Ubertragungsbereich bei einer Temperaturspanne von 18,3 ⁰C bis 2 5 ⁰C, in der eine plötzliche Volumenänderung von 1 bis 2 % auftritt. D. h., der lineare Ausdehnungskoeffizient ß von Teflon verändert sich stark bei ca. 20 ⁰C (vgl. Fig.' 6), wobei die Linearität des Wärmeausdehnungskoeffizienten verschwindet.

Da die Dicke des Teflon-Substrates einer plötzlichen Änderung bei ca. 20 ⁰C unterliegt (vgl. oben), ändert sich der Oszillator mit dem Teflon-Substrat stark in einer Schwin gungsfrequenz Af bei ca. 20 ⁰C, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Ein Beispiel für die Messung des Feldeffekttransistor-Oszillators mit einer Schwingungsfrequenz von 11 GHz, der mit einem Teflon-Substrat geprüft wird, ist in Fig. 7 dargestellt, die eine Frequenzänderung von ca. 600 kHz im Temperaturbereich von 15 ⁰C bis 20 ⁰C zeigt. Wie aus den obigen

♦) Teflon = aus Polytetrafluoräthylen und Polyperfluoräthylenpropylen bestehender Kunststoff

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Erläuterungen folgt, hat der Oszillator mit dem Substrat aus einem hochpolymeren Material den Nachteil, daß einerseits die Schwingungsfrequenz mit der Änderung der Raumtemperatur instabil ist, und daß andererseits die Schwingungsfrequenz stark bei ca. der normalen Raumtemperatur streut, wo er meistens eingesetzt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mikrowellen-Oszillator anzugeben, dessen Resonanzfrequenz sich selbst dann wenig verändert, wenn ein dielektrisches Substrat, dessen Volumen sich stark mit einer Temperaturänderung verändert, für das Mikrostreifen-Substrat verwendet wird, und dessen Schwingungsfrequenz außerdem mit der Temperaturänderung stabil ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung einen Mikrowellen-Oszillator vor, in dem ein dielektrischer Resonator, der mit einem Streifenleiter einer Streifenleitung zu koppeln ist, direkt auf einem Erdungsleiter oder einem Metallgehäuse über ein darin ausgeführtes Loch oder durch Abschneiden des Teiles des dielektrischen Substrates angebracht ist, wo der dielektrische Resonator vorzusehen ist, ohne den dielektrischen Resonator auf dem dielektrischen Substrat anzuordnen. Selbst wenn sich bei diesem Aufbau das dielektrische Substrat durch die Temperaturzunahme ausdehnt, bleibt der Abstand zwischen dem dielektrischen Resonator und dem Erdungsleiter konstant, so daß lediglich der Temperaturkoeffizient des dielektrischen Resonators für die Stabilität der Schwingungsfrequenz berücksichtigt wird. Somit wird die Schwingungsfrequenz nicht durch die Änderung in der Dicke des dielektrischen Substrates aufgrund der Temperaturänderung beeinflußt,

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und daher hat die Schwingungsfrequenz eine hohe Stabilität gegenüber der Temperatur, selbst wenn ein dielektrisches Substrat mit geringem Aufwand verwendet wird.

Eine Mikrowellen-Oszillator-Schaltung hat also eine Mikrostreifenleitung mit einem Substrat aus einem dielektrischen Material, einen Halbleiter, wie z. B. eine Gunn-Diode oder einen Feldeffekttransistor, und einen dielektrischen Resonator, der mit der Mikrostreifenleitung als eine Resonator-Schaltung verbunden ist. Ein Loch wird im Substrat neben der Mikrostreifenleitung ausgeführt, oder das Substrat wird

abgeschnitten, um eine Aussparung zu erzeugen. Durch dieses Loch oder durch diese Aussparung wird der dielektrische Resonator direkt an dem die Mikrostreifenleitung tragenden Metallgehäuse auf deren entgegengesetzter Seite oder am Erdungs-

leiter der Mikrostreifenleitung befestigt, wie dies der Fall sein mag.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für den Grundaufbau

einer allgemeinen Mikrostreifenleitung,

Fig. 2 Schaltbilder mit Beispielen einer und 3 Oszillator-Schaltung, die die in

Fig. 1 dargestellte Mikrostreifenleitung verwendet,

Fig. 4 einen Schnitt zur Erläuterung des Kopplungszustandes zwischen dem Streifenleiter und dem dielektrischen Resonator einer Oszillator-Schaltung,

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Fig. 5 eine Kurve zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz der Oszillator-Schaltung und der Dicke des Substrates der Mikrostreifenleitung in der in Fig. 4 gezeigten Anordnung des dielektrischen Resonators,

Fig. 6 eine Kurve mit einem Beispiel der Temperatur-Kennlinie des linearen Ausdehnungskoeffizienten von Teflon,

Fig. 7 eine Kurve mit einem Beispiel für die Messung der Temperatur-Kennlinie der Schwingungsfrequenz des Oszillators mit einer Mikrostreifenleitung, die ein Teflon-Substrat verwendet,

Fig. 8 einen Schnitt mit dem Kopplungszustand eines dielektrischen Resonators und eines Streifenleiters eines Mikrowellen-Oszillators nach der Erfindung,

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines

Beispieles für den Aufbau des dielektrischen Resonators in einem Mikrowellen-Oszillator nach der Erfindung, und

Fig. 10 eine Kurve mit einem Beispiel für die Messung der Temperatur-Kennlinie der Schwingungsfrequenz eines Oszillators nach der Erfindung.

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Die Erfindung wird in Einzelheiten anhand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 8 zeigt den Verbindungszustand eines dielektrischen Resonators und einer Mikrostreifenleitung des Teflon-Substrates, das im Mikrowellen-Oszillator nach der Erfindung verwendet wird. Ein Teflon-Substrat 20, auf dessen Oberseite bzw. Rückseite ein Streifenleiter 21 bzw. ein Erdungsleiter 22 vorgesehen ist, bildet eine Mikrostreifenleitung. Der Teil des dielektrischen Substrates 20 neben dem Streifenleiter 21 ist teilweise entlang des Streifenleiters 21 abgeschnitten, so daß ein dielektrischer Resonator 23 im geschnittenen Teil und direkt auf einer Metallgehäuse-Platte 24 vorgesehen ist. Als eine Alternative kann das dielektrische Substrat 20 abgeschnitten sein, um den Erdungsleiter 22 zurückzulassen, so daß der dielektrische Resonator 23 direkt auf dem freiliegenden Erdungsleiter 22 angebracht werden kann. Die Mikrostreifenleitung mit dem so angeordneten dielektrischen Resonator 23 wird mit einem Halbleiter-Bauelement, wie z. B. einer Gunn-Diode oder einem Feldeffekttransistor, in einer zum herkömmlichen Aufbau (vgl. Fig. 2 oder 3) ähnlichen Weise zusammengefaßt, um so einen Oszillator zu bilden.

Der dielektrische Resonator ist mit der Mikrostreifenleitung gekoppelt, so daß die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators nicht durch die Dickenänderung des Substrates entsprechend dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des für das Substrat verwendeten Teflons beeinflußt wird, wodurch die Stabilität der Schwingungsfrequenz des Oszillators gegenüber Temperaturschwankungen verbessert wird. Da weiterhin die Schwingungsfrequenz des Oszillators unabhängig von der Dicke des Substrates ist, wird eine Änderung der Schwingungsfrequenz verhindert, die sonst aufgrund einer Änderung in der Substratdicke bei den Herstellungsprozessen zahlreicher ähnlicher Oj-

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zillatoren auftreten kann.

In einer ähnlichen Weise wird die gleiche Wirkung wie in Fig. 8 durch die Vorrichtung der Fig. 9 erhalten, in der ein dielektrischer Resonator 25 direkt auf einem Erdungsleiter 28 oder einem Metallgehäuse 29 über ein in einem Teflon-Substrat 26 ausgeführten Loch 27 befestigt ist. Ein Beispiel der Temperatur-Kennlinie des Feldeffekttransistor-Oszillators des Teflon-Substrates mit dem in Fig. 9 dargestellten Aufbau ist in Fig. 10 gezeigt. Die Schwingungsfrequenz beträgt 11 GHz, die sich nicht plötzlich mit einer Temperaturschwankung verändert, sondern sich um ca. lediglich 100 kHz im Temperaturbereich von 0 ⁰C bis 30 ⁰C ändert, wodurch eine überlegene Stabilität erzielt wird.

In den obigen Ausführungsbeispielen wurde die Erfindung anhand eines Beispieles erläutert, das das Teflon-Substrat verwendet. Da die Erfindung jedoch einen Aufbau bezweckt, der nicht durch die Dicke des Substrates beeinflußt wird, ist das Substratmaterial nicht auf Teflon beschränkt, sondern es kann jedes andere Material mit der gleichen oder ähnlichen Wirkung verwendet werden.

Aus den obigen Erläuterungen folgt, daß bei der Erfindung der dielektrische Resonator direkt auf dem Metallgehäuse oder dem Erdungsleiter der Mikrostreifenleitung für die Verbindung mit der Mikrostreifenleitung vorgesehen ist, und daher wird die Änderung unter den Resonanzfrequenzen der Oszillatoren verringert, wodurch die gegenüber Temperaturschwankungen stabilen Kennlinien erzielt werden.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

- einer Mikrostreifenleitung und einem mit der Mikrostreifenleitung zusammengesetzten schwingungsfähigen Halbleiter-Bauelement ,

- wobei die Mikrostreifenleitung aufweist:

- ein dielektrisches Substrat,

- einen Streifenleiter auf der Oberseite des dielektrischen Substrates, und

- einen Erdungsleiter, der im wesentlichen den gesainten Bereich der entgegengesetzten Seite des dielektrischen Substrates bedeckt,

gekennzeichnet

durch

- eine Aussparung oder ein Loch (27), die bzw. das durch das dielektrische Substrat (20, 26) in der Nähe eines Teiles des Streifenleiters (21) des dielektrischen Substrates (20, 26) ausgeführt ist, und

- einen dielektrischen Resonator (23, 25), der in der Aussparung bzw. in dem Loch (27) angeordnet und am Erdungsleiter (22, 24, 28, 29) befestigt sowie elektrisch mit dem Streifenleiter (21) verbunden ist.

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2. Mikrowellen-Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Aussparung oder das Loch (27), die bzw. das im dielektrischen Substrat (20, 26) ausgeführt ist, durch den Erdungsleiter (22, 28) verläuft, der auf der entgegengesetzten Seite des dielektrischen Substrates (20, 26) vorgesehen ist.

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