DE2941826A1 - Mikrowellen-oszillator - Google Patents
Mikrowellen-oszillatorInfo
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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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-.10 -
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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 (2)
- 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,gekennzeichnetdurch- 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.81-(A 4219-O2)-E030021 / 062Q
- 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.030021/062
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