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Superhochfrequenzoszillator
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Die Erfindung betrifft einen Oszillator zur Erzeugung superhochfrequenter
Schwingungen mit extrem hoher Frequenz wie etwa Mikrowellen oder Millimeterwellen
und insbesondere eine automatische Korrekturvorrichtung für die Ausgangsleistung
eines solchen Oszillators.
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Aufgrund von sich ändernden Einflußgrößen wie Anderungen in der Umgebungstemperatur
und der Versorgungsspannung sowie der zeitlichen Alterung des Oszillators, dh von
Alterungseffekten von Schaltungselementen, aus denen der Oszillator aufgebaut ist,
treten Änderungen in der AusgangSleistunq von Mikrowellenoszillatoren auf. In der
Praxis ist es jedoch erforderlich, die Ausgangsleistung solcher Oszillatoren konstantzu
halten; aus diesem Grund sind bereits zahlreiche Oszillatoren hergestellt worden,
die mit Einrichtungen zur Verhinderung von Änderungen der Ausgangsleistung ausgerüstet
sind.
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In jüngster Zeit wurden Gunn-Oszillatoren als typische Mikrowellenoszillatoren
eingesetzt. Die Ausgangsleistung von Gunn-Oszillatoren nimmt mit ansteigender Umgebungstemperatur
ab, wobei die Abnahmerate allgemein im Bereich von 0,1 bis 0,5 %/0C liegt. Die Ausgangsleistung
von Gunn-Oszillatoren wird ferner auch mit der Zeit kleiner, wobei die Abnahmerate
1 bis 20 %/104 h beträgt.
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Derartige Ahiahmeraten sind bei manchen Geräten vernachlässigbar;
bei zahlreichen Geräten sind jedoch lediglich 1 bis 2 % Änderung in der Oszillator-Ausgangsleistung
tolerierbar.
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Bei der Verwendung von Mikrowellenoszillatoren in Meßinstrumenten
udgl ist es in zahlreichen Fällen erwünscht, Änderungen in der Oszillator-Ausgangsleistungso
weit wie möglich zu unterdrücken, um die Meßgenauigkeit zu erhöhen.
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Zur Verhinderung von Änderungen in der OsXzillator-Ausgangsleistung
wurde allerdings bisher kein wirklich geeignetes Verfahren gefunden. Eine in der
US-PS 3 644 826 angegebene Lösung wird im folgenden als Beispiel näher erläutert.
Bei dieser Schaltung wird der Oszillatorausgang eines Gunn-Oszillators durch einen
Isolator zu einem Richtungskoppler geleitet, in dem ein Teil der Oszillator-Ausgangsleistung
wird.
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von einer überwachungsdiode erfaßt / Der entsprechende Ausgang der
Überwachungsdiode wird über einen Verstärker zur Gleichstromversorgung rückgeführt,
um so die Betriebsspannung des Gunn-Oszillators zu regeln. Dementsprechend ist eine
Rückführungsschaltung vorgesehen, um mit entsprechenden Korrekturen den Detektorausgang
der überwachungsdiode auf einem konstanten Pegel zu halten.
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Dieser Schaltungsaufbau erlaubt eine Konstanthaltung der Oszillator-Ausgangsleistung.
Da sich jedoch nicht nur die Oszillator-Ausgangsleistung, sondern auch die Oszillatorfrequenz
mit der Betriebsspannung des Gunn-Oszillators ändert, besteht hierbei die Gefahr,
daß der Gunn-Oszillator in einen Betriebsbereich mit instabilem Schwingungsverhalten
kommt, wenn die Betriebsspannung starken Schwankungen unterliegt. Hierbei können
demzufolge Betriebszustände eintreten, bei denen der Gunn-Oszillator nicht mehr
stabil arbeitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Superhochfrequenz-Oszillatorschaltung
anzugeben, bei der die oben erläuterten Nachteile nicht auftreten und die einen
stabilen Betrieb erlaubt und zur automatischen Korrektur von Änderungen in der Oszillator-Ausgangsleistung
ohne Auftreten von Änderungen in der Schwingungsfrequenz in der Lage ist.
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Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.
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Die erfindungsgemäße Superhochfrequenz-Oszillatorschaltung ist gekennzeichnet
durch eine Detektoreinrichtung zur Erfassung des Ausgangsleistungspegels des Superhochfrequenzoszillators
und eine in einer Wellenleitereinrichtung wie etwa einem Wellenleiter zwischen einem
Isolator und einem Empfängerteil vorgesehene Regeleinrichtung zur Regelung der Ausgangsleistung
des Oszillators, wobei die Wellenleitereinrichtung die elektromagnetischen Superhochfrequenzwellen
leitet und die Regeleinrichtung zur Regelung der Ausgangs leistung vom Ausgang der
Detektoreinrichtung gesteuert ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert;
es zeigen: Fig. 1: ein Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Mikrowellenoszillators; Fig. 2: eine perspektivische Außenansicht der Ausführungsform
von Fig. 1; Fig. 3: einen Längsschnitt durch die Ausführungsform von Fig. 2; Fig.
4: einen Querschnitt durch die Ausführungsform der Fig. 2 und 3 längs der Linie
IV-IV von Fig. 3; Fig. 5: ein Diagramm zur Erläuterung einer Kennlinie der Abhängigkeit
der Sperrschichtkapazität von der Rückwärts spannung einer Diode zur Regelung der
Ausgangsleistung (im folgenden kurz als Regeldiode bezeichnet); Fig. 6: ein Schaltbild
einer Reglerschaltung zur Ermittlung von durch eine Regeldiode hervorgerufenen Änderungen
in der Oszillator-Ausgangsleistung; Fig. 7: ein Diagramm zur Erläuterung der Regelkennlinie
einer Regeldiode; Fig. 8: eine Darstellung des Ersatzschaltbilds der Reglerschaltung
von Fig. 6;
Neue Beschreitullgsseite Fig. 9: ein Diagramm zur Erläuterung
der Eingangsleistungs-Dctektorausgangsspannungs-Kcnnlinie einer erfindungsgemäß
eingesetzten überwachungsdiode und Fig. 10: ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit
der Ausgangs leistung von der Temperatur für die Ausführungsform von Fig. 1 sowie
einer analogen Kennlinie für einen Fall, in dem Änderungen der Oszillator-Ausgangsleistung
nicht automatisch korrigiert wurden.
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In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Mikrowellenoszillators dargestellt. Der Gunn-Oszillator 3 wird von einer Gleichstromquelle
4 betrieben; der Oszillatorausgang Va des Oszillators 3 ist über einen Isolator
5 und einen Wellenleiter 6, der mit einer Regeldiode 8 versehen ist, mit einem Empfängerteil
10 verbunden. Ein Teil des Oszillatorausgangs Va wird von einer überwachungsdiode
7 erfaßt, wodurch eine Detektorspannung Vb erhalten wird. Die Uberwachungsdiode
7 ist im Wellenleiter 6 vorgesehen, der rechteckigen Querschnitt besitzt, wie aus
den Fig. 2 und 4 hervorgeht, und ist in unmittelbarer Nähe der Wand des Wellenleiters
6 vorgesehen, die einen Il-Kruflimer (H-Fläche) darstellt.Die überwachungsdiode
7 ist im einzelnen an einer solchen Stelle angebracht, daß eine lose Kopplung zwischen
einem im Wellenleiter 6 erzeugten elektromagnetischen Feld und der Überwachungsdiode
7 erhalten wird.
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Die überwachungsdiode 7 kann jedoch auch dann eine über wachungsfunktion
übernehmen, wenn sie direkt an der obigen Wand des Wellenleiters 6 befestigt ist.
Es ist dementsprechend möglich, das Verhältnis der Oszillator-Ausgangsleistung Va
zum
Detektorausgang Vb in der gewünschten Weise einzustellen.
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Der Detektorausgang Vb der Überwachungsdiode 7 wird einem Differenzverstärker
9 zugeführt. In dem Differenzverstärker 9 wird der Detektorausgang Vb mit einer
Referenzspannung V verglichen und die Differenz zwischen Vb und Vc c verstärkt.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 9 liegt an der Regeldiode 8. Im einzelnen liegt
der Detektorausgang Vb der überwachungsdiode 7 zunächst an einem Lastwiderstand
25 und wird anschließend durch eine Reglerschaltung, die aus einem ersten Verstärker
26 und einem zweiten Verstärker 27, einem Transistor 28 und einer Gleichstromquelle
29 besteht, zur Regeldiode 8 rückgeführt.Die Ausgangsleistung des Oszillators wird
auf diese Weise automatisch so geregelt, daß der Detektorausgang der überwachungsdiode
auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die obige Regelung ist bei Veränderungen
in der Oszillator-Ausgangsleistung wirksam, die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur,
durch zeitliche Alterung von Schaltungselementen, Änderungen in der Versorgungsspannung
udgl bedingt sind.
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In den Fig. 3 und 4 ist der Aufbau des Gunn-Oszillators 3 im einzelnen
dargestellt. Entsprechend den Fig. 3 und 4 ist ein keramisches Substrat 33, das
auf beiden Oberflächen dicke, gedruckte Filme aufweist, an einerKurzschlußfläche
32 eines Wellenleiterteils 31 befestigt. Unmittelbar neben dem keramischen Substrat
33 ist eine Gunn-Diode 35 in Chipform angebracht. Die Gunn-Diode 35 ist mit einem
Goldband mit einer Dickfilmfläche 34 verbunden, die wiederum mit einem Draht mit
einer Anschlußleitung 36 zur
Gleichspannungsversorgung verbunden
ist. Die Schwingungsfrequenz des Gunn-Oszillators ist durch einen Serienresonanzkreis
bestimmt, der die Gunn-Diode 35, die Dickfilmfläche 34 und das Goldband umfaßt.
Die vom Gunn-Oszillator erzeugten Mikrowellen breiten sich in der in Fig. 3 mit
einem Pfeil angegebenen Richtung aus.
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Der Wellenleiter 6 ist ein Standard-Wellenleiter für das verwendete
Frequenzband und weist an beiden Enden Flansche 61 und 62 auf, die mit anderen Schaltungen
verbunden werden können. An der Außenseite des rechteckigen Wellenleiters 6 sind
ein Anschluß 81 für die Regeldiode 8 und ein Anschluß 71 für die überwachungsdiode
7 vorgesehen, mit denen diese Bauteile mit externen Schaltungen verbunden werden
können.
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Die Regeldiode 8 ist im Wellenleiter 6 auf einer Trägerelektrode
82 in einer geeigneten Position zwischen der Mittelachse und der oben angegebenen
Wand, dh dem H-Krümmer, angeordnet. Im Wellenleiter 6 ist ferner die überwachungsdiode
7 an einer Trägerelektrode 71 befestigt, die sich an einer Stelle befindet, die
in einer Richtung parallel zur Mittelachse von der Position der Trägerelektrode
82 für die Regeldiode 8 um etwa X g/4 beabstandet ist, wobei Äg die Leiter-Wellenlänge
bedeutet, und ferner von der Wand einen Abstand von weniger als X g/4 aufweist.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Dioden 7 und 8 in einem einzigen
Wellenleiter 6 vorgesehen. Es können jedoch auch zwei getrennte Wellenleiter mit
den Dioden 7 bzw 8 vorliegen, die miteinander durch Flansche verbunden sein
können.
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Für die Dioden 7 und 8 lassen sich ferner verschiedene Diodenarten
verwenden; die Dioden 7 und 8 können ferner in verschiedener Weise angebracht sein.
Unabhängig von der jeweiligen Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Aufgabe
dann gelöst, wenn die Ausgangsleistung des Oszillators 3 von der überwachungsdiode
7 erfaßt und die an der Regeldiode 8 angelegte Spannung in der Weise geregelt werden
kann, daß der Ausgang der überwachungsdiode 7 auf einem konstanten Wert gehalten
wird.
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Die Sperrschichtkapazität der Regeldiode 8 ändert sich mit der an
ihr anliegenden Rückwärtsspannung, wie aus der in Fig. 5 dargestellten Kennlinie
D hervorgeht. Zur Regelung der Ausgangs leistung des Gunn-Oszillators 3 auf der
Basis der obigen Kennlinie wurde unter Verwendung der in Fig. 6 dargestellten Schaltung
im Rahmen der Erfindung folgender Versuch durchgeführt.
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Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wurde die an der Regeldiode 8 von einer
veränderlichen Stromversorgung 13 anliegende Spannung Vd geändert, wobei die entsprechende
Änderung der Ausgangsleistung P gemessen wurde.
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Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Fig. 7 dargestellt.
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Wie aus Fig. 7 hervorgeht, war die Ausgangsleistung P groß, wenn die
an der Regeldiode 8 anliegende Spannung Vd niedriger war, wobei die Ausgangsleistung
P bei Spannungsänderung in einem Spannungsbereich Vd von 0,5 bis 2,5 V zwischen
3 mW und 8,5 mW variieren konnte.
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In Fig. 8 ist ein Ersatzschaltbild der in Fig. 6 dargestellten Testschaltung
mit Ausnahme des Isolators 5 dargestellt. In Fig. 8 bezeichnen 816 die Kapazität
der Gunn-Diode, 817 den negativen Widerstand der Gunn-Diode, 818 den Serienwiderstand
der Gunn-Diode, 819 die Induktivität des Resonanzkreises, 820 die Kapazität des
Resonanzkreises, 821 die Impedanz der Lastschaltung, 822 die Kapazität der Regeldiode
und 823 den Serienwiderstand der Regeldiode.
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Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ersatzschaltbild entspricht der links
von der mittleren gestrichelten Linie liegende Teil dem Oszillator und der rechte
Teil der Lastschaltung. Eine Änderung der Kapazität 822 der Regeldiode ist einer
Änderung der Impedanz 821 der Lastschaltung äquivalent; die Ausgangsleistung P des
Oszillators kann daher durch Änderung der Kapazität 822 geregelt werden.
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Bei einer Schaltung gemäß Fig. 6 wurde der Isolator 5 an der durch
die mittlere gestrichelte Linie dargestellten Stelle vorgesehen, um Änderungen der
Schwingungsfrequenz aufgrund der oben angegebenen Änderungen der Kapazität 822 der
Regeldiode zu verhindern. Die Regeldiode 8 wurde ferner an einer Stelle angebracht,
die etwas seitwärts von der Mittelachse des Wellenleiters 6 beabstandet war, um
die Einfügungsdämpfung relativ klein zu machen und die Oszillator-Ausgangsleistung
in wirksamer Weise regeln zu können.
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In Fig. 9 ist die Beziehung zwischen der Eingangsleistung Pe und
dem Ausgang Vb der Uberwachungsdiode 7
von Fig. 1 für den Fall
dargestellt, daß die Diode 7 mit einem 1-kn -Lastwiderstand verbunden ist.
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Aus Fig. 10 ist die Arbeitsweise der Ausführungsform von Fig. 1 für
den Fall eines 24-GHz-Gunn-Oszillators dargestellt. Die Kennlinie I entspricht dem
Betrieb dieser Ausführungsform vor der Anwendung der automatischen Korrektureinrichtung,
während die Kennlinie II dem Betriebsverhalten mit der automatischen Korrektureinrichtung
gemäß der Erfindung entspricht.
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Bei der obigen Ausführungsform ist die überwachungsdiode im Wellenleiter
6 vorgesehen, der ein überwachungsteil bildet. Der überwachungsteil kann jedoch
auch aus einer Kombination eines üblichen Richtungskopplers und eines Diodenempfängers
bestehen.
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Das Erfindungskonzept der automatischen Korrektureinrichtung für
die Oszillator-Ausgangsleistung eignet sich nicht nur für Festkörper-Oszillatoren,
sondern für jeden Oszillator, der zur Erzeugung von Mikrowellen oder Millimeterwellen
in der Lage ist, sofern die Oszillator-Ausgangsleistung kleiner ist als die zulässige
Leistung der Regeldiode.
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Für die Überwachungsdiode sowie die Regeldiode wird eine Silicium-Schottky-Sperrschichtdiode
verwendet, die allgemein nur geringe zeitliche Alterung aufweist. In Fällen, in
denen die entsprechenden Eigenschaften dieser Dioden von der Umgebungstemperatur
beeinflußt werden, wird der die jeweilige Diode enthaltende Schaltungsteil so ausgelegt,
daß er thermostatisierbar ist, um die Temperaturabhängigkeit der Oszillator-Ausgangsleistung
zu verbessern.
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Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß die erfindungsgemäße
Superhochfrequenz-Oszillatorschaltung relativ einfachen Schaltungsaufbau besitzt
und zur automatischen Korrektion von Änderungen der Oszillator-Ausgangsleistung
aufgrund von Änderungen in der Umgebungstemperatur, veränderter Versorgungsspannung
sowie zeitlicher Alterung von Schaltungselementen in der Lage ist.
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