DE3114598C2 - Arrangement for generating, amplifying or synchronizing high-frequency power, especially in the millimeter wave range - Google Patents

Arrangement for generating, amplifying or synchronizing high-frequency power, especially in the millimeter wave range

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DE3114598C2 DE19813114598 DE3114598A DE3114598C2 DE 3114598 C2 DE3114598 C2 DE 3114598C2 DE 19813114598 DE19813114598 DE 19813114598 DE 3114598 A DE3114598 A DE 3114598A DE 3114598 C2 DE3114598 C2 DE 3114598C2
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  • Amplifiers (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)
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Abstract

Es wird eine Anordnung zur Erzeugung, Verstärkung oder Synchronisierung von Hochfrequenzleistung, insbesondere im Millimeterwellenbereich beschrieben, die es gestattet, mit vertretbarem feinmechanischen Aufwand bis zu 100 Dioden parallelzuschalten. Die Anordnung weist einen Hohlraum auf, bestehend aus zwei im Abstand kleiner λ/2 angeordneten Metallplatten, wobei λ die Betriebswellenlänge ist, sowie einer die Metallplatten verbindenden Seitenwand mit einer in Teilbereichen elliptischen Kontur (1). In der elliptischen Kontur (1) befinden sich kreisförmige oder rechteckige Hohlleiteröffnungen (2), hinter denen sich jeweils ein Zweipol-Oszillator, z.B. ein Gunn- oder Impatt-Oszillator befindet. An den den Brennpunkten der elliptischen Kontur (1) entsprechenden Stellen befindet sich jeweils eine runde oder rechteckige Hohlleiteröffnung (3 bzw. 4), die als Ein- bzw. Auskoppeltor dient.An arrangement for generating, amplifying or synchronizing high-frequency power, in particular in the millimeter-wave range, is described which allows up to 100 diodes to be connected in parallel with justifiable precision mechanical effort. The arrangement has a cavity consisting of two metal plates arranged at a distance of less than λ / 2, where λ is the operating wavelength, and a side wall connecting the metal plates with an elliptical contour (1) in some areas. In the elliptical contour (1) there are circular or rectangular waveguide openings (2), behind each of which there is a two-pole oscillator, e.g. a Gunn or Impatt oscillator. At the points corresponding to the focal points of the elliptical contour (1) there is a round or rectangular waveguide opening (3 or 4) that serves as an input or output port.

Description

das andere Ende der Koaxialleitungen jeweils mit einem getaperten Absorber abgeschlossen istthe other end of the coaxial lines is terminated with a tapered absorber

Wegen der mit größer werdender Frequenz nicht beliebig reduzierbaren Dioden- und Chokeibmessungen läßt sich dieses Prinzip nur schwer bei hohen Frequenzen (z. B. 90 GHz) realisieren.Because of the diode and choke measurements that cannot be reduced as the frequency increases this principle is difficult to implement at high frequencies (e.g. 90 GHz).

Beide bekannten Leistungsadditionsschaltungen haben den Nachteil, daß in der Praxis nicht mehr als 8—12 Dioden parallel geschaltet werden können. Das bedeutet eine maximale Ausgangsleistung von etwa der lOfachen Diodeneinzelleistung. Von der Schaltungstheorie her ist jedoch bekannt, daß die Leistungsverstärkung G durchaus höher sein kann, wenn die Oszillatoren eine geringe Güte Q aufweisen und die Differenz Af zwischen der synchronisierenden und der freischwingenden Frequenz gering ist:Both known power addition circuits have the disadvantage that in practice no more than 8-12 diodes can be connected in parallel. That means a maximum output power of about 10 times the single diode power. From circuit theory, however, it is known that the power gain G can be higher if the oscillators have a low quality Q and the difference Af between the synchronizing and the free-running frequency is small:

-te-th

2/ T2 / T

1010

1515th

2020th

Bei 100 GHz und einer Frequenzablage von 500 MHz sowie einer Güte von 40 beträgt die mögliche Leistungsverstärkung 2OdB. Das bedeutet das lOOfache der Diodeneinzelleistung.At 100 GHz and a frequency offset of 500 MHz and a quality of 40, the possible power gain is 2OdB. That means 100 times the single diode output.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die breitbandig, kompakt und in ihrer Auslegung anpaßbar ist an die gewünschten Leistungen.The object of the invention is to provide an arrangement of the type mentioned at the beginning, which is broadband, compact and its design can be adapted to the desired performance.

Die Aufgabe ist bei einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff durch die im Anspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausführungsformen der Erfindung.In the case of an arrangement according to the preamble, the object is indicated by those specified in claim 1 characteristic features solved. The subclaims contain advantageous developments and embodiments the invention.

Bei der Erfindung wird von den fokussierenden Eigenschaften einer Ellipse Gebrauch gemacht, wenn die Abmessungen groß gegen die Wellenlänge sind und somit optische Verhältnisse approximiert werden.In the invention, use is made of the focusing properties of an ellipse when the Dimensions are large compared to the wavelength and thus optical relationships are approximated.

Durch die Bauform der erfindungsgemäßen Anordnung und die Ver Wendung von Hohlleiter-Ein- und Auskoppeltoren in den Brennpunkten lassen sich außer Breitbandigkeit und geringen Verlusten noch weitere Vorteile gegenüber der bekannten, eingangs beschriebenen Anordnung erzielen. Die Verwendung nur eines Ausschnittes aus einer Ellipse ermöglicht eine Anpassung der Leistung an die Anforderungen. Der Teilbereich mit elliptischer Kontur wird nach der erforderlichen Anzahl von Oszillatoren bemessen. Dabei sollte die Kontur dicht mit Oszillatoren besetzt sein, damit keine Synchronisationsenergie verschenkt wird. Durch spezielle Ausrichtung und Formung der Ein- und Auskoppelhohlleiter ist es möglich, die Synchronisationsenergie auf den elliptischen Teilbereich zu bündeln. An dessen Enden können auch leistungsschwächere Oszillatoren angeordnet werden, wodurch die in diesen Bereichen schwächere Synchronisationsleistung gut ausgenutzt wird.Due to the design of the arrangement according to the invention and the use of waveguide input and output ports In addition to broadband and low losses, more can be found in the focal points Achieve advantages over the known arrangement described at the beginning. Using only one A section of an ellipse enables the performance to be adapted to the requirements. The sub-area with an elliptical contour is dimensioned according to the required number of oscillators. It should the contour must be densely populated with oscillators so that no synchronization energy is wasted. By special alignment and shaping of the coupling and decoupling waveguides, it is possible to concentrate the synchronization energy on the elliptical sub-area. At its ends can also be placed in lower-powered oscillators, which means that they are in these areas weaker synchronization performance is well utilized.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem Hohlraum mit metallischem Deckel und Boden, weiche in einem Abstand von kleiner der halben Betriebswellenlänge, also A/2, voneinander abgebracht sind. Die Seitenwände des Hohlraums, dessen Querschnitt Fig.3 zeigt, haben in einem Teilbereich eine elliptische Kontur 1, in die mehrere Hohlleiteröffnungen 2 eingebracht sind, die die Ausgangstore von dahinterliegenden Zweipol-Oszillatoren darstellen. An den Stellen, wo sich die Brennpunkte der Ellipse befinden, sind die Ein- und Auskoppeltore 3 und 4 der Anordnung angebracht. Die dem elliptischen Teilbereich gegenüberliegende Wand istThe arrangement according to the invention consists of a cavity with a metallic cover and base, which are spaced apart from one another at a distance of less than half the operating wavelength, that is to say A / 2. The side walls of the cavity, the cross section of which is shown in FIG. 3, have an elliptical contour 1 in a partial area, in which several waveguide openings 2 are made, which represent the output ports of two-pole oscillators located behind them. At the points where the focal points of the ellipse are located, the coupling and decoupling gates 3 and 4 of the arrangement are attached. The wall opposite the elliptical section is

5050

5555

eoeo

65 mit Ausnahme der Ein- und Auskoppelstelle vorzugsweise mit Absorbermaterial 5 beschichtet Die Entfernung zwischen den Ein- bzw. Auskoppeltoren 3,4 und der gegenüberliegenden elliptischen Wand muß groß gegen die Wellenlänge A sein. Die Anordnung arbeitet auf folgende Weise: 65 with the exception of the input and output coupling preferably with absorber material 5 is coated, the distance between the input and Auskoppeltoren 3.4 and the opposing elliptical wall must be large compared to the wavelength A. The arrangement works in the following way:

Eine bei dem Einkoppeltor 3 in den Hohlraum eingespeiste Welle breitet sich aus und erreicht die gegenüberliegende elliptische Seitenwand mit unterschiedlichen, dem Abstand zur Einkoppelstelle entsprechenden Phasen und Amplituden. Die in der elliptischen Wand sich befindenden Oszillatoren werden durch die einfallende Welle synchronisiert Bei zur einfallenden Welle gleicher Phasen- und proportionaler Amplitudenverteilung der Oszillatorsignale addieren sich die Einzelleistucgen am Ort des Auskoppeltores 4 in einem Brennpunkt mit minimal yi/2-Querabmessungen.A wave fed into the cavity at the coupling gate 3 propagates and reaches the opposite one elliptical side wall with different, corresponding to the distance to the coupling point Phases and amplitudes. The oscillators in the elliptical wall are affected by the incident Wave synchronized With the same phase and proportional amplitude distribution as the incident wave the oscillator signals add the individual power levels at the location of the decoupling gate 4 in a focal point with minimal yi / 2 transverse dimensions.

Um störende Resonanzen im Hohlraum und Verkopplungen der einzelnen Oszillatoren untereinander zu reduzieren, ist die dem elliptischen Teilbereich gegenüberliegende Seitenwand mit Absorbermaterial 5 beschichtetAbout disturbing resonances in the cavity and coupling of the individual oscillators to one another To be reduced, the side wall with absorber material 5 opposite the elliptical sub-area is to be reduced coated

Die Lage und die Form der Ein- und Auskoppeltore beeinflussen die amplitudenmäßige Belegung der gegenüberliegenden elliptischen Wand. Um hier höhere Bündelung bzw. nahezu symmetrische Verteilung zu erreichen, ist es zweckmäßig, daß sich die Achsen der ein- und auskoppelnden Hohlleiter in der Mitte 8 der elliptischen Kontur 1 schneiden, vgl. F i g. 4 und 5, und daß die Koppeltore hornstrahlerartig aufgeweitet sind, vgl. 6, 7 in F i g. 5.The position and the shape of the coupling and decoupling gates influence the amplitude-related occupancy of the opposite one elliptical wall. In order to achieve higher bundling or almost symmetrical distribution here, it is appropriate that the axes of the coupling and decoupling waveguides in the middle 8 of the elliptical Cut contour 1, see FIG. 4 and 5, and that the coupling gates are widened like a horn antenna, see 6, 7 in Fig. 5.

Eine weitere vorteilhafte Variante stellt Fig.6 dar, wobei die elliptische Kontur zu einem Kreis 9 entartet ist Die Brennpunkte fallen dann zusammen, so daß Ein- und Auskoppeltor 10 gleich sind. Eine Trennung von synchronisierendem und synchronisiertem Signal erfolgt dann über einen Zirkulator.Another advantageous variant is shown in Fig. 6, where the elliptical contour is degenerate to a circle 9 The focal points then coincide, so that one and Auskoppelor 10 are the same. The synchronizing and synchronized signals are separated then through a circulator.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (11)

1 2 zeichnet, daß die Ausgangsleistungen der Oszillato- Patentansprüche: ren proportional dem Kehrwert der Entfernung zwi schen dem Einkoppeltor (3,6) und zugehörigem Os-1 2 shows that the output power of the oscillator claims: ren proportional to the reciprocal value of the distance between the coupling gate (3,6) and the associated Os- 1. Anordnung zur Erzeugung, Verstärkung oder zillatortor(2)sind
Synchronisierung von Hochfrequenzleistung, insbe- 51. Arrangement for generating, amplifying or zillatortor (2) are
Synchronization of high frequency power, especially 5 sondere im Millimeterwellenbereich, bestehend aus especially in the millimeter wave range, consisting of einem Hohlraum mit zwei Metallplatten, deren Abstand zueinander kleiner als eine halbe Betriebswellenlänge ist, und einer die beiden Metallplatten ver- Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem bindenden Seitenwand, die durch die Mantelfläche io Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der US-PS eines Zylinders mit einer bereichsweise elliptischen 37 33 560 bekannt ist Dort ist eine Anordnung zur ZuKontur gebildet ist, wobei die Seitenwand Hohllei- sammenführung der Leistung vieler Mikrowellenquelteröffnungen enthält, hinter denen sich jeweils ein len beschrieben, die einen Hohlraum mit zwei Metall-Zweipol-Oszillator befindet, sowie mit Ein- und Aus- platten aufweist, welche durch eine Seitenwand verbunkoppeltoren an den Brennpunkten der elliptischen is den sind, die aus der Mantelfläche eines elliptischen Zy-Kontur, gekennzeichnet durch folgende linders gebildet ist Vor der Seitenwand sind rundherum Merkmale: Metallplatten angeordnet, welche eine elliptische Kontur bilden und Hohlleitei'öffnungen darstellen, hinter de-a cavity with two metal plates, the distance between them is smaller than half an operating wavelength to each other, and one of the two metal plates is The invention relates to an arrangement according to the binding side wall, which by the outer surface io preamble of claim 1, as it is from the US-PS of a cylinder with a partially elliptical 37 33 560 is known. There is an arrangement for the ZuKontur is formed, wherein the side wall Hohllei- samming the power of many microwave source openings contains, behind each of which there is a len described, which has a cavity with two metal two-pole oscillator is located, as well as having single and disconnected panels, which are connected by a side wall at the focal points of the elliptical is the, which from the outer surface of an elliptical Zy-contour, characterized by the following linders is formed in front of the side wall are all around Features: metal plates arranged which have an elliptical contour form and represent waveguide openings, behind which — die Seitenwand weist vier Teilbereiche auf; nen sich Zweipolos7.illatoren befinden. An den Brenn-- The side wall has four sub-areas; there are two-pole illators. At the burning — ein erster Teilbereich ist von elliptischer Kontur 20 punkten der elliptischen Kontur befinden sich koaxiale (1), und enthält runde oder rechteckige Hohllei- Ein- bzw. Auskoppeltore. Koaxialstrukturen weisen bei teröffnungen (2), hinter denen sich die Zweipol- höheren Frequenzen, insbesondere im Millimeterwel-Oszillatoren befinden; lenbereich, hohe Verluste und eine geringe Bandbreite- A first sub-area has an elliptical contour 20 points of the elliptical contour are coaxial (1), and contains round or rectangular hollow duct entry and exit gates. Coaxial structures show Terminal openings (2), behind which the two-pole higher frequencies, especially in Millimeterwel oscillators are located; range, high losses and a low bandwidth — ein zweiter, dem ersten gegenüberliegenden auf.- a second, opposite to the first. Teilbereich verbindet die beiden Brennpunkte 25 Aus der GB-PS 12 34 864 ist eine kreiszylindrischePartial area connects the two focal points 25 from GB-PS 12 34 864 is a circular cylindrical der elliptischen Kontur (1); Resonanzstruktur zur Verkopplung einer Anzahl vonthe elliptical contour (1); Resonance structure for coupling a number of — ein dritter und vierter Teilbereich verbindet je- Mikrowellenoszillatoren bekannt Eine solche Struktur weils einen Brennpunkt mit einem Ende der el- wird im Millimeterwellenbereich aus mechanischen liptischen Kontur (1); Gründen sehr groß im Vergleich zur Betriebswellenlän-- a third and fourth sub-area connect each- microwave oscillators known Such a structure Because there is a focal point with one end of the el- is mechanical in the millimeter wave range liptical contour (1); Reasons very large compared to the operating wave length — als Ein- und Auskoppeltore (3,4) dienen jeweils 30 ge, weist damit viele Resonanzen auf und ist nur schwer runde oder rechteckige Hohlleiteröffnungen im in den Griff zu bekommen. Sie benötigt aufwendige zweiten Teilbereich der Seitenwand. Abstimmeinheiten.- 30 ge each serve as input and output ports (3, 4), so it has a lot of resonances and is difficult round or rectangular waveguide openings in the handle. You needed elaborate second section of the side wall. Voting units. Die Ausgangsleistung von Halbleiter-OszillatorenThe output power of semiconductor oscillators 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- (Gunn- oder Impatt-Oszillatoren) im Millimeterwellenzeichnet, daß die Zweipol-Oszillatoren Gunn- oder 35 bereich nimmt bekanntlich mit wachsender Frequenz / Impatt-Oszillatoren sind. nach der Gesetzmäßigkeit Mf... l/f2 ab. Um bei höhe-2. Arrangement according to claim 1, characterized marked (Gunn or Impatt oscillators) in the millimeter wave that the two-pole oscillators Gunn or 35 range is known to be increasing with increasing frequency / Impatt oscillators. according to the law Mf ... l / f 2 . In order to 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ren Frequenzen (> 30 GHz) für verschiedene Anwenzeichnet, daß die Ein- und Auskoppeltore in der Art dungszwecke ausreichende Ausgangsleistung zu erreieines Hornstrahlers (6,7) aufgeweitet sind. chen, werden deshalb Leistungsadditionsschaltungen3. Arrangement according to claim 1, characterized by frequencies (> 30 GHz) for various applications that the input and output ports are designed to achieve sufficient output power Horn antenna (6,7) are widened. chen, are therefore power addition circuits 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 40 benutzt, die die Leistung von mehreren Halbleitern kodadurch gekennzeichnet daß sich die Achsen der härent addieren. Solche Schaltungen können entweder ein- bzw. auskoppelnden Hohlleiter in der Mitte (8) als unsynchronisierte oder synchronisierte Oszillatoren der elliptischen Kontur (1) schneiden. oder als lineare Verstärker arbeiten.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, 40 used, which coded the performance of several semiconductors marked that the axes of the inherently add up. Such circuits can either coupling-in or coupling-out waveguide in the middle (8) as unsynchronized or synchronized oscillators cut the elliptical contour (1). or work as a linear amplifier. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Eine bekannte Anordnung als Beispiel für einen syndadurch gekennzeichnet, daß die der elliptischen 45 chronisierten Oszillator zeigt F i g. 1.5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, a known arrangement as an example of a synd result characterized in that the elliptical 45 chronized oscillator shows F i g. 1. Kontur (1) gegenüberliegenden Teilbereiche der Die Eingangsleistung P\ synchronisiert über einenContour (1) opposite sub-areas of the input power P \ synchronized via a Seitenwand mit Absorbermaterial (5) bedeckt sind. 3-dB-Richtkoppler zwei Oszillatoren. Das reflektierteSide wall are covered with absorber material (5). 3 dB directional coupler two oscillators. That reflected 6. Anordnung nach einem der vorhergehenden und verstärkte Signal addiert sich am Ausgang zur AusAnsprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ellipti- gangsleistung P2. 6. Arrangement according to one of the preceding and amplified signal is added at the output to the claims, characterized in that the elliptical output power P 2 . sehe Kontur durch eine kreisförmige Kontur (9) an- 50 Aufbauend auf diesem Prinzip lassen sich umfangrei-see contour through a circular contour (9). 50 Based on this principle, extensive genähertist ehe Leistungsadditionsnetzwerke realisieren. Beispieleis approached before realizing power addition networks. Examples 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- hierfür werden im Nizushina, S.e.a.: A corporate structuzeichnet, daß die Ein- und Auskoppeltore durch eine re for combining power from 3 oscillators. IEEE-MTT-S einzige Hohlleiteröffnung (10) im Kreismittelpunkt Int. Microw. Sympos. Digest Washington, 1980, realisiert sind. 55 pp. 168—170, gezeigt. Eine bekannte Erweiterung unter7. Arrangement according to claim 6, characterized in this respect are in Nizushina, S.e.a .: A corporate structure, that the input and output ports by a re for combining power from 3 oscillators. IEEE-MTT-S single waveguide opening (10) in the center of the circle Int. Microw. Sympos. Digest Washington, 1980, are realized. 55 pp. 168-170. A well-known extension under 8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Benutzung von vier 3-dB-Kopplern zeigt F i g. 2. Die Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pha- Realisierung dieser Anordnungen erfordert wegen der sendifferenzen der Oszillatoren proportional zu den Koppler einen hohen feinmechanischen Aufwand. Die Entfernungsdifferenzen zwischen dem Einkoppeltor unvermeidlichen Kopplerverluste reduzieren die Aus-(3,6) und den Oszillatortoren (2) sind. 60 gangsleistung.8. The arrangement after one of the previous use of four 3 dB couplers is shown in FIG. 2. The Claims, characterized in that the Pha requires implementation of these arrangements because of the transmission differences of the oscillators proportional to the coupler a high precision mechanical effort. the Differences in distance between the coupling gate unavoidable coupler losses reduce the output (3,6) and the oscillator gates (2). 60 power output. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- Eine weitere bekannte Leistungsadditionsschaltung zeichnet, daß die Ausgangsleistungen der Oszillato- ist in Kurokawa, K.; Magalhaes. F. M.: An X-band ren gleich sind. 10-Watt multiple-Impatt-Oscillator. Proc. IEEE, 59,9. An arrangement according to claim 8, characterized in that another known power addition circuit records that the output power is oscillatory in Kurokawa, K .; Magalhaes. F. M .: To X-band ren are the same. 10 watt multiple Impatt oscillator. Proc. IEEE, 59, 10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- 1971. p. 102, beschrieben. Dabei sind mehrere Dioden an zeichnet, daß die Ausgangsleistungen der Oszillato- 65 einen gemeinsamen Resonator gekoppelt. Jede Diode ren von der Mitte der elliptischen Kontur (1) zu sitzt bei der dort beschriebenen Ausführung an einem deren Ende hin abnehmen. Ende eines Koaxialleiters, welcher an eine Innenwand10. The arrangement according to claim 8, characterized in 1971. p. 102. Several diodes are on draws that the output powers of the oscillator 65 coupled to a common resonator. Any diode ren from the center of the elliptical contour (1) sits in the embodiment described there on one remove the end. End of a coaxial conductor which is attached to an inner wall 11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn- eines Wellenleiterresonators angekoppelt ist, während11. The arrangement according to claim 8, characterized in that a waveguide resonator is coupled while
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