DE3135077A1

DE3135077A1 - Microwave oscillator

Info

Publication number: DE3135077A1
Application number: DE19813135077
Authority: DE
Inventors: Martin 2085 Quickborn Lemke
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1981-09-04
Filing date: 1981-09-04
Publication date: 1983-03-24
Also published as: DE3135077C2

Abstract

In a microwave oscillator for generating harmonics, the ferromagnetic resonator is arranged in the electromagnetic near field of the active element, for example a Gunn diode, at the start of a (cavity) waveguide which cannot transmit the fundamental oscillations but can transmit the harmonics. <IMAGE>

Description

Mikrowellenoszillator Microwave oscillator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellenoszillator, bei dem ein aktives Halbleiterelement mit einem in einem Magnetfeld angeordneten ferrimagnetischen Resonator in einem Wellenleiter zum Erzeugen einer Grundschwingung magnetisch gekoppelt ist und dem eine Oberschwingung entnommen wird. Ein solcher Oszillator kann z.B. Millimeterwellen erzeugen, wobei er auf die in einem bestimmten Bereich abstimmbare Frequenz der Grundmode des aktiven Elements abgestimmt ist und Leistung auf der zweiten oder höheren Harmonischen entnommen wird.The invention relates to a microwave oscillator in which an active semiconductor element with a ferrimagnetic element arranged in a magnetic field Resonator magnetically coupled in a waveguide to generate a fundamental oscillation and from which a harmonic is extracted. Such an oscillator can e.g. Generate millimeter waves, whereby it is tunable in a certain range Frequency of the basic mode of the active element is matched and power on the second or higher harmonic is taken.

Es ist bekannt, daß durch die Kombination von Ferriteinkristallen mit modernen Mikrowellenhalbleitern Oszillatoren gebaut werden können, die durch änderung des außen angelegten Magnetfeldes abstimmbar sind. Dabei können Yttrium-Eisen-Granat-Einkristalle verwendet werden oder Barium-Ferrit, wie es z.B. aus 'A millimetre-wave Gunnoscillator, tuneable with a barium ferrite sphere', Proceedings 9th European Microwave Conference, pp. 617-620, Sept. 1979 bekannt ist. Wenn die Grundschwingung des aktiven Elements ausgenutzt wird, ergibt sich, daß oberhalb einer bestimmten Frequenzgrenze das Magnetfeld unpraktisch groß wird. Man ist daher bestrebt, eine Oberschwingung auszunutzen, so daß die Schwingungserzeugung selbst bei der niedrigeren Frequenz der Grundschwingung erfolgen kann. Außerdem gibt es für die aktiven Elemente, z.B. Gunn-Dioden eine obere Frequenzgrenze, oberhalb derer eine Grundschwingung nicht mehr angeregt werden kann.It is known that by combining ferrite single crystals with modern microwave semiconductors oscillators can be built by change of the externally applied magnetic field are tunable. Yttrium-iron-garnet single crystals can be used can be used or barium ferrite, e.g. from 'A millimeter-wave Gunnoscillator, tuneable with a barium ferrite sphere ', Proceedings 9th European Microwave Conference, pp. 617-620, Sept. 1979 is known. When the fundamental of the active element is used, it follows that above a certain frequency limit the magnetic field becomes impractically large. The aim is therefore to use a harmonic, so that the oscillation generation even at the lower frequency of the fundamental oscillation can be done. There is also one for the active elements, e.g. Gunn diodes Upper frequency limit, above which a fundamental oscillation is no longer excited can.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellenoszillator so auszubilden, daß die Abstimmung bei der Grund- schwingung erfolgen kann und diese Schwingung auch nicht störend in den Oszillatorausgang hineingelangt.The invention is based on the object of a microwave oscillator to be trained in such a way that the coordination in the basic vibration take place can and this oscillation does not get into the oscillator output in a disruptive manner.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Resonator im elektromagnetischen Nahfeld des aktiven Elementes angebracht ist und das aktive Element in einem Wellenleiter, z.B. einem Rechteck-Hohlleiter von 3 mm Breite und 1,5 mm Tiefe angeordnet ist, der die Grundschwingung nicht weiterleiten kann, wohl aber die Oberschwingung.This object is achieved according to the invention in that the resonator is attached in the electromagnetic near field of the active element and the active Element in a waveguide, e.g. a rectangular waveguide 3 mm wide and 1.5 mm deep is arranged, which can not pass the fundamental oscillation, probably but the harmonic.

Auf diese Weise kann die Frequenzgrenze eines magnetisch abgestimmten Oszillators zu hohen Werten hin verschoben werden, bei denen kein geeignetes Ferritmaterial und kein zur Schwingungserzeugung geeignetes aktives Element mehr zur Verfügung steht. Außerdem wird der Abstimmbereich vergrößert, der ja entsprechend der Harmonischen ebenfalls vervielfacht, mindestens also verdoppelt wird.In this way, the frequency limit of a magnetically tuned Oscillator can be shifted to high values for which no suitable ferrite material and an active element suitable for generating vibrations is no longer available stands. In addition, the tuning range is enlarged, which corresponds to the harmonics is also multiplied, i.e. at least doubled.

Der Vollständigkeit halber sei bemerkt, daß es aus der DE-AS 29 25 827 bekannt ist, bei einem mit einer Pumpernergie arbeitenden Mischer die Abmessungen des eingangs- oder ausgangsseitig angeschlossenen Wellenleiters so zu bemessen, daß die Frequenzen der Eingangsenergie bzw. der Ausgangsenergie, nicht aber die Pumpfrequenz ausbreitungsfähig sind.For the sake of completeness, it should be noted that it is from DE-AS 29 25 827 is known, in the case of a mixer working with a pump energy, the dimensions of the waveguide connected on the input or output side to be dimensioned in such a way that that the frequencies of the input energy or the output energy, but not the Pump frequency are capable of propagation.

Dabei wird also eine besondere Pumpfrequenzschwingung zugeführt, und der Wellenleiter wird in spezieller Form als Filter ausgebildet. Demgegenüber wird bei der Erfindung die Grundschwingung innerhalb des Wellenleiters erzeugt und nur die Oberschwingung vom Wellenleiter aufgenommen.A special pumping frequency oscillation is thus supplied, and the waveguide is designed in a special shape as a filter. In contrast, will in the invention, the fundamental oscillation is generated within the waveguide and only the harmonic picked up by the waveguide.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das aktive Element in der Achse eines Hohlleiters, vorzugsweise eines Rechteck-Hohlleiters, in der Nähe eines kurzgeschlossenen Endes des Hohlleiters angeordnet, und der ferrimagnetische Resonator ist an der dem offenen Teil des Hohlleiters abge- wandten Seite des aktiven Elementes angebracht. Dabei kann zweckmäßig die Gleichstromzuleitung zum aktiven Element am ferrimagnetischen Resonator vorbei zur Kurzschlußwandung geführt werden.According to one embodiment of the invention, the active element is in the axis of a waveguide, preferably a rectangular waveguide, in the vicinity a short-circuited end of the waveguide arranged, and the ferrimagnetic The resonator is connected to the open part of the waveguide. turned Side of the active element attached. In this case, the direct current supply line can expediently to the active element past the ferrimagnetic resonator to the short-circuit wall be guided.

Der Resonator kann aus hexagonalem Ferrit, z.B. Barium-Ferrit bestehen. Das hat den Vorteil, daß das Magnetfeld nicht allzu groß zu sein braucht. Der Resonator kann auch aus Yttrium-Eisen-Granat bestehen; Damit ist gegebenenfalls eine bessere Güte und somit eine größere Amplitude zu erreichen.The resonator can consist of hexagonal ferrite, e.g. barium ferrite. This has the advantage that the magnetic field does not need to be too large. The resonator can also consist of yttrium iron garnet; This may be a better one To achieve quality and thus a greater amplitude.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.The invention is illustrated below with reference to the drawing, for example explained in more detail.

Ein Stück aus leitendem Material 1 bildet das Ende eines Hohlleiters 2, der zur Verdeutlichung der Oszillatorstruktur ohne seine leitende Oberseite dargestellt ist und der mit rechteckförmigem Querschnitt in diesem Material angebracht ist. Das Material ist auf der rechten unteren Seite geschnitten dargestellt; in dieser Richtung kann sich der Hohlleiter beliebig fortsetzen. Das andere Ende des Hohlleiters ist durch eine Wandung 3 kurzgeschlossen; außerdem ist in einem gewissen Abstand von der Wandung 3 der Anfang eines dielektrischen Wellenleiters 4 angebracht, der sich ebenso wie der ganze Hohlleiter nach rechts fortsetzen kann.A piece of conductive material 1 forms the end of a waveguide 2, which is shown without its conductive top side to clarify the oscillator structure and which is attached with a rectangular cross-section in this material. The material is shown cut on the lower right-hand side; in this The waveguide can continue in any direction. The other end of the waveguide is short-circuited by a wall 3; also is at a certain distance from the wall 3 of the beginning of a dielectric waveguide 4 attached, the just like the whole waveguide can continue to the right.

Dicht neben dem Ende des Leiters 4 ist ein aktives Element 5, z.B. eine Gunn-Diode, also ein Mikrowellen-Halbleiterelement, angeordnet. Dessen eine Gleichstromzuleitung ist an das Hohlleitermaterial 1 angeschlossen; die andere Gleichstromverbindung ist über einen Drahtbügel 6 zu einem Tiefpaßfilter 7 und zu einem Anschluß 8 geführt. Neben dem Gunn-Element 5 ist eine Kugel 9 aus Mikrowellenferrit angebracht. Sie ist in einem geeigneten externen magnetischen Feld angeordnet, dessen Feldlinien senkrecht zur Breitseite des Hohlleiters 2 gerichtet sind, wobei auch die Vorzugsrichtung des Ferrites geeignet orientiert ist.Close to the end of the conductor 4 is an active element 5, e.g. a Gunn diode, i.e. a microwave semiconductor element, is arranged. One of them The direct current feed line is connected to the waveguide material 1; the other DC link is led via a wire bracket 6 to a low-pass filter 7 and to a connection 8. In addition to the Gunn element 5, a ball 9 made of microwave ferrite is attached. she is arranged in a suitable external magnetic field, its field lines perpendicular to the broadside of the waveguide 2 are directed, wherein the preferred direction of the ferrite is also suitably oriented.

Die so dargestellte Anordnung, die oben noch mit einer leitenden Platte abgedeckt sein muß, wird mit dem aktiven Element 5 und der im Magnetfeld angeordneten ferrimagnetischen Kugel 9 bei geeigneter Stromzuführung als Oszillator in einer Grundschwingung betrieben. In dem aktiven Element werden dabei neben der Grundschwingung auch Oberwellen gebildet, und durch die Bemessung des Hohlleiters wird dafür gesorgt, daß sich die Grundschwingung in den Hohlleiter hinein nicht ausbreiten kann, so daß ihre Amplitude mit dem Abstand vom aktiven Element 5 nach rechts unten schnell vermindert. Die Abmessungen sind so gewählt, daß jedoch eine Oberschwingung, vorzugsweise der doppelten Frequenz, ohne Schwierigkeiten in dem Hohlleiter weitergeleitet werden kann.The arrangement shown, the one above with a conductive plate must be covered, is arranged with the active element 5 and the magnetic field ferrimagnetic ball 9 with a suitable power supply as an oscillator in one Fundamental oscillation operated. In the active element are in addition to the fundamental harmonics are also formed, and the dimensioning of the waveguide ensures that that the fundamental oscillation cannot propagate into the waveguide, so that their amplitude with the distance from the active element 5 to the right down quickly reduced. The dimensions are chosen so that one harmonic, however, is preferred twice the frequency can be passed through the waveguide without difficulty can.

Das aktive Element 5 ist in der Achse des Hohlleiters in der Nähe des kurzgeschlossenen Endes angeordnet, und der ferrimagnetische Resonator ist an der dem offenen Teil des Hohlleiters abgewandten Seite des aktiven Elementes 5 angebracht. Der Resonator befindet sich somit im elektromagnetischen Nahfeld des aktiven Elementes. So sind die Bedingungen für eine Wechselwirkung zwischen den Elementen 5 und 9 gut erfüllt; durch die Bemessung des Hohlleiters sind jedoch die Ausbreitungsbedingungen für die Grundschwingung nicht erfüllt. Um die Anregung von höheren magnetostatischen Moden zu vermeiden, muß der Durchmesser der Ferritkugel klein sein im Vergleich zur Wellenlänge der Grundschwingung. Das ist gleichzeitig eine Voraussetzung dafür, daß die frequenzbestimmende Ferritkugel im elektromagnetischen Nahfeld des aktiven Elementes angeordnet werden kann. Auch die Abmessungen des aktiven Elementes sind klein im Vergleich zur Wellenlänge der Grundschwingung.The active element 5 is nearby in the axis of the waveguide of the short-circuited end and the ferrimagnetic resonator is on attached to the side of the active element 5 facing away from the open part of the waveguide. The resonator is thus located in the electromagnetic near field of the active element. The conditions for interaction between elements 5 and 9 are thus good Fulfills; However, the propagation conditions are determined by the dimensioning of the waveguide not fulfilled for the fundamental oscillation. To the excitation of higher magnetostatic To avoid modes, the diameter of the ferrite ball must be small in comparison to the wavelength of the fundamental oscillation. This is also a prerequisite for that the frequency-determining ferrite ball in the electromagnetic near field of the active Element can be arranged. Also the dimensions of the active element are small compared to the wavelength of the fundamental.

Ein Mikrowellenoszillator nach der Erfindung kann z.B. in der Oberschwingung einen Abstimmbereich zwischen 64 und 84 GHz haben mit einer Wellenlänge der Grundschwingung von 9,4 bis 7,1 mm. Der Abstand zwischen Ferritkugelmitte und dem aktiven Gunn-Element beträgt dabei 1/12 oder weniger der Wellenlänge der höchsten Frequenz der Grundschwingung, also 42 GHz.A microwave oscillator according to the invention can e.g. have a tuning range between 64 and 84 GHz with a wavelength of the fundamental oscillation from 9.4 to 7.1 mm. The distance between the center of the ferrite ball and the active Gunn element is 1/12 or less of the wavelength of the highest frequency of the fundamental oscillation, so 42 GHz.

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Claims

CLAIM #: 1. Microwave oscillator in which an active element, in particular a semiconductor element, with a ferrimagnetic element arranged in a magnetic field Resonator magnetically coupled in a waveguide to generate a fundamental oscillation is and from which a harmonic is taken, characterized in that the Resonator (9) mounted in the electromagnetic near field of the active element (5) and that the active element (5) is in a waveguide, for example a waveguide (2), which cannot transmit the fundamental oscillation, but it can the harmonic.

2. Oscillator according to claim 1, characterized in that the resonator (9) consists of hexagonal ferrite, e.g. barium ferrite.

3. Oscillator according to claim 1, characterized in that the resonator (9) is made from yttrium iron garnet.

4. Oscillator according to claim 2 or 3, characterized in that the active element (5) in the axis of a waveguide, preferably a rectangular waveguide (2), is arranged in the vicinity of a short-circuited end of the waveguide and that the resonator (9) on the side facing away from the open part of the waveguide of the active element (5) is attached.

5. Oscillator according to claim 4, characterized in that the direct current lead (6) to the active element (5) past the ferrimagnetic resonator (9) to the short-circuit wall (3) of the waveguide (2) is guided.

6. Oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that that a Gunn diode is used as the active element (5).