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Mikrowellen-Oszillator auf einer Substratplatte
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellen-Oszillator, bei dem
auf einer Substratplatte ein aktives Element, z.B.
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ein Transistor oder eine Diode, mit einem Pol an einer Masse-Fläche
liegt und bei dem die Schwingungsselektivität (Resonanz) und ggf. die Rückkopplung
mit Hilfe wenigstens eines ersten streifenförmigen Leitungselementes bewirkt wird,
das parallel zum Rand der Masse-Fläche liegt und das mit dem aktiven Element verbunden
ist, wobei zum ersten streifenförmigen Leitungselement wenigstens ein weiteres streifenförmiges
Leitungselement parallel angeordnet ist zur Ankopplung und ggf. Transformation der
äußeren Belastungsimpedanz und wobei zwischen dem ersten Leitungselement und dem
Rand der Masse-Fläche bzw. zwischen dem weiteren und dem ersten streifenförmigen
Leitungselement an definierten Punkten, z.B. durch Mikro-Kondensatoren, Verbindungen
hergestellt sind.
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Das Prinzipschaltbild eines solchen Mikrowellen-Oszillators ist schematisch
in Fig. 1 mit einem Transistor T als aktives Element wiedergegeben. Dabei entspricht
die oben waagerecht dargestellte Linie dem Masse-Potential, mit dem der Kollektor
verbunden ist. Zwischen Kollektor und Emitter liegt ein Kondensator C, der aus inneren
und äußeren Kapazitäten besteht und der im wesentlichen die Rückkopplung bestimmt
und entsprechend bemessen werden muß. In Reihe zur Basis liegen gegen Masse eine
Induktivität L und ein Wirkwiderstand R'. L ist dabei mit weiteren Blindwiderständen
der Schaltung auf die gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmt; der Widerstand R'
repräsentiert die gesamte ohmsche Belastung.
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Die Induktivität L enthält auch die Zuleitungsinduktivität
zur
Basis; wenn sie für die gewünschte Frequenzabstimmung zu hoch ist, kann ihr eine
geeignete Reihenkapazität zugeschaltet werden. Wenn die innere Kollektor-Emitter-Kapazität
für die Rückkopplung zu groß ist, kann sie durch eine parallel gelegte Induktivität
vermindert werden. Der effektive ohmsche Belastungswiderstand R' besteht aus dem
basisseitig angeschlossenen und über ein Schaltnetzwerk an die Basis transformierten
äußeren Lastwiderstand und den ebenfalls an die Basis transformierten inneren Verlustwiderständen
der Schaltung. Wird der äußere Lastwiderstand nicht Basis, sondern emitterseitig
über ein entsprechendes Schaltnetzwerk angeschlossen, so empfiehlt es sich, im Prinzipschaltbild
nach Fig. 1 neben und/oder anstelle von Rs den effektiven ohmschen Belastungswiderstand
Rn einzuführen.
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Problem bei einem solchen Oszillator ist es, die gegenseitige Rückwirkung
zwischen den Schaltungsteilen klein zu halten, um die einzelnen Einstellungen, insbesondere
hinsichtlich der Rückkopplung und der Frequenzabstimmung9 möglichst unabhängig voneinander
zu halten.
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Eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art ist bekannt aus
der Dissertation Da2,#Rheinisch Westfälische Technische Hochschule Aachen, 1979,
~Zum Entwurf wirkungsgradoptimierter Mikrowellenoszillatoren mit bipolaren Transistoren",
von G. Lütteke, insbesondere Seite 104 und 105 Durch die Streifenleitungen können
in einfacher Weise definierte Impedanzen realisiert werden, die sich nicht durch
unerwünschte elektromagnetische Kopplungen der Leitungen gegenseitig beeinflussen,
Jedenfalls dann, wenn der Abstand der Streifen untereinander größer ist als die
doppelte Dicke des Substrates. Dieses Substrat besteht aus einem geeigneten dielektrischen
Material, z.B. gesintertem Aluminiumoxyd oder Teflon, und ist vorzugsweise, aber
nicht notwendig, auf der unteren Fläche mit einer
Metallisierung
versehen.
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Die gewünschten Impedanzen können durch Leitungsabschnitte bestimmter
Länge (Lecherleitungen) und ggf. geeignete Abschlußimpedanzen gebildet werden, wobei
z.B. über geeignete Anzapfpunkte auch Impedanztransformationen erhalten werden können.
Die dabei angeschlossenen Schaltelemente, z.B. eine wechselstrommäßige Kurzschlußverbindung
über einen geeigneten Kondensator, ein Widerstand oder ein Koppelkondensator, sind
meist auf Masse bezogen. Wenn eine Masse-Metallisierung unter dem Substrat vorhanden
ist, ist diese nicht leicht zugänglich. Es genügt auch nicht, eine Durchbohrung
vorzunehmen, da man vielfach beim Entwurf und der Herstellung des Oszillators verschiedene
Positionen für die Lage eines Impedanzelementes experimentell untersuchen muß, bis
ein gewünschtes Optimum gefunden ist. Bei der zugrunde liegenden bekannten Schaltungsanordnung
ist daher neben den Leitungselementen auf der Oberseite des Substrates eine Masse-Fläche
vorgesehen, und die erforderlichen Verbindungen zu dem Leitungselement werden von
dieser Masse-Fläche aus hergestellt. Die Masse-Fläche war dabei mit Schrauben oder
Stiften durch das Substrat hindurch mit der auf der Unterseite angebrachten großflächigen
Masse-Metallisierung verbunden. Die oben genannten Leitungen zur Impedanzeinstellung
waren um die Massefläche herumgeführt und wiesen Knicke (Diskontinuitäten) auf.
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Untersuchungen haben Jedoch gezeigt, daß bei einem solchen Aufbau
nicht in allen Fällen ein konstantes Massepotential über der gesamten Masse-Fläche
erreicht werden kann. Es zeigen sich stehende Wellen, d.h. Potentialschwankungen
aufgrund der resonanten Struktur der Masse-Fläche, so daß eine Optimierung erschwert
ist und unerwünschte Impedanzänderungen bei einer Abstimmungsänderung auftreten
können.
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Eine weitere Erschwerung der Optimierung wird-durch die
Le
i tungsdi skontinui täten (Knicke )hervorgerufen, die eine kontinuierliche Impedanzänderung
- bei einer Positionierung der Schaltelemente im Bereich der Diskontinuität - unmöglich
machen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Masse-Fläche und eine
Leitungsstreifen-Struktur so auszubilden, daß an Jedem Punkt der Masse-Fläche ein
sicheres Masse-Bezugs~ potential vorhanden ist und daß die Leitungsstreifen diskontinuitätsfrei
sind, so daß beliebige Impedanzen bei beliebigen Frequenzen kontinuierlich eingestellt
werden können0 Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Mikrowellen Oszillator
der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung die Masse-Fläche als schmaler, am
Rande der Substratplatte angebrachter Streifen ausgebildet ist, der an der den streifenförmigen
Leitungselementen abgewandten Seite praktisch auf der vollen Länge mit Masse, ggf.
mit einer auf der Unterseite der Substratplatte angebrachten Metallisiebung, verbunden
ist. Vorzugsweise werden die streifenförmigen Leitungselemente als gerade diskontinuitätsfreie
Leitungsstücke in entsprechendem Abstand parallel zur anderen Seite der Masse-Fläche
geführt.
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Bei einem Oszillator nach der Erfindung kann somit an Jeder Stelle
eine Schaltverbindung zwischen einem ersten streifenförmigen Leitungselement und
dem benachbarten Masse-Streifen hergestellt werden, um den gewünschten Leitungsabschnitt
mit entsprechender Eingangsimpedanz zu realisieren.
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Vorzugsweise ist der Massestreifen durch eine um die Kante des Substrates
herum gezogene Metallisierung mit der Unterseite verbunden.
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Nach einer anderen Ausführungsf9rm ist der Masse-Streifen am Substratrand
mit einem Gehäuse leitend verbunden, z.B.
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durch eine Klemmvorrichtung oder mit Hilfe eines Lötmittels oder eines
Leitklebers.
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Zur Aufnahme eines aktiven Zweipoles, z.B. einer Diode, ist die#Masse-Fläche,
zweckmäßig an einem Ende, mit einer Verbreiterung versehen.
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Zur Aufnahme eines aktiven Vierpoles, z.B. eines Transistors, ist
die Masse-Fläche, vorzugsweise in der Mitte, mit einer Verbreiterung versehen, und
beiderseits dieser Verbreiterung sind je ein streifenförmiges erstes Leitungselement
und parallel dazu mindestens ein weiteres streifenförmiges Leitungselement angeordnet.
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Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung trägt die Substratplatte
einen weiteren Streifen, der senkrecht zur Ausdehnung des Masse-Streifens auf die
Verbreiterung hin gerichtet ist und zwischen den einander zugewandten Enden der
anderen streifenförmigen Leitungselemente verläuft.
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Mit einem solchen Streifen kann eine Energieübertragung, insbesondere
eine Auskopplung, senkrecht zum Masse-Streifen durchgeführt werden.
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Ein solcher Streifen kann auch mit seinem vorderen Ende an einen gewünschten
Punkt des Oszillators, z.B. des Transistors, angeschlossen werden. Dann ist es möglich,
durch geeignete Verbindung des Streifens eine Messung innerhalb des Oszillators,
z.B. der äußeren Beschaltungsimpedanzen des aktiven Elementes, vorzunehmen.
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Der Aufbau eines Mikrowellen-Oszillators nach der Erfindung eignet
sich insbesondere für den ggf. experimentellen Entwurf für eine neue Frequenz mit
einem anderen aktiven Element o.dgl. Um dann den optimalen Aufbau zu finden, gibt
die Erfindung weiter ein Verfahren zum Einstellen
bzw. Abgleichen
eines Oszillators an, das dadurch gekennzeichnet ist, daß, ggf. wiederholt, zwischen
einem streifenförmigen Leitungselement und dem Masse-Streifen und ggf. zwischen
zwei benachbarten streifenförmigen Leitungselementen ein Schaltelement, z.B. ein
Kondensator, ein Widerstand oder eine wechselstrommäßige Kurzschlußbrücke, kontaktiert
und die Daten, insbesondere Gleichstromaufnahmefrequenz und Leistung, des Oszillators
gemessen werden und daß die endgültige#Positionierung entsprechend den günstigsten
Meßdaten#erfolgt.
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Vorteilhaft werden dabei nicht benötigte Teile der streifenförmigen
Leitungselemente durch Unterbrechen und/oder durch wechselstrommäßigen Kurzschluß,
vorzugsweise nach einem Viertelwellenlängen-Abstand, unwirksam gemacht.
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Ein streifenförmiges Element kann auch am Ende offeniein und leer
laufen; die zur Abstimmung erforderliche Länge kann ggf. nachträglich durch Abkratzen
des Leitmaterials eingestellt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert, in der Figo 1 das bereits erörterte Prinzipschaltbild eines Mikrowellen-Oszillators,
Fig. 2 die zugrunde liegende Streifenstruktur nach der Erfindung sowie die Fig 3
und 4 Ausführungsformen der Erfindung angeben.
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In Fig. 2 wird der Oszillatoraufbau getragen von einer Substratplatte
1, die auf ihrer Unterseite mit einer Nasse-Metallisierung versehen ist. Der Masse-Streifen
2,
der in der Mitte das aktive Element, z.B. einen Transistor 4,
trägt, ist am Rande der Substratplatte 1 auf deren Oberseite angebracht. Eine geeignete
Verbindung 3 besteht zwischen Masse-Streifen 2 und der Metalliserung auf der Unterseite,
z.B. eine um die Kante herumgezogene Metallisierung oder eine Klemm-, Löt- oder
Leitkleberverbindung zum Gehäuse.
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Parallel zu den beiderseits der mittleren Verbreiterung liegenden
Teilen des Masse-Streifens sind streifenförmige Leiterelemente 5 und 6 angebracht
in einem Abstand, der wenigstens das Doppelte der Dicke des Substrates 1 beträgt.
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Diese Streifen stellen Wellenleitungen dar. Ihr Wellenwiderstand kann
durch ihre Breite geeignet gewählt werden, vorzugsweise bei 50 Ohm.
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Parallel zu den Streifen 5 und 6 sind weitere streifenförmige Leitungselemente
7 und 8 angebracht, die bis zum Rand der Substratplatte geführt sind. Sie können
daher insbesondere dazu dienen, um Verbindungen mit anderen Geräteteilen herzustellen.
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In der Mitte zwischen den Streifen 5 und 6 bzw. 7 und 8 ist senkrecht
zur Ausdehnung des Masse-Streifens ein weiterer Streifen 9 angebracht, der ebenfalls
bis zum Rande geführt ist.
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Wenn anstelle eines Transistors o.dgl. ein aktiver Zweipol verwendet
werden soll, kann die Struktur nach Fig. 2 praktisch halbiert werden derart, daß
die Teile links der Verbreiterung weggelassen sind.
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In Fig. 2sind die Streifen 5 und 6 mit der Basis und dem Emitter eines
Transistors 4 verbunden, dessen Kollektor am Masse-Streifen 2 liegt. Durch Verändern
der elektrisch
wirksamen Länge der Streifen 5 und 6 kann der Oszillator
für weitgehend beliebige Frequenzen rückgekoppelt und abgestimmt werden. Die Fig.
3 und 4 zeigen hierzu Ausführungsbeispiele, in denen gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind.
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In Fig 3 ist etwa in der Mitte der Leitung 6 ein Kurzschlußkondensator
11 zum Masse-Streifen 2 hin angebracht.
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Der Masse-Streifen 2 ist für eine gute Erdung schmal zu halten, vorzugsweise
1 bis 2 mm breit, was ausreicht9 um einen Anschlußteil (Draht, Fahne, Kontaktfläche)
eines Schaltelementes z.B. eines Sondensators 11 anzubringen Der Abstand l1 des
Anschlusses des Kondensators 11 auf der Leitung 6 von ihrem mit dem Emitter des
Transistors 4 verbundenen Anfang beträgt etwas mehr als eine Viertel wellenlänge,
so daß am transistorseitigen Ende eine hohe kapazitive Impedanz auftritt Sollte
eine induktive Impedanz zur Verminderung der Rückkopplungskapazität C (vgl. Fig0
1) erforderlich sein, so wäre der Abstand 11 etwas kürzer als eine Viertelwellenlänge
zu wählen.
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Die Leitung 5 ist an ihrem rechten Ende mit der Basis des Transistors
4 verbunden. In einem Abstand 12 davon nach links ist ein Kurzschlußkondensator
12 angebracht, dem ein Basis-Vorwiderstand 13 zum Zuführen des Basisstromes parallel
liegt. Die Länge l2 ist so gewählt, daß an der Basis die erforderliche Induktivität
für die gewünschte Schwingfrequenz auftritt. Der Widerstand 13 ist für die Schwingungen
durch den Kondensator 12 überbrückt. Die Auskopplung der Schwingungen und damit
die Erzielung eines Belastungswiderstandes (vgl. R' in Fig. 1) wird dadurch bewirkt,
daß an einem geeigneten Anzapfpunkt des Leitung stückes der Länge 12 ein Koppelkondensator
14 zur Leitung 7 am Leitungsstück 7a angebracht wird. Das links davon liegende Teil
7b der Leitung 7 ist abgetrennt, und das
rechte Ende des Leitungsstückes
7a ist verbunden mit einem bis zu diesem Punkt reichenden Teil der Leitung 9. Die
Anordnung ist so getroffen, daß über die Leitung 9 mit einem Wellenwiderstand von
50 Ohm Energie zu einer äußeren Belastung abgeführt werden kann. Der Abstand zwischen
dem Kurzschlußkondensator 12 und dem Koppelkondensator 14 ist ein Maß für die Größe
des von der äußeren Belastung (z.B. 50 Ohm) an die Basis transformierten effektiven
Belastungswiderstandes R'.
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Links des kurzschließenden Kondensators 12 und rechts des kurzschließenden
Kondensators 11 sind die Leitungsstücke praktisch schwingungsfrei. Man kann daher
das linke Ende der Leitung 5 durch Unterbrechen ganz abschalten. Entsprechendes
ist in Fig. 3 bei der Leitung 7b dargestellt.
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Man kann aber auch über ein solches schwingungsfreies Leitungsstück
die Zuführung des erforderlichen Gleichstromes vornehmen. So ist bei der Leitung
6 das rechts liegende Stück über einen Emittervorwiderstand 15 mit einem Speisepunkt
16 verbunden. Um das Einstreuen von eventueller restlicher Schwingungsenergie in
den Gleichstromkreis zu verhindern, ist weiter das rechte Ende der Leitung 6 über
einen Kurzschlußkondensator 17 mit dem Massestreifen 2verbunden.
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Der Streifen 8 ist in Fig. 3 nicht benutzt; er könnte also ganz weggelassen
werden. Der Streifen 8 oder der Leitungsabschnitt 7b könnte alternativ zur Leitung
9 als Auskoppelleitung verwendet werden.
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Als Kondensatoren und Widerstände können wegen der erforderlichen
Kleinheit zweckmäßig -solche in Chip-Form, Beam-Lead-oder Dünnfilm-Technik Verwendung
finden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 4, in der gleiche Teile
mit
gleichen Bezugszeichen versehen sind, ist an die Basis b des Transistors 4, ähnlich
Fig. 3, ein Stück 5a der Leitung 5 angeschlossen, das wenigstens zum Teil der Induktivität
L in Fig. 1 entspricht. Der Basis-Strom wird am Ende dieser Leitung durch einen
verhältnismäßig großen Widerstand 13 von ca. 3.000 Ohm zugeführt. Dabei liegt der
positive Pol der Speisequelle +U an Masse, während der negative Pol -U mit dem Anschluß
16 und über den Widerstand 15 von 12 Ohm mit dem Emitter e des Transistors 4 verbunden
ist.
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Am Ende des erwähnten Leitungsstückes 5a, an dem der Widerstand 13
angeschlossen ist, ist weiter ein Koppelkondensator 20 angebracht, dessen anderer
Belag an einer Kapazitätsdiode 21 liegt, die zum Masse Streifen 2 hin eingeschaltet
ist. Am Verbindungspunkt der Kapazitätselemente 20 und 21 liegt ein Widerstand 22
zu dem Leitungsteil 5b hin, dessen elektrische Länge vorzugsweise einer Vierteiwellenlänge
entspricht9 wobei ihr linkes Ende über einen Kurzschlußkondensator 23 mit dem Masse-Streifen
2 verbunden ist. An diesem von Schwingungen freien Ende wird von einer Kontaktfläche
24 eine Abstimmspannung UT gegen Masse zugeführt, so daß die Kapazität der Diode
21 verändert werden kann.
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Die Auskopplung der Energie erfolgt in Fig. 4 dadurch9 daß das Leitungsstück
8a einerseits mit der Auskoppelleitung 9 und andererseits über einen Verbindungskondensator
26 mit einem Abgriff der Streifenleitung 6 verbunden ist, der zwischen dem Anschlußpunkt
des Emitters 3 und dem Kurzschlußkondensator 11 liegt. Das entspricht dem Fall des
effektiven Belastungswiderstandes R in Fig. 1.
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In Fig. 4b sind die Leitungsteile 7 und 8b nicht benutzt und können
daher in der endgültigen Schaltung nach dem Entwurfsvorgang weggelassen werden.
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