DE3229043A1 - Yttrium-eisen-granat-(yig)-resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen YIG-Resonator und insbesondere auf einen YIG-Resonator mit geregelter Spannung zur Verwendung in YIG-Oszillatoren, -filtern
und anderen abgestimmten YIG-Einrichtungen.

Es ist bekannt, die Spannung an einem abgestimmten LC-Kreis durch Verwendung einer parallel dazu angeschlossenen begrenzenden Diodenschaltung zu regeln. Eine solche Spannungsregelung hat den Nachteil, daß die Spannung der Diode von der Kapazität abhängig ist und jede Änderung

der Diodenspannung (oder Kapazität) eine Veränderung

der Resonanzfrequenz des abgestimmten Kreises zur Folge hat. Bei niedrigeren Frequenzen ist diese Änderung vernachlässigbar, weil die Kapazitätsänderung im Vergleich zur Kapazität des Kreises nur klein ist. Bei höheren

Frequenzen aber, wo die Kapazität des abgestimmten Kreises klein ist, hat die Kapazität der Diode eine deutliche Auswirkung auf die Resonanzfrequenz. Daher wurde bisher die Begrenzung mittels einer Diode bei hohen Frequenzen nicht angewendet.

Bei YIG-Oszillatoren und anderen abgestimmten YIG-Einrichtungen wurden von jeher die Ausgangsleistungen
(bzw. Ausgangsspannungen) durch getrennte PIN-Diodenschaltungen geregelt. Es wurde eine Dämpfung durch Verändern des Hochfrequenzwiderstands einer PIN-Diode in

dem Ausgangskreis erreicht. Dadurch wurde eine Fehlanpassung verursacht und dementsprechend weniger Leistung (Spannung) an die Last abgegeben.

Der Arbeitsweise dämpfend wirkenden PIN-Diodenschaltunqen haften besondere Probleme ans Es entstehen Fehlanpassungen, wenn die Leistung gedämpft wird; das Rauschen und die harmonischen Pegel werden vergrößert; außerdem ist der Bereich der Dämpfung begrenzt. Weiterhin wird durch die in Verbindung mit dämpfend wirkenden PIN-Diodenschaltungen benutzten Schaltungsverbindungen die Wandbreite begrenzt, die Komplexität vergrößert und ein zusätzlicher Aufwand an Raumbedarf und Kosten verursacht. Es wurde nun gefunden, daß die Einfügung einer Dioden-Begrenzerschaltung in einen YIG-Resonator ein günstiges Mittel zur YIG-Regelung der Spannungsamplitude und zur Modulation bis zum Bereich der Mikrowellenfrequenzen und darüber hinaus bildet. Auch wurde gefunden, daß aufgrund der besonderen Art der YIG-Resonatoren die Resonanzschaltung gegen Änderungen der Kapazität der Begrenzerdiode unempfindlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen spannungsgeregelten Yttrium-Eisen-Granat-Resonator zur Verwendung in YIG-Oszillatoren, YIG-Filtern und anderen abgestimmten YIG-Einrichtungen zu schaffen, der möglichst einfach und mit geringem Aufwand verbunden sein soll und bei Dämpfung der Spannung das Rauschen und die Harmonischen (Oberwellen) in verminderten Maß auftreten läßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Resonator eine YIG-Kugel aufweist, an die eine Eingangskopplungsschleife angekoppelt ist, und daß eine Diode zur

Begrenzung der an dem Resonator entwickelten maximalen Spannung parallel zu diesem angeschlossen ist.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines abgestimmten YIG-Oszillators nach der Erfindung mit einer Gallium-Arsenid-Diode.

Fig. 2 das Stromkreisschema des in Fig. 1 dargestellten YIG-Oszillators.

Fig. 3 das Schema einer anderen Ausführungsform eines YIG-Oszillators gemäß der Erfindung.

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des YIG-Oszillators von Fig. 3.

Fig. 5 das Schaltschema eines abgestimmten YIG-Bandpaßfilters gemäß der Erfindung.

Fig. 6 das Schaltschema eines YIG-Bandabweisfilters gemäß der Erfindung und

Fig. 7 das Schema noch einer anderen Ausführungsform eines YIG-Resonators gemäß der Erfindung. Der in Fig. 1 dargestellte abgestimmte YIG-Oszillator enthält eine Gallium-Arsenid-Diode 11 in Reihenschaltung mit einer Eingangs-Kopplungsschleife 12, welche Energie an die YIG-Kugel 13 ankoppelt. Ein zur Abstimmung dienendes Gleichstrommagnetfeld H_Q, das mit den Pfeilen veranschaulicht ist, bestimmt die Resonanzfrequenz des YIG-Oszillators. Es ist eine Ausgangsschleife 16 angekoppelt, die dazu dient, Signa!spannungen für das Koaxial-

kabel 17 zu liefern. Die Schleife 16 ist rechtwinklig zu der Schleife 12 angeordnet, um von dieser aus entwickelt bzw. erregt zu werden. Das Schaltschema von Fig. 2 weist die gleichen Bezugszeichen für die einander entsprechenden Teile auf.

Abgestimmte YIG-Halbleiteroszillatoren und deren Arbeitsweisen sind an sich bekannt. Ihrem Wesen nach wird die Schwingungsfrequenz durch die abstimmbare Resonanzcharakteristik der YIG-Kugel bestimmt. Die Abstimm-

frequenz ist durch das angelegte Gleichstrommagnetfeld regelbar. Da keine harmonische Resonanz oder Oberwellenresonanz erzeugt wird, wie es bei konstanten Obertragungsleitungs- oder Pupin-Resonatoren geschieht, können sehr breite Abstimmbereiche erhalten werden. Die Abstimmfähig-

keit des YIG-Materials ist anderen Abstimmitteln wegen ihrer mit niedrigen Verlusten verbundenen, bei Mikrowellenfrequenzen einen hohen Q-Faktor aufweisenden Leistungsfähigkeit überlegen. Allgemein läßt sich die Arbeitsweise des YIG-Resonators durch rasch umlaufende Elektronen erklären, die in jedem Molekül innerhalb des Kristalls ein magnetisches Moment hervorrufen. Die Anlegung eines äußeren Gleichstrommagnetfeldes hat zur Folge, daß die magnetischen Dipole sich in der Richtung des Feldes ausrichten, wobei eine starke Magnetisierung bewirkt wird. Jede unter einem rechten Winkel zu dem Feld gerichtete magnetische Kraft bewirkt eine Präzession der Dipole um das Feld herum. Die Geschwindigkeit der Präzessionsfrequenz hängt

ab von der Stärke des Magnetfeldes und zu einem gewissen Grad von den Eigenschaften des YIG-Materials. Generell ändert sich die Ausgangsspannung mit der Frequenz. Es ist erwünscht,'nicht nur in der Lage zu sein, eine konstante Ausgangsspannung aufrecht zu erhalten, sondern

auch eine Kontrolle über die Spannungsamplitude zu haben. Mit der Erfindung wurde erkannt, daß es möglich ist, durch Koppeln einer Begrenzerdiode mit dem YIG-Resonator, die Spannung zu begrenzen. Wegen des hohen Q-Faktors (Blindwiderstandsverhältnisses) der Charakteristik der YIG-Kugel sind aber keine Störungen der Frequenz vorhanden und bleibt das Ausgangssignal sinusartig.

Gemäß den Fig. 1 und 2 kann im Nebenschluß mit dem YIG-Resonator, der die Eingangsschleife 12 und die YIG-Kugel 13 umfaßt, die Reihenschaltung einer Begrenzerdiode 18 und eines Nebenschlußkondensators 19 liegen. Eine modulierende Steuer- bzw. Regel- oder Gleichstromspannung V wird an die gemeinsame Klemme von Diode und Kondensator gelegt. Durch die Wahl der Spannung V gelangt die Begrenzerdiode in den leitenden Zustand bei einer vorbestimmten Spannung, die abhängt von der Durchbruchsspannung der Diode 18 und der Spannung V . Dadurch wird die Amplitude der Hochfrequenzspannung an der Schleife begrenzt, wodurch wiederum die Spannung an der Ausgangsschleife 16 und der Ausgangsleitung 17 begrenzt wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungsform eines Oszillators mit Anwendung der Erfindung. Dieser

Oszillator enthält eine Kopplungsschleife 21 im Emitterkreis des Transistors 22, der mit der YIG-Kugel 23 gekoppelt ist. Eine Vorspannung wird an den Emitter über den Widerstand 24, zu dem ein Kondensator 26 im Neben-Schluß liegt, und an den Kollektor über eine Induktivitätsspule 37 angelegt. Der spannungsgesteuerte Begrenzerkreis enthält die Begrenzerdiode 27 und den Kondensator 28. An die Verbindung der Diode 27 mit dem Kondensator wird die Steuerspannung V angelegt. An der Basis des Transistors 22 werden über die Induktionsspule 34 Rückkopplungssignale erhalten. Der Oszillatorausgang wird von dem Kollektor über den Kondensator 36 abgegriffen. Wie vorher, wird die Amplitude der Ausgangsspannung festgelegt durch die Vorspannung an der Diode 27, welche die Spannungsamplitude an der Schleife 21 und wiederum die Spannung am Ausgang begrenzt.

Die Schaltung von Fig. 3 ist in Fig. 4 als Dünnfilmstruktur veranschaulicht. Die verdunkelten Flächenteile stellen die Metallisierung auf dem isolierenden Substrat 38 dar. Die Schaltungsbestandteile tragen die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 3.

Fig. 5 zeigt ein Bandpaßfilter mit einer YIG-Kugel 41, einer Eingangsschleife 42 und einer Ausgangsschleife 43. Die Spannungsamplitude wird durch die Diode 44 und die variable Spannung V geregelt bzw. gesteuert.

Fig. 6 zeigt ein Bandabweisfilter mit einer in Reihenschaltung angeordneten Kopplungsschleife 47, die mit der

yiG-Kugel 48 gekoppelt ist. Die Steuerung bzw. Regelung der Ausgangsspannung geschieht durch die Diode 49 und die variable Spannung V .

Fig. 7 zeigt ein weiteres Bandpaßfilter.In diesem Filter sind die Spannungsregeldiode 52 und der Nebenschlußkondensator 43 parallel zu der Ausgangsschleife angeordnet, die mit der YIG-Kugel 56 gekoppelt ist. Die Eingangsschleife 57 ist gleichfalls mit der YIG-Kugel gekoppelt. Dies zeigt, daß die Begrenzerdiode entweder parallel zu der Eingangsschleife oder parallel zu der Ausgangsschleife des YIG-Resonators angeschlossen sein kann.

Wie vorstehend beschrieben, wurde ein verbesserter YIG-Resonator geschaffen, bei dem die Hochfrequenzspannung durch eine Begrenzerdiode und eine Regelspannung steuer- bzw. regelbar ist.

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Claims (4)

1. DIP L.-IN G. J. RICHTER" * * PATENTANWÄLTE

   DIPL.-ING. F. WERDERMANN

   ZUSEL. VERTRETER BEIM EPA · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO ■ MANDATAIRES AGREES PRES L'OEB

   2OOO HAMBURG 36 3. AUG. 1982

   NEUER WALL 1O

   Έ" (O 4O) 340045/3400 56

   TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

   TELEX 2163 551 INTU D

   UNSER ZEICHEN/OUR HLE W. O Z JJJ

   Wdm/Wa

   Anmelder:

   WATKINS-JOHNSON COMPANY, 3333 Hillview Avenue, Palo Alto, Kalif. (V.St.A.)

   Yttrium-Eisen-Granat-(YIG)-Resonator.

   Patentansprüche:

   ( 1 ·/ Yttrium-Eisen-Granat-(YIG)-Resonator, gekennzeichnet durch eine YIG-Kugel, an die eine Eingangs-Kopplungsschleife angekoppelt ist und die unter Einwirkung eines Magnetfelds steht, und durch eine angekoppelte Diode zur Begrenzung der an dem Resonator entwickelten Spannung.
2. 2. YIG-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode parallel zu der Kopplungsschleife angeschlossen ist.
3. 3. YIG-Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dnß eine Ausgangs-Kopplungsschleife zur Liefe-

   rung einer Ausgangsspannung mit der YIG-Kugel gekoppelt ist.
4. 4. YIG-Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode parallel zu der Ausgangsschleife angeschlossen ist.