DE3238432A1 - Mikrowellenoszillator mit einem dielektrischen resonator - Google Patents

Mikrowellenoszillator mit einem dielektrischen resonator

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DE3238432A1
DE3238432A1 DE19823238432 DE3238432A DE3238432A1 DE 3238432 A1 DE3238432 A1 DE 3238432A1 DE 19823238432 DE19823238432 DE 19823238432 DE 3238432 A DE3238432 A DE 3238432A DE 3238432 A1 DE3238432 A1 DE 3238432A1
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Günther Dipl.-Ing. Begemann
Jürgen Ing.(grad.) 3202 Bad Salzdetfurth Göhler
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Hans Kolbe and Co
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Hans Kolbe and Co
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Description

  • Mikrowellenoszillator mit einem dielek-
  • trischen Resonator Die Erfindung betrifft einen breitbandig abstimmbaren, nahezu konstant frequenzstabilen Mikrowellenoszillator mit einem dielektrischen Resonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In den letzten Jahren sind eine Reihe von Mikrowellenoszillatoren veröffentlicht worden, die einen GaAs-Feldeffekttransistor (GaAs-FET) als verstärkendes und einen dielektrischen Resonator, im folgenden zur Vereinfachung stets "DR" genannt, als frequenzstabilisierendes Element enthalten. Die bekanntgewordenen Schaltungen lassen sich nach zwei Kriterien klassifizieren: 1. Aufbau des Verstärkerelements: Prinzipiell lassen sich Vierpole wie Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren als Source (Emitter)-, Gate (Basis)- oder Drain (Kollektor)-Schaltung aufbauen.
  • Alle drei Schaltungstypen werden in Oszillatoren verwendet. Im allgemeinen erweist es sich als günstig, externe Beschaltungen vorzusehen, die den Transistor positiv rückkoppeln und die Schwingneigung erhöhen.
  • 2. Aufbau der frequenzstabilisierenden Schaltung: Die frequenzstabilisierende Schaltung muß ein Bauteil hoher Güte enthalten. In der herkömmlichen Technik wurden weitgehend Hohlraumresonatoren verwendet, die im X-Band unbelastete GUten bis etwa 20000 erreichen. Wesentlich kompakter lassen sich Oszillatoren aufbauen, wenn dielektrische Resonatoren, im folgenden DR genannt, verwendet werden. Sie bestehen aus keramischem Material mit Dielektrizitätakonstanten um 40. Die Materialverluste sind so gering, daß unbelastete GUten bis 7000 bei 10 GHz gemessen werden.
  • In stabilisierten Oszillatoren werden DR als Resonatoren vom Transmissions-, Reflexions- oder Reaktionstyp eingesetzt. Für einen größeren mechanischen Abstimmbereich hat es sich als günstig erwiesen, einen DR in das Rückkopplungsnetzwerk einzubauen. Innerhalb des Rückkopplungsnetzwerkes arbeitet der DR dann als Transmissionsresonator (DE-OS 30 07 580 und 30 07 581).
  • Der Literatur lassen sich zwei wesentlicheiEntwicklungsrichtungen entnehmen. Zum einen wurden Festfrequenzoszillatoren aufgebaut, die sich durch Frequenzstabilitäten (in Abhängigkeit von der Oszillatortemperatur) bis hinab zu + 0.1 ppm/K auszeichnen (C. Taironis, P. Lesarte: Temperature Stabilization of GaAs FET Oscillators Using Dielectric Resonators", Proc. 12th European Microware Conference, Helsinki, 1982, pp. 181-186). Zum anderen zeigen Versuche mit mechanisch abstimmbaren Oszillatoren Durchstimmbereiche bis zu knapp 15 % (0. Ishihara, T. Mori, H. Sawano, M. Nakatani: "A Highly Stabilized GaAs FET Oscillator Using a Dielectric Resonator Feedbacke Circuit in 9-14 GHz", IEEE Trans., vol. MTT-28, no. 8, pp.
  • 817-824 7 und S. Shinozaki, T. Hayasaka, K. Sakamoto: t'6-12 GHz Transmission Type Dielectric Resonator Transistor Oscillators", Proc. IEEE MTT-S, Ottawa 1978, pp. 294-296).
  • Einige dem Stand der Technik entsprechende Beispiele aus der Vielzahl von Varianten, die an DR-stabilisierten Transistoroszillatoren aufgebaut wurden, sind in Bild 1 schematisch dargestellt. Es handelt sich durchweg um Oszillatoren, die in Mikrostriptechnik aufgebaut sind.
  • Allen Beispielen gemeinsam ist ein Verstärkervierpol 1; hier als Feldeffekttransistor mit den Elektroden D (Drain), S (Source) und G (Gate) dargestellt. Es kann ebenso ein bipolarer Transistor verwendet werden. Darin sind die Elektrode D durch K (Kollektor), S durch E (Emitter) und G durch B (Basis) zu ersetzen.
  • Die Bilder 1a und ib zeigen Oszillatoren, in denen ein Netzwerk 2 sowohl die positive Rückkopplung des Verstärkervierpols 1 als auch die Frequenzstabilisierung übernimmt. Zum Zwecke der Stabilisierung ist in das Netzwerk 2 ein Bauelement hoher Güte, in diesen Fall der dielektrische Resonator DR, eingebaut. Die Netzwerke unterscheidet im Prinzip nur, daß einmal die Drainelektrode (Bild 1a), einmal die Sourceelektrode (Bild Ib) als Ausgang verwendet wird. In beiden Fällen, wie auch bei den Schaltungen in den Bildern 1c, 1d und 1e ist ein Anpassungsnetzwerk 3 vorgesehen, das die Oszillatorschaltung an den Lastwiderstand z (4) anpaßt. In der Praxis kann man auf das Anpassungsnetzwerk 3 oft verzichten.
  • Die Gateleitungen sind sowohl in Bild 1a als auch in Bild 1b mit ihrem Wellenwiderstand RG (5) abgeschlossen. Entsprechendes gilt für die Drainleitung und ihren Wellenwiderstand RD (6) in Bild 1b. Gate- und Drainleitung können auch als leerlaufende Stichleitungen ausgeführt sein. Dadurch vermindert sich die Dämpfung in den Rückkopplungsschleifen. Bei manchen Transistortypen ist es günstig, zur Erhöhung der Schwingneigung auch die Sourceelektrode in Bild 1a reaktiv zu belasten.
  • Da das Netzwerk 2 die Aufgabe hat, einen Teil der Ausgangsleistung des Verstärkervierpols 1 phasenrichtig auf dessen Eingang zurückzukoppeln, setzt man den DR in Schaltungen wie in Bild 1a und Ib als Transmissionsresonator ein. Das ist in den Schaltungen der Bilder 1c und 1e anders. Hier schwingt die Verstärkerschaltung durch interne Rückkopplung. Dazu werden Reaktanzen 7 bzw. 8 an der Drainelektrode (Bild 1c) oder der Gateelektrode (Bild 1d) angeschlossen. Die Frequenzstabilrsierung übernimmt in beiden Fällen eine Stabilisierungssc}ialtung 9. Diese enthält den DR, der dann als Reaktions- oder Reflexionaresonator geschaltet ist. Ein weiteres Beispiel zeigt Bild le. In diesem Fall befindet sich die Stabilisierungsschaltung 10 in der Ausgangsleitung des Oszillators. Der DR arbeitet dann als Transmissions- oder Reaktionsresonator.
  • Prinzipiell lassen sich die Schwingfrequenzen aller beschriebenen Oszillatortypen mechanisch verstimmen, indem man die Resonanzfrequenz des DR selbst verstimmt. In der Praxis geschieht das dadurch, daß man eine metallisch leitende Fläche, eine Schraube oder den gesamten Deckel eines Hohlraumresonators, in ciem sich der DR befindet, in die Nähe des DR bringt. Neben diesem gewollten muß man aber auch den unvermeidlichen Effekt berücksichtigen, daß die Rückseitenmetallisierung einer Mikrostripachaltung ebenfalls eine leitende Platte darstellt, welche die Resonanzfrequenz eines DR erhöht. Ein DR hat in einer Nikrostripachaltung folglich immer eine höhere Resonanzfrequenz als im freien Raum mit sehr weit entfernten leitenden Flächen.
  • Bild 2 zeigt schematisch einen Aufbau zur Messung der Resonanzfrequenz fRes eines DR in einer Mikrostripschaltung in Abhängigkeit vom Luftspalt a zwischen dem DR 11 und einer Abstimmschraube 12. Der DR arbeitet in diesem Fall als Transmissionsresonator. Ein Wobbeloszillator 13 speist eine 5OJL-Nikrostrip 14, die mit ihrem Wellen- widerstand Z abgeschlossen ist. Nur in der Nähe der Resonanzfrequenz fRes wird Leistung auf eine zweite Mikrostrip 15 übertragen. Diese Leistung wird mit einer Diode 16 detektiert und auf einem Sichtgerät 17 angezeigt. Mit dem Frequenzmesser 18 läßt sich ich fRes genau messen.
  • Typische Meßergebnisse fir DR mit Resonanzfrequenzen im X-Band (Höhen/Durchmessenverhältnis H/D = 2mm/5mm) sind in Bild 3 dargestellt. Fild 3a zeigt die relative Frequenzänderung t fRes in Xbhängigkeit vom Luftspalt a bezogen auf den Wert für a e oo. Mit sinkendem a steigt die Resonanzfrequenz an. Dabei haben Abstände von a> H noch keinen wesentlichen Effekt. Erst für a< H/2 nimmt die Kurve einen steilen Verlauf. Das zeigt sich noch deutlicher am Differenzquotienten a fRes/Aa, der in der Dimension Iw,Hz/pm in Bild 3b aufgetragen ist. Für a> Hliegt er noch unter 100 kHz/um, steigt aber für af H/2 stark an und erreicht für a = 500 µm schon etwa 1,5 MHz/pm. Praktisch die gleichen ErgebJlisse werden gemessen, wenn der DR zwischen zwei rechtwilklig verlaufende Leitungen ebenfalls als Transmissionsresonator oder als Reaktionsresonator an eine durchgehende Leitung gekoppelt wird. Wenn der Durchmesser der Abstimmschraube größer als D ist, findet man auch von diesem Parameter keine wesentliche Abhängigkeit.
  • Die Kurven in Bild 3a und 3b zeigen, daß die Resonanzfrequenz insbesondere bei starker Verstimmung sehr empfindlich gegen Abstandsäiiderungen A a reagiert. Das gilt dann natürlich auch für Dickenänderungen des Mikrostripsubstrats 19. Nach dem S;and der Technik wurden Kompensatiorsmaßnahmen, die da, gesamte System Mikrostripsubstrat-Dielektrischer Resonator-Abstimmschraube-Oszillatorgeläuse berücksichtigen, bisher nicht ergriffen.
  • Ein weiterer wichtiger (esichtspunkt beim Bau von weit abstimmbaren, dennoch gegenüber Temperaturänderungen gleichmäßig konstant frequenzstabilen DR- stabilisierten Oszillatoren ist die Güte des DR im System Mikrostripschaltung-Abstimmschraube. Bild 4 (Kurve a) zeigt, wie stark in einer Anordnung wie in Bild 2 die belastete Güte QL abnimmt, wenn sich der Luftspalt a verkleinert. Ähnliche Werte gelten, wenn der DR als Reaktionsresonator an eine geradlinig durchlaufende Nikrostrip angekoppelt wird. Mit wachsender Verstimmung sinkt QL um etwa eine Größenanordnung. Das hat zur Folge, daß auch die Oszillatorstabilität in etwa dem gleichen Maße zurückgeht.
  • Eine dem Stand der Technik entsprechende Maßnahme sowohl zur Minderung der Empfindlichkeit der DR-Resonanzfrequenz gegenüber Dickenänderungen des Substrats 19 als auch zur Erhöhung der Güte des frequenzbestimmenden Teils der Oszillatorschaltung ist es, eine dielektrische Abstandscheibe zwischen Substrat 19 und DR 12 zu legen. Tatsächlich erhöht sich dann QL insgesamt (Kurve b), nimmt aber ebenso wie bei direkt aufliegendem DR mit sinkendem Luftspalt a drastisch ab.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile der durch dielektrische Resonatoren stabilisierten Mikrowellenostillatoren nach dem Stand der Technik zu beseitigen und Oszillatoren zu schaffen, die einerseits mechanisch weit durchstimmbar sind und andererseits im gesamten Durchstimmbereich eine hohe und nahezu konstante Frequenzstabilität gegenüber Temperaturänderungen haben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vor allem durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere im Unteranspruch 2 sowie ferner in den Unteransprüchen 3 bis 12 beschrieben.
  • Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung anhand der Zeichnung und werden an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigen Bild 1: Beispiele von Prinzipschaltbildern von DR-stabilisierten FET-Oszillatoren nach dem Stand der Technik a) DR in der Rückkopplungsschleife, Drainelektrode als Ausgang, b) wie a), aber Sourceelektrode als Ausgang c) DR in einem Stabilisierungsnetzwerk an der Gateelektrode, d) DR in einem Stabilisierungsnetzwerk an der Sourceelektrode, e) DR in einem Stabilisierungsnetzwerk an der Sourceelektrode, die gleichzeitig den Ausgang bildet; Bild 2: schematisch eine Anordnung für die Messung der Resonanzfrequenz fRes eines dielektrischen Resonators in einer Mikrostripschaltung; Bild 3: Diagramme zur Abstimmung eines dielektrischen Resonators mit einer Schraube, nämlich a) FrequenzänderungtfRes über dem Luftspalt a und b) Differenzquotient a fRes/z a; Bild 4: ein Diagramm der belasteten Güte QL eines wie in Bild 2 als Transmissionsresonator geschalteten dielektrischen Resonators, nämlich Kurve: a) Resonator liegt auf dem Mikrostripsubstrat, b) Dielektrische Abstandsscheibe zwischen Substrat und DR; Bild 5: ein Prinzipbild des frequenzbestimmenden Teils eines DR-stabilisierten Oszillators; Bild 6: ein Diagramm der maximalen Frequenzdrift über der Abstimmfrequenz fT. Durchgezogene Kurve: keramikgefülltes Teflon, Fr = 10.5, h = 635um; gestrichelte Kurve: glasfaserverstärktes Teflon,# = 2,3, h = 790ym; Bild 7: zwei schematische Darstellungen der Ankopplung eines dielektrische Resonators (DR) über sogenannte Hakenantennen, also als sogenannte Mikrostrip-Hakenkopplung, jeweils in Seiten- und in Draufsicht, nämlich a) DR vom Reflexionstyp, b) DR vom Transmissionstyp; Bild 8: ein Diagramm der belasteten Güte 0L eines wie in Bild 7b) als Transmissionsresonator geschalteten dielektrischen Resonators; Bild 9: eine im wesentlichen schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Oszillators mit einem dielektrischem Resonator in der Rückkopplungsschleife in der Draufsicht ohne Gehäusedeckel; Bild 10: das Ausführungsbeispiel nach Bild 9 im schematischen Längsschnitt.
  • Bei der Beschreibung des Standes der Technik wurde deutlich, daß zwei Maßnahmen ergriffen werden müssen, um breitbandig durchstimmbare, gleichzeitig gegenüber Temperaturänderungen nahezu konstant frequenzstabile DR-stabilisierte Oszillatoren aufzubauen. Zum einen muß dafür gesorgt werden, daß sich die Güte der Stabilisierungaschaltung während der Abstimmung nicht wesentlich verändert, zum anderen muß das gesamte System Oszillator-Oszillatorgehäuse entsprechend richtig ausgelegt sein.
  • Es wird zunächst die zweite Maßnahme betrachtet.
  • Bild 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau des frequenzbestimmenden und -stabilisierenden Teil eines DR-stabilisierten Oszillators. Die eigentliche Mikrostrip-Oszillatorschaltung befindet sich auf einem Substrat 19 und ist der Einfachheit halber nicht eingezeichnet, für die zunächst folgenden Uberlegungen aber auch nicht wesentlich.
  • Das Substrat 19 habe die Dicke h. Zwischen Substrat 19 und DR 11 befindet sich eine dielektrische Abstandsscheibe 20 der Dicke s. Sie kann anders als in Bild 5 auch als Rohr ausgebildet sein, ihre Form muß nicht notwendigerweise zylindrisch sein. Der DR 11 habe die Höhe H, auch er kann die Form eines Rohres haben. Substrat 19, Abstandsscheibe 20 und DR 11 befinden sich in einem Gehäuse mit einem hier topfförmigen Gehäusekörper 21, einem Gehäusedeckel 22 und der vom Gehäusedeckel aus verstellbaren Abstimmschraube 12. Der Gehäusekörper 21 habe die innere Höhe g, die Abstimmschraube 1? die Eintauchtiefe 1. Die tatsächlich verwendete Form des Gehäusekörpers 21 ist von untergeordnetem Interesse, insbesondere kann die Abstimmschraube 12 auch einen so großen Durchmesser haben, daß sie den Querschnitt des Gehäusekörpers 21 praktisch vollständig ausfüllt. Die gesamte Anordnung hätte dann die Form eines zylindrischen Hohlraumresonators. Der DR 11 befindet sich im Abstand h + 5 von der Nikrostrip-Rückseitenmetallisierung 23. Der Luftspalt a berechnet sich zu a =- g - 1 - H - s - h. Bei starker Verstimmung kann man mit auch + s rechnen, so daß dann der Luftspalt a und seine Änderung im wesentlichen die Frequenzstabili tät des Oszillators bestimmt. Mit steigender Temperatur dehnen sich Substrat 19, DR 11, Abstandsscheibe 20 und Abstimmschraube 12 aus und verkleinern den Luftspalt a.
  • Dementgegen arbeitet die Ausdehnung des Gehäusekörpers 21, die mit der Größe g auch den Luftspalt a vergrößert.
  • Die Parameter, die die Änderung des Luftspaltes a und den Abstand h + s des DR 11 von der Mikrostrip-Rückseitenmetallisierung in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmen, sind - Die Dicke h und der Ausdehnungskoeffizient αM des Nikrostripsubstrats 19, - die Dicke s und der Ausdehnungskoeffizientoc, der Abstandsscheibe 20, - die Höhe H und der AusdehnungskoeffizientocDR des DR 11, - die Eintauchtiefe 1 und der Ausdehnungskoeffizient der des der Abstimmschraube 12 und - die Höhe g und der Ausdehnungskoeffizient## des Gehäusekörpers 21.
  • Die Änderung von a und h + s mit der Temperatur bestimmt gemäß Bild 3a den Temperaturgang der Resonanzfrequenz fRes des DR 11. Dem ist dann noch der Frequenzgang des DR 11 selbst aufgrund seines Temperaturkoeffizienten linear überlagert. Der Temperaturkoeffizientß DR DRkann bei kommerziell erhältlichen DR zwischen etwa -4ppm/K und +13ppm/K gewählt werden. Insgesamt ist dann die Resonanzfrequenz fRes des DR 11 und damit im wesentlichen auch die Schwingfrequenz f eines Oszillators eine Funktion f = F ( h« M s M AcH iDR l,##, PDR )* Sie ist, da die Kurven in Bild 3 nicht in geschlossener mathematischer Form vorliegen, nicht ohne weiteres analytisch lösbar. Eine numerische Lösung ist aber nicht schwierig, auch dann nicht, wenn eine Minimierung der Frequenzänderungen A f als Funktion der Temperatur für alle Längen l, nach g - h - s - H > l ># 0 durchgeführt wird. Eine numerische Minimierung = F (1) ist Grundlage für die Dimensionierung des später beschriebenen Ausführungsbeispiels.
  • Berechnungsbeispiele für die maximale Frequenzdrift A fmax eines Oszillators aufgrund der Änderungen der Resonanzfrequenz AfRes des DR 11 in einer Anordnung wie in Bild 5 sind in Bild 6 dargestellt. Die vorgegebene Variable ist die Abstimmfrequenz fT = F (1), um die der DR 11 gegenüber dem Zustand bei sehr weit entfernter Abstimmschraube 12 bestimmt ist. Bei den Rechnungen wurde die zunächst vereinfachenden Annahme gemacht, daß die Güte des Stabilisierungskreises für alle #T so hoch ist, daß der Stabilisierungskreis allein die Oszillatorfrequenz bestimmt.
  • Um die Möglichkeiten der hier dargestellten Uberlegungen besonders deutlich zu demonstrieren, wurden für die Be- rechnungen der Kurven in Bild 6 Materialien gewählt, die einerseits kostengünstig sind, andererseits aber hohe Material-Ausdehnungskoeffizienten haben, die den Bau von frequenzstabilen Oszillatoren erschweren.
  • Die durchgezogene Kurve wurde mit folgenden Parametern berechnet: Substrat: keramikgefülltes Teflon, F r = lot5, h = 635 Fm Abstandsscheibe: Plexiglas, s = o,6mm DR: H/D = 2mm / 5mm, Temperaturkoeffizient +2y5ppm/K Gehäuse: Messing, g = 9mm Abstimmschraube: Messing Die maximale Frequenzdrift variiert über einen Abstimmbereich von 1400 MHz um etwa 800 kHz.
  • Eine Kompensation der Frequenzdrift ist auch dann möglich, wenn ein Substrat mit einem noch höheren Ausdehnungskoeffizienten gewählt wird. Mit den Parametern: Substrat: glasfaserverstärktes Teflon, # r = 2,3, h = 79ohm Abstandsscheibe: Plexiglas, s = O,6mm DR: H/D = 2mm / 5mm, Temperaturkoeffizient +7,5ppm/K Gehäuse: Aluminium, g = 8mm Abstimmschraube: Messing ergibt sich die gestrichelte Kurve in Bild 6.
  • Kontrollmessungen an Oszillatoren mit Materialparametern wie im ersten Fall zeigten allerdings zunächst daß die hier dargestellten Überlegungen nur bis zu fT von etwa 500 MHz realisiert werden könnten. Dabei wurde ein Rückkopplungs- und Stabilisierungsnetzwerk in einer Form ähnlich der in Bild 2, d.h. mit parallelgeführten Mikrostreifenleitungen gewählt. Bild 4 erklärt den Sachverhalt: Mit wachsender Verstimmung sinkt die Güte des Stabilisierungsnetzwerkes so stark, daß die Drift der Oszillatorfrequenz aufgrund der Änderungen des Verstärkungselementes mit der Temperatur immer stärker ins Gewicht fällt.
  • Geringere Frequenzdrifte sind mit Materialien, die niedrigere Ausdehnungskoeffizienten haben, ohne weiteres möglich.
  • Dabei ist an Keramiksubstrate, z.B. Al203, oder Quarzsubstrate, an Abstandsscheiben aus Quarzglas oder keramischem Material und an diverse Invar-Legierungen für den Gehäusekörper und -deckel sowie die Abstimmschraube zu denken. Wie schon. vorher erwähnt, ist für konstante Frequenzstabilität gegenüber Temperaturänderungen im gesamten Abstimmbereich auch noch die Bedingung zu erfüllen, daß die Güte der Stabilisierungsschaltung über der Abstimmung bei Temperaturänderungen wenigstens näherungsweise konstant bleibt. Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die Verkopplung der Mikrostripschaltung mit dem DR 11 für den Fall, daß der DR 11 als Reaktions- oder Reflexionsresonator arbeitet, über eine als Mikrostrip ausgeführte Hakenantenne 24 bewerkstelligt wird (Bild 7a), was als Mikrostrip-Hakenkopplung bezeichnet werden könnte, bei der also der sich unterhalb des DR erstreckende Mikrostripendteil hakenförmig, z.B. der Kontur des DR folgend, ausgebildet ist. Ist der DR 11 als Transmissionsresonator geschaltet, wird er wie in Bild 7b über zwei Hakenantennen 25,26 der beschriebenen Art angekoppelt. Schaltungen dieser Art wurden bereits untersucht (R. Bonetti, A. Atia: flcoupling of Cylindrical Dielectric Resonators to Microstrip Liner, Proc. IEEE MTT-S, Washington 1981, pp. 167-169). Rechnungen und Messungen zeigen daß die Güte einer Anordnung wie in Bild 7b stark vom Hakenradius RH und -winkel# f abhängt.
  • Da in einer Oszillatorschaltung prinzipiell hohe GUten gewünscht werden, sind kleine Winkel # und Radien RH nahe am Durchmesser des DR 11, RDR, günstig. Andererseits darf RH nicht zu groß gewählt werden, um ein zu starkes Absinken der Resonatorgüte mit der Abstimmung zu vermeiden. Als guter Kompromiß hat sich ein Winkel P von etwa 450 und ein RH / RDR von etwa 0,8 herausgest#llt.
  • Meßergebnisse für = 450 RM / %R = 0.8 und eine Abstandsscheibe aus Plexiglas mit s = 0,6mm sind in Bild 8 dargestellt. Sie wurden in einer Meßvorrichtung ähnlich wie in Bild 2 mit der Anordnung von Bild 7b aufgenommen. Als Substratmaterial wurde keramikgefülltes Teflon, h = 635um, Er = 10,5 verwendet. Die Güten erreichen zwar nicht den Maximalwert wie bei durchgehenden Mikrostreifenleitungen (Bild 2), fallen aber über der Abstimmung bei weitem nicht so stark ab.
  • Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
  • Es betrifft einen Mikrowellenoszillator mit einem FET 1 und einem DR 11 in einer Rückkopplungs- und Stabilisierungsschleife 2 nach der Prinzipschaltung in Bild la ohne Widerstand RG 5. Die Schaltung und der prinzipielle Aufbau sind in Bild 9 und 10 dargestellt. Sie enthält die gleichen Materialien und Abmessungen, wie sie zur Berechnung der durchgezogenen Kurve in Bild 6 herangezogen wurden, und arbeitet im X-Band um 11GHz.
  • Der FET 1 liegt mit seiner Sourceelektrode S auf Masse, die Drainelektrode D dient als Ausgang, der FET wird zwischen Drain- und Gateelektrode über die Mikrostreifenleitungen 27 und 28, deren Hakenantennen 25,26, den DR 11 und die Abstimmschraube 12 zurückgekoppelt und stabilisiert. Die Gleichspannungsversorgungen für Drain- und Gateelektrode, VDS und VGS, sind nur prinzipiell eingezeichnet. Die Länge der Nikrostreifenleitungen 27 und 28 zwischen dem FET 1 und den Hakenantennen 25 und 26 ist so kurz wie möglich (unnötige Vielfache von A /2 der i Wellenlange X auf den Mikrostreifenleitungen werden vermieden) und so gewählt, daß die Phase der von der Drainelektrode zur Gateelektrode übergekoppelten Welle für eine positive Rückkopplung sorgt. Wegen der elektrischen Kürze des Rückkopplungswegs liegt der Durchstimmbereich des Oszillators bei etwa 2000 MHz. Bis zu einem fT von etwa 1500 MHz folgt der Oszillator befriedigend genau der in Bild 6 gezeigten Kurve. Für größere fT sinkt die Frequenzstabilität dann stark ab, da für diese Werte dann doch die Güte des Stabilisierungskreises zu sehr abnimmt.
  • Bis zu fT von 1500 MHz ist auch keine wesentliche Änderung des Amplituden- und Frequenzrauschens festzustellen.
  • Da sehr kostengünstige Materialien verwendet werden und der Oszillator äußerst kompakt und mechanisch einfach aufgebaut ist, bietet er sich zur Anwendung in Systemen an, bei denen der Kostenfaktor einen entscheidenden Punkt darstellt. Das gilt insbesondere für Empfangsanlagen für zukünftige direktsendende Rundfunksatelliten. Wegen seines großen Durchstimmbereiches und seiner dennoch über weite Frequenzbereiche nahezu gleichbleibenden Frequenzstabilität gegenüber Temperaturänderungen kann er ohne Schar tungsänderungen in Empfangs anlagen für verschiedenste Satelliten eingesetzt werden.
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Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE 9 Breitbandig abstimmbarer Mikrowellenoszillator in Mikrostripschaltung mit einem dielektrischen Resonator, gekennzeichnet durch ein Stabilisierungsnetzwerk (2,3) mit nahezu abstimmungsunabhängiger Güte und eine Anordnung aus Oszillatorgehäuse (21, 22), Abstimmschraube (12), Mikrostripsubstrat (19), Abstandsscheibe (20) und dielektrischem Resonator (11), die Frequenzänderungen infolge von Temperaturänderungen breitbandig kompensiert.
    wellen 2. Mikrdbszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Frequenzenderungen infolge von Temperaturänderungen das Oszillatorgehäuse (21,22), das Mikrostripsubstrat (19) und die Abstandsscheibe (29) für eine absinkende Schwingfrequenz mit steigender Temperatur, die Abstimmschraube (12) für eine steigende Schwingfrequenz mit steigender Temperatur und der dielektrische Resonator (11) für eine sinkende oder steigende Schwingfrequenz mit steigender Temperatur sorgen und die Abmessungen und Temperaturkoeffizienten von.Oszillatorgehäuse, Abstimmschraube, Mikrostripsubstrat und Abstandsscheibe und der Temperaturkoeffizient des dielektrischen Resonators so gewählt sind, daß sich die gegenläufigen Einflüsse der genannten Oszillatorteile über einen weiten Bereich der Stellung der Abstimmschraube und damit über einen weiten Bereich der Schwingfrequenz kompensieren.
    3. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1 oder 2,#gekennzeichnet dadurch, daß das schwingungserzeugende Element ein Feldeffekttransistor (1) oder ein bipolarer Transistor ist.
    4. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Feldeffekttransistor (1) bzw. der bipolare Transistor in Source- (bzw. Emitter-), Gate- (bzw. Basis-) oder Drain- (bzw. Kollektor-) schaltung angeordnet ist.
    5. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Feldeffekttransistor (1) bzw. bipolare Transistor mit Mikrostrip-Schaltelementen beschaltet ist, die durch positive Rückkopplung für ein selbstsndiges Schwingen der Transistoren sorgen.
    6. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Stabilisierungsnetzwerk in Form eines Rückkopplungsnetzwerkes (2) mit einem dielektrischen Resonator (11), der als Transmissionsresonator geschaltet und über zwei Mikrostrip-Hakenantennen(25,26) angekoppelt ist.
    7. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 3 und 5, gekennzeichnet durch ein Stabilisierungsnetzwerk (3) mit einem dielektrischen Resonator (11), der als Reflexions-oder Reaktionsresonator geschaltet und über eine Mikrostrip-Hakenantenne (24) angekoppelt ist.
    8. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstandsscheibe (20) auf de#m Mikrostripsubstrat (19) aufliegt.
    9. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Mikrostripsubstrat (19) unterhalb des dielektrischen Resonators (11) durchbohrt ist und die Abstandsscheibe (20) in der Bohrung auf dem Gehäusekörper (21) auf liegt.
    10. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 7 und 9, gekennzeichnet dadurch, daß der Gehäusekörper (21) unterhalb von dielektrischem Resonator (11) und Abstandsscheibe (20) mit einer Bohrung zur Erhöhung der Höhe der Abstandsscheibe (20) versehen ist.
    11. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstimmschraube (12) einen Durchmesser hat, der wesentlich kleiner ist als die Breite des Gehäusekörpers (21) 12. Mikrowellenoszillator nach den Ansprüchen 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstimmschraube (12) und der Gehäusekörper(21) gleichen Außen- bzw. Innendurchmesser haben und die Abstimmschraube (12) in den Gehäusekörper (21) eingeschraubt ist.
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