DE3323963A1 - Anordnung zur temperaturstabilisierung von halbleiteroszillatoren in hohlleiterttechnik, insbesondere fuer millimeterwellen - Google Patents
Anordnung zur temperaturstabilisierung von halbleiteroszillatoren in hohlleiterttechnik, insbesondere fuer millimeterwellenInfo
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- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
Description
-
- Anordnung zur Temperaturstabilisierung von Halbleiter-
- oszillatoren in Hohlleitertechnik, insbesondere für Millimeterwellen Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Oszillatoren für mm-Wellen-werden häufig mit aktiven Halbleiter-Elementen wie Gunn-Elemente oder Impatt-Dioden aufgebaut. Die Schwingfrequenz der Schaltungen ist abhängig von den Abmessungen der Schaltung (z. B. Hohlleiter) und den elektrischen Eigenschaften des aktiven Elements. Vor allem letztere sind stark temperaturabhängig, was zu einer Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz des Oszillators führt. Es ist bekannt, diese Temperaturdrift durch a) temperaturstabile Resonatoren hoher Güte, b) Resonatoren niedriger Güte mit geeignet gewählten: Temperaturbeiwert der Resonanzfrequenz oder c) durch aktive Regelkreise, z. B. PLL-Schaltungen zu reduzieren.
- Hochgütige Resonatoren können zwar dazu beitragen, das Rauschen des Oszillators zu reduzieren, Stabilisierungsschaltungen mit# solchen Resonatoren sind jedoch gerade im mm-Wellenbereich nur mit sehr engen Toleranzen der Hohlleiter-Schaltungselemente aufzubauen. Im übrigen besteht die Gefahr, daß z. B. bei einer starken Alterung des aktiven Elements die Stabilisierungsbandbreite verlassen wird und der Oszillator praktisch völlig unbeeinflußt von dem Stabilisierungaresonator arbeitet.
- Die Schaltungen mit aktiven Regelkreisen sind zuverlässig und erfordern keine besonderen Toleranzen der Hohlleiterbauelemente, sind aber auf Grund der benötigten Referenzquellen und Mischerschaltungen (PLL) insgesamt sehr aufwendig und teuer.
- Die Temperaturstabilisierung mit Hilfe von niedergütigen Resonatoren benutzt den Temperaturgang dieser Resonatoren zur Kompensation des Temperaturganges des eigentlichen Oszillators (mit dem-aktiven Element). Zu diesem Zweck wird der Resonator so aufgebaut, daß durch die Temperaturänderung z. B. eine der elektrisch wirksamen Abmessungen reduziert oder vergrößert wird. Dabei werden im wesentlichen entweder die Länge des Resonators beeinflußt, die Breite des Resonators oder die Eintauchtiefe eines kapazitiven Abstimmstiftes.
- Abstimmstifte sind bei Millimeterwellenfrequenzen nur schwer mit der notwendigen Präzision anzufertigen und scheiden daher praktisch aus. Die Temperaturabhängigkeit der Resonatorlängen oder-breiten wird durch Benutzung von zwei Materialien unterschiedlicher Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten im Aufbau der Resonatoren erreicht. Bei Resonatoren mit einer temperaturabhängigen Länge müssen bei Verwendung der Materialien Kupfer und Invar in der Regel sehr große Resonatorlängen benutzt werden. Werden z. B. Invar und spezielle metallisierbare Kunststoffe mit hohen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt, können kurze Resonatoren ausreichen, es ergibt sich aber eine gewisse Trägheit (Zeitverschiebung) der Kompensationswirkung auf Grund der unterschiedlichen thermischen Leitfähigkeiten der Materialien.
- Bezüglich Resonatoren mit einer temperaturabhängigen Breite wurde vorgeschlagen (R. Stevens, F.A. Myers: "Temperature Compensation of Gunn Oscillators", Electronic Letters, Oktober 1974, pp. 463-464) die aktiven Elemente (Gunn-Dioden) in den Resonator direkt einzubauen, wobei die Seitenwände des Resonators durch ein metallisiertes Kunststoffmaterial mit großer Temperaturausdehnung (Plexiglas) gebildet werden. Die Benutzung von Kunststoffen hat den oben erwähnten Trägheitseffekt zur Folge und die Vereinigung von Resonator und aktiven Elementen macht den Abgleich und die Abstimmung der Schaltung schwierig.
- Weiterhin ist der bekannte Aufbau mechanisch schwingfähig, was zu Mikrofonie führen kann.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bauform des temperaturkompensierten Oszillators anzugeben, die die erwähnten Nachteile vermeidet.
- Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Ausbildungen der Erfindung.
- Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren, die eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung zeigen, näher erläutert.
- Zur Erleichterung von Abgleich und Abstimmung der Oszillatorschaltung wird die eigentliche Oszillatorschaltung mit dem aktiven Element getrennt von dem Kompensationsresonator aufgebaut.
- FIG, 1 zeigt die beiden Teile, links ein Hohlleiterblock mit dem Gunn-Element und rechts der Kompensationsresonator 2, der an den "aktiven" Block angeflanscht ist. Der Gunn-Oszillator 1 besteht aus einem Hohlleiterzug, der im unkompensierten Fall als Resonator dient. Die Gunn-Diode D ist in eine Hitzesenke H montiert und wird mit einem Bandstop-Filter F kontaktiert. Im unkompensierten Fall ist der Oszillator in der Ebene K mit einem metallischen Kurzschluß abgeschlossen.
- Die frequenzbestimmenden Abmessungen des Oszillators werden so gewählt, daß ein möglichst großer Abstimmbereich durch Verschiebung der Kurzschlußebene um den Ort K + erzielt wird.
- Der Kompensations-Resonator 2 wird anstelle des metallischen Kurzschlusses bei K angebracht und wirkt der temperaturabhängigen Frequenzänderung des Oszillators durch eine temperaturabhängige Änderung der Breite a des Resonators 2 entgegen. Hier wird die Breite des Hohlleiters durch eine Bi-Metall-Konstruktion geändert.
- FIG. 2 zeigt den Kompensationsresonator im Querschnitt.
- Zwei in Kupferblöcke 4 eingefräste Nuten 3 bilden einen Hohlleiter mit der Breite a. Der Schlitz 6 in der Mitte bleibt in erster Näherung wirkungslos, da beim H10-Hohlleitermodè im Schlitzbereich keine Wandströme fließen. Der verschwindend kleine Anteil an Energie, der sich im Schlitz ausbreiten kann, wird vorteilhafterweise durch eine k/4-Stufe 7 abgedrosselt. Die Kupferblöcke 4 sind in einem Halterahmen 5 aus Invar eingebettet. Die Breite B der Kupferblöcke 4 bestimmt ebenso wie die Breite a des Hohlleiters die Abstimmsteilheit des Resonators. Die Länge L des Resonators wird vorteilhafterweise durch Einlöten von kleinen Kurzschluß-Kupferblöcken in die Hohlleiterhälften festgelegt.
- Man kann, wenn die Breite des Hohlleiters nur wenig größer als Ao/2 gewählt wird (nahe der kritischen Frequenz) eine große Abstimmsteilheit erzielen.
- Der mechanische Aufbau ist solide und enthält keine mechanisch schwingfähigen Teile, so daß Mikrofonie ausgeschlossen ist.
- Der Invarrahmen 5 ragt um 2/100 mm über die Kupferblöcke 4 hinaus. Der elektrische Kontakt ist durch eine Anzahl von tiefen Schlitzen (chokes) im Oszillatorblock in der Umgebung der Hohlleiterkontakte gewährleistet. Auf diese Art wird ein Reibekontakt der Kupferteile mit dem Ostillatorbiock ausgeschlossen. Der Oszillatorblock besteht wie der Halterahmen 5 aus Invar, um im Bereich der Verschraubung Wärmespannungen zu vermeiden. Die Flächen von Osziilatorblock$und--Halterahmen 5 und die Kontaktflächen von Kupfer zu Invar sind diamantgeläppt, um jede Art von wärmebedingtem Gleiten so ungehemmt wie nur möglich stattfinden zu lassen. Auch wird so der Wärmeübergang von Invar zu Kupfer optimal und damit die thermische Einschwingzeit minimal.
- Die Kupferblöcke 4 sind vorteilhafterweise mit dem Halterahmen 5 im vorderen Bereich verstiftet und mit zwei Spreizfedern 8 in den Halterahmen geklemmt. Die Spreizfedern verstärken die Wirkung der vorher beschriebenen Hochfrequenzdrossel (X/4-Stufe 7) für den Schlitzbereich, da sie ebenfalls h /4 lang sind und damit einen Kurzschluß in den Schlitzbereich transformieren.
- Es dürfen keine Gleitmittel (Öle, Fette, Teflonfolien) zwischen den Kontaktflächen sein, da sonst Langzeitwirkungen (wie z. B. Schwund, Verharzen u. ä.) nicht ausgeschlossen werden können.
Claims (5)
- Patentansprüche Anordnung zur Temperaturstabilisierung von Halbleiteroszillatoren in Hohlleitertechnik, insbesondere für Millimeterwellen, bei welcher die Breite eines Kompensationsresonators beeinflussbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der eigentliche Halbleiteroszillator (1) und der Kompensationsresonator (2) sind getrennt aufgebaut, jedoch gut wärmeleitend miteinander verbunden; - der Kompensationsresonator (2) weist derartige Abmessungen auf, daß er nahe der Grenzfrequenz arbeitet; - der Kompensationsresonator (2) ist durch Nuten (3) in zwei symmetrischen Kupferblöcken (4) gebildet, welche jeweils eine Hohlleiterhälfte darstellen; - die Kupferblöcke (4) sind in einen Halterahmen (5) aus Invar eingebettet, derart, daß zwischen den Kupferblöcken ein Schlitz (6) frei bleibt.
- 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) des Kompensationsresonators (2) durch Kurzschlußkupferblöcke festgelegt ist, welche in die Nuten (3) eingelötet sind.
- 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schlitz (6) oberhalb und unterhalb der Nuten (3) #/4-Stufen (7) eingefräst sind.
- 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferblöcke (4) durch Spreizfedern (8) gespreizt werden.
- 5. Anordnung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferblöcke (4) im vorderen Bereich mit dem Halterahmen (5) verstiftet sind.
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