DE3436673C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Oszillator in integrierter Schaltung mit einer hohen Ausgangsleistung im Millimeter-Wellenbereich und mit einem Gunn-Dioden-Kreis.

Aus der US-Patentschrift 36 80 002 ist ein Mikrowellen-Oszilla­ tor in Streifenleitungstechnik bekannt mit einer Gleichspan­ nungszuführung und einer Impedanzanpassung sowie einer einzigen Diode.

Die US-Patentschrift 39 84 787 beschreibt einen Mikrowellen-Os­ zillator mit einer IMPATT-Diode, der ebenfalls in Streifen­ leitungstechnik aufgebaut ist und der zur Frequenzabstimmung eine Varaktor-Diode aufweist, die neben der IMPATT-Diode ange­ ordnet und mit dieser durch Bonddrähte verbunden ist.

Die US-Patentschrift 39 69 689 beschreibt einen Oszillator mit zwei Lawinen-Dioden 44 und 82, die auf einer Achse angeordnet sind. Die beiden Dioden sind auf der Oberseite und der Unter­ seite einer Streifenleitung angekoppelt.

Aus der britischen Patentschrift GB 18 67 303 ist ein Mikro­ wellen-Oszillator bekannt mit einem Hohlraumresonator, bei dem eine Gunn-Diode und eine Varaktor-Diode auf einer Achse im Hohlraum angeordnet sind.

Durch eine Kapazitätsdiode abgestimmte Gunn-Dioden dienen häufig als Oszillatoren in Empfängern und als Leistungs/Trei­ ber-Stufen in Sendern. Die Abstimmung mittels eines Varaktors (Kapazitätsdiode) ermöglicht die Veränderung der Frequenz des Oszillators entsprechend der Größe einer Gleichspannung, welche an dem Varaktor anliegt. Die Kombi­ nation einer Gunn-Diode mit einem Varaktor ergibt einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO), welcher in einer PLL-Schaltung (phase locked loop) dazu dienen kann, ein empfangenes Trägersignal zu synchronisieren, oder auch dazu, einen Oszillator über einen breiten Frequenzbereich abzustimmen.

In mit extrem hohen Frequenzen arbeitenden Kommunikationssystemen, also etwa im Millimeterwellenbereich, ist es wünschenswert, das Gewicht, die Größe und die Rosten der Bauteile möglichst gering zu halten. Die meisten spannungs­ gesteuerten Gunn-Oszillatoren sind auf Anordnungen be­ schränkt, in denen Hohlleiter verwendet werden, welche nicht mit kleinen Abmessungen zu geringen Kosten herstell­ bar sind. Beispielsweise wurden Ausgangsleistungen von 100-150 Milliwatt (mW) erreicht mit Hohlleiter-Techniken mit Frequenzen im Q-Band (33-50 Gigahertz).

Der Einsatz von integrierten Schaltungen im Millimeterwel­ lenbereich (MIC) war bisher für diese Zwecke wenig erfolg­ reich. In integrierter Form sind derartige Schaltungen selbstverständlich kleiner, leichter und in großen Stück­ zahlen mit geringerem Kosten herstellbar als die entspre­ chenden Teile mit Hohlleitern. Bisher wurden derartige integrierte Oszillatoren aber nur mit Mikro-Streifenleitern verwendet, bei denen der leitende Streifen auf einem dielek­ trischen Substrat ausgebildet ist. Derartige Schaltungen weisen aber hohe Verluste auf. Typische Ausgangsleistungen im Frequenzbereich des Q-Bandes liegen unterhalb 50 mW. Eine solche Mikro-Streifenleiter-Anordnung mit einer Aus­ gangsleistung von 40 mW ist beispielsweise beschrieben in der Veröffentlichung von David Rubin: "Varactor-Tuned MillimeterWave MIC Oscillator", IEEE Trans. on Microwave Theory & Tech.; Vol. MTT-24, Nov. 1976, S. 866-67.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen spannungsgesteuerten Oszillator in integrierter Bauweise bereitzustellen, der gute Ausgangsleistungen im Millimeter­ wellenbereich aufweist.

Ein diese Aufgabe lösender Oszillator ist mit seinen Ausge­ staltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäß integrierte, spannungsgesteuerte Oszillator hat relativ hohe Ausgangsleistungen im Milli­ meterwellenbereich und weist einen Gunn-Dioden-Anschlußkreis auf, welcher als freihängen­ der Streifenleiter ausgebildet ist. Der Oszillator weist weiterhin ein isolierendes Substrat, ein Gunn-Dioden- Kontakt-Plättchen auf einer ersten Seite des Substrates, einen Gleichspannungs-Schaltkreis, der mit dem Kontakt-Plät­ tchen verbunden ist und einen Hochfrequenzfilter auf­ weist, sowie einen Ausgangsschaltkreis auf, welcher mit dem Kontaktplättchen (Kontaktfläche) verbunden ist und einen Abschnitt zur Impedanz-Anpassung aufweist. Der Oszil­ lator enthält weiterhin eine Gunn-Diode welche so mon­ tiert ist, daß sie in Verbindung mit dem Kontakt-Plättchen steht, sowie ein Varaktor-Kontakt-Plättchen auf der zweiten Seite des Substrats, gegenüberliegend dem Gunn-Dioden- Kontakt-Plättchen, und eine Varaktor-Diode, welche zumindest annähernd auf die Gunn-Diode ausgerichtet ist und in Kontakt mit dem Varaktor-Kontakt-Plättchen steht.

Die Kombination eines Gunn-Dioden-Schaltkreises in Form eines hängenden Streifenleiters mit einem mehrteiligen Impedanz-Anpassungsabschnitt im Ausgangskreis ermöglicht eine merkliche Steigerung der Ausgangsleistung im Vergleich mit herkömmlichen integrierten Anordnungen, in denen ein Mikro-Streifen eingesetzt wurde. Insbesondere die Ausrich­ tung der Varaktor-Diode und der Gunn-Diode in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander ermöglicht eine bessere Koppelung zwischen beiden, was verbesserte Betriebseigenschaften zur Folge hat. Ein anderer wesentlicher Vorteil der frei­ schwebenden Streifenleiter-Anordnung ist darin zu sehen, daß die Feineinstellung und Justierung der Vorrichtung ohne besondere Lötarbeiten möglich ist. Nach der Justie­ rung, beispielsweise durch Abstimmen einzelner Teile des Kreises, kann die Vorrichtung höchst einfach wieder zusam­ mengebaut werden, wobei die Gunn-Diode und die Varaktor- Diode zuverlässig wieder in ihre vorherige Position und insbesondere ihre Relativposition gelangen.

Im einzelnen ist das Substrat in einer Ausnehmung in einem Metallblock aufgehängt und bildet die Grund-Ebene für die Vorrichtung. Das Substrat ist etwa im mittleren Ab­ schnitt der Ausnehmung eingeklemmt, welche einen Ausgangs­ abschnitt aufweist, durch den die Ausgangsleistung übertragen wird, während ein Vorspannungs-Eingangsabschnitt sich etwa rechtwinklig zum Ausgangsabschnitt erstreckt. Die Gunn-Diode und die Varaktor-Diode sind entlang einer Achse positioniert, welche senkrecht auf den Achsen des Ausgangsabschnittes und des Eingangsabschnittes der Aus­ nehmung steht.

Die Gunn-Diode wird durch eine Befestigungseinreichtung in Position gehalten, welche einen Erd-Kontakt aufweist, der einen Anschluß der Gunn-Diode mit Masse verbindet, während der andere Anschluß in Kontakt steht mit dem Gunn-Di­ oden-Kontakt-Plättchen auf dem Substrat. Ein elastisch vorgespannter Kontaktkörper steht mit einem Anschluß der Varaktor-Diode in Kontakt und drückt den anderen Anschluß in Richtung auf das Varaktor-Kontakt-Plättchen auf dem Substrat.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung auch gleitende Kurzschlußeinrichtungen auf, die ausgerichtet auf den Ausgangs-Schaltkreis montiert sind. Die gleitenden Kurzschlußeinrichtungen weisen einen Durchgangsabschnitt auf, der koaxial mit dem Ausgangs-Durch­ laßabschnitt angeordnet ist, sowie einen geerdeten bewegbaren Abschlußblock. Eine axiale Justierung dieses Blockes ermöglicht die Frequenzabstimmung der Vorrichtung über einen relativ breiten, aber begrenzten Bereich.

Der erfindungsgemäße Oszillator hat eine erhöhte Ausgangs­ leistung gegenüber den bekannten Oszillatoren und weist insbesondere ein besseres Betriebsverhalten auf als die bekannten Oszillatoren mit sogenannten "Mikro-Streifen". Darüberhinaus ist er wesentlich kleiner, leichter und kostengünstiger herstellbar als entsprechende Einrichtungen mit Wellenleitern.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen, spannungsgesteuerten Oszillator in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der in Fig. 1 gezeig­ ten Vorrichtung in Explosionsdarstellung;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1 zur Verdeutlichung der Anordnung der Gunn-Diode und der Varaktor-Diode in Bezug auf den freischwe­ benden Streifenleiter-Schaltkreis in Draufsicht;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3 mit der Streifenleiter-Anordnung in Draufsicht;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 3, welcher dort mit dem Bezugszeichen 5 angedeutet ist; und

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 der Fig. 5.

Gemäß den Fig. 1 und 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Metall-Block angeordnet, welcher zwei trennbare Hälften 10a und 10b aufweist, deren Stirnflächen 12a und 12b in zusammengebautem Zustand aneinanderliegen. Jede Block-Hälfte weist kanalförmige Ausnehmungen 14a und 14b auf, welche sich quer über die gesamte Breite der Seiten­ flächen 12a bzw. 12b erstrecken. Zusammen bilden diese Ausnehmungen eine Ausgangsleitung 14, wenn die Hälften des Blockes zusammengefügt sind. In der Mitte der sich quer erstreckenden Ausnehmungen 14a und 14b und senkrecht zu diesen setzen Ausnehmungen 16a und 16b an, welche sich jeweils bis zu einer Kante der Blockhälften erstrecken. Senkrecht zu jeder der Ausnehmungen 16a und 16b sind wei­ tere Ausnehmungen 18a und 18b ausgebildet, welche sich über die Block-Seitenflächen 12a und 12b erstrecken und zwar von den Ausnehmungen 16a und 16b bis zu entsprechenden Kante jeder Blockhälfte.

Gemäß Fig. 6 weisen die Ausnehmungen 16a und 18a in der Block-Häfte 10a eine Nut 20a auf, die sich entlang jeder der Kanten einer jeden Ausnehmung erstreckt. Ein etwa L-förmig gestaltetes Substrat 22 aus isolierendem Material ist in die Nut eingepaßt. Für das Substrat 22 kommen ver­ schiedene geeignete Materialien in Betracht und seine Stärke ist etwa 0,25 mm und entspricht etwa der Tiefe der Nut 20a oder ist etwas größer. Beim Zusammenbau der Block-Hälften 10a und 10b hängt also das Substrat 22 mittig in den Durchführungen 16 und 18, welche durch die Ausneh­ mungen 16a, 16b, 18a und 18b gebildet werden. Dies ist in Fig. 6 deutlich gezeigt.

Wie der Fig. 5 am besten zu entnehmen ist, sind eine Gunn- Diode und eine Varaktor-Diode 26 auf gegenüberliegenden Seiten des Substrates 22 angeordnet, und zwar im Schnitt­ punkt der Durchführungen 16 und 18 im Block 10. Die Gunn- Diode 24 ist auf der "a"-Hälfte des Blockes 10 angeordnet, während die Varaktor-Diode 26 auf der "b"-Hälfte angeordnet ist. Die beiden Dioden sind aufeinander ausgerichtet.

Auf dem Substrat 22 sind metallische Leiter auf beiden Seiten ausgeformt. Auf derjenigen Seite des Substrates 22, welche der Gunn-Diode 24 zugekehrt ist, ist eine solche Schaltung ausgeformt, die die Anschlußverbindungen für die Gunn-Diode bildet und einen schwebenden Streifenleiter als Ausgang der Vorrichtung darstellt. Dieser Schaltkreis weist ein Gunn-Dioden-Kontakt-Plättchen 30 sowie einen Ausgangs-Kreis 32 auf, der sich entlang der Durchführung 16 zur Ausgangsdurchführung 14 erstreckt.

Der Ausgangskreis 32 ist mit dem Gunn-Dioden-Kontakt- Plättchen 30 verbunden und weist einen aus mehreren Ab­ schnitten gebildeten Impedanz-Anpassungsumformer 34 auf, um die relativ niedrige Impedanz (etwa 8 Ohm) der Gunn- Diode an die Impedanz der Ausgangsleitung (etwa 50 Ohm) anzupassen. Der Ausgangskreis 32 endet in einem symmetri­ schen Kopf 37, der in der Ausgangs-Leitung 14 angeordnet ist und über den die Ausgangsleistung der Vorrichtung übertragen wird. Anstelle des Kopfes 37 kann die Ausgangs­ leistung auch auf ein anderes Bauteil des gleichen Substrats gekoppelt werden.

Auf der gleichen Seite des Substrates 22 wie der Ausgangs­ kreis 32 ist ein Vorspannungs-Eingangskreis 36 ausgebildet, der sich entlang der Leitung 18 der Vorrichtung erstreckt. Der Vorspannungs-Eingangskreis 36 ist ebenfalls mit dem Gunn-Dioden-Kontakt-Plättchen 30 verbunden und weist eine Mehrzahl von Abschnitten mit vergrößerter Breite auf, wie mit den Bezugszeichen 38 angedeutet ist, um als Hoch­ frequenzfilter zu dienen und Energien im Radio-Frequenzbe­ reich davon abzuhalten, entlang dem Eingangsanschluß einzu­ dringen. Auch sind auf dem Substrat 22 metallische Kanten­ streifen 40 ausgebildet. Diese stehen mit der Block-Hälfte 10a an der Nut 20a in Verbindung und bilden teilweise die Masse der Vorrichtung.

Eine positive Vorspannung ist über den Vorspannungs- Eingangskreis 36 an die Gunn-Diode 24 angelegt, welche an einen elektrischen Anschluß 41 auf dem Block zugeführt wird. Die Masse-Verbindung der Gunn-Diode 24 wird über eine Stützschraube 42 erreicht, die sich durch die Block- Hälfte 10a erstreckt.

Auf der gegenüberliegenden Seite des Substrates 22 ist benachbart der Varaktor-Diode 26 ein Varaktor-Dioden- Kontakt-Plättchen 44 ausgebildet und mit einem Kantenstrei­ fen 40b auf dem Substrat 22 verbunden. Das Plättchen 44 steht in Kontakt mit einem Anschluß der Varaktor-Diode 26 und stellt eine Verbindung zum Massenanschluß der Vor­ richtung dar. Eine negative Vorspannung ist an den anderen Anschluß der Varaktor-Diode 26 über den federgespannten Kontaktkopf 46 angelegt, welcher beispielsweise durch Drehung einer isolierenden Schraube 48 in der Block-Hälfte 10b einstellbar ist.

Die Wirkungsweise eines mittels eines Varaktors gesteuerten Gunn-Dioden-Oszillators ist gut bekannt und wird hier deshalb nicht näher beschrieben. Im wesentlichen weist die Gunn-Diode 24 unter bestimmten Bedingungen einen nega­ tiven Widerstand auf und sobald diesem eine entsprechende Last-Impedanz angepaßt ist, erfolgt eine Oszillation. Die Frequenz der Oszillation läßt sich in bestimmten Umfang durch ein Trimmen der Größe und Form des Gunn-Dioden- Kontakt-Plättchens 30 und der Impedanz-Anpassungswandler 34 steuern. Die Varaktor-Diode 26 stellt im wesentlichen einen Kondensator veränderlicher Kapazität dar, welcher parallel zur Gunn-Diode 24 geschaltet ist. Wird die Vorspan­ nung der Varaktor-Diode geändert, so ändert sich auch seine Kapazität und die Frequenz der Oszillation der Gunn- Diode ändert sich ebenfalls entsprechend.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bewirkt eine Änderung der Varaktor-Vorspannung über einen Bereich von etwa 20 Volt einen Abstimmbereich von etwa 300 MHz bei einer Ausgangs­ frequenz von etwa 40 GHz. Die Ausgangsleistung der Vor­ richtung liegt relativ konstant bei etwa 100 mW im gesamten Frequenz-Abstimmbereich. Mit abgeklemmter Varaktor- Diode beträgt die Ausgangsleistung der Vorrichtung relativ konstant etwa 150 mW im Frequenzbereich zwischen 33 und 41,5 GHz.

Eine andere wesentliche Eigenschaft der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine Feinabstimmung möglich ist, ohne daß die Geometrie des Kontakt-Plättchens verändert werden muß. Diese Möglichkeit wird durch die gleitende Kurzschluß- Einrichtung 50 (Fig. 3) eröffnet, welche in der Leitung 16 im Bezug auf die Dioden 24 und 26 gegenüberliegend dem Ausgangskreis 32 angeordnet ist. Die gleitende Kurz­ schlußeinrichtung 50, welche einen metallischen Abschluß der Hohl-Leitung 16 darstellt, ist auf der gleichen Achse beweg­ bar, welche auch die Achse des Streifenleiters 32 des schwebenden Ausgangskreises darstellt. Die Einstellung der Position der gleitenden Kurzschlußeinrichtung 50 ermöglicht eine Abstimmung über etwa 1,2 GHz. Hierdurch ist eine Endabstimmung der Vorrichtung möglich, ohne daß andere, aufwendi­ gere Abstimmtechniken erforderlich wären.

Es versteht sich aus der vorstehenden Beschreibung, daß die Erfindung einen erheblichen Fortschritt gegenüber herkömm­ lichen Gunn-Dioden-Oszillatoren darstellt. Insbesondere schafft die Erfindung einen Oszillator mit höheren Ausgangs­ leistungen als vergleichbare Einrichtungen mit integrierten Schaltungen, welcher zudem eine geringere Größe und ein ge­ ringeres Gewicht aufweist als Einrichtungen mit Wellenleitern. Auch ermöglicht die einstellbare Kurzschlußeinrichtung eine Abstimmung über einen relativ breiten Bereich. Auch läßt sich die integrierte Schaltungsanordnung mit anderen Bauelementen integrieren, welche auf dem selben Substrat ausgebildet werden können. Beispielsweise kann das Substrat 22 andere Komponenten eines Empfängers oder eines Senders aufnehmen.

Claims (6)

1. Spannungsgesteuerter Oszillator in integrierter Schaltung mit einer hohen Ausgangsleistung im Millimeter-Wellenbereich, mit folgenden Merkmalen:
ein Gunn-Dioden-Kreis (30, 32, 34, 36, 38, 40) weist folgende Bauteile auf:
ein Substrat (22), das nur an den seitlichen Kanten eingespannt ist, so daß an den freien Flächen Bauteile anbringbar sind, und auf dessen einer Seite ein Gunn-Dioden- Kontakt-Plättchen (30) angeordnet ist,
einen Gleichspannungs-Vorspannungskreis (36), welcher mit dem Kontakt-Plättchen (30) verbunden ist und ein Hochfrequenzfilter (38) aufweist, und einen Ausgangskreis (32), welcher mit dem Kontaktplättchen (30) verbunden ist und einen Impedanz-Anpas­ sungsabschnitt (34) aufweist; wobei
die Gunn-Diode (34) in elektrischem Kontakt mit dem Kontakt- Plättchen (30) steht,
ein Varaktor-Kontakt-Plättchen (44) auf der anderen Seite des Substrates (22) gegenüber dem Gunn-Dioden-Kontakt-Plättchen (30) ausgebildet ist und
eine Varaktor-Diode (26) in Kontakt mit dem Varaktor-Kontakt- Plättchen (44) steht und in bezug auf die Gunn-Diode (24) so ausgerichtet befestigt ist, daß beide Dioden sich in etwa auf einer Achse befinden.

2. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einstellbare Kurzschlußeinrichtung (50) auf den Ausgangskreis (32) ausge­ richtet ist und eine Abstimmung der Oszillator-Frequenz ermög­ licht.

3. Spannungsgesteuerter Oszillator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanz-An­ passungsabschnitt (34) mehrere Abschnitte aufweist, um eine Im­ pedanz-Anpassung zwischen der Gunn-Diode (24) und einem Aus­ gangskreis-Streifenleiter zu ermöglichen.

4. Spannungsgesteuerter Oszillator nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen leitenden Block (10a, 10b), welcher als Maßeanschluß der Vorrichtung dient; eine erste, in dem Block (10a, 10b) ausgebildete Durchführung (16a, 16b) und eine zweite, in dem Block ausgebildete Durchfüh­ rung (18a, 18b), welche miteinander verbunden sind, wobei eine Durchführung von der anderen rechtwinklig abgeht; wobei Strei­ fenleiter (32, 36) in den ersten und zweiten Durchführungen (16a, 16b, 18a, 18b) angeordnet sind und folgende Einzelteile aufweisen: das isolierende Substrat (22), welches in den ersten und zweiten Durchführungen befestigt ist, das Gunn-Dioden-Kon­ takt-Plättchen (30) auf einer ersten Seite des Substrats (22) im Bereich des Schnittpunktes der ersten und zweiten Durchfüh­ rungen (16a, 16b, 18a, 18b), einen Gleichspannungs-Vorspan­ nungskreis (36), welcher mit dem Kontakt-Plättchen (30) ver­ bunden ist und sich entlang der zweiten Durchführung (18a, 18b) erstreckt und einen Tiefpaß-Filter (38) aufweist, wobei der Ausgangskreis (32) mit dem Kontakt-Plättchen (30) verbunden ist, sich entlang der ersten Durchführung (16a, 16b) erstreckt und den Impedanz-Anpassungsabschnitt (34) aufweist und Einrich­ tungen (42) zum Abstützen der Gunn-Diode (24) und zum Verbinden einer ihrer Anschlüsse mit dem Block (10a, 10b).

5. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine verschieb­ bare Kurzschlußeinrichtung (50) in Form eines metallischen Kol­ bens vorgesehen ist, welcher gleitend in der ersten Durchfüh­ rung (16a, 16b) in bezug auf die zweite Durchführung (18a, 18b) gegenüberliegend dem Ausgangskreis (32) angeordnet ist, wobei die Frequenz der Oszillation durch Verschiebung des Kolbens einstellbar ist.

6. Spannungsgesteuerter Oszillator nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanz-An­ passungsabschnitt (34) mehrere Einzelabschnitte aufweist, um eine Impedanzanpassung zwischen der Gunn-Diode (24) und dem Ausgangskreis-Streifenleiter herzustellen.