DE4013181A1 - Hochfrequenzoszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzoszillator um­ fassend zwei identisch aufgebaute Einzeloszillatoren mit jeweils einem rückgekoppelten, durch die Wahl des Arbeitspunktes im nichtlinearen Bereich betriebenen ak­ tiven Element, insbesondere Transistor zur Erzeugung höherer harmonischer Schwingungen bei den Frequenzen n×f_o/2.

Zur Erzeugung von Mikrowellensendeleistung im Frequenz­ bereich oberhalb von 20 GHz wird häufig das sog. Ver­ dopplerprinzip angewandt, bei dem der Hochfrequenzos­ zillator bei der halben gewünschten Arbeitsfrequenz entworfen wird. Der Arbeitspunkt des Hochfrequenzoszil­ lators wird dabei so festgelegt, daß ein hoher Anteil harmonischer Schwingungen erzeugt wird. Durch geeignete Filterung gelangt nur die gewünschte Arbeitsfrequenz, nämlich die erste harmonische Schwingung zum Ausgang.

Eine spezielle Variante des Verdoppleroszillators stellt der sog. Push-Push-Oszillator dar, der aus zwei bei f_o/2 im Gegentakt betriebenen Einzeloszillatoren besteht.

Ein derartiger Hochfrequenzoszillator in Gegentakt­ schaltung ist bereits aus der DE-AS 23 34 570 bekannt. Der prinzipielle Aufbau sowie die Funktionsweise des bekannten Hochfrequenzoszillators soll anhand der Fig. 1 erläutert werden. Der in Fig. 1 dargestellte Hochfre­ quenzoszillator ist mit zwei npn-Transistoren 1 und 2 symmetrisch aufgebaut, deren Kollektoren an Erdpoten­ tial liegen. Zwischen den Basen der Transistoren 1 und 2 liegt die Reihenschaltung je eines, vorzugsweise ein­ stellbaren Kondensators 3 bzw. 4 und einer Induktivität 5 bzw. 6, mit deren Hilfe der Hochfrequenzoszillator auf die Grundschwingung abgestimmt wird. Der Symmetrie­ punkt M der Reihenimpedanz 3, 4, 5 und 6 liegt für die Grundschwingungen auf Erdpotential. An den Symmetrie­ punkt M ist ein Belastungswiderstand 7 für die Ober­ schwingungen angeschlossen.

Zwischen Emitter und Kollektor der Transistoren 1 und 2 liegen Kondensatoren 9 bzw. 10, mit denen die Rückkopp­ lung dieser Transistoren eingestellt ist. Für die Rück­ kopplung und die Abstimmung sind noch innere Kapazitä­ ten und Streukapazitäten wirksam, die in das gesamte Netzwerk eingehen und im einzelnen nicht näher angege­ ben sind. Weiter sind noch Belastungen (Dämpfungen) für die Grundschwingung wirksam, die jedoch möglichst ge­ ring gehalten werden sollen, um eine starke Aussteue­ rung und damit eine entsprechend hohe Oberschwingungs­ ausbeute zu ermöglichen.

Da der Wirkungsgrad des bekannten Oszillators sehr stark von der phasenrichtigen Kopplung der Einzeloszil­ latoren abhängt, ist es zur Erzielung eines hohen Wir­ kungsgrades erforderlich, daß die Phase der Einzelos­ zillatoren in Relation zur Phasenlage einer Bezugs­ schwingung geregelt wird, was einen hohen schaltungs­ technischen Aufwand erfordert. Ein weiterer Nachteil des bekannten Hochfrequenzoszillators ist die unzurei­ chende Grundwellenunterdrückung. Ferner sind bei dem bekannten Hochfrequenzoszillator die Ausgänge der Teil­ oszillatoren nur unzureichend entkoppelt. Schließlich weist der bekannte Hochfrequenzoszillator ein kriti­ sches Temperaturverhalten auf.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Hochfrequenz­ oszillator eingangs genannter Art anzugeben, der sich durch einen hohen Wirkungsgrad und damit eine hohe Aus­ gangsleistung bei einfachem Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen zwischen den Eingängen der aktiven Elemente angeordne­ ten Koppelresonanzkreis zur gegenseitigen Synchronisa­ tion und Stabilisierung bei der Frequenz f_o/2 und durch einen zwischen den Ausgängen der Einzeloszillatoren an­ geordneten Leistungskombinierer zur Leistungsaddition bei der gewünschten Frequenz f_o und zur Leistungsunter­ drückung bei der Frequenz f_o/2 Durch den Koppelresonanzkreis wird eine stets phasen­ richtige Kopplung der Einzeloszillatoren erreicht. Durch den Leistungskombinierer wird ferner eine gute Grundwellenunterdrückung sowie eine gute Entkopplung der Ausgänge der Einzeloszillatoren erreicht. Die phasenrichtige Kopplung der Einzeloszillatoren einer­ seits und die gute Grundwellenunterdrückung sowie die gute Entkopplung der Ausgänge der Einzeloszillatoren andererseits bewirken einen guten Wirkungsgrad und da­ mit eine hohe Ausgangsleistung des Hochfrequenzoszilla­ tors.

Als Koppelresonanzkreis ist vorzugsweise ein dielek­ trischer Resonator vorgesehen.

Alternativ dazu kann als Koppelresonanzkreis auch ein Hohlraumresonator vorgesehen werden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemä­ ßen Hochfrequenzoszillators ist an den Eingängen der aktiven Elemente jeweils ein bei Schwingungen mit den Frequenzen n×f_o wirksames Sperrfilter vorgesehen. Durch diese Sperrfilter an den Eingängen der aktiven Elemente wird eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Hochfrequenzoszillators bei der gewünschten Frequenz f_o erreicht.

Ferner ist bei einer Weiterbildung des erfindungsgemä­ ßen Hochfrequenzoszillators an den Ausgängen der akti­ ven Elemente jeweils ein bei Schwingungen mit den Fre­ quenzen (2n-1)×f_o/2 wirksames Sperrfilter vorgese­ hen. Durch dieses Sperrfilter an den Ausgängen der ak­ tiven Elemente wird eine Unterdrückung von Schwingungen mit den Frequenzen (2n-1)×f_o/2 erreicht. Ferner wird durch die Reflexion der Grundwelle zurück in die akti­ ven Elemente bei den Einzeloszillatoren eine Steigerung des nichtlinearen Effekts erreicht. Schließlich wird durch dieses Sperrfilter der erfindungsgemäße Hochfre­ quenzoszillator unkritischer bezüglich der Einhaltung der Phasenlage beider Einzeloszillatoren zueinander. Dies hat zur Folge, daß sich im Leistungskombinierer die Schwingungen mit den Frequenzen (2n-1)×f_o/2 na­ hezu vollständig auslöschen.

Nach einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Hochfrequenzoszillators ist am Ausgang des Leistungs­ kombinierers ein bei Schwingungen mit den Frequenzen (2n-1)×f_o/2 wirksames Sperrfilter vorgesehen. Durch dieses Sperrfilter am Ausgang des Leistungskombinierers wird eine weitere Unterdrückung und Reflexion der Grundschwingung der Einzeloszillatoren erreicht.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hoch­ frequenzoszillators ist an den Eingängen der aktiven Elemente jeweils ein breitbandiger Abschluß vorgesehen. Diese breitbandigen Abschlüsse an den Eingängen der ak­ tiven Elemente sind vorzugsweise jeweils durch einen Spiralabsorber realisiert. Ein derartiger Spiralabsor­ ber besteht üblicherweise aus einem langen transformie­ renden, verlustbehafteten elektrischen Leitungsstück. Durch diese breitbandigen Abschlüsse an den Eingängen der aktiven Elemente wird die ohnehin schon vorhandene stabilisierende Wirkung des Koppelresonanzkreises zu­ sätzlich noch unterstützt. Ferner tragen diese breit­ bandigen Abschlüsse zum guten Temperaturverhalten des erfindungsgemäßen Hochfrequenzoszillators bei.

Nach einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Hochfreuqenzoszillators werden die aktiven Elemente zu­ sätzlich noch als Mischer und Mischverstärker genutzt. Wenn in diesem Falle an das Spannungsversorgungsnetz­ werk der aktiven Elemente gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hochfrequenzoszillators noch ein Fil­ ternetzwerk angekoppelt ist, dann können mit Hilfe die­ ses Filternetzwerkes die gewünschten Mischprodukte ab­ gegriffen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 das bereits erörterte Prinzipschaltbild eines bekannten im Gegentaktbetrieb arbeitenden Oberschwingungsoszillators und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung.

Der in Fig. 1 dargestellte Hochfrequenzoszillator nach dem Stand der Technik wurde bereits vorstehend näher erläutert.

Der in Fig. 2 in schematischer Darstellung gezeigte er­ findungsgemäße Hochfrequenzoszillator umfaßt zwei iden­ tisch aufgebaute Einzeloszillatoren, nämlich den Tei­ loszillator 1 und den Teiloszillator 2, welche in der Fig. 2 insgesamt mit dem Bezugszeichen 11 bzw. dem Be­ zugszeichen 12 bezeichnet sind. Da die heiden Einzelos­ zillatoren 11 und 12 identisch aufgebaut sind, werden der Einfachheit halber gleiche Teile mit der gleichen Bezugszeichennummer versehen. Zur Unterscheidung der Bestandteile des mit 12 bezeichneten Teiloszillators 2 von dem mit 11 bezeichneten Teiloszillator 1 sind die Bestandteile des Teiloszillators 2 zusätzlich mit einem Strich versehen.

Der Einzeloszillator 11 umfaßt als wesentliches Bauteil ein aktives Element 13, das vorzugsweise durch einen Transistor realisiert ist. Das aktive Element 13 ist zur Sicherstellung der Schwingbedingung bei der Fre­ quenz f_o/2 mit einem Rückkopplungsnetzwerk 14 versehen. Am Eingang 15 des aktiven Elementes 13 ist ein bei Schwingungen mit den Frequenzen n×f₀ wirksames Sperr­ filter 16 vorgesehen. Das aktive Element 13 ist ein­ gangsseitig mit einem Breitbandabschluß 17 versehen. Dieser Breitbandabschluß 17 ist durch einen Spiralab­ sorber realisiert, der aus einem langen transformieren­ den, verlustbehafteten Leitungsstück besteht. Am Aus­ gang 18 des aktiven Elementes 13 ist ein bei Schwingun­ gen mit den Frequenzen (2n-1)×f_o/2 wirksames Sperr­ filter 19 vorgesehen. Durch dieses Sperrfilter 19 wer­ den Schwingungen mit den Frequenzen (2n-1)×f_o/2 un­ terdrückt. Ferner dient das Sperrfilter 19 durch Refle­ xion der Grundwelle zurück ins aktive Element 13 zur Steigerung des nichtlinearen Effekts des Einzeloszilla­ tors 11. Der Einzeloszillator 11 (Teiloszillator 1) ist ausgangsseitig über einen Leistungskombinierer 20 mit dem Einzeloszillator 12 (Teiloszillator 2) gekoppelt, der, wie bereits eingangs erwähnt, identisch aufgebaut ist wie der Einzeloszillator 11. Für die einzelnen Bau­ teile des Einzeloszillators 12 wurde daher dieselbe Nu­ merierung gewählt wie beim Einzeloszillator 11. Zur Un­ terscheidung sind die Nummern der Einzelbestandteile des Einzeloszillators 12 lediglich zusätzlich mit einem Strich versehen.

Mit Hilfe des Leistungskombinierers 20 werden die Aus­ gänge 18 und 18′ der aktiven Elemente 13 und 13′ unter Zwischenschaltung der Sperrfilter 19 und 19′ zur Lei­ stungsaddition bei der Frequenz f_o bei Unterdrückung der Schwingung bei der Frequenz f_o/2 zusammengeführt. Der Ausgang 21 des Leistungskombinierers 20 ist mit ei­ nem bei Schwingungen mit den Frequenzen (2n-1)×f_o/2 wirksamen Sperrfilter 22 verbunden. Durch dieses Sperr­ filter 22 am Ausgang 21 des Leistungskombinierers 20 wird die Schwingung bei der Frequenz f_o/2, also die Grundschwingung der Einzeloszillatoren 11 und 12 zu­ sätzlich unterdrückt.

Eingangsseitig sind die aktiven Elemente 13 und 13′ der Einzeloszillatoren 11 und 12 mit Hilfe eines Koppelre­ sonanzkreises zur gegenseitigen Synchronisierung der Einzeloszillatoren 11 und 12 bei der Frequenz f_o/2 ge­ koppelt. Die stabilisierende Wirkung des Koppelreso­ nanzkreises 23 wird durch die Breitbandabschlüsse 17 und 17′ der aktiven Elemente 13 und 13′ unterstützt.

Ferner verbessern die Breitbandabschlüsse 17 und 17′ die Temperaturstabilisierung der Ausgangsfrequenz f_o des Hochfrequenzoszillators.

Wenn die aktiven Elemente 13 und 13′ zusätzlich als Mi­ scher und Mischverstärker genutzt werden, dann dient das zwischen den aktiven Elementen 13 und 13′ angeord­ nete Filternetzwerk 24 zum Abgriff der gewünschten Mischprodukte.

Wie bereits eingangs erwähnt, zeichnet sich der in Fig. 2 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Hochfre­ quenzoszillator gegenüber dem bekannten, beispielsweise in Fig. 1 dargestellten Hochfrequenzoszillator durch eine erhöhte Ausgangsleistung, durch eine verbesserte Oberwellenunterdrückung, durch einen aus den beiden vorstehend genannten Merkmalen hervorgehenden verbes­ serten Wirkungsgrad sowie durch ein verbessertes Temperaturverhalten aus.

Claims (11)

1. Hochfrequenzoszillator umfassend zwei identisch aufgebaute Einzeloszillatoren mit jeweils einem ruckgekoppelten, durch die Wahl des Arbeitspunktes im nichtlinearen Bereich betriebenen aktiven Ele­ ment, insbesondere Transistor zur Erzeugung höhe­ rer harmonischer Schwingungen bei den Frequenzen n×f_o/2, gekennzeichnet durch einen zwischen den Ein­ gängen (15, 15′) der aktiven Elemente (13, 13′) angeordneten Koppelresonanzkreis (23) zur gegen­ seitigen Synchronisation und Stabilisierung bei der Frequenz f_o/2 und durch einen zwischen den Ausgängen (18, 18′) der Einzeloszillatoren (11, 12) angeordneten Leistungskombinierer (20) zur Leistungsaddition bei der gewünschten Frequenz f_o und zur Leistungsunterdrückung bei der Frequenz f_o/2.

2. Hochfrequenzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Koppelresonanzkreis (23) ein dielektrischer Resonator vorgesehen ist.

3. Hochfrequenzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Koppelresonanzkreis (23) ein Hohlraumresonator vorgesehen ist.

4. Hochfrequenzoszillator nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingängen (15, 15′) der aktiven Elemente (13, 13′) jeweils ein bei Schwingungen mit den Frequenzen n×f_o wirksames Sperrfilter (16, 16′) vorgesehen ist.

5. Hochfrequenzoszillator nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgängen (18, 18′) der aktiven Elemente (13, 13′) jeweils ein bei Schwingungen mit den Frequenzen (2n-1)×f_o/2 wirksames Sperrfilter (19, 19′) vorgesehen ist.

6. Hochfrequenzoszillator nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Aus­ gang (21) des Leistungskombinierers (20) ein bei Schwingungen mit den Frequenzen (2n-1)×f_o/2 wirksames Sperrfilter vorgesehen ist.

7. Hochfrequenzoszillator nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingängen (15, 15′) der aktiven Elemente (13, 13′) jeweils ein breitbandiger Abschluß (17, 17′) vor­ gesehen ist.

8. Hochfrequenzoszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die breitbandigen Abschlüsse (17, 17′) jeweils durch einen Spiralabsorber re­ alisiert sind.

9. Hochfrequenzoszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralabsorber (17, 17′) jeweils aus einem langen transformierenden, verlustbehafteten elektrischen Leitungsstück be­ stehen.

10. Hochfrequenzoszillator nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ak­ tiven Elemente (13, 13′) auch als Mischer und Mischverstärker dienen.

11. Hochfrequenzoszillator nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an das Spannungsversorgungsnetzwerk der aktiven Elemente (13, 13′) ein Filternetzwerk (24) zum Abgriff der gewünschten Mischprodukte angekoppelt ist.