DE4090507C2

DE4090507C2 - Oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE4090507C2
Application number: DE4090507A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nakamoto; Hiroki Uemura
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1990-03-28
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: GB2238679B; GB9025965D0; GB2238679A; WO1990012450A1; US5187451A; JPH0354903A

Description

Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung, etwa eine spannungsgesteuerte Oszillatorschaltung mit einer miniaturisierten Streifenleitung bzw. Mikrostriplei tung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Oszilla torschaltung mit einem Schwing- oder Resonanzkreis (resonant circuit) mit Mikrostripleitung, deren Leitungsbreite und Leitungslänge minimiert sind, wobei die Mikrostripleitung und eine zusätzliche Kapazitäts komponente als einstückiges Schaltungs(bau)element ausgebildet sind und darüber hinaus die Schwing(ungs) frequenz durch Trimmen einer an die Mikrostripleitung angeschlossenen Stichleitung abgeglichen bzw. einge stellt wird, und an die Oszillatorschaltung ein Ver stärker in Kaskodenschaltung bzw. Kaskodenverstärker (cascode connecting amplifier) angeschlossen ist, der die durch Laständerungen verursachte Schwankung der Schwingfrequenz vermindert.

Es ist bekannt, daß eine für durch Autotelefon und Satellitenfunk repräsentierte ortsunabhängige Nachrich tenübertragung bzw. Mobilfunk (mobile communications) benutzte Oszillatorschaltung eine Mikrostripleitung und einen dielektrischen Koaxialresonator als Resonator eines Schwingkreises umfaßt.

Jedoch weist ein Oszillator mit Mikrostripleitung im allgemeinen im Vergleich zu dem Oszillator mit dielek trischem Koaxialresonator ein schlechtes C/N-Verhältnis (C: Trägerwelle, N: Rauschen) auf, so daß in der Praxis mit Ausnahme eines Teils der Produkte der Unterhaltungs elektronik, wo Kosten eine größere Bedeutung beigemes sen wird, der dielektrische Koaxialresonator weithin verwendet wird.

Fig. 7 ist ein Schaltbild der Oszillatorschaltung mit dem Schwingkreis nach Art des dielektrischen Koaxial resonators.

Die Oszillatorschaltung ist eine aus einem Schaltkreis 6a mit negativem Widerstand (negative resistance circuit), der aus einem aktiven Element besteht, und einem Schwingkreis 6b mit einem dielektrischen Koaxial resonator 61 bestehende Colpitts-Oszillatorschaltung.

Eine Anschlußklemme Vt ist ein Steuerspannungs-An schluß, eine Anschlußklemme M ist ein Modulations-An schluß, eine Anschlußklemme B ist ein Strom(versor gungs)-Anschluß und eine Klemme P ist ein Ausgangs-An schluß.

Ein Transistor Q1 ist in dem aus dem aktiven Element bestehenden Schaltkreis 6a mit negativem Widerstand an seinem Kollektor an Masse gelegt.

Der Schwingkreis 6b besteht aus einem dielektrischen Koaxialresonator 61, einem variablen oder Regel-Kon densator Cv, dessen Kapazität sich mit Steuerspannungen verändert, Ableitkondensatoren C1, C2, einem Kondensa tor C3 zum Festlegen des Regel- bzw. Einstellbereiches der spannungsgesteuerten Oszillator- bzw. Schwingfre quenz (voltage control oscillation frequency), einem Clapp-Oszillator-Kondensator (clap capacitor) 4 und dgl.

Der in diesem Schwingkreis 6b verwendete dielektrische Koaxialresonator 61 weist gemäß Fig. 8(a) eine sich von der Oberseite 71 bis zum Boden eines dielektrischen Blockes erstreckende (durchgehende) Bohrung 72 auf, wobei auf dessen Außenseite ein äußerer Leiter 74 und auf der Innenfläche der Bohrung 72 ein innerer Leiter 75 gebildet sind. Darüber hinaus sind auf der der Oberseite 71 gegenüberliegenden Fläche (nicht darge stellt) der äußere Leiter 74 und der innere Leiter 75 (leitend) verbunden. Diese Leiter 74 und 75 sind aus Silber o. dgl. geformt.

Wenn die Länge des dielektrischen Koaxialresonators 61 mit l₀ festgelegt ist, tritt Resonanz bei der Frequenz 1/4 λg auf (λg: Leiterwellenlänge entlang der Leitung), und bei l₀ < 1/4 λg zeigt der Koaxialresonator eine Induktivität, die durch die Oszillatorschaltung als die Induktivität des Schwingkreises für Schwingung genutzt wird.

Die Beziehung zwischen der Wellenlänge λg, bei der der dielektrische Koaxialresonator in Resonanz ist und der Länge l₀ des dielektrischen Koaxialresonators 61 ist im Äquivalent- oder Ersatzschaltbild von Fig. 8(b) dargestellt; sie läßt sich ausdrücken zu:

Darin bedeuten:
c: Lichtgeschwindigkeit im freien Raum,
f₀: Resonanzfrequenz,
ε_r: relative Dielektrizitätskonstante,
n: beliebige ganze Zahl.

Hierbei beträgt, wenn der dielektrische Koaxialresonator 61 mit der Dielektrizitätskonstante ε_r von 90 benutzt wird, um die Resonanzfrequenz auf 900 MHz zu setzen, die Länge l₀ ungefähr 8,8 mm. Die äquivalente Induktivität L₀ beträgt dabei etwa 1,55 nH, und die äquivalente Kapazität beträgt ungefähr 20 pF.

Da jedoch die Größe des dielektrischen Koaxialresona tors 61 praktisch ein elektronisches Bauelement von etwa einem Zentimeter im Quadrat bedingt und der dielektrische Koaxialresonator präzise auf ein vorbestimmtes Substrat (nicht dargestellt) der Oszilla torschaltung gelötet werden muß, besteht dabei ein Nachteil in der Erschwerung des Montageprozesses und der Begrenzung der Miniaturisierung der gesamten Oszillatorschaltung. Es ist auch möglich, den dielek trischen Koaxialresonator 61 (Impedanz Z₀ = 7 Ω, Dielektrizitätskonstante ε_r = 90) des Schwingkreises 6b durch eine Mikrostripleitung 81 gemäß Fig. 9 zu ersetzen. Die dem genannten dielektrischen Koaxial resonator 61 äquivalente Mikrostripleitung 81 ent spricht den auf einem dielektrischen Substrat 82 (Aluminiumoxid-Substrat mit einer Dielektrizitäts konstante ε_r = 9,6) durch einen Leiter mit der Leitungsbreite W von 9 mm und der Leitungslänge L von 28,7 mm geformten (Leitungs-)Elementen.

Dies bedeutet, daß die praktische Ausbildung der dem genannten dielektrischen Koaxialresonator 61 äquivalen ten Mikrostripleitung 81 auf dem dielektrischen Substrat 82 beispielsweise nach einem Dickfilm- oder -schichtprozeß die praktische Miniaturisierung der Oszillatorschaltung beträchtlich behindert, da die Leitungsbreite W der Mikrostripleitung 81 mit etwa 9 mm sehr groß ist.

Wenn die Leitungsbreite W verschmälert wird, um die Mi krostripleitung 81 zu miniaturisieren, wächst der Leiter widerstand an, und der Q-Wert wird erniedrigt, was letzt lich einen Schwingkreis mit einer schlechten Selektivität zur Folge hat, wodurch Rauschen bzw. Störsignal (noises) nahe der Schwingfrequenz schwer zu unterdrücken ist bzw. sind.

Im allgemeinen wird bei Verschmälerung der Leitungsbreite W der Mikrostripleitung 1, wie dies in Fig. 5 durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, die Resonanzimpedanz im Vergleich zu konstantbleibender Breite (ausgezogene Linie) vermindert, woraus eine flache Kurve resultiert.

Wenn die Leitungsbreite W schließlich verringert wird, um die Mikrostripleitung kompakt auszuführen, treten eine Verringerung des Q-Wertes und eine Erhöhung des Leiterwi derstandes ein, und die Miniaturisierung (minimization) ist praktisch nicht möglich, so daß der dem genannten dielektrischen Koaxialresonator äquivalente Resonator (hinsichtlich der Kennwerte) nicht realisiert werden kann.

In der DE-A-28 03 846 ist eine Oszillatorschaltung be schrieben, bei der ein Feldeffekttransistor mit einer Re sonanzschaltung gekoppelt ist. Die Resonanzschaltung ist hierbei als Mikrostreifenleitung ausgebildet. Diesem Do kument ist jedoch kein Hinweis zur Lösung der obigen Pro bleme zu entnehmen, es behandelt vielmehr eine Kompensa tion von Einflüssen der Umgebungstemperatur auf die Os zillatorfrequenz.

Die Erfindung ist im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme entwickelt worden; Aufgabe der Erfindung ist da mit die Schaffung einer Oszillatorschaltung, die eine Mi krostripleitung (d. h. miniaturisierte Streifenleitung) in einem Schwingkreis aufweist, durch den ein ähnliche Kenn werte aufweisender dielektrischer Koaxialresonator reali siert und eine Miniaturisierung erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer derartigen Oszillatorschal tung durch die kennzeichnenden Merkmale gemäß Patentan spruch 1 gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist eine Oszillatorschaltung, umfassend einen Schwingkreis mit einer Mikrostrip leitung und einen aus einem aktiven Element bestehenden Schaltkreis mit negativem Widerstand (negative resistance circuit), wobei die Mikrostripleitung durch Minimieren der Leitungsbreite und -länge ausgebildet ist, um einen hochleitfähigen Leiter auf einem Substrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante zu bilden, wobei ein Ende der Mikrostripleitung an Masse gelegt (bzw. geerdet) ist, während ihr anderes Ende mit einer zusätzlichen kapazitiven bzw. Kapazitäts-Komponente (capacitance component) verbunden ist, wobei die Schwing- oder Resonanzfrequenz der Mikrostripleitung ausreichend höher als die Schwing(ungs)frequenz der Oszillatorschaltung eingestellt ist, z. B. auf eine mehr als doppelt so hohe Frequenz im GHz-Bereich, und wobei die Resonanzfrequenz durch die zusätzliche Kapazitäts- Komponente bis nahe an die Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung erniedrigt ist oder wird.

Erfindungsgemäß können die Mikrostripleitung und die zusätzliche Kapazitäts-Komponente auf dem Substrat niedriger Dielektrizitätskonstante als einstückiges Schaltungs(bau)element ausgeführt sein.

Darüber hinaus wird, um das Abgleichen der Schwing frequenz zu erleichtern, eine Stichleitung auf bzw. an der Mikrostripleitung getrimmt, mit der die Stichlei tung verbunden ist.

Zusätzlich ist ein Verstärker in Kaskodenschaltung angeschlossen, um die Schwankung der Schwingfrequenz unter Laständerungen zu minimieren.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung mit einer Mikrostripleitung in einem Resonanz- oder Schwingungsabschnitt,

Fig. 2(a) eine perspektivische Ansicht einer in einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung verwendeten Mikrostripleitung,

Fig. 2(b) ein Äquivalent- oder Ersatzschaltbild der Mikrostripleitung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verhältnis ses zwischen einer charakteristischen bzw. Kenn-Impedanz Z₀ und der Leitungsbreite W einer Mikrostripleitung,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild, das einen Resonzanzab schnitt einer Oszillatorschaltung, d. h. die Verbindung zwischen einer Mikrostripleitung und einer zusätzlichen Kapazitätskomponente darstellt,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Verhältnis ses zwischen der Schwing- oder Resonanzfre quenz und der Resonanzimpedanz einer Mikrostripleitung,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild für den Fall der Betrachtung eines Leiterwiderstands einer Mikrostripleitung,

Fig. 7 ein Schaltbild einer Oszillatorschaltung mit einem dielektrischen Koaxialresonator in einem herkömmlichen Schwingkreis,

Fig. 8(a) eine perspektivische Darstellung eines Bei spiels für einen herkömmlichen dielektri schen Koaxialresonator,

Fig. 8(b) ein Ersatzschaltbild des Koaxialresonators nach Fig. 8(a),

Fig. 9 eine perspektivische Teilansicht für den Fall, daß ein herkömmlicher Schwingkreis durch eine Mikrostripleitung ersetzt wird,

Fig. 10(a) eine Draufsicht auf eine in einer erfin dungsgemäßen Oszillatorschaltung verwendete Mikrostripleitung mit einer kurzen Stichleitung,

Fig. 10(b) das entsprechende Ersatzschaltbild,

Fig. 10(c) eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Beschneiden (cutting) der kurzen Stichleitung und den Schwingfrequen zen,

Fig. 11(a) eine Draufsicht auf eine in einer erfin dungsgemäßen Oszillatorschaltung verwendete Mikrostripleitung mit einer kurzen Stichleitung,

Fig. 11(b) das entsprechende Ersatzschaltbild,

Fig. 11(c) eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Beschneiden der kurzen Stichleitung und den Schwingfrequenzen,

Fig. 12(a) eine Draufsicht auf eine in einer erfindungs gemäßen Oszillatorschaltung verwendete Mikro stripleitung mit einer kurzen Stichleitung,

Fig. 12(b) das entsprechende Ersatzschaltbild,

Fig. 12(c) eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Beschneiden der kurzen Stichleitung und den Schwingfrequenzen,

Fig. 13 eine Draufsicht, in der eine Elektrode an der Masseseite einer zusätzlichen mit einer in einer erfindungsgemäßen Oszillatorschal tung verwendeten Mikrostripleitung verbunde nen Kapazitätskomponente vorgesehen ist, wobei eine beliebige oder gegebene Anzahl von kurzen Stichleitungen in gleichen Abständen an die Elektrode angeschlossen sind,

Fig. 14 eine Draufsicht auf eine in einer erfindungs gemäßen Oszillatorschaltung verwendete Mikrostripleitung mit einer zickzackförmigen offenen Stichleitung,

Fig. 15 ein Schaltbild einer herkömmlichen Oszilla torschaltung und

Fig. 16 ein Schaltbild einer Oszillatorschaltung, an die ein erfindungsgemäßer Verstärker in Kaskodenschaltung bzw. Kaskodenverstärker (cascode connecting amplifier) angeschlossen ist.

Im folgenden ist eine Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Die Oszillatorschaltung gemäß Fig. 1 umfaßt einen Schaltkreis mit negativem Widerstand, der aus einem aktiven Element besteht, und einem Schwingkreis b mit einer miniaturisierten Streifenleitung, d. h. Mikrostripleitung 1.

Der Schaltkreis a mit negativem Widerstand aus dem aktiven Element ist durch Erdung des Kollektors eines Verstärkungs-Transistors Q₁ gebildet. Ein(e) Anschluß(klemme) B des Verstärkerteils a ist ein Stromversorgungs-Anschluß, ein(e) Anschluß(klemme) P ist ein Ausgangs-Anschluß.

Ein Schwingkreis b umfaßt die Mikrostripleitung 1, eine zusätzliche Kapazitäts-Komponente Cx, einen variablen oder Regel-Kondensator Cv, dessen Kapazitätswert durch die Steuerspannung verändert wird bzw. sich mit dieser ändert, Ableitkondensatoren C1, C2, einen Kondensator C3 zum Festlegen der Regel- oder Einstellbereiche der spannungsgesteuerten oder Spannungsregel-Oszillator frequenz (voltage control oscillation frequency), einen Clapp-Kondensator (clap capacitor) C4 und dgl.. Ein Anschluß Vt des Schwingkreises b ist ein Steuerspan nungs-Anschluß, und ein Anschluß M ist ein Modulations- Anschluß.

Die Mikrostripleitung des Schwingkreises b ist gemäß Fig. 2(a) auf einem preisgünstigen Substrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante, etwa einem Aluminiumoxid-Substrat, durch Ausbilden eines Leiters mit einer Leitungsbreite W und einer Länge L, die erheblich kleiner ist als bei der herkömmlichen Anordnung, geformt. Der Leiter besteht vorzugsweise aus einem hochleitfähigen Material, wie Kupfer.

Auf der Unterseite des Substrats 2, auf dem die Mikrostripleitung 1 gebildet ist, ist ein Masseleiter 3 geformt, und ein Ende der Mikrostripleitung 1 ist über eine durchgehende Bohrung 4 mit dem Masseleiter 3 verbunden.

Darüber hinaus ist eine zusätzliche Kapazitäts-Kompo nente Cx an die Mikrostripleitung 1 angeschlossen.

Die zusätzliche Kapazitäts-Komponente oder das -Element Cx dient zum Verringern der ausreichend hohen Schwing- oder Resonanzfrequenz f₁ der Mikrostrip leitung 1, die durch die Miniatursierung der Mikro stripleitung 1 erreicht wird, auf eine vorgesehene (Anticipated) Resonanzfrequenz f₀ nahe der Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung sie (es) ist gebildet durch Verbinden von Kapazitäts-Komponenten eines einstückigen Kondensators (5) mit dem anderen Ende der Mikrostripleitung 1.

Durch das Festlegen der Leitungsbreite W und der Länge L der Mikrostripleitung 1 ist die vorgesehene Frequenz f₀ auf 900 MHz eingestellt.

Bei Verwendung des herkömmlichen dielektrischen Koaxialresonators 61 gelten:

charakteristische (Kenn-)Impedanz z₀:	7 Ω
äquivalente Induktivität L₀:	1,55 nH
äquivalente Kapazität C₀	20 pF

Die Leitungsbreite W der äquivalenten Mikrostripleitung muß daher aufgrund der charakteristischen Impedanz Z₀ ungefähr 9 mm betragen. Erfindungsgemäß wird zum Zwecke der Miniaturisierung die Leitungsbreite W der Streifenleitung 1 auf z. B. 1 mm eingestellt.

Durch Verkleinern der Leitungsbreite W der Mikrostrip leitung 1 wird die charakteristische Impedanz Z₀ gemäß Fig. 3 zu ungefähr 38,80 Ω. Hierbei sind die Kennwert-Meßbedingungen nach Fig. 3 folgende: Resonanzfrequenz = 900 MHz; Dielektrizitätskonstante ε_r des Substrates 2 = 9,6; Dicke h des Substrates 2 = 0,635 mm; Dicke t der Mikrostripleitung 1 = 14 µm.

Gemäß Fig. 2(b) weist die Ersatzschaltung der Mikrostripleitung 1, deren Leitungsbreite W minimiert ist, die äquivalente Induktivität L₀ und die äquivalente Kapazität C₀ auf. Die äquivalente Induktivität L₀ beträgt dabei

mit:
Z₀ = charakteristische Impedanz
f₀ = Resonanzfrequenz.

Die äquivalente Induktivität L₀ (in) der Mikrostrip leitung 1, deren charakteristische Impedanz Z₀ gleich 38.8 [Ω] ist, beträgt 8,7 nH, was ungefähr dem Sechsfachen derjenigen des herkömmlichen dielektrischen Koaxialelementes 61 entspricht. Darüber hinaus wird auch der Leiterwiderstand der Mikrostripleitung 1 größer, woraus ein niedriger Q-Wert folgt.

Um eine angestrebte Charakteristik (beispielsweise 1,55 nH) der äquivalenten Induktivität L₀ zu erhalten, kann in der vorstehenden Gleichung (3) die Resonanzfrequenz f₀ durch die hinreichend höhere Resonanzfrequenz f₁ im Verhältnis zu der charakteristischen Impedanz Z₀ ersetzt werden. Das heißt, die Resonanzfrequenz kann auf ungefähr 4,7 GHz festgelegt werden.

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich die Leitungslänge 1 der Mikrostripleitung 1 zu

Die Beziehung zwischen dem Q-Wert bei Parallelresonanz und L₀ entspricht:

Z_p = Q 2 π f₀ L₀ (4')

Darin bedeuten:
l = Länge der Mikrostripleitung,
c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bzw. freien Raum
f₀ = Resonanzfrequenz
ε_l = effektive relative Dielektrizitätskonstante
Z_p = Impedanz bei Resonanz bzw. Resonanzimpedanz

Demgemäß kann die Länge des Elementes oder die Leitungslänge 1 der Mikrostripleitung 1 verkürzt werden, um die ausreichend hohe Resonanzfrequenz f₁ zu erhalten. Dadurch können die Leitungsbreite W der Mikrostripleitung 1 auf 1,0 mm und die Leitungslänge 1 auf 6,2 mm minimiert werden.

Obgleich der Q-Wert der Mikrostripleitung 1 durch Vermindern der Leitungsbreite W, wie oben beschrieben, erniedrigt werden kann, wird er gemäß der Gleichung (4') durch die Gestaltung der Leitungslänge 1 verbes sert, so daß die Mikrostripleitung 1 miniaturisiert werden kann.

Zum Anbringen einer solchen miniaturisierten Mikrostrip leitung 1 am Schwingkreis b kann im Verhältnis zu der charakteristischen Impedanz Z₀ eine ausreichend hohe

Resonanzfrequenz f₁ (4,7 GHz) im wesentlichen korrigiert und auf die Frequenz f₀ (900 MHz) nahe der Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung erniedrigt werden.

Eine spezielle Korrektureinrichtung ist, wie in dem von der gestrichelten Linie in Fig. 1 umrahmten Resonanz teil R gezeigt, zum Parallelschalten einer zusätzlichen Kapazitäts-Komponente Cx mit einem Ende der Mikrostrip leitung 1 vorgesehen.

Wie in der Ersatzschaltung nach Fig. 4 gezeigt, sind eine äquivalente Induktivitäts-Komponente L₀ an einem Teil der Mikrostripleitung 1 und eine äquivalente Kapazitäts-Komponente C₀ parallelgeschaltet; die zusätzliche Kapazitäts-Komponente Cx ist zu der äquivalenten Kapazitäts-Komponente C₀ parallel geschaltet. Hierbei ist die Resonanzfrequenz f₀ die ausreichend hohe Resonanzfrequenz f₁ der Mikrostrip leitung 1, und letztere beträgt das m-fache der ersteren.

In einem Ersatzschaltbild kann die zusätzliche Kapazitäts-Komponente Cx durch die Zusammenfügung der Kapazitäts-Komponenten C₀ und Cx nach Fig. 4 so festgelegt werden, daß die Resonanzfrequenz f₀ des Resonanzteils R einschließlich der zusätzlichen Kapazitäts-Komponente Cx und der Mikrostripleitung 1 gleich der Resonanzfrequenz f₀ nahe der Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung wird:

Das heißt, gemäß den Gleichungen (5) und (6) kann für die Kapazitäts-Komponente C₀ die zusätzliche Kapazitäts-Komponente Cx gesetzt werden zu

Cx = C₀(m² - 1).

Damit wird die vorgesehene Resonanzfrequenz f₀ erzielt, und der Resonanzteil R durch die Mikrostripleitung 1, die hinsichtlich ihrer Kennwerte dem bisherigen dielektrischen Koaxialresonator bei der gleichen Resonanzfrequenz gleich oder überlegen ist, erreicht oder realisiert.

Genauer gesagt: zur Miniaturisierung der Mikrostrip leitung 1 und zur Verbesserung des Q-Wertes durch Minimieren der Leitungslänge L und der Breite W der Mikrostripleitung wird erfindungsgemäß die ausreichend hohe resultierende Resonanzfrequenz f₁ korrigiert und auf die Resonanzfrequenz nahe der Schwingfrequenz eines Oszillators durch Anschließen der zusätzlichen Kapazitäts-Komponente Cx erniedrigt, wodurch die Miniaturisierung der Mikrostripleitung 1, nämlich die Miniaturisierung der Oszillatorschaltung, und dem dielektrischen Koaxialresonator äquivalente Kenngrößen leicht erzielt werden können. Ein Koeffizient m der erfindungsgemäßen Schwingkreisfrequenz f₀ (der korrigierten Resonanzfrequenz f₀ eines Resonators R, der durch die Mikrostripleitung 1 und die zusätzliche Kapazitäts-Komponente Cx gebildet ist) und der Resonanzfrequenz f₁ der Mikrostripleitung 1 liegt vorzugsweise im Bereich 2 < m < 7.

Wenn der Koeffizient m den Wert 7 überschreitet, ist ein sehr genaues Musterbilden (patterning) bei der Herstellung der Streifenleitung 1 zwingend erforder lich, was strukturell unzweckmäßig ist.

Wenn zudem der Koeffizient m kleiner als 2 ist, kann die Größe der Mikrostripleitung 1 verglichen mit dem herkömmlichen dielektrischen Koaxialresonator 61 nicht ausreichend minimiert werden, so daß die erfindungs gemäß angestrebte Wirkung nicht realisiert werden kann.

Weiterhin ist ein Leiterverlust in der Leitfähigkeit der Mikrostripleitung 1 größtenteils auf die Leitungs länge L und die Breite W der Mikrostripleitung 1 zurückzuführen.

Durch den Leiterverlust der Mikrostripleitung 1 ist gemäß der Ersatzschaltung von Fig. 6 ein Leiterwider stand r mit der äquivalenten Induktivitäts-Komponente L₀ in Reihe geschaltet. Wie es in dem Fall ist, in welchem die Leitungsbreite W verschmälert wird, wenn der Leiterwiderstand r anwächst (vgl. Fig. 5), ergibt sich eine durch die gestrichelte Linie dargestellte Tendenz, und der Q-Wert wird vermindert, bis schließlich das C/N-Verhältnis des Schwingungsausgangssignals vermindert wird.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist beim Ausbilden der Mikrostripleitung 1 auf einem Substrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante, etwa einem Aluminiumoxid-Substrat, ein Leiter mit einer Metall basis bzw. mit einer Metallgrundlage aus einem hochleit fähigen Material, wie Silber und Kupfer, wünschenswert. Dies kann leicht durch Brennen eines Leiterbahnnetz werks, das in der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung notwendig und auf dem Aluminiumoxid-Substrat gebildet ist, durch bzw. nach Bedrucken, z. B. mit massiver (in a lump) Kupferpaste erreicht werden, wodurch die miniaturi sierte Mikrostripleitung 1 in einem herkömmlichen Herstellungsprozeß für ein Dickfilm-Schaltkreissubstrat geformt werden kann, so daß dadurch erheblich zu der Kostenverminderung beigetragen wird.

Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel können, obgleich ein Ende der Mikrostripleitung 1 mit einer zusätzlichen Kapazität parallelgeschaltet und das andere Ende elektrisch an Masse gelegt ist, die Induktivitäts- Komponente und die Kapazitäts-Komponente unter Berücksichtigung von Resonanzbedingungen zusätzlich an Masse gelegt werden, falls notwendig.

Auch kann auf der Grundlage von Gleichung (4) eine kostengünstige Oszillatorschaltung, wie die erfin dungsgemäße, nicht hergestellt werden, obgleich die relative Dielektrizitätskonstante ε_r erhöht werden kann, um die Leitungslänge L der Mikrostripleitung 1 zu verkürzen, da ein Substrat mit hoher Dielektrizitäts konstante relativ teuer ist.

Erfindungsgemäß kann ein Resonanzteil oder -abschnitt R durch die Mikrostripleitung 1 und die Kapazitäts-Kompo nente Cx, die an deren anderem Ende als Einheit paral lelgeschaltet ist, so daß ein einstückiges Schaltungs bauelement gebildet wird, geformt werden. Gemäß Fig. 2(a) wird nämlich die Mikrostripleitung 1, die in einem Druckprozeß beispielsweise auf einem keramischen dielek trischen Aluminiumoxid-Substrat 2 gebildet ist, das preisgünstiger ist und eine niedrige Dielektrizitätskon stante (r = 20 oder weniger) aufweist, mit dem einstückig mit ihr montierten Kondensator Cx verbunden und zu einem auf der Unterseite des Substrates 2 gebildeten End- oder Masseleiter 3 über eine Bohrung 4 kurzge schlossen. Da der Resonanzteil R ein einstückiges Schaltungs(bau)element ist, ist die Schaltungsgestal tung einfach, und der Resonanzteil R kann durch das Aluminiumoxid-Substrat 2 und die anderen Schaltkreise mit einem Glas-Epoxid-Substrat gebildet werden, so daß eine sehr preisgünstige Oszillatorschaltung vorgesehen werden kann.

Im folgenden ist der Frequenzabgleich mittels einer erfindungsgemäß verwendeten kurzen Stichleitung erläutert. In Fig. 10(a) ist die in einer erfindungs gemäßen Oszillatorschaltung verwendete und auf einer Seite mit kurzen Stichleitungen 101 ₁, 101 ₂, 101 ₃ und 101 ₄ ausgestattete Mikrostripleitung 1 dargestellt. Dabei ist, wie in Fig. 2 dargestellt, auf der Unterseite des Substrates 2, auf der die Mikrostripleitung 1 ausgebildet ist, ein Masseleiter 3 vorgesehen, und ein Ende der Mikrostripleitung 1 ist mit dem Masseleiter 3 über eine (durchgehende) Bohrung 4 verbunden. Wenn diese Schaltung gemäß Fig. 10(b) in einem Ersatzschaltbild wiedergegeben wird, wird ersichtlich, daß die angeschlossenen kurzen Stichleitungen 101 ₁, 101 ₂, 101 ₃ und 101 ₄ mit Δl gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Der Frequenzabgleich wird durch Beschneiden der kurzen Stichleitungen 101 ₁, 101 ₂, 101 ₃, 101 ₄ in Reihenfolge mittels eines Lasers o. dgl. bewirkt. In der Fig. 10(a) stellt die gestrichelte Pfeillinie die Trimmrichtung dar. Die Beziehung zwischen dem Beschneiden der kurzen Stichleitungen 101 ₁, 101 ₂, 101 ₃, 101 ₄ und der Frequenz entspricht der Darstellung von Fig. 10(c), worin gezeigt ist, daß die Frequenz in dem Maße, in dem das Beschneiden der kurzen Stichleitung 101 in Richtung 101 ₁, 101 ₂, 101 ₃ und 101 ₄ voranschreitet, abnimmt.

Mit dem Beschneiden der kurzen Stichleitungen 101 ₁, 101 ₂, 101 ₃, 101 ₄ verändert sich die Frequenz beim Frequenzabgleich linear mit demselben Änderungsfaktor, wie in Fig. 10(c) dargestellt. Auch kann durch Auswahl der Breite und des Abstands der kurzen Stichleitung(en) 101 ein beliebiges Frequenzveränderungsverhältnis eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Frequenz abgeglichen werden, ohne daß die Leistung der Oszillatorschaltung, z. B. das C/N-Verhältnis, verschlechtert wird. Zudem kann die kurze Stichleitung 101 beim Frequenzabgleich durch den Laser o. dgl. auf einfache Weise kontinuierlich bzw. stufenlos getrimmt werden.

Gemäß Fig. 11(a) sind kurze Stichleitungen (101 ₁₁, 101 ₁₂, 101 ₁₃, 101 ₁₄, 101 ₂₁, 101 ₂₂, 101 ₂₃, 101 ₂₄ auf beiden Seiten der in der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung verwendeten Mikrostripleitung 1 vorgesehen, wobei die kurzen Stichleitungen 101 nach und nach abwechselnd in der Weise beschnitten werden, daß einmal die kurze Stichleitung 101 auf einer Seite und dann die Stichleitung 101 ₂ auf der anderen Seite beschnitten wird. Bei Darstellung dieser Schaltung in einem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 11(b) ist ersichtlich, daß die Frequenz in dem Maße, in dem das Beschneiden der kurzen Stichleitung(en) 101 in der Folge 101 ₁₁, 101 ₂₁, 101 ₁₃, ... voranschreitet, allmählich abnimmt.

Dieses Beispiel ist auf den Fall anwendbar, in welchem der Abstand zwischen den kurzen Stichleitungen 101 unter Herstellungsaspekten begrenzt ist oder die Frequenzveränderung in kleinen Schritten vorgenommen wird, wobei die Frequenzänderung in etwa halb so großen Schritten wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel ausgeführt werden kann.

Gemäß Fig. 12(a) ist eine kurze Stichleitung 101 ₃₁ auf der Seite der in einer erfindungsgemäßen Oszillator schaltung verwendeten Mikrostripleitung 1 vorgesehen; weitere kurze Stichleitungen 101 ₄₁, 101 ₄₂, 101 ₄₃, 101 ₄₄ sind an der Seite (neben) der kurzen Stichleitung 101 ₃₁ gleichmäßig voneinander beabstandet vorgesehen. Die Frequenz wird durch Beschneiden der kurzen Stichleitungen 101 ₄₁, 101 ₄₂, 101 ₄₃, 101 ₄₄ in dieser Reihenfolge abgeglichen. Wenn diese Schaltung in einem Ersatzschaltbild nach Fig. 12(b) dargestellt wird, läßt sich die Frequenzänderung z. B. auf die in Fig. 12(c) dargestellte Weise veranschaulichen.

Dieser Frequenzabgleich ist beispielsweise beim Schal tungszusammenbau zweckmäßig, wo die Frequenzverände rungen klein sind und der Feinabgleich notwendig ist.

Gemäß Fig. 13 ist an der Masseseite (Erdungsseite) einer zusätzlich zu der in der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung verwendeten Mikrostripleitung 1 hinzugefügten Kapazitäts-Komponente Cx eine Elektrode vorgesehen, und kurze Stichleitungen 101 ₅₁, 101 ₅₂, 101 ₅₃, 101 ₅₄, ... sind in beliebiger Anzahl an der Elektrode mit gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet.

Beim Beschneiden der kurzen Stichleitungen 101 ₅₁, 101 ₅₂, 101 ₅₃, 101 ₅₄ ändert sich die Frequenz im Frequenzabgleich linear mit dem gleichen Änderungsverhältnis. Durch Auswählen der Breite und des Abstands der kurzen Stichleitung(en) 101 kann auch ein beliebiges oder gegebenes Frequenzänderungsverhältnis eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Frequenz ohne Leistungsbeeinträchtigung der Oszillatorschaltung, etwa bezüglich des C/N-Verhältnisses, abgeglichen (eingestellt) werden. Zudem kann die kurze Stichleitung 101 mittels des Lasers o. dgl. im Frequenzabgleich auf einfache Weise kontinuierlich oder stufenlos getrimmt werden.

Gemäß Fig. 14 ist eine zickzackförmige offene Stichleitung 101 ₆₁ an der einen Seite der bei der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung verwendeten Mikrostripleitung 1 vorgesehen. Die offene Stichleitung 101 ₆₁ wird nach und nach vom offenen Ende her beschnitten.

Da die offene Stichleitung 101 ₆₁ zickzackförmig ist, kann beim Frequenzabgleich das Beschneiden kontinuierlich ausgeführt werden, und ist daher einfach. Beim Beschneiden der zickzackförmigen offenen Stichleitung 101 ₆₁ ändert sich die Frequenz jeweils linear. Darüber hinaus kann durch Auswählen der zickzackförmigen Länge der offenen Stichleitung 101 ₆₁ ein beliebiges Frequenzänderungsverhältnis eingestellt werden. Zudem kann der Abgleich erfolgen, ohne daß die Leistung der Oszillatorschaltung verschlechtert wird, da die Frequenz durch Beschneiden der offenen Stichleitung 101 ₆₁ abgeglichen wird.

Nachstehend ist eine Oszillatorschaltung beschrieben, bei der erfindungsgemäß ein Verstärker in Kaskoden schaltung (cascode connecting amplifier), der die durch Laständerungen bedingten Schwankungen der Schwing frequenz vermindert, angeschlossen ist.

Fig. 15 ist ein Schaltbild einer (spannungsgesteuerten) Oszillatorschaltung (VCO) mit einem herkömmlichen Schwingkreis.

Das Schaltbild umfaßt eine Oszillatorschaltung aus einem Schwingkreis c, einem Schaltkreis d mit negativem Widerstand und einem Verstärkerschaltkreis e, der den Pegel verstärkt.

Der Schwingkreis c umfaßt eine Mikrostripleitung 1, eine zusätzliche Kapazität Cx, einen variablen oder Regel-Kondensator Cv, dessen Kapazität sich durch (mit) Steuerspannungen ändert, einen Kondensator C₁₆ zum Festlegen des Regelbereichs (Einstellbereichs) der spannungsgesteuerten Schwingfrequenz und einen Koppelkondensator C₁₇. Ein Anschluß Vt des Schwingkreises c ist ein Steuerspannungs-Anschluß.

Der Schaltkreis d mit negativem Widerstand (negative resistance circuit) enthält einen schwingenden oder Oszillatortransistor Q₁₁, dessen Kollektor über einen Ableitkondensator C₁₃ an Masse gelegt ist. Ein Anschluß Vcc ist ein Stromversorgungs-Anschluß.

Im Verstärkerschaltkreis e ist der Emitter eines Transistors Q₁₂ an Masse gelegt. Ein Anschluß P ist ein Ausgangs-Anschluß.

Da der Verstärkerschaltkreis e vorgesehen ist, damit der Schwingungsfrequenzzustand des Schwingkreises nicht durch den Impedanzzustand eines anzuschließenden Last kreises beeinflußt wird, wird er auch Pufferverstärker genannt.

Im praktischen Gebrauch funktioniert er jedoch aus den folgenden Gründen nicht vollkommen:

Im Verstärkerschaltkreis e nach Fig. 15 ist der Emitter des Verstärkertransistors Q₁₂ an Masse gelegt. In einer derartigen Schaltung verändert sich eine Eingangs impedanz Z_in des Verstärkerschaltkreises e, beeinflußt durch eine Kapazität C_bc zwischen Basis und Kollektor des Transistors Q₁₂ im Verhältnis zu der Änderung einer Lastimpedanz Z (allgemein als Miller-Effekt bezeichnet). Die Eingangsimpedanz Z_in ist mit einem Teil verbunden, das die Schwingfrequenz im Schwingkreis nach Fig. 15 festlegt, so daß die Änderung der Eingangsimpedanz Z_in nur der Schwankung der Schwingfrequenz entspricht.

Fig. 16 ist ein Schaltbild einer Anordnung, bei der die vorgenannten Probleme gelöst bzw. behoben sind.

Bei der Anordnung nach Fig. 16 umfaßt, ähnlich wie in Fig. 15, eine Oszillatorschaltung c eine Mikrostrip leitung 1, eine zusätzliche Kapazität Cx, einen variablen oder Regel-Kondensator Cv, dessen Kapazität sich durch (mit) Steuerspannungen ändert, einen Kondensator C₁₆ zum Festlegen des Regel- oder Einstellbereichs der spannungsgesteuerten Schwing frequenz, einen Koppelkondensator 17 und dgl.. Ein Anschluß Vt ist ein Steuerspannungs-Anschluß. Oberhalb eines Schwing- oder Oszillatortransistors Q₁₁ ist ein Verstärkertransistor Q₁₂ in Kaskode(nschaltung) angeschlossen, und seine Basis ist in einem Hochfre quenzmodus über einen Ableitkondensator C₁₄ an Masse gelegt. Der mit Basis an Masse liegende Transistor Q₁₂ ist über einen Emitter an eine vorgeschaltete Stufe (front step) oder Schwing- bzw. Oszillatorstufe (oscillating step) angeschlossen. Ein Verfahren zum Verbinden des Verstärkers wird allgemein als Kaskodenschaltung bezeichnet.

Ein(e) Anschluß(klemme) Vcc ist ein Stromversorgungs- Anschluß, und ein(e) Anschluß(klemme) P ist ein Ausgangs-Anschluß.

Bei der in Fig. 16 dargestellten Schaltung sind Schwing(ungs)bedingungen erfüllt, wenn der schwingende oder Oszillatortransistor Q₁₁ am Kollektor an Masse liegt. Demgemäß muß ein Kondensator C₁₃ ein Ableit kondensator sein. Wenn jedoch mit dem Kondensator C₁₃ im Hochfrequenzmodus eine vollkommene Ableitung erfolgt, kann das Signal nicht zum Verstärkerschalt kreis übertragen werden. Demgemäß muß der Kondensator C₁₃ so ausgewählt werden, daß er Schwingbedingungen des Oszillatorteils erfüllt. Ein von der Kollektorseite des Transistors Q₁₁ im Oszillatorteil gesehener Emittereingang des Verstärkerschaltkreises zeigt (besitzt) im wesentlichen niedrige Impedanz. Wenn der (Kapazitäts-)Wert des Kondensators C₁₃ in diesem Zustand etwas größer gewählt wird, liegt er in einem ausreichenden Bereich für Schwingung. Wenn jedoch der Kondensator C₁₃ zu groß eingestellt oder gewählt wird, kann das Signal abgeschwächt werden, so daß der (Kapazitäts-)Wert des Kondensators C₁₃ so eingestellt wird, daß die Schwingung vollkommen stabil in dem Bereich stattfindet, in dem der Signalpegel nicht abgeschwächt wird.

Wie oben beschrieben, sind Schwankungen aufgrund der Änderung der ausgangsseitig angeschlossenen Lastim pedanz klein, da die Impedanz der Eingangsseite (Emitterseite) des Verstärkers wesentlich niedriger ist. Ebenso beeinflussen diese Schwankungen die Schwingfrequenz nicht sehr, da die Verbindung zu dem Kollektor der Oszillatorschaltung hergestellt ist und der Betrieb der Oszillatorschaltung durch den an Masse liegenden Kollektor gewährleistet wird.

Wie oben erwähnt, ändert sich die Schwingfrequenz durch die Kaskodenschaltung sehr wenig, unabhängig vom Schalt kreis, an den die Oszillatorschaltung angeschlossen ist, oder von etwaigen Schwankungen der Lastimpedanz.

Wie oben im einzelnen beschrieben, ist die Erfindung auf eine Oszillatorschaltung gerichtet, die einen Schwingkreis mit einer Mikrostripleitung und einen aus einem aktiven Element bestehenden Schaltkreis mit negativem Widerstand umfaßt, in der die Mikrostrip leitung durch Minimieren der Leitungsbreite und -länge aufgebaut ist, um einen hochleitfähigen Leiter auf einem Substrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante zu bilden, wobei ein Ende der Mikrostripleitung an Masse gelegt ist und ihr anderes Ende parallel zu einer Kapazitäts-Komponente geschaltet ist, wobei die Mikro stripleitung bei einer ausreichend höheren Resonanzfre quenz als der Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung in Resonanz gehalten wird (resonated), und wobei die Resonanzfrequenz durch die Kapazitäts-Komponente bis in die Nähe der Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung erniedrigt wird, so daß die Nachteile eines in einer herkömmlichen Hochfrequenzoszillatorschaltung verwen deten Resonators, nämlich die Nachteile der Verwendung der Mikrostripleitung wie die Schwierigkeit bei der Miniaturisierung und der Verschlechterung des Q-Wertes, ausgeschaltet und ohne Verschlechterung von Kennwerten (characteristically) vollständig vermieden werden können. Darüber hinaus können die Nachteile bei der Verwendung eines dielektrischen Koaxialresonators, wie große Abmessungen der Oszillatorschaltung, Teilekosten und Montagekosten, vollständig gelöst werden.

Da die Mikrostripleitung und eine an dem anderen Ende der Mikrostripleitung parallelgeschaltete Kapazitäts- Komponente als einstückiges Bauelement hergestellt ist, kann die Schaltung einen einfachen Aufbau besitzen, und wenn ein dielektrisches Substrat mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante vorgesehen wird, kann ein Resonator zu relativ geringen Kosten realisiert werden.

Darüber hinaus kann erfindungsgemäß die Schwingfrequenz einfach und genau abgeglichen werden, da eine Stich leitung mit der Mikrostripleitung verbunden ist, um die Schwingfrequenz abzugleichen.

Zudem kann die Schwankung der Schwingfrequenz aufgrund von Laständerungen vermindert werden, da ein Verstärker teil in Kaskodenschaltung erfindungsgemäß an den Schaltkreis mit negativem Widerstand angeschlossen ist.

Claims

1. Oszillatorschaltung, umfassend einen Schwingkreis mit einer miniaturisierten Streifenleitung oder Mikrostripleitung und einen aus einem aktiven Ele ment bestehenden Schaltkreis mit negativem Wider stand, wobei die Mikrostripleitung durch Minimieren der Leitungsbreite und -länge ausgebildet ist, so daß ein hochleitfähiger Leiter auf einem Substrat mit niedriger Dielektrizitätskonstante gebildet ist, wobei ein Ende der Mikrostripleitung an Masse liegt, während ihr anderes Ende mit einer zusätzlichen Kapa zitäts-Komponente verbunden ist, wobei die Resonanz frequenz der Mikrostripleitung auf eine ausreichend höhere Frequenz als die Schwing(ungs)frequenz der Oszillatorschaltung eingestellt ist und wobei die ausreichend hohe Resonanzfrequenz durch die zusätz liche Kapazitäts-Komponente bis in die Nähe der Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung erniedrigt ist.

2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostripleitung und die mit dem anderen Ende der Mikrostripleitung verbun dene zusätzliche Kapazitäts-Komponente ein Schaltungsbauelement bilden.

3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stichleitung (stub) mit der Mikrostripleitung oder mit einem Verbindungsleiter der zusätzlichen Kapazitäts-Komponente verbunden ist und daß die Stichleitung zum Abgleich der Schwing frequenz beschnitten bzw. getrimmt wird.

4. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kaskoden-Verstärkerteil mit dem Schaltkreis mit negativem Widerstand verbunden ist.