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Die
Erfindung betrifft eine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung
für Mikrowellen
und Millimeterwellen, die Eigenschaften einer Strahlungsantenne
für elektromagnetische
Wellen und einer Hochfrequenzoszillation integriert, in hochwirksamen
Telekommunikationsvorrichtungen und Radiometrietechnologien im Submillimeter-Mikrowellenbereich
sowie als eine Raumleistung kombinierende Oszillatorvorrichtung
für eine
besonders hohe Ausgangsleistung verwendet werden kann.
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Herkömmliche
Funkgeräte,
zu denen Funkvorrichtungen und verschiedene Arten von Radiometriegeräten wie
Radarsysteme und Radiometer gehören,
sind durch eine Kombination aus Antennenvorrichtungstechnologien
und Sender-/Empfängertechnologien,
die hauptsächlich
Hochfrequenzschaltungen betreffen, konfiguriert. Je nach beabsichtigtem Zweck
stellten Antennenvorrichtungstechnologien zum wirksamen Abstrahlen
von elektromagnetischen Wellen und Empfangen von elektromagnetischen Wellensignalen
und Hochfrequenzschaltungstechnologien für die Sender und Empfänger, die
für die
Signalverarbeitung und Steuerung zuständig sind, über lange Zeit hinweg voneinander
unabhängige
Technologiegebiete dar, die nur dann zusammentreffen, wenn die Antenneneingangsimpedanz
und die Schaltungsausgangsimpedanz zusammenpassen müssen.
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Der
Technologiebereich für
Telekommunikationsanlagen erlebt derzeit erhebliche Veränderungen.
Jüngste
Erfolge in der Halbleitertechnologie haben zu der Entwicklung von
Technologien geführt,
die es ermöglichen,
Funktionen von Verstärkern,
Oszillatoren, Vervielfachern, Mischern und anderen Hochfrequenzschaltungselementen
durch integrierte, planare Schaltungen zu erhalten. Diese Technologien für integrierte
Hochfrequenzschaltungen werden weitestgehend als Funkvorrichtungstechnologien
der Zukunft betrachtet, die Vorrichtungen ermöglichen, deren integrierte,
planare Schaltung sie gleichzeitig leicht, kompakt, leistungsstark,
höchst
zuverlässig und
kostengünstig
macht. Daher kann man davon ausgehen, dass sie an Stelle des herkömmlichen Systems
verwendet werden, bei dem Vorrichtungen durch Verbinden von Wellenleiterteilen
und Koaxialschaltungsteilen konfiguriert werden. Diese technologische
Umgebung macht die Entwicklung von neuen Mikro- und Millimeterwellentechnologien
erforderlich, die die Antenne mit der integrierten Schaltung integrieren
können.
Auf Grund des Fortschritts in der Halbleitervorrichtungstechnologie
für Anwendungen von
Hochfrequenzschaltungen besteht ein Bedarf an einer Vielzahl von
Technologien. Zu diesen gehören Technologien,
die neue Vorrichtungsfunktionen bereitstellen können, die zum Konfigurieren
von mobilen Mikrowellen- und Millimeterwellen-Kommunikationssystemen benötigt werden,
sowie Technologien, die Radiometriesteuersysteme bereitstellen,
die neue Fähigkeiten
wie besonders funktionelle Antennenrichtstrahlformungstechnologien
und Mikro- und Millimeterwellen-Abbildungsverfahren
besitzen.
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Mit
steigenden Frequenzen im Mikro- bis Millimeterwellenbereich nehmen
der dielektrische Verlust und der Leiterverlust an der Leiterfläche zu und stellen
ein erhebliches Problem hinsichtlich des Übertragungsleitungsverlusts
dar. Das Anordnen von planaren Antennen zur Erhöhung des Antennengewinns führt zu einem
erheblichen Speisungsverlust und einer starken Abnahme der Gesamtleistung
des Systems und der Wirksamkeit der Verbindungen in der langen Übertragungsleitung
der Mikro- und Millimeterwellenfunkvorrichtung. Während daher
ein erheblicher Bedarf an der Entwicklung einer neuen Technologie
besteht, die die Antenne und die planare Hochfrequenzschaltung integriert,
muss immer noch eine Vielzahl schwieriger, technischer Probleme
gelöst
werden, bevor dies geschehen kann.
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In
der einfachsten Konfiguration, bei der die aktive Schaltung und
die Antennenschaltung nebeneinander auf derselben Ebene angeordnet
sind, ist es schwierig, mittels Hochfrequenzkopplung die gewünschten
Vorrichtungsfunktionen durch das Antennenmuster, die Oszillatorfrequenz,
die Abweichung von Rauscheigenschaften und dergleichen zu realisieren.
Während
in solchen Fällen
Verfahren zur räumlichen
Kopplung genaustens in Betracht gezogen werden müssen, sind diese im Allgemeinen
komplex und, außer
in bestimmten Fällen,
für gewöhnlich nur
schwer durch elektromagnetische Feldanalyse zu lösen.
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Um
Sendertechnologien zu realisieren, die die Hochfrequenzerzeugung
und die Hochfrequenzausgabe wirksam veranlassen und eine auf das
Objekt abgestimmte Richtwirkung zur Abstrahlung in die gewünschte Richtung
ausüben,
ist es, wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich, notwendig, ein neues Verfahren
zu entwickeln, das die Oszillatorschaltung und die Antenne mit hoher
Wirksamkeit funktionell integriert. Einer unzureichend hohen Amplitude
des Hochfrequenzsignals, das an einen gewünschten Ort gesendet werden
sollte, wurde herkömmlicherweise entweder
durch Erhöhung
des Ausgangssignals der Signalquelle oder durch Erhöhung des
Antennengewinns entgegengewirkt.
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Man
kann eine Antennenanordnung aus mehreren Elementen mit einer scharfen
Antennenstrahlungscharakteristik unter der Voraussetzung erhalten,
dass eine Signalquelle leicht erhältlich ist, die ein ausreichend
großes
Ausgangssignal hat, um die Abnahme der Strahlungseffizienz, die
durch den Speisungsverlust bewirkt wird, zu kompensieren. Die Tatsache
jedoch, dass Millimeterwellen-Halbleitervorrichtungen
unter Verwendung von Ultrafeinverarbeitungstechnologien hergestellt
werden, um die genauen Geometrien zu erhalten, die notwendig sind, um
Hochfrequenzcharakteristika sicherzustellen, bedeutet, dass die
Leistung, mit der einzelne Vorrichtungen umgehen können, mit
steigender Frequenz stark fällt.
Daher konzentriert sich die technische Forschung besonders darauf,
Möglichkeiten
zu finden, eine adäquaten
Ausgabe im Millimeterwellenbereich zu erzielen.
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19 ist
eine Ansicht, die den Aufbau einer herkömmlichen Hochfrequenzoszillatorvorrichtung zeigt.
Bei dieser Anordnung sind ein Resonator 1 und eine Verstärkerschaltung 2 mit
negativem Widerstand durch einen Wellenleiter 4 gekoppelt
und eine Last 3 ist über
einen Wellenleiter 5 an anderen Anschlüssen der Verstärkerschaltung 2 mit
negativen Widerstand angebracht. Bei dieser Anordnung wird die Oszillationsleistung
einer Anschlussstelle entnommen, die von dem Resonator 1 getrennt
ist. Bei dieser Anordnung der Oszillatorvorrichtung, die vor allem
für tragbare
Telekommunikationsvorrichtungen verwendet wird, die in Mikrowellen- und Submikrowellenfrequenzbereichen
arbeiten, enthält
der Resonator 1 einen dielektrischen Resonator, der kompakt ist
und eine hohe Dielektrizitätskonstante
hat.
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Im
Gegensatz dazu dient der Resonator bei der in 20 gezeigten
herkömmlichen
Oszillatoranordnung als Ausgangsteil für elektromagnetische Wellen.
Bei dieser Anordnung ist eine Verstärkerschaltung 2 mit
negativem Widerstand innerhalb eines Resonators 1 angeordnet
und eine Last 3 stellt eine Größe eines zusätzlichen
Verlusts dar, der durch die Entnahme der Oszillationsleistung zu
dem Resonatoräußeren hin
verursacht wird. Ein typisches Beispiel einer solchen Anordnung
liefert ein Laseroszillator, der mit einem Verstärkungsmedium innerhalb seines
Resonators versehen ist. Bei dieser Anordnung stellt die Last 3 die
Entnahme der Oszillationsleistung in Form eines Strahls dar, der
von einer teilweise transparenten reflektierenden Spiegelfläche des
Laserresonators in einen freien Raum strahlt.
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21 ist
eine Ansicht, die eine weitere Anordnung einer herkömmlichen
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung zeigt, bei der der Resonator
auch als Ausgangsteil für
elektromagnetische Wellen dient. Bei dieser Anordnung sind ein Resonator 1 und
eine Verstärkerschaltung 2 mit
negativem Widerstand durch einen Wellenleiter 4 miteinander
verbunden und eine Last 3 stellt die Größe eines zusätzlichen Verlusts,
der durch die Entnahme der Oszillationsleistung zu dem Resonatoräußeren hin
verursacht wird, als einen Strahl 5 dar. Bei einem Beispiel
einer solchen Anordnung offenbart einer der Erfinder der vorliegenden
Erfindung eine Mikro- und Millimeterwellen-Oszillatorvorrichtung,
die einen gaußschen Strahlenresonator
mit einer Verstärkerschaltung
mit negativem Widerstand vollständig
kombiniert (US-Patent Nr. 5,450,040). Im Prinzip ist die Oszillatorvorrichtung
der 21 eine Variation der Anordnung der 20,
bei der die Entnahme des Verstärkungsmediums
zu dem Äußeren des
Resonators hinsichtlich der Technologie der Oszillatorvorrichtung dahingehend
vorteilhaft ist, dass sie es erlaubt, zwei Parameter sicherzustellen,
die die Steuerung der Oszillationsbedingungen ermöglichen.
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22 zeigt
den Aufbau einer herkömmlichen,
Mikro- und Millimeterwellen-Oszillatorvorrichtung
mit Strahlausgabe, die ein spezielles Ausführungsbeispiel der Anordnung
der 21 ist. In diesem Fall ist der Resonator 1 der 21 ein
Fabry-Perot-Resonator 8, der aus einer sphärischen,
teilweise transparenten, reflektierenden Spiegelfläche 6 und
einer leitenden, reflektierenden Spiegelfläche 7 besteht, und
bei dem eine Verstärkerschaltung 2 mit negativem
Widerstand durch einen Wellenleiter 4 und einen Kopplungsbereich 9 verbunden
ist, der einen Teil der leitenden, reflektierenden Spiegelfläche 7 des
Resonators 8 darstellt. Die teilweise transparente, reflektierende
Spiegelfläche 6 kann
durch ein zweidimensionales, leitfähiges Dünnschichtgitter gebildet sein.
Die teilweise transparente, reflektierende Spiegelfläche 6 oder
die leitende, reflektierende Spiegelfläche 7 können als
sphärischer
Spiegel gebildet sein, wodurch der Resonatormodus eine gaußsche Verteilung
um die optische Achse bildet.
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Um
den Resonator so zu konfigurieren, dass er schwach mit freiem Raum
gekoppelt ist, wird der Reflexionsgrad der reflektierenden Spiegelfläche 6 höher eingestellt
als der Reflexionsgrad der leitenden, reflektierenden Spiegelfläche 7,
so dass der Resonator 8, von der Seite mit der Verstärkerschaltung 2 mit
negativem Widerstand betrachtet, eine Endvorrichtung zu sein scheint.
Das Zusammenwirken des Resonators und der Verstärkerschaltung 2 mit
negativem Widerstand er höht
die Oszillation, was die innerhalb des Resonators angesammelte elektrische Hochfrequenz-Wellenleistung
und zudem die Leistung einer Strahlausgabe 10 erhöht, die
als ein gaußscher
Strahl aus der teilweise transparenten, reflektierenden Spiegelfläche 6 tritt,
was zu einem stabilen Gleichgewicht zwischen dem Gewinn durch die
Verstärkerschaltung 2 mit
negativem Widerstand und dem Gesamtverlust führt, der die Oszillationsausgabe
einschließt.
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Da
die Reflexionsgrade der teilweise transparenten, reflektierenden
Spiegelfläche 6 und
dem leitenden reflektierenden Spiegel 7, d.h. die Kopplungsstärke mit
freiem Raum und die Kopplungsstärke
mit der Verstärkerschaltung 2 mit
negativem Widerstand unabhängig
voneinander festgelegt werden können,
können
bei der Vorrichtung der 22 zwei grundlegende
Einstellungen der Oszillatorvorrichtung, zu denen die Phaseneinstellung
durch Kombination des Kopplungsbereichs 9 und des Wellenleiters 4 gehört, im Wesentlichen
gesteuert werden. Auf der anderen Seite jedoch ist die Anwendung
des gaußschen
Strahlresonators durch die Größe seiner Öffnung beschränkt, die
mehrere Wellenlängen
oder mehr beträgt.
Desweiteren ist er von Natur aus ein Resonator mit hoher Güte und daher
nicht für
Anwendungen geeignet, bei denen Breitbandfrequenzcharakteristika
nötig sind.
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23 zeigt
den Aufbau einer herkömmlichen
Oszillatorvorrichtung, bei der die Verstärkerschaltung mit negativem
Widerstand und die Antennenelemente nebeneinander auf derselben
Ebene angeordnet sind. In 23 ist
ein Hochfrequenztransistor 12 mit einem Resonator 1 integriert,
der aus einer Streifenleitung besteht, um einen Oszillator als Verstärkerschaltung
mit negativem Widerstand zu bilden, und Gleichstrom, der aus einer
Gleichstrom-Vorspannungsleitung 11 zugeführt wird,
wird in eine Hochfrequenzleistung umgewandelt und über eine
integriert verbundene, quadratische Leiterstückantenne 15 in einen
freien Raum abgestrahlt. Da die Kopplung der Oszillation zwischen
einer Stichleitung 13, dem Streifenleitungsresonator 1,
der Gleichstrom-Vorspannungsleitung 11 und der quadratischen
Leiterstückantenne 15 nur
schwer zu vermeiden ist, führen
geringe Unterschiede bei der Impendanzanpassung, der Resonanzfrequenz,
der Drahtlage und dergleichen zu komplexen Wechselwirkungen, die
das Frequenzspektrum, die Ausgangsleistung und das Strahlungsmuster
erheblich beeinträchtigen,
was in der Praxis zu einer schwierigen Handhabung der Oszillatorvorrichtung
der 5 führt.
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24 zeigt
ein Beispiel einer abstrahlenden Oszillatorvorrichtung nach dem
Stand der Technik, die von York et al. offenbart wurde, bei der
die planaren Leiterstücke
sowohl als Resonator als auch als Ausgangsteil für elektromagnetische Wellen
dienen (R. A. York und R. C. Compton, „Quasi-Optical Power Combining
Using Mutually Synchronized Oscillator Arrays," IEEE Trans. an Microwave Theory and
Tech., Ausgabe MTT-39, Seiten 1000–1009, 1991). Diese Offenbarung
beschreibt ein Verfahren zum Konfigurieren einer einfachen, planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung. Das Verfahren sieht vor, zwei
rechtwinklige Leiterstücke 15 nebeneinander
anzuordnen, von denen jedes als breite, niederohmige Mikrostreifenleitung über einen
schmalen Spalt 16 gebildet ist, der den Drain und ein Gate
eines Hochfrequenz-Feldeffekttransistors (FET) 12 verbindet,
dessen Source mit jeder niederohmigen Mikrostreifenleitung geerdet
ist, wodurch die beiden niederohmigen Mikrostreifenleitungen durch
Gleichstrom-Vorspannungsleitungen 11 direkt vorgespannt werden,
und wobei die kapazitive Kopplung durch den schmalen Spalt 16 als
Verstärkerschaltung
mit positiver Rückkopplung
verwendet wird, um hinsichtlich einer hohen Frequenz von der Seite
des Resonators aus betrachtet eine Verstärkerschaltung 2 mit
negativem Widerstand zu bilden.
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25 zeigt
ein weiteres Beispiel einer abstrahlenden Oszillatorvorrichtung
nach dem Stand der Technik, bei der die planaren Leiterstücke sowohl als
Resonator als auch als Ausgangsteil für elektromagnetische Wellen
dienen (R. A. Flynt, J. A. Navarro und K. Change, „Low Cost
and Compact Active Integrated Antenna Transceiver for System Applications," IEEE Trans. Microwave
Theory Tech., Ausgabe 44, Seiten 1642 bis 1649, 1996). Bei dieser
Anordnung sind halbkreisförmige
Leiterstücke 17 einander gegenüberliegend
angeordnet und ein Hochfrequenz-FET 12 ist
so in der Mitte angeordnet, dass er eine abstrahlende Oszillatorvorrichtung
konfiguriert, deren Prinzip im Wesentlichem dem des in 24 dargestellten
Beispiels entspricht. Die beiden halbkreisrunden Leiterstücke 17 sind
kapazitiv durch Chipkondensatoren 18 über den Spalt 16 gekoppelt und
ein Chipwiderstand 34 stellt eine Verbindung zwischen dem
Gate und dem Drain dar, wodurch eine Phasenbedingung hinsichtlich
der Erfüllung
einer Negativwiderstandsbedingung durch positive Rückkopplung
festgelegt wird.
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26 zeigt
ein weiteres Beispiel einer abstrahlenden Oszillatorvorrichtung
nach dem Stand der Technik, bei der die planaren Leiterstücke sowohl als
Resonator als auch als Ausgangsteil für elektromagnetische Wellen
dienen (X. D. Resonator 1 und K. Chang, „Novel
Active FET Circular Patch Antenna Arrays for Quasi- Optical Power Combining," IEEE Trans. Microwave
Theory Tech., Ausgabe MTT-42, Seite
766 bis 771, Mai 1994). Grundsätzlich ähnelt diese
Vorrichtung, die aus zwei kreisförmigen
Leiterstücken 17 besteht,
die in räumlicher
Nähe zueinander
mit einem zwischen ihnen liegenden Hochfrequenz-FET 12 angeordnet
sind, der der abstrahlenden Oszillatorvorrichtung der 24,
wobei die kreisrunden Leiterstücke 17 einen
Resonator bilden. Abgesehen von der Möglichkeit, den Trennungsabstand
zwischen den Leiterstücken
und der planaren Leiterfläche
einzustellen, die unter und parallel zu den Leiterstücken angeordnet
ist, bietet die Anordnung keinen Freiraum hinsichtlich der Möglichkeit, die
Parameter der abstrahlenden Oszillatorvorrichtung einzustellen.
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Um
eine Oszillation aufzubauen und elektromagnetische Wellenenergie
in dem Resonator anzusammeln, muss die Rückkopplung an die Gateseite des
Feldeffekttransistors mit einer geeigneten Phase und in einem geeigneten
Verhältnis
durchgeführt werden.
Wenn die Kombination aus Rückkopplungsphase
und Amplitude die Bedingung erfüllt,
die vom Resonator aus gesehenen eine Verstärkerschaltung mit negativem
Widerstand erfordert, wird eine Oszillation möglich und ein elektromagnetisches
Hochfrequenzfeld wird in dem Resonator aufgebaut. Von dem Resonator
aus gesehen muss für
eine Schaltung mit negativem Widerstand zu diesem Zeitpunkt die
Bedingung der positiven Rückkopplung
zu dem Transistorverstärker
erfüllt
sein und zudem ist das Gewährleisten
einer schwachen Kopplung zwischen dem Resonator und dem freien Raum
ein Grunderfordernis.
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Die
abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen der 24, 25 und 26,
bei denen ein Resonator verwendet wird, der zudem als Antenne dient, sind
so konzipiert, dass sie die Einstellung der Bedingung der positiven
Rückkopplung
zu dem Hochfrequenztransistor durch Einstellen der Kapazität ermöglichen.
Das in 24 gezeigte Verfahren, die Kapazität durch
Verändern
der Breite des schmalen Spalts zwischen den beiden rechwinkligen
Leiterstücken 15 einzustellen,
erlaubt es jedoch nicht, die Einstellung mit ausreichend Freiraum
vorzunehmen. Das in 25 gezeigte Verfahren, bei dem
Chipkondensatoren zum Koppeln der kreisrunden Leiterstücke 17 verwendet
werden, ist in dem Millimeterwellenbereich nicht ohne Modifikation
wirksam und daher hinsichtlich der Einstellfreiheit ähnlich uneffizient. Abgesehen
von der Möglichkeit,
den Trennungsabstand zwischen den Leiterstücken und der planaren Leiterfläche einzustellen,
die unter und parallel zu den Leiterstücken angeordnet ist, bietet
das Verfahren der 26 außerdem wie bereits erwähnt keine Einstellmöglichkeiten.
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Daher
geht keines der Verfahren der 24, 25 und 26 darauf
ein, einen schwach gekoppelten Zustand zwischen den Leiterstücken, d.h. dem
Resonator und dem freien Raum sicherzustellen, und die Verfahren
offenbaren nichts hinsichtlich der Art und Weise, wie ein schwach
gekoppelter Zustand zwischen dem freien Raum und dem Resonator realisiert
werden könnte.
Die in den 24, 25 und 26 dargestellten
abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen, die Resonatoren verwenden, die
auch als Antennen dienen, offenbaren daher kein Verfahren zum Realisieren
eines optimalen Oszillationszustands.
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27 zeigt
eine planare Anordnung einer Mikro- und Millimeterwellen abstrahlenden
Oszillatorvorrichtung, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung
offenbart wurde (JP-A Hei 9-220579). Diese Vorrichtung umfasst ein
Paar fächerförmiger Leiterstücke 19,
bei denen ihre spitz zulaufenden Abschnitte 20 nahe einander
und ihre bogenförmigen Abschnitte
auf einander abgewandten Seiten angeordnet sind, wobei ein Hochfrequenz-FET 12,
der zwischen diesen angeordnet ist, ein Gate, das mit einem der
fächerförmigen Leiterstücke 19 verbunden ist,
ein Drain, das mit dem anderen fächerförmigen Leiterstück 19 verbunden
ist, und eine Source hat, die mit Erde verbunden ist, wobei eine
planare Leiterfläche
parallel zu den Flächen
der fächerförmigen Leiterstücke 19 angeordnet
und von diesen durch eine Trennung beabstandet ist, die zwischen
einem Fünfzehntel
und einem Fünftel
der Wellenlänge
liegt, die von diesen erzeugt wird. Der Radius jedes der fächerförmigen Leiterstücke 19 beträgt etwa
ein Viertel der Oszillationswellenlänge. Jedes fächerförmige Leiterstück 19 ist
durch eine Gleichstrom-Vorspannungsleitung 11 mit
einer getrennten Gleichstromquelle verbunden, deren Source bei Erdpotential liegt.
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Die
in 27 offenbarte Technologie nach dem Stand der Technik
ist gegenüber
den anderen Technologien nach dem Stand der Technik insofern überlegen,
als sie das Einstellen des Trennungsabstands zwischen den Leiterstücken und
der planaren Leiterfläche
ermöglicht
und der Divergenzwinkel θ des
fächerförmigen Leiterstücke 19 frei
eingestellt werden kann. Ähnlich
der in 22 beschriebenen Oszillatorvorrichtung,
deren Oszillationsresonator auch als Ausgangsteil für elektromagnetische
Wellen dient, der Fabry-Perot-Resonatortechnologie verwendet, dienen
die planaren Leiterstücke
der abstrahlenden Oszillatorvorrichtung sowohl als Resonator als
auch als Extraktionsteil für
elektromagnetische Wellen, wodurch zwei steuerbare Parameter gesichert
werden, die für
die Optimierung der Osziallationsbedingungen nötig sind. Zusätzlich sollte
eine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung bereitgestellt werden,
die dazu geeignet ist, eine kombinierte hocheffiziente Leistung
zu realisieren, indem die gemeinsame Raumphase mehrerer solcher
Vorrichtungseinheiten, die planar in einer Gruppe angeordnet sind,
synchronisiert wird.
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Durch
den Übergang
zu höheren
Frequenzen, die zu feineren Vorrichtungsgeometrien führen, die
Zunahme charakteristischer Unterschiede zwischen einzelnen Hochfrequenztransistoren,
die höhere
Fehlerrate bei der Präzision,
mit der Schaltungen und Resonatoren hergestellt werden, die stärker werdenden
Auswirkungen von uneinheitlichen Materialien sowie andere derartige
Faktoren werden abstrahlende Oszillatorvorrichtungen jedoch anfälliger für die Auswirkungen
von Schwankungen der Oszillationsfrequenz. Desweiteren wurden im
Zuge der steigenden Zahl von Oszillatoren, die in Anordnungen verwendet
werden, auch die Anforderungen an die Einheitlichkeit und die Kopplungsstärke zunehmend
strenger. Daher bestand ein Bedarf an der Entwicklung von neuen
Technologien, die es ermöglichen,
eine stärkere
Breitbandfrequenzsynchronisierung und räumliche Kopplung zu erreichen
und einzustellen.
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Die
Anwendung des gaußschen
Strahlresonators ist durch die Größe seiner Öffnung beschränkt, die
mehrere Wellenlängen
oder mehr beträgt.
Desweiteren ist er von Natur aus ein Resonator mit hoher Güte und daher
nicht für
die Verwendung in der Breitbandfrequenzmodulation, Mehrfrequenznutzung
und andere derartige Anwendungen nicht geeignet. Ferner ist ein
Resonator, der wie eine Plankonvexlinse geformt ist, bei der eine
Seite aus einem sphärischen
Spiegel besteht, zwar dazu geeignet, mit einer planaren Schaltung überlagert
zu werden, jedoch relativ teuer. Daher ist eine neue Lösung zur Senkung
der Kosten erforderlich.
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Durch
Umsetzen der Erkenntnisse in der Konfigurierungstechnologie, die
hinsichtlich der abstrahlenden Oszillatorvorrichtung gewonnen wurden, die,
wie vorstehend beschrieben, einen gaußschen Strahlresonator verwendet,
konnten die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine hocheffiziente
abstrahlende Oszillatorvorrichtung realisieren, die einen planaren
Resonator verwendet, der durch fächerförmige Leiterstücke gebildet
ist (JP-A Hei 9-220579). Gemäß dieser
Offenbarung ist es möglich,
eine hocheffiziente planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung für Frequenzen
im Mikro- bis Millimeterwellenbereich zu erhalten. Von allen Strukturen
nach dem Stand der Technik erschien diese am geeignetsten, um eine planar
abstrahlende Oszillatorvorrichtung anzugeben, die eine Anordnung
von Oszillatorvorrichtungen umfasst, die in einer einzigen Ebene
angeordnet sind, um die räumliche
Kopplung zwischen den abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen und
eine gemeinsame Raumphasensynchronisierung zu ermöglichen.
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Eine
weitere ähnliche
Anordnung nach dem Stand der Technik ist in einem Artikel „aktive
radiating butterfly antenna" von
Murata et al, Antennas and Propagation Society International Symposium,
1997 IEEE, 1997 Digest, Montreal, Que, Canada, 13–18 Juli,
1977, NY USA IEEE Seiten 2464–2467 XPØ1Ø246706
beschrieben.
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Der Übergang
zu höheren
Frequenzen, die zu feineren Vorrichtungsgeometrien führen, Unterschiede
zwischen den Charakteristika der einzelnen Hochfrequenztransistoren,
die Fehlerrate bei der Präzision,
mit der Schaltungen und Resonatoren hergestellt werden, uneinheitliche
Materialien sowie andere derartige Fehlerfaktoren führten wie
bereits erwähnt
jedoch zu Schwankungen der Oszillationsfrequenzen bei einzelnen
abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen. Desweiteren wurden im Zuge
der steigenden Zahl von Oszillatoren, die in Anordnungen verwendet
werden, auch die Anforderungen an die Einheitlichkeit von Charakteristika
und die Kopplungsstärke
zunehmend strenger, was zu einem Bedarf an der Entwicklung von neuen
Technologien führte,
die es ermöglichen,
eine stärkere
Breitbandfrequenzsynchronisierung und räumliche Kopplung zu erreichen
und einzustellen.
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Die
vorstehend beschriebenen Technologien nach dem Stand der Technik
konnten keine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung bereitstellen,
die gleichzeitig eine hocheffiziente Hochfrequenzausgabe, Breitbandcharakteristika
von dem Mikrowellen- bis zu dem noch hochfrequenteren Millimeterwellenbereich,
eine anordnungsbasierte, ausgeprägte Strahlcharakteristik
und eine hohe Ausgabe durch Leistungskombination sowie, um einen
größeren Freiraum
für die
Anpassung an Anwendungserfordernisse für aktive Strahlformung und
dergleichen sicherzustellen, die Möglichkeit, die Bandbreite synchronisierbarer
Frequenzen und die räumliche
Kopplungsstärke
falls gewünscht
einzustellen, erzielen kann.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend genannten
Umstände
konzipiert und ihre Hauptaufgabe besteht darin, eine planar abstrahlende
Oszillatorvorrichtung anzugeben, die, falls gewünscht, eine breitere synchronisierte
Fre quenzbandbreite sowie eine höhere
räumliche
Kopplungsstärke
realisieren kann, einstellbar ist und es ermöglicht, ein Hochfrequenzausgangssignal
mit hoher Effizienz in den freien Raum abzugeben.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine planar abstrahlende
Oszillatorvorrichtung für
Mikro- und Millimeterwellen anzugeben, die dazu geeignet ist, eine
Anordnung von mehreren Oszillatorvorrichtungen der Erfindung in
einer einzigen Ebene zu bilden und anzuordnen, um eine hocheffiziente
Leistungskombination durch wechselseitige Synchronisierung der Anordnung
von Oszillatoren zu realisieren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung mit
den Merkmalen des Hauptanspruchs angegeben.
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Diese
Erfindung umfasst eine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung,
die dadurch gebildet ist, dass mehrere Oszillatorvorrichtungen der
vorstehend genannten Struktur in einer einzigen Ebene angeordnet
sind.
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Der
Hochfrequenztransistor kann ein Hochfrequenz-Feldeffekttransistor
sein, der ein mit einem der Leiterstücke verbundenes Gate, einen
mit dem anderen Leiterstück
verbundenen Drain und eine mit Erde verbundene Source hat. Desweiteren
kann der Hochfrequenztransistor ein Hochfrequenz-Flächentransistor
sein, der eine mit einem der Leiterstücke verbundene Basis, einen
mit dem anderen Leiterstück
verbundenen Kollektor und einen mit Erde verbundenen Emitter hat.
Der Hochfrequenztransistor kann ein Hochfrequenztransistor sein,
der aus einem einzigen Transistor oder mehreren parallel geschalteten
Transistoren besteht.
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Die
Erfindung umfasst das Paar Leiterstücke und die planare Leiterfläche, die
den Unterseiten des Paars Leiterstücke gegenüberliegt, die auf einander abgewandten
Seiten eines dielektrischen Materials wie beispielsweise hochreinem
Silizium, Quarz, Saphir, Aluminiumoxid, PTFE und Polyethylen vorgesehen
sind, das einen geringen Hochfrequenzverlust aufweist.
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Gemäß der planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung mit der vorstehend genannten
Anordnung sind der Öffnungswinkel
der spitz zulaufenden Abschnitte der Leiterstücke und die Form der Leiterstücke so gewählt, dass
man eine Oszillation mit einer Frequenz erzielt, die dem halben
Wellenlängenabstand
zwischen den voneinander abgewandten Enden des Paars Leiterstücke entspricht,
und man eine hohe Spektralreinheit erhält. Obwohl diese erzielte Oszillationsfrequenz
in einem Bereich schwankt, der 0,8 bis 1,2 Mal die Frequenz einer
Welle beträgt,
deren halbe Wellenlänge
der Abstand zwischen den voneinander abgewandten Enden des Paars
Leiterstücke
ist, was die Spektralreinheit leicht verschlechtert, können synchronisierte
Breitbandfrequenzcharakteristika erzielt werden. Desweiteren dient
die Form der spitz zulaufenden Abschnitte des Paars Leiterstücke der
Erfindung dazu, die Erzeugung von den Resonator schneidenden Polarisationskomponenten
zu unterdrücken,
wodurch es möglicht
ist, eine qualitativ hochwertige Strahlungsausgabe mit wenigen schneidenden
Polarisationskomponenten zu erhalten.
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Zudem
ist der Abstand zwischen der planaren Leiterfläche, die parallel zu den Leiterstücken angeordnet
ist, und den Leiterstückflächen, der
zwischen einem Fünfzehntel
und einem Fünftel
der von diesen erzeugten Wellenlänge
beträgt,
etwa 3 bis 10 mal so groß wie
die Dicke einer gewöhnlichen
Streifenleitung oder der Schaltungsplatine, die als planares Antennensubstrat
verwendet wird. Daher stellt das Paar Leiterstücke keine planare Antenne dar,
die bei der Resonanzfrequenz auf den freien Raum abgestimmt ist,
wodurch man einen planaren Resonator erhält, dessen Kopplung mit freiem
Raum schwach ist. Desweiteren ist in der Mitte des Paars Leiterstücke ein
Hochfrequenz-Feldeffekttransistor angeordnet, der ein mit einem
der Leiterstücke
verbundenes Gate, einen mit dem anderen Leiterstück verbundenen Drain und eine
mit Erde verbundene Source hat, wodurch eine Gleichstromvorspannung von
einer geerdeten Source an jedes Leiterstück angelegt wird, um dadurch
einen Hochfrequenzverstärker
mit geerdeter Source zu bilden. Ein auf der Gateseite auftretendes
Rauschsignal wird verstärkt,
wobei ein Hochfrequenzstrom in dem mit dem Drain verbundene Leiterstück induziert
wird. Das so erzeugte elektromagnetische Hochfrequenzfeld ist zwischen der
Unterfläche
des Leiterstücks
und der parallelen Leiterfläche
geführt,
wo es sich in axialer Richtung in dem Leiterstück ausbreitet. Sobald es das äußerste Ende
des Leiterstücks
erreicht, wird ein Großteil
des Felds reflektiert und geht in die entgegengesetze Richtung zurück. Es verläuft dann
auf der anderen Seite vor und zurück durch das Leiterstück und wird wieder
verstärkt,
wenn es in der Mitte in das Gate des Hochfrequenz-Feldeffekttransistors
tritt. Die Wellenleiter, die durch das Paar Leiterstücke gebildet
sind, und die parallele leitende Fläche, die von ihren Unterseiten
abgewandt ist, bilden eine Rückkopplungsschaltung
des Verstärkers,
der durch den Hochfrequenztransistor gebildet ist. Während dieses
Vorgangs baut sich eine Oszillation bezüglich der Frequenzkomponente
auf, die auf die Resonanzfrequenz abgestimmt ist, die durch den
Abstand zwischen den voneinander abgewandten äußersten Enden des Paars Leiterstücke bestimmt
ist und die Bedingung der Rückkopplung
vom Ausgang zum Eingang des sich in einer positiven Rückkopplungsphase
befindenden Verstärkers
erfüllt,
wodurch Energie in dem planaren Resonator gespeichert wird, der durch
das Paar Leiterstücke
gebildet ist.
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Im
stabilen Zustand wird ein Teil der Hochfrequenzenergie, die in dem
planaren Resonator gespeichert ist, der durch die schwach räumlich gekoppelten
Leiterstücke
und den Hochfrequenztransistor gebildet ist, mit einer konstanten
Rate in den freien Raum abgestrahlt. Da die Distanz zwischen den
Flächen
des Paars Leiterstücke
und der planaren Leiterfläche,
die parallel zu diesem liegt, so gewählt ist, dass sie zwischen
einem Fünfzehntel
und einem Fünftel
der Wellenlänge
beträgt,
kann eine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung realisiert werden, bei
der eine Anpassung mit dem freien Raum bei der Resonanzfrequenz
des Paars Leiterstücke
gewählt werden
kann und bei der durch Wahl des Divergenzwinkels die Breite und
die Form der äußersten
Kante des Paars Leiterstücke
gewählt
werden können, die
Resonanzfrequenzbandbreite über
einen breiten Bereich und zusätzlich
die Kopplungsstärke
des planaren Resonators und des Hochfrequenzverstärkers wahlweise
eingestellt werden können,
die Strahlungsmustercharakteristik einer elektromagnetischen Welle
gewählt
und falls nötig
die Stärke
der räumlichen
Kopplung zwischen den planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen,
die in derselben Ebene angeordnet sind, eingestellt werden kann
und die Leistung aus den extern angeschlossenen Gleichstromquellen
als Hochfrequenzoszillationsenergie mit hoher Effizienz in den freien
Raum ausgegeben werden kann.
-
Gemäß der so
konfigurierten planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung arbeiten
einzelne abstrahlende Oszillatorvorrichtungen, die jeweils dadurch
gebildet sind, dass ein Paar Leiterstücke und ein Hochfrequenz-Feldeffekttransistor
integriert sind, als planar abstrahlende Oszillatorvorrichtungen,
die es ermöglichen,
Leistung aus extern angeschlossenen Gleichstromquellen als Oszillationsleistung
mit hoher Effizienz in den freien Raum abzugeben. Da die mehreren
Paare Leiterstücke
aus demselben Material hergestellt und so gebildet sind, dass sie
dieselbe Form und dieselben Abmessungen haben und die Hochfrequenz-Feldeffekttransistoren
in der Mitte zwischen den jeweiligen Paaren Leiterstücke von
derselben Art sind und dieselben Charakteristika haben, erhält man planar
abstrahlende Oszillatorvorrichtungen mit im Wesentlichen gleicher
Betriebsfrequenz, so dass jede als hocheffi ziente Hochfrequenz-Oszillatorvorrichtung
arbeitet. Diese Oszillatorvorrichtungen sind in derselben Ebene
angeordnet, so dass die Ausgabe jeder abstrahlenden Oszillatorvorrichtung jeweils
mit den Ausgaben der angrenzenden abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen
derselben Art synchronisiert ist. Folglich wird eine planar abstrahlende
Oszillatorvorrichtung realisiert, die in der Lage ist, Leistung
räumlich
besonders effizient zusammenzuführen.
-
Während die
vorstehend genannte Vorrichtungsanordnung mit Bezug auf die Verwendung
eines Hochfrequenz-Feldeffekttransistors beschrieben wurde, der
in der Mitte jedes Paars Leiterstücke angeordnet ist und ein
Gate, das mit einem der Leiterstücke
verbunden ist, ein Drain, das mit dem anderen Leiterstück verbunden
ist, und eine Source hat, die mit Erde verbunden ist, kann anstelle
eines Hochfrequenz-Feldeffektransistors ein Hochfrequenz-Flächentransistor
verwendet werden, der eine mit einem der Leiterstücke verbundene
Basis, einen mit dem anderen Leiterstück verbundenen Kollektor und
einen mit Erde verbundenen Emitter hat. Dadurch wäre es möglich, die
Vorteile der Charakteristika eines Hochfrequenz-Flächentransistors
für die
Herstellung einer rauscharmen planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung
oder einer planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung zu nutzen,
die in der Lage ist, Leistung räumlich
besonders effizient zusammenzuführen.
-
Der
Hochfrequenztransistor, der zwischen dem Paar Leiterstücke angeordnet
ist, kann aus zwei oder mehreren parallel geschalteten Hochfrequenztransistoren
bestehen; im Gegensatz zu einem einzigen Hochfrequenztransistor
wird in diesem Fall die Sättigungsleistung
um einen Faktor, der der Anzahl an parallel geschalteten Transistoren
entspricht, oder maximal um einen Faktor größer, der dem Quadrat der Anzahl
an parallel geschalteten Transistoren entspricht. Das erhöht die Sättigungsleistung
des Resonators erheblich und ermöglicht
somit eine Hochfrequenzerzeugung bis zu dem Punkt, an dem eine große Menge
an Energie in dem Resonator angesammelt werden kann, wodurch eine
planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung realisiert werden kann,
die eine hohe Spektralreinheit und eine große Leistungsfähigkeit
besitzt.
-
Die
vorliegende Erfindung wird in der folgenden Beschreibung an Hand
der Zeichnungen verdeutlicht, in denen:
-
1 eine
erläuternde
Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung ist,
-
2 eine
Querschnittsansicht der Oszillatorvorrichtung der 1 ist,
-
3 eine
erläuternde
Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung ist,
-
4 eine
erläuternde
Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung ist,
-
5 eine
erläuternde
Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung ist,
-
6 eine
erläuternde
Darstellung einer bestimmten Implementierung der Oszillatorvorrichtung der 1 ist,
-
7 eine
erläuternde
Darstellung einer Modifikation der in 6 gezeigten
Oszillatorvorrichtung ist,
-
8 eine
auseinander gezogene Perspektivansicht der Oszillatorvorrichtung
der 1 ist,
-
9 ein
Graph des durch die Oszillatorvorrichtung der 4 erzeugten
Oszillatorspektrums ist,
-
10 ein
Graph des Oszillationsspektrums ist, das durch eine weitere Anordnung
der in 6 gezeigten Oszillatorvorrichtung erzeugt wird,
-
11 ein
Graph ist, der die Synchronfrequenzcharakteristik für unterschiedliche
Divergenzwinkel θ der
spitz zulaufenden Abschnitte der Leiterstücke in der erfindungsgemäßen Oszillatorvorrichtung
zeigt,
-
12 eine
Strahlungsmustercharakteristik einer elektromagnetischen Welle bei
einer planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt,
-
13 eine
Strahlungsmustercharakteristik einer elektromagnetischen Welle bei
einer planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt,
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14 eine
erläuternde
Darstellung des Konzepts einer planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist, bei dem die Vorrichtung aus mehreren planar abstrahlenden
Oszillatorvorrichtungen besteht, die auf derselben Ebene angeordnet
sind,
-
15 eine
erläuternde
Darstellung des Konzepts einer planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist, bei dem die Vorrichtung aus mehreren planar abstrahlenden
Oszillatorvorrichtungen besteht, die auf derselben Ebene angeordnet
sind,
-
16 ein
Graph ist, der die Strahlungsmustercharakteristik einer elektromagnetischen
Welle einer planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt, die vier planar abstrahlende Oszillatorvorrichtungen umfasst,
die auf derselben Ebene angeordnet sind,
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17 eine
erläuternde
Darstellung der Anordnung einer planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung
gemäß der Erfindung
ist, bei der ein Hochfrequenz-Transistorchip zwischen das Paar Leiterstücke geschaltet
ist,
-
18 eine
erläuternde
Darstellung der Anordnung einer planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung
gemäß der Erfindung
ist, bei der zwei Hochfrequenz-Transistorchips zwischen das Paar
Leiterstücke
geschaltet ist,
-
19 eine
erläuternde
Darstellung des Konzepts einer Hochfrequenz-Oszillatorvorrichtung nach dem Stand
der Technik ist,
-
20 eine
erläuternde
Darstellung des Anordnungskonzepts einer Oszillatorvorrichtung nach dem
Stand der Technik ist, bei der der Resonator auch als Ausgangsteil
für elektromagnetische
Wellen dient,
-
21 eine
erläuternde
Darstellung des Anordnungskonzepts einer weiteren Oszillatorvorrichtung
nach dem Stand der Technik ist, bei der der Resonator auch als Ausgangsteil
für elektromagnetische
Wellen dient,
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22 eine
erläuternde
Darstellung des Anordnungskonzepts einer Strahlausgabe-Oszillatorvorrichtung
nach dem Stand der Technik ist,
-
23 eine
erläuternde
Darstellung der Anordnung einer Oszillatorvorrichtung nach dem Stand der
Technik ist, die ein Verstärkerschaltung
mit negativem Widerstand und ein Antennenelement hat, das angrenzend
in derselben Ebene angeordnet ist,
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24 eine
erläuternde
Darstellung eines Beispiels einer Anordnung einer abstrahlenden
Oszillatorvorrichtung nach dem Stand der Technik ist, bei der die
planaren Leiterstücke
sowohl als Resonator als auch als Abstrahlvorrichtung für elektromagnetische
Wellen dienen,
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25 eine
erläuternde
Darstellung eines weiteren Beispiels einer Anordnung einer Oszillatorvorrichtung
nach dem Stand der Technik ist, bei der die planaren Leiterstücke sowohl
als Resonator als auch als Abstrahlvorrichtung für elektromagnetische Wellen
dienen,
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26 eine
erläuternde
Darstellung noch eines weiteren Beispiels einer Anordnung einer
Oszillatorvorrichtung nach dem Stand der Technik ist, bei der die
planaren Leiterstücke
sowohl als Resonator als auch als Abstrahlvorrichtung für elektromagnetische
Wellen dienen,
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27 eine
erläuternde
Darstellung eines Beispiels einer Anordnung einer Oszillatorvorrichtung
nach dem Stand der Technik ist, bei der ein Paar fächerförmiger Leiterstücke sowohl
als Resonator als auch als Abstrahlvorrichtung für elektromagnetische Wellen
dient.
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Ausführungsbeispiele
der Oszillatorvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun detailliert mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist.
-
Die
vorliegende Erfindung ist das Ergebnis von Forschungsarbeiten, die
mit dem Ziel durchgeführt
wurden, eine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung zu erhalten,
die gute Breitbandsynchronisationsfrequenzcharakteristika und eine
starke räumliche
Kopplung besitzt und die die Entnahme von Hochfrequenz-Oszillationsleistung
als räumliche Ausgabe
mit guter Effizienz ermöglicht.
Dieses Ziel wurde durch Weiterentwicklung der bereits bekannten,
in 27 dargestellten abstrahlenden Oszillatorvorrichtung
erreicht, wobei man sich die Grundcharakteristika zu Nutze machte,
um eine hocheffiziente Strahlungsoszillationsausgabe zu erzielen.
Gleichzeitig erreicht die Oszillatorvorrichtung der Erfindung bisher
Unmögliches,
nämlich
(1) die Einstellung der synchronen Frequenzbänder und (2) die Einstellung der
Strahlungsmuster von elektromagnetischen Wellen, um dadurch falls
nötig die
Einstellung der Stärke der
räumlichen
Kopplung zu ermöglichen,
die bezüglich
mehrerer, in einer einzigen Ebene angeordneter planar abstrahlender
Oszillatorvorrichtungen bewirkt wird. Die Einstellungsfunktionseigenschaften
der erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung können auf Technologien zur hochwirksamen
räumlichen
Leistungszusammenführung,
um eine hohe Ausgangsleistung im Mikro- und Millimeterwellenbereich
zu erzielen, sowie auf aktive Antennenstrahlsteuertechnologien angewandt
werden.
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1 ist
eine erläuternde
Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung und 2 eine Querschnittsansicht
der Oszillatorvorrichtung der 1. Mit Bezug
auf die Zeichnungen hat jedes Leiterstück eines Paars Leiterstücke 24 einen Hauptabschnitt 21 und
einen axial symmetrisch und gleichmäßig abgeschrägten, spitz
zulaufenden Abschnitt 20 parallel zu diesem. Das Paar Leiterstücke 24 ist
so angeordnet, dass die spitz zulaufenden Abschnitte 20 nahe
beieinander liegen und die Leiterstücke 24 eine gemeinsame
Symmetrieachse haben. Zwischen den Leiterstücken 24 ist ein Hochfrequenztransistor 12 angeordnet,
der durch einen Hochfrequenz-Feldeffekttransistor
(FET) gebildet ist, der ein mit einem der Leiterstücke 24 verbundenes
Gate, einen mit dem anderen Leiterstück 24 verbundenen Drain
und eine mit Erde 31 verbundene Source des Hochfrequenztransistors 12 hat.
Eine planare Leiterfläche 23 ist
unter und parallel zu dem Paar Leiterstücke 24 mit einem Trennungsabstand
hangeordnet, der ein Fünfzehntel
bis ein Fünftel
der von diesen erzeugten Wellenlänge
beträgt.
Das Symbol L bezeichnet den Abstand zwischen den voneinander abgewandten
Enden des Paars Leiterstücke 24,
W ist die Breite und D die Länge
jedes Hauptabschnitts 21. Jedes der Leiterstücke 24 ist
durch eine Gleichstrom-Vorspannungsleitung 11 mit einer
separaten Gleichstromquelle 30 verbunden, die eine mit
der geerdeten Source des Hochfrequenztransistors 12 gemeinsame
Erdung hat. Test haben bestätigt,
dass, wenn die Leiterstücke 24 so
angeordnet werden, dass ihre spitz zulaufenden Abschnitte 20 mit
einem Abstand voneinander getrennt sind, der ein Vierzehntel bis
ein Sechstel der erzeugten Oszillationswellenlänge beträgt, ein stabiler Oszillationszustand
erreicht werden kann. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel,
bei dem ein verlustarmes dielektrisches Substrat 22 zwischen
die Leiterstücke 24 und
die planare Leiterfläche 23 gepasst
ist. In der Praxis ist es effektiv, wenn das Paar Leiterstücke und
die planare Leiterfläche,
die den Unterseiten des Paars Leiterstücke gegenüberliegt, auf einander abgewandten
Seiten eines dielektrischen Materials wie beispielsweise hochreinem
Silizium, Quarz, Saphir, Aluminiumoxid, PTFE oder Polyethylen vorgesehen
sind, das einen geringen Hochfrequenzverlust aufweist.
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Die
paarweise angeordneten Leiterstücke 24,
die in der erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung sowohl als Oszillationsresonator
als auch als Abstrahlvorrichtung zum Abstrahlen von angesammelter
elektromagnetischer Energie in den freien Raum dienen, sind jeweils
mit einem axial symmetrisch und gleichmäßig abgeschrägten, spitz
zulaufenden Abschnitt 20 versehen. Die Form der spitz zulaufenden
Abschnitte ist ein wichtiger Punkt der Erfindung. Tests, die bezüglich der
fächerförmigen Leiterstücke 19 des
in 27 gezeigten Stands der Technik und formmodifizierter
Versionen dieser durchgeführt
wurden, haben gezeigt, dass die Einstellung des Divergenzwinkels θ der spitz
zulaufenden Abschnitte 20, die in der in 1 und 2 gezeigten
planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung der vorliegenden Erfindung
nahe des Hochfrequenztransistors 12 angeordnet sind, der
sich zwischen diesen befindet, die Kopplungsstärke zwischen dem Hochfrequenztransistor 12 und
dem Resonator erhöht
und somit ein wichtiger Faktor ist, der die Oszillationsbedingungen
bestimmt. Die Tests haben ebenfalls gezeigt, dass die Verwendung
von Leiterstücken,
die eine von den spitz zulaufenden Abschnitten 20 aus nach
außen
breiter werdende Form haben, besonders effektiv ist, um Querpolarisationskomponenten
zu unterdrücken.
Zusammen mit dem Einstellen des Divergenzwinkels θ der Leiterstücke 24 bietet die
Möglichkeit,
den Abstand L zwischen den voneinander abgewandten Enden des Paars
Leiterstücke 24 sowie
die Breite W und die Länge
D jedes Hauptabschnitts 21 entsprechend wählen zu
können,
einen gewissen Freiraum bei der Wahl der Bedingungen, die nötig sind,
um die Oszillationsbedingungen festzulegen. Wäh rend der Abstand L zwischen
den voneinander abgewandten Enden des Paars Leiterstücke 24 im
Wesentlichen einer halben Oszillationswellenlänge entspricht, kann dieser
zwischen zwei Fünfteln
und drei Fünfteln
der Wellenlänge
schwanken, je nach Form der Kante 25 des Hauptabschnitts 21 der Leiterstücke 24.
Gleichermaßen
kann die Einstellung der Breite W des Hauptabschnitts 21 innerhalb
des Bereichs von einer achtel Wellenlänge bis zu einer halben Wellenlänge variieren,
und die Einstellung der Länge
D des Hauptabschnitts 21 innerhalb des Bereichs von Null
bis zu einer Viertel Weglänge
variieren.
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3 ist
eine erläuternde
Darstellung der planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In diesem Fall hat die Kante 25 jedes Hauptabschnitts 21 der
Leiterstücke 24 einen
gerade ausgeschnittenen Abschnitt, der das Resonanzfrequenzband
ausdehnt. Ein zweckmäßiger Bereich
für den
Divergenzwinkel α des
ausgeschnittenen Abschnitts ist 90 Grad ≤ α ≤ 27 Grad. Ähnlich wie in der vorhergehenden
Beschreibung verändert
sich die Oszillationsmittenfrequenz je nach Form des ausgeschnittenen
Abschnitts jeder Kante 25. Das heißt, die Mittenfrequenz hängt von
dem Winkel α ab.
Dadurch ist es möglich,
eine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung zu erhalten, die
in der Lage ist, gleichzeitig elektromagnetische Wellen über einen
breiten Bereich synchronisierter Frequenzen zu erzeugen. Diese planar
abstrahlende Oszillatorvorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel,
die einen Divergenzwinkel α von
180 Grad hat, kann als Äquivalent
zu der des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels
betrachtet werden. Die Strahlungsmustercharakteristik der elektromagnetischen
Welle in eine Richtung ± 90
Grad bezüglich
der Stärke
der räumlichen
Kopplung zwischen den planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen
der Erfindung, die in einer einzigen Ebene angeordnet sind, hängt hauptsächlich von
der Breite W der Hauptabschnitte 21 der paarweise angeordneten
Leiterstücke 24 und
von dem Divergenzwinkel θ der
spitz zulaufenden Abschnitte 20 ab.
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4 und 5 sind
erläuternde
Darstellungen eines dritten bzw. vierten Ausführungsbeispiels der planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung gemäß der Erfindung. Bei der in 4 gezeigten
planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung ist jede Kante 25 des
Hauptabschnitts 21 so geformt, dass sie nach außen gekrümmt ist.
Während
dies das Resonanzfrequenzband verschmälert und dadurch die synchrone
Frequenzbandbreite verringert wird, wird die Spektralreinheit verbessert.
Im Gegensatz dazu hat die Kante 25 jedes Hauptabschnitts 21 der
in 5 gezeigten planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung
eine konkave Krümmung,
die ein breiteres Resonanzfrequenzband und daher eine breitere synchrone
Frequenzbandbreite ermöglicht,
auch wenn dies mit einem gewissen Verlust der Spektralreinheit verbunden
ist.
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Der
Krümmungsradius
R der gekrümmten Kanten 25 der
in 4 dargestellten Leiterstücke 24 beträgt fast
die Hälfte
des Abstands L von Kante zu Kante, und wenn der Hauptabschnitt 21 eine
kurze Länge
D hat, so entspricht die Form der Leiterstücke 24 der planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung beinahe der Form der fächerförmigen Leiterstücke der 27.
Dies führt
zu einer erheblichen Verschmälerung
des Resonanzfrequenzbands, so dass das synchrone Frequenzband trotz
verbesserter Spektralreinheit stark begrenzt ist. Es ist ersichtlich, dass
eine gewisse zusätzliche
Asymmetrie der Form des Paars Leiterstücke der planar abstrahlenden
Oszillatorvorrichtung die Funktion nicht wesentlich beeinflusst.
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6 ist
eine erläuternde
Darstellung einer bestimmten Implementierung der Oszillatorvorrichtung
der 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel bestehen die
Leiterstücke
nur aus den spitz zulaufenden Abschnitten 20 und haben
keinen Hauptabschnitt 21 (D = 0). Dies erhöht die Resonanzfrequenzbandbreite
der erzeugten elektromagnetischen Wellen, wodurch sich auch die
synchrone Frequenzbandbreite erhöht,
wenn auch auf Kosten einer geringeren Spektralreinheit. Bei diesem
Ausführungsbeispiel
ist jedes Leiterstück 24 über eine
Gleichstrom-Vorspannungsleitung 11 mit
einer separaten Gleichstromquelle 30 verbunden, die mit
der geerdeten Source des Hochfrequenztransistors 12 eine
gemeinsame Erdung hat.
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Die
Anordnung nach 7 ähnelt der der 6,
mit der Ausnahme, dass das Gate nicht vorgespannt ist und eine einzige
Gleichstromquelle 30 eine Vorspannung über den Drain und die Source
anlegt. Unabhängig
von dem verwendeten Vorspannungssystem gibt es keinen Unterschied
in der grundsätzlichen
Oszillationsfunktion. Wenn mehrere planar abstrahlende Oszillatorvorrichtungen
in einer einzigen Ebene zum synchronisierten Betrieb angeordnet sind,
hat die Vorspannungsanordnung der 7 den Vorteil,
dass sie hinsichtlich ihrer Verdrahtung weniger komplex ist.
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8 ist
eine auseinander gezogene Perspektivansicht der planar abstrahlenden
Oszillatorvorrichtung des in 1 gezeigten
ersten Ausführungsbeispiels.
Hier umfasst die planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung ein Paar
Leiterstücke 24 mit einer gemeinsamen
Symmetrieachse und spitz zulaufende Abschnitte 20, die
nahe zueinander angeordnet sind. In der Mitte ist ein Hochfrequenz-Feldeffekttransistor (FET) 12 vorgesehen,
der ein mit einem der Leiterstücke 24 verbundenes
Gate, einen mit dem anderen Leiterstück 24 verbundenen
Drain und eine mit Erde 31 verbundene Source hat. Eine
planare Leiterfläche 23 ist
parallel zu dem Paar Leiterstücke 24 angeordnet
und mit einem Abstand von diesen getrennt, der durch ein dielektrisches
Substrat 22 bestimmt ist. Die Source des Hochfrequenz-FET 12 ist über ein
Loch 27 in der planaren Leiterfläche 23, ein Loch 27a in
einer unteren Schicht 22a des dielektrischen Substrats und
ein auf dessen Unterseite gebildetes Drosselfilter 28 mit
Erde 31 verbunden. Das Gate und der Drain sind jeweils
mit einer separaten Gleichstromquelle 30 verbunden, die
mit der geerdeten Source des Hochfrequenztransistors 12 eine
gemeinsame Erdung hat. Ob die Breitenänderung von dem spitz zulaufenden
Abschnitt 20 zu der Kante 25 die Form einer geraden
oder gekrümmten
Linie hat, führt
bei den Leiterstücken 24 der
planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen der 1 bis 7 zu
keinem großen
Unterschied der Charakteristika der betreffenden planar abstrahlenden
Oszillatorvorrichtung.
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9 und 10 sind
Graphen der Oszillationsspektren, die durch zwei unterschiedliche
Anordnungen der erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung erzeugt werden. Insbesondere
zeigt 9 ein Oszillationsspektrum einer Oszillatorvorrichtung,
bei der die Leiterstücke 24 die in 4 gezeigte
Form haben, was ein schmales Resonanzfrequenzband erzeugt. Im Gegensatz
dazu zeigt 10 ein Oszillationsspektrum
einer Oszillatorvorrichtung, bei der die Leiterstücke 24 die
in 6 gezeigte Form haben, was ein breites Resonanzfrequenzband
erzeugt. Das Spektrum der 10 hat
eine geringere Spektralreinheit als das der 9. 11 ist
ein Graph, der synchrone Frequenzbänder zeigt, die bezüglich einer
planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung gemessen werden, die
die erfindungsgemäße Leiterstückanordnung
der 1 ohne Hauptabschnitt 21 hat und bei
der die spitz zulaufenden Abschnitte einen Divergenzwinkel θ von 30
Grad und 60 Grad haben. Zu Vergleichszwecken zeigt der Graph zudem
Ergebnisse für
eine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung, bei der die aus
dem Stand der Technik bekannten fächerförmigen Leiterstücke der 27 verwendet
werden, wobei die Ergebnisse für
spitz zulaufende Abschnitte mit einem Divergenzwinkel θ von null
Grad, 30 Grad und 60 Grad gemessen wurden. Bei den Tests, die durchgeführt wurden,
um diese Ergebnisse zu erhalten, wurde die Strahlung auf einem konstanten
Niveau gehalten, während
die Strah lungsfrequenz verändert wurde,
um zu messen, bis zu welchem Maße
sich die Oszillationsfrequenz mit den Änderungen synchronisieren konnte,
was als relative Bandbreite des synchronen Frequenzbands gezeigt
ist.
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Wie
in 11 deutlich gemacht ist, führte eine Änderung des Divergenzwinkels θ im Falle
der Oszillatorvorrichtung, die die in 27 gezeigten
fächerförmigen Leiterstücke nach
dem Stand der Technik verwendet, nicht zu einer nennenswerten Änderung
der Breite des synchronen Bands (Symbol O). Bei der Oszillatorvorrichtung
der vorliegenden Erfindung jedoch betrug das synchrone Frequenzband etwa
30 MHZ bei einem Divergenzwinkel θ von 30 Grad der spitz zulaufenden
Abschnitte 20, etwa 50 MHZ bei 60 Grad (Symbol ☐)
und stieg auf über
60 MHZ an, wenn die Leiterstücke
konkave Kanten (Symbol Δ)
hatten. Dies macht deutlich, inwieweit das synchrone Frequenzband
durch Verändern
der Form der Leiterstücke
eingestellt werden konnte.
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12 zeigt
die Strahlungsmustercharakteristik einer Oszillatorvorrichtung,
bei die Leiterstücke 24 die
in 4 gezeigten gekrümmten Kanten 25 haben,
entsprechend der in 9 gezeigten hohen Spektralreinheit. 13 zeigt
die Strahlungsmustercharakteristik einer Oszillatorvorrichtung,
bei der die paarweise angeordneten Leiterstücke 24 die in 6 gezeigten,
gerade geschnittenen Kanten 25 haben, entsprechend der
in 10 gezeigten niedrigen Spektralreinheit. Wie aus 12 und 13 ersichtlich
ist, wird durch die erfindungsgemäße planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung,
die die paarweise angeordneten Leiterstücke verwendet, die Erzeugung
von schneidenden Polarisationskomponenten gering gehalten. In 12 und 13 führten zudem
Unterschiede in der Form der bei der erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung verwendeten Leiterstücke in der
Ebene E zu erheblichen, sichtbaren Unterschieden in dem Strahlungsniveau
in eine Richtung parallel zu der Leiterebene der planar abstrahlenden
Oszillatorvorrichtung. Dieser Unterschied erzeugt einen Unterschied
in der Stärke
der räumlichen
Kopplung zwischen mehreren planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen,
die in einer einzigen Ebene angeordnet sind.
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14 zeigt
die Struktur einer zweidimensionalen Anordnung von vier erfindungsgemäßen planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen, die in einer einzigen Ebene
angeordnet sind. 15 zeigt ebenfalls eine Anordnung
aus vier Elementen, bei der die Vorspannungsverdrahtungsanordnung
ohne Gatevorspannung der 7 verwendet wird. Es wird eine
extrem einfache Vorspannungsverdrah tungsanordnung verwendet, um
zu ermöglichen,
dass eine einzige Gleichstromquelle 30 vier planar abstrahlende
Oszillatorvorrichtungen treibt. Zur Verbindung mit der Gleichstromquelle 30 tritt
die Gleichstrom-Vorspannungsleitung 11 durch ein Loch 27 und
ein auf der Unterseite angeordnetes Drosselfilter.
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16 ist
ein Graph, der die Strahlungsmustercharakteristik einer planar abstrahlenden
Oszillatorvorrichtung zeigt, die aus vier erfindungsgemäßen Oszillatorvorrichtungen
besteht, die auf derselben Ebene angeordnet sind. Die Messung der
planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung, die aus einer Anordnung
aus vier Elementen besteht, wurde in einem reflexionsfreien Raum
durchgeführt.
Die getestete Strahlausgabe-Oszillatorvorrichtung wurde als Übertragungsantenne
auf einen Drehtisch gesetzt und die Winkelabhängigkeit der empfangenen Leistung
eines von einer Hornantenne gesendeten Signals wurde gemessen, während der
Winkel verändert
wurde. 16 zeigt ein Beispiel der Messergebnisse
des Strahlausgabe-Strahlungsmuster bei 8,5 GHz, wobei die vertikale
Achse die relative Intensität
und die horizontale Achse den Drehwinkel darstellt. Die empfangene
Leistung in die Vorwärtsrichtung
der Oszillatorvorrichtung, die als Anordnung aus vier Elementen gebildet
ist, war etwa vier mal größer als
die empfangene Leistung in die Vorwärtsrichtung einer Oszillatorvorrichtung
aus einem Element. Dadurch wird deutlich, dass der parallele Betrieb
der planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtungen, die auf derselben
Ebene angeordnet sind, nicht nur eine Leistungssteigerung bei jedem
Element, sondern auch die Manifestation der miteinander synchronisierten
Wirkung der angeordneten Elemente und das Erzielen einer hocheffizienten
Zusammenführung
der räumlichen Leistung
ist. Dies verdeutlicht das Potenzial einer planar abstrahlenden
Oszillatorvorrichtung, die als Anordnung aus mehreren Elementen
gebildet ist und somit als hocheffiziente Hochleistungssignalquelle arbeiten
kann.
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Während die
vorstehend genannte Vorrichtungsanordnung mit Bezug auf die Verwendung
eines Hochfrequenz-Feldeffekttransistors 12 beschrieben
wurde, der in der Mitte jedes Paars Leiterstücke angeordnet ist und ein
mit einem der Leiterstücke verbundenes
Gate, einen mit dem anderen Leiterstück verbundenen Drain und eine
mit Erde verbundene Source hat, kann an Stelle eines Hochfrequenz-Feldeffektransistors
ein Hochfrequenz-Flächentransistor
verwendet werden, der eine mit einem der Leiterstücke verbundene
Basis, einen mit dem anderen Leiterstück verbundenen Kollektor und
einen mit Erde verbundenen Emitter hat. Im Prinzip könnte man
somit dieselben Verstärkungsfunktionen erzielen.
Insbesondere kann ein Feldeffekttransistor wie beispielweise ein
HEM-Transistor (HEMT), ein MESFET-Transistor, ein MOS-Transistor
oder ein Flächen-FET
oder ein Flächentransistor
wie ein bipolarer Transistor oder ein heterobipolarer Transistor (HBT)
als Hochfrequenztransistor verwendet werden. Substratmaterialien,
die zum Herstellen der Leiterstücke
der planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung gemäß der Erfindung
verwendet werden können,
sind beispielsweise dielektrische Substratmaterialien, die einen
geringen Hochfrequenzverlust haben, wie beispielsweise hochreines
Silizium, Quarz, Saphir, Aluminiumoxid, PTFE und Polyethylen.
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Desweiteren
können
mehrere derartige Hochfrequenztransistoren in paralleler Verbindung
in der Mitte zwischen den Leiterstücken angeordnet sein. Bei solch
einer Anordnung wird die Sättigungsleistung
gegenüber
einem einzelnen Hochfrequenztransistor um einen Faktor, der der
Anzahl an parallel geschalteten Transistoren entspricht, oder maximal um
einen Faktor größer, der
dem Quadrat der Anzahl an parallel geschalteten Transistoren entspricht.
Das erhöht
die Sättigungsleistung
des Resonators erheblich und ermöglicht
es somit, eine Hochfrequenzerzeugung bis zu dem Punkt aufzubauen,
an dem eine große
Menge an Energie in dem Resonator angesammelt werden kann. Hierdurch
kann auch eine planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung realisiert
werden kann, die eine hohe Spektralreinheit und eine große Hochfrequenzleistung
besitzt.
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17 zeigt
die Anordnung einer planar abstrahlenden Oszillatorvorrichtung gemäß der Erfindung,
bei der an Stelle des in 1 dargestellten Hochfrequenztransistors 12 der
Hochfrequenz-Transistorchip 29 nach dem Flip-Chipverfahren
zwischen die spitz zulaufenden Abschnitte 20 der Leiterstücke 24 geschaltet
ist. 18 zeigt ebenfalls eine Planar abstrahlende Oszillatorvorrichtung
gemäß der Erfindung,
bei der an Stelle des in 1 dargestellten Hochfrequenztransistors 12 zwei
Hochfrequenz-Transistorchips 29 parallel zwischen die spitz zulaufenden
Abschnitte 20 der Leiterstücke 24 geschaltet
sind.
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Gemäß der Planar
abstrahlenden Oszillatorvorrichtung der Erfindung ist der Abstand
zwischen der Planaren Leiterfläche,
die parallel zu den Leiterstücken
angeordnet ist, und den Oberflächen
der Leiterstücke
etwa 3 bis 10 mal so groß wie
die Dicke einer gewöhnlichen
Streifenleitung oder der als planares Antennensubstrat verwendeten
Schaltungsplatine. Daher stellt das Paar Leiterstücke keine
Planare Antenne dar, die bei der Resonanzfrequenz an den freien
Raum angepasst ist, was einen Planaren Resonator ergibt, dessen
Kopplung mit dem freien Raum schwach ist. Durch wahlweises Festlegen
der Dicke des Leiterstücksubstrats
in diesem Bereich und durch wahlweises Einstellen des Divergenzwinkels
der spitz zulaufenden Abschnitte und der Form der Leiterstücke können die
Impedanzanpassung und die Rückkopplungsbedingung
des Verstärkers gesteuert
werden, um die Bedingungen zu realisieren, die für eine Optimierung als abstrahlende
Oszillatorvorrichtung nötig
sind, deren planare Leiterstücke
als Oszillatorresonator sowie als Ausgangsteil für elektromagnetische Wellen
dienen. Dadurch, dass die Erfindung den Wirkungsgrad der hocheffizienten Leistungserzeugung
und die strukturelle Einfachheit verbessert, die beim Stand der
Technik nicht erreicht wird, bietet sie ein hohes Maß an Freiraum
bei der Gestaltung der Elementanordnungen, die für die Verbindung räumlicher
Leistung nötig
sind, und man kann daher davon ausgehen, dass sie dazu beiträgt, die
räumliche
Zusammenführung
durch Anordnungen aus mehreren Elementen, Mehrelementanordnung-Strahlung
und verschiedene andere Technologien zu verbessern. Besonders vielversprechend
ist die Anwendung der Erfindung bei Satelliten- und anderen Millimeterwellen-Mobilfunktechnologien,
in der Radartechnologie und einem großen Bereich technischer Gebiete,
die eine hohe Leistung benötigen.