DE60020770T2

DE60020770T2 - Ozsillator

Info

Publication number: DE60020770T2
Application number: DE60020770T
Authority: DE
Inventors: John Burton Village Bird; Gary Stephen Swanpool Flatters; Bernard Thorney Whitworth
Original assignee: e2v Technologies UK Ltd
Current assignee: Teledyne UK Ltd
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2020-04-18
Also published as: EP1047183A2; ATE298150T1; GB0024483D0; DE60020770D1; EP1047183B1; GB2351401B; EP1047183A3; GB2351401A

Description

Die vorliegende Beschreibung betrifft einen Oszillator und im Besonderen, aber nicht ausschließlich, einen für die automatisierte Massenproduktion empfänglichen Gunn-Dioden-Oszillator. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Zusammenbauen von Oszillatoren und ein Verfahren zum Abstimmen von Oszillatoren.
Gunn-Dioden-Oszillatoren sind wichtige Komponenten von Radarsystemen (siehe z.B. Druckschrift US 4 56 0 952 A oder den Artikel von LAZAR US e. a. mit dem Titel „A Two-Port mm-Wave Oscillator", veröffentlicht im MICROSAVE JOURNAL, Bd. 28, Nr. 3, März 1985). Sie sind aus Galliumarsenidsubstraten gebildet, die auf eine spezielle Weise bearbeitet werden, um die als Gunn-Dioden bekannten Bauelemente zu bilden. Eine Gunn-Diode wird in ein Oszillatorgehäuse eingebaut, um einen Oszillator zu bilden, der elektromagnetische Mikrowellenfrequenz-Strahlen erzeugen kann. Das Anlegen einer Gleichspannung an eine Gunn-Diode verursacht Hochfrequenz-Elektronenimpulse an Übergängen in ihr, wobei diese Impulse verursachen, dass in der Nähe der Gunn-Diode ein oszillierendes elektrisches Feld aufgebaut wird. Die Gunn-Diode befindet sich in einem metallischen Oszillatorkörper und wird von ihm getragen, der einen Wellenleiter definiert, andere Bauteile des Oszillators trägt und das elektrische Feld zum Erzeugen von elektromagnetischen Mikrowellenfrequenz-Strahlen verwendet. Ein vorspannungsabgestimmter Radialschwingungsoszillator für die zweite Harmonische vom Stand der Technik ist in 1 im Schnitt abgebildet.
In 1 umfasst ein Gunn-Dioden-Oszillator allgemein einen Körper 10, in dem ein länglicher Wellenleiter 11 mit rechteckigem Querschnitt definiert ist, eine Bohrung, die eine Hochfrequenzdrossel 13 enthält, und eine Verbundbohrung 14 auf der der Bohrung entgegensetzten Seite des Wellenleiters. Ein Gunn-Diodenchip 15 ist mit Ultraschall auf die Oberseite eines goldplattierten ersten Kühlkörpers 16 aufgebracht. Die Gunn-Diode 15 ist von einer ringförmigen, elektrisch isolierenden Röhre 17, die aus Aluminiumoxid ist, und einem elektrisch leitfähigen Deckel 18 umschlossen. Eine goldplattierte Radialscheibe 19 wird durch Ausüben einer konstanten Federkraft auf einen elektrisch leitfähigen Verbinder 20, der längs der zentralen Achse der HF-Drossel 13 verläuft, mit dem Deckel 18 in Kontakt gehalten. Die der HF-Drossel 13 am nächsten liegende Oberfläche der Gunn-Diode 15 ist durch eine Drahtbondstelle oder Malteserkreuz-Bondstelle 21 mit dem Übergang der Aluminiumoxidröhre 17 und dem Deckel 18 elektrisch mit dem Verbinder 20 verbunden.
Die HF-Drossel 13 umfasst abwechselnde Abschnitte mit hoher Impedanz und niedriger Impedanz. In diesem Beispiel ist der Abschnitt mit niedriger Impedanz eine Messingscheibe 22 und der Abschnitt mit hoher Impedanz besteht aus Luft 23. Die Dicke der Abschnitte 22 und 23 ist jeweils gleich drei Vierteln der Wellenlänge der zu erzeugenden elektromagnetischen Strahlung. Weitere Abschnitt 22 und 23 niedriger und hoher Impedanz können in die Drossel 13 eingebaut sein. Der Verbinder 20 und somit die Radialscheibe 19 ist durch eine Kunststoffschicht (nicht abgebildet), die um die im Wesentlichen zylindrische Form der Drossel 13 gewickelt ist, gegen den Oszillatorkörper 10 elektrisch isoliert. Die am weitesten von der HF-Drossel 13 entfernte Oberfläche der Gunn-Diode 15 ist durch den ersten Kühlkörper 16 und einen zweiten Kühlkörper 24 elektrisch und thermisch mit dem Oszillatorkörper 10 verbunden. Der Gunn-Dioden-Oszillator kann durch Anlegen einer Gleichspannung über den Oszillatorkörper 10 und den elektrischen Verbinder 20 aktiviert werden, um elektromagnetische Mikrowellenfrequenz-Strahlen zu Erzeugen.
Der erste Kühlkörper 16 ist durch das Zusammenpassen einer mit Gewinde versehenen Axialbohrung 26 des zweiten Kühlkörpers und einem Schraubengewinde 27, das auf der primären Oberfläche des ersten Kühlkörpers ausgebildet ist, mit dem zweiten Kühlkörper 24 verbunden. Der zweite Kühlkörper 24 und somit der erste Kühlkörper 16 wird von der Klemmwirkung einer ringförmigen Schraube 30 in dem Oszillatorkörper 10 getragen. Die Schraube 30 hat ein Gewinde 31 an ihrer Außenfläche, das gewindemäßig mit einer mit Gewinde versehenen Bohrung 32 der Verbundbohrung 14 zusammenpasst. Ein Flansch 29 des ersten Kühlkörpers 16 und ein Teil des zweiten Kühlkörpers 24 neben dem Flansch 29 verlaufen durch eine Bohrung 33, die die Bohrung 32 mit dem Wellenleiter 11 verbindet, sodass die Gunn-Diode 15 in dem Wellenleiter gelagert ist und von ihm positioniert wird.
Beim Einrichten des Oszillators, sodass er die gewünschten Eigenschaften hat, wird der Oszillator montiert, sodass er die bisher beschriebene Struktur hat. Ein Kurzschluss 50 wird von Hand durch Manipulieren einer Stange 57, die vorübergehend in eine Bohrung eingeschraubt wird, die an einem von der Gunn-Diode 15 am weitesten entfernten Ende des Kurzschlusses ausgebildet ist, in den Wellenleiter 11 eingesetzt. Der Kurzschluss 50 umfasst ein maschinell bearbeitetes Messingbauteil, das einen rechteckigen Querschnitt mit Abmessungen hat, die ausreichend kleiner als die Abmessungen des Querschnitts des Wellenleiters 11 sind, damit der Kurzschluss an der Längsachse des Wellenleiters entlang bewegt werden kann, ohne auf bedeutenden mechanischen Widerstand von den Wänden des Wellenleiters zu stoßen.
Die Verschiebung der der Gunn-Diode 15 am nächsten liegenden Fläche des Kurzschlusses 50 am Wellenleiter 11 entlang bestimmt die Ausgangsleistung des Oszillators in der in 2 illustrierten Beziehung. Die Kurve 80 bezieht sich auf eine Gunn-Diodenspannung von 6,5 V und die Kurve 81 bezieht sich auf eine Gunn-Diodenspannung von 4,5 V. Der Kurzschluss 50 wird durch Manipulieren der Stange 57 von einer Position, die etwa drei Viertel einer Wellenlänge der Strahlung von der Position der Gunn-Diode entfernt ist, in Richtung auf die Gunn-Diode 15 zu bewegt, bis die Ausgangsleistung des Oszillators gleich einem erwünschten Wert ist. Ein erwünschter Wert beträgt im typischen Fall 50 mW, was etwa zwei Drittel der maximalen Ausgangsleistung ist. Wenn die Position des Kurzschlusses 50 so ist, dass der Ausgangsleistungspegel auf dem erwünschten Leistungspegel ist, wird eine Schraube 52 gedreht, um den Kurzschluss zu arretieren. Die Stange 57 kann dann herausgedreht und von dem Kurzschluss 50 entfernt werden.
Es wurde aber festgestellt, dass die Ausgangsleistung des Oszillators von der in 2 gezeigten Beziehung beträchtlich abweichen kann und dass es eine Anzahl von verschiedenen Ausgangsleistungspegeln geben kann, die für eine einzelne bestimmte Verschiebung des Kurzschlusses 50 gemessen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass der Ausgangsleistungspegel sich als eine Folge dessen ändern kann, dass die Schraube 52 zum Arretieren des Kurzschlusses 50 in dem Wellenleiter 11 verwendet wird.
Eine solche Abweichung der Ausgangsleistung ist unerwünscht und behindert wahrscheinlich den Einrichtungsprozess, wenn der Prozess automatisiert ist. Die automatisierte Einrichtung wird auch durch die Tatsache komplizierter gemacht, dass die Stange 57 und die Schraube 52 erfordern, dass verschiedene Roboterwerkzeuge gleichzeitig arbeiten.
Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Oszillator zum Erzeugen von Mikrowellenfrequenzstrahlung vorgesehen, wobei der Oszillator Folgendes umfasst:
einen Oszillatorkörper mit einem darin ausgebildeten Wellenleiter;
einen in dem Wellenleiter gelagerten oszillierenden Halbleiterbaustein und
einen Kurzschluss mit einem Film aus weichem Metall auf wenigstens einer Außenfläche davon;
wobei der Kurzschluss Abmessungen hat, die so ausgewählt sind, dass der Film es zulässt, dass der Kurzschluss durch eine enge Gleit- oder eine Presspassung in dem Wellenleiter gehalten wird.
Diese Erfindung entstand teilweise infolge des Bestimmens, dass die Leistungspegelabweichungen in dem oben beschriebenen Oszillator vom Stand der Technik durch eine nicht in Längsrichtung und insbesondere vertikal stattfindende Bewegung des Kurzschlusses 50 in dem Wellenleiter und durch die Lage und das Ausmaß des elektrischen Kontaktes zwischen dem Oszillatorkörper 10, dem Kurzschluss 50 und der Schraube 52 verursacht werden.
Ein gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierter Oszillator erfährt keine Abweichungen des Ausgangsleistungspegels, die durch eine nicht in Längsrichtung stattfindende Bewegung des Kurzschlusses verursacht werden, weil der Kurzschluss durch eine enge Gleit- oder Presspassung fest in dem Wellenleiter sitzt.
Die automatisierte Oszillatoreinrichtung kann durch die verringerte Anzahl von Roboterwerkzeugen, die für gleichzeitiges Arbeiten benötigt werden, und im Besonderen durch Vermeiden von Leistungspegelabweichungen erleichtert werden.
Ein gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierter Oszillator kann auch insofern mechanisch robuster sein, als eine enge Gleit- oder Presspassung gegen mechanische Stöße beständiger sein kann als die Arretierungsschraubenanordnung vom Stand der Technik. Mechanische Unversehrtheit ist von besonderer Bedeutung, wenn der richtige Betrieb des Oszillators wichtig für die Sicherheit ist, wie z.B. in autonomen Geschwindigkeitsregelungsanwendungen in Kraftfahrzeugen. Hier ist es wahrscheinlich, dass der Oszillator weiten Temperaturabweichungen und mechanischen Schwingungen ausgesetzt wird.
Die Kosten der Bauteile für einen gemäß dieser Erfindung konstruierten Oszillator sind wahrscheinlich geringer als die Kosten der Bauteile des oben beschriebenen Oszillators vom Stand der Technik, da weder eine mit Gewinde versehene Bohrung zum Halten der Schraube 52 noch die Schraube 52 selbst mehr benötigt werden. Auch lässt sich ein Kurzschluss mit kreisförmigem Querschnitt wahrscheinlich billiger herstellen als der Kurzschluss mit rechteckigem Querschnitt vom Stand der Technik – besonders in Massenproduktion.
Der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnittsteil ist vorzugsweise ein Stufenübergang. Eine derartige Anordnung lässt sich eventuell leichter maschinell bearbeiten als andere mögliche Anordnungen, was daher die Fertigungskosten verringern kann.
Der Übergang ist vorzugsweise an einer Position, die ausgewählt ist, um dem Oszillator eine glatte Leistungsabstimmungscharakteristik zu verleihen.
Außerdem ist ein Verfahren zum Zusammenbauen eines Oszillators zum Erzeugen von Mikrowellenfrequenzstrahlung vorgesehen, wobei der Oszillator Folgendes umfasst: einen Oszillatorkörper mit einem darin ausgebildeten Wellenleiter, einen in dem Wellenleiter gelagerten oszillierenden Halbleiterbaustein und einen Kurzschluss mit einem Film aus weichem Metall auf wenigstens einer Außenfläche davon; wobei die Querschnittabmessungen des Kurzschlusses mit dem Film größer als die Querschnittabmessungen des Wellenleiters sind, wobei das Verfahren das Einführen des Kurzschlusses in den Wellenleiter umfasst, sodass der Kurzschluss von einer Press- oder einer engen Gleitpassung in dem Wellenleiter festgehalten wird.
Die Grobabstimmung der Oszillatorfrequenz wird zwar vor dem Einstellen der Ausgangsleistung des Oszillators durchgeführt, die Feinabstimmung wird aber danach durchgeführt. Wenn der Oszillator in einer kraftfahrzeugtechnischen autonomen Geschwindigkeitsregelungsanwendung verwendet werden soll, kann es erwünscht sein, dass der Oszillator von 76,1 GHz bis 76,9 GHz gewobbelt wird. Eine solches Wobbeln kann man durch rampenförmiges Erhöhen der an die Gunn-Diode angelegten Gleichspannung von 4,5 Volt auf 6,0 Volt erhalten. Bei derartigen Oszillatoren wird häufig festgestellt, dass die von einer 6-Volt-Speisespannung erhaltene Strahlungsfrequenz auf Grund der Variationen bei der mechanischen Anordnung des Gehäuses 16, 17, 18 und Variationen in der GaAs-Gunn-Diode selbst auf jeder Seite der gewünschten Frequenz jeweils um bis zu 3 GHz abweichen kann.
Die Grobabstimmung wird durch Ersetzen der HF-Drossel- und Radialscheibenanordnung durch eine Anordnung mit einer Scheibe mit passendem Durchmesser erreicht. Während der Grobabstimmung wird der Oszillator so eingestellt, dass eine Frequenz zwischen 77 und 78 GHz erreicht wird, wenn an der Gunn-Diode 6,0 Volt angelegt werden. Ein Bestand an im typischen Fall sieben Drossel- und Scheibenanordnungen, jeweils mit einem anderen Scheibendurchmesser, wird benötigt, damit eine grob abgestimmte Frequenz nahe genug an der gewünschten Frequenz ist, um die Feinabstimmung zu erlauben.
Feinabstimmung wird durch Einführen einer Frequenzabstimmungssonde in den Raum zwischen der Radialscheibe 19 und dem Kühlkörper 16 erreicht. Die Anwesenheit der Frequenzabstimmungssonde in diesem Raum stört das elektrische Feld zwischen der Radialscheibe 19 und dem Kühlkörper 16, weil das Material, aus dem sie hergestellt ist, andere dielektrische Eigenschaften als, die Luft in dem Raum hat. Die Störung des elektrischen Feldes verursacht, dass die Schwingungsfrequenz des Radialschwingungsoszillators und daher die Frequenz der erzeugten Strahlung geändert wird. Das Ausmaß der Frequenzänderung hängt im Besonderen davon ab, wie weit die Sonde in den Raum hineinragt, sowie von den Abmessungen der Sonde und dem zum Herstellen der Sonde verwendeten Material.
Es ist bekannt, dass eine aus Metall oder Dielektrikum hergestellte Sonde mit einer zylindrischen Form und einem Durchmesser von 0,2 bis 0,3 mm zum Abstimmen von Oszillatoren des beschriebenen Typs verwendet wird. Eine solche Sonde erlaubt eine Verringerung der Oszillatorfrequenz, während die Sonde auf die Röhre 17 zu bewegt wird. Weil derartige Sonden direkt auf den Radialschwingungsoszillator wirken, ist die Betriebsfrequenz gegenüber ihrer Position überempfindlich. Oft werden große Frequenzänderungsbeträge durch eine relativ kleine Bewegung der Sonde erreicht, was das Feinabstimmen der Oszillatorfrequenz schwierig machen kann. Es gibt weitere Probleme, weil die kleine Größe der Sonden ihre Herstellung, Handhabung und Halterung schwierig macht.
Es wurde auch festgestellt, dass die Anwesenheit der Sonde in dem Radialschwingungsoszillator unvorhersehbare Schwankungen der Ausgangsleistung des Oszillators verursachen kann. Dies ist selbstverständlich unerwünscht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Oszillator zum Erzeugen von Mikrowellenfrequenzstrahlung vorgesehen, wobei der Oszillator Folgendes umfasst: einen Oszillatorkörper; einen in dem Oszillatorkörper ausgebildeten Wellenleiter; ein Oszillatorgehäuse, das einen oszillierenden Halbleiterbaustein in dem Wellenleiter hält, wobei das Oszillatorgehäuse mechanischen Schutz für den oszillierenden Halbleiterbaustein bietet; eine in dem Oszillatorkörper ausgebildete Leitung, wobei sich die Leitung mit dem Wellenleiter schneidet; eine in der Leitung gelagerte Drosselbaugruppe; eine Radialscheibe, die mechanisch mit der Drosselbaugruppe verbunden ist und von der Drosselbaugruppe in Kontakt mit dem Oszillatorgehäuse in dem Wellenleiter gedrängt wird; und eine Frequenzabstimmungssonde, die angeordnet ist, um zum Ändern der von dem Oszillator erzeugten Strahlungsfrequenz in den Koaxialresonatorraum zwischen der Radialscheibe und der Drosselbaugruppe bewegt werden zu können, wobei die Frequenzabstimmungssonde einen Film aus weichem Metall auf wenigstens einer Außenfläche davon hat, um dadurch eine enge Gleit- oder Presspassung in einer in dem Oszillatorkörper gebildeten Sondenträgerleitung zu ergeben. Außerdem ist ein Verfahren zum Abstimmen eines Oszillators zum Erzeugen von Mikrowellenfrequenzstrahlung vorgesehen, wobei der Oszillator Folgendes umfasst: einen Oszillatorkörper; einen in dem Oszillatorkörper ausgebildeten Wellenleiter; ein Oszillatorgehäuse, das einen oszillierenden Halbleiterbaustein in dem Wellenleiter trägt, wobei das Oszillatorgehäuse mechanischen Schutz für den oszillierenden Halbleiterbaustein bietet; eine in dem Oszillatorkörper ausgebildete Leitung, wobei sich die Leitung mit dem Wellenleiter schneidet; eine in der Leitung gelagerte Drosselbaugruppe; eine Radialscheibe, die mechanisch mit der Drosselbaugruppe verbunden ist und von der Drosselbaugruppe in Kontakt mit dem Gehäuse in dem Wellenleiter gedrängt wird, wobei das Verfahren das Bewegen einer Frequenzabstimmungssonde in den Raum zwischen der Radialscheibe und der Drosselbaugruppe umfasst, um die von dem Oszillator erzeugte Strahlungsfrequenz zu ändern, wobei die Frequenzabstimmungssonde einen Film aus weichem Metall auf wenigstens einer Außenfläche davon hat, um dadurch eine enge Gleit- oder Presspassung in einer in dem Oszillatorkörper gebildeten Sondenträgerleitung zu ergeben.
Im Folgenden werden Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung nur beispielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
1 einen Gunn-Dioden-Oszillator vom Stand der Technik;
2, wie die Ausgangsleistung des Oszillators von 1 im Verhältnis zum Verschieben des Kurzschlusses variiert;
3 einen Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung in der Form eines Gunn-Dioden-Oszillators;
4 eine Orthogonalansicht des Oszillators von 3 und
5, wie die Ausgangsleistung des Oszillators von 3 und 4 im Verhältnis zum Verschieben des Kurzschlusses variiert, und
Der Gunn-Dioden-Oszillator, wobei auf die 3 und 4 Bezug genommen wird, in denen für gleiche Elemente die gleichen Bezugsnummern verwendet werden, umfasst einen Kühlkörper 40 mit einem im Wesentlichen zylindrischen Hauptkörper 40 und einem Endstück 42, wobei der Hauptkörper in Presspassung in einer Bohrung 41 des Oszillatorkörpers 10 sitzt. Der Kühlkörper 40, 42 bildet zusammen mit dem Gunn-Dioden-Chip 15, der Aluminiumoxidröhre 17 und dem Deckel 18 ein Gunn-Diodengehäuse, das mechanischen Schutz für den Gunn-Dioden-Chip bietet. Das Endstück 42 ist zylindrisch und hat einen Durchmesser, der etwa gleich der Hälfte des Durchmessers des Hauptgehäuses 40 ist. Das Endstück 42 ist axial auf den Hauptkörper 40 ausgerichtet. Der am nächsten zu der HF-Drossel 13 liegende Rand 43 des Hauptkörpers 40 ist abgerundet oder abgeschrägt, um das Einführen des Kühlkörpers 40, 42 in die Bohrung 41 zu erleichtern und um zu verhindern, dass während der Montage Späne in den Wellenleiter 11 geschoben werden. Das Einführen des Kühlkörpers 40, 42 in die Bohrung 41 wird von einem Roboterwerkzeug durchgeführt, das das Endstück 42 greift und es auf die HF-Drossel 13 zu zwingt. Das Roboterwerkzeug wird so gesteuert, dass es diese Kraft nicht mehr ausübt, wenn erfasst wird, dass die oberste Oberfläche des Hauptkörpers 40 in die Wellenführung 41 hinein verläuft. Dies kann mithilfe konventioneller optischer oder mechanischer Techniken erreicht werden.
Bei der Produktion des Gunn-Dioden-Oszillators wird der Oszillatorkörper 10 aus einer Zinnlegierung druckgegossen. Der druckgegossene Oszillatorkörper 10 hat eine zylindrische Bohrung mit einem Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser der Bohrung 41 ist. Diese grobe Bohrung wird dann geräumt, um die Bohrung 41 zu erzeugen. Auf diese Weise können der Bohrung 41 Abmessungen verliehen werden, die sehr genau vorhersagbar und kontrollierbar sind. Der Kühlkörper 40, 42 kann dann ohne weitere Bearbeitung der Bohrung 41 in den Oszillatorkörper 10 eingeführt werden.
Der Kühlkörper 40, 42 ist maschinell aus einem einzelnen Kupferstück herausgearbeitet und mit einem Trommelgalvanisierungsverfahren auf eine Tiefe von 15 mm goldplattiert. Plattierung mit größerer Tiefe kann auch verwendet werden. Trommelgalvanisieren wird bevorzugt, weil es kostengünstig ist und eine gleichmäßige Dicke von weichem Gold auf die Flächen des Hauptkörpers 40 aufträgt, die von besonderer Bedeutung sind, d.h. die zylindrische Außenfläche, die nach dem Einbau in den Oszillatorkörper 10 die Bohrung 41 berührt. Bei dem Trommelgalvanisierungsverfahren muss auch eine Schicht aus weichem Gold auf die der HF-Drossel 13 am nächsten liegende Oberfläche der Aluminiumoxidröhre 17 aufgebracht werden. Dies ist vorteilhaft, da sie eine gute Oberfläche zum Anbringen der Bonddrähte oder Malteserkreuzverbindung 21 bereitstellt.
Der Oszillator umfasst des Weiteren einen Schraubdeckel 46, der mit einer mit Gewinde versehenen zweiten Bohrung 47 des Oszillatorkörpers 10 zusammenpasst. Eine Oberfläche 48 des Schraubdeckels 46 kommt mit einer Kraft, die von dem auf ein Werkzeug und somit auf eine Rille 49 des Schraubdeckels 46, die zum Einschrauben des Schraubdeckels in den Uszillatorkörper 10 verwendet wird, ausgeübten Enddrehmoment bestimmt wird, mit der dem Endstück 42 am nächsten liegenden Oberfläche 44 des Hauptkörpers 40 in Verbindung. Der Schraubdeckel 46 ist zwar nicht unbedingt erforderlich, seine Anwesenheit kann aber erwünscht sein, wenn der Verbinder 20 und 68 der HF-Drossel 13 gefedert ist, um eine angemessen hohe Kraft auf das Gehäuse auszuüben, und wenn die Möglichkeit besteht, dass sich der Kühlkörper 40, 42 aus anderen Gründen relativ zu dem Oszillatorkörper 10 bewegen wird. Der Schraubdeckel 46 braucht nicht bereitgestellt zu werden, wenn der Außendurchmesser des Hauptkörpers 40 ausreichend größer als der Durchmesser der Bohrung 41 ist, sodass die zum Verschieben des Hauptkörpers 40 in dem Oszillatorkörper 10 erforderliche Kraft unter normalen Bedingungen nicht vorkommt.
In einer alternativen Ausgestaltung (nicht abgebildet) ist anstelle des Schraubdeckels ein Auflageansatz in dem Körper vorgesehen und der Gunn-Kühlkörper 40 wird von oben eingesetzt.
Wenn der Oszillator in dem Frequenzbereich von 76,1 bis 76,9 GHz arbeiten soll, hat der Wellenleiter 11 meist einen Querschnitt von 3,10 mm auf 1,55 mm. Bei diesem Frequenzbereich ist der Oszillatorkörper 10 mit einer groben Bohrung ausgebildet, die einen Durchmesser von 2,85 mm hat und sich mit dem Wellenleiter 11 an seiner größten Seite schneidet und die zur Achse des Wellenleiters 11 lotrecht ist. Diese Bohrung wird dann geräumt, um die Bohrung 41 mit einem Durchmesser von mindestens 2,910 mm und höchstens 2,915 mm zu bilden. So bildet ein Kühlkörper mit einem zylindrischen Hauptkörper 40 mit einem Durchmesser irgendwo im Bereich von 2,91 mm bis 2,93 mm, einschließlich der Goldplattierung, eine gute Press- oder enge Gleitpassung, wenn er in die Bohrung 41 des Oszillatorkörpers 10 eingesetzt wird. Die Hauptanforderung dieser Press- oder engen Gleitpassung ist, dass der Luftspalt zwischen dem Kühlkörper 40, 42 und dem Oszillatorkörper 10, der in den Vorrichtungen vom Stand der Technik vorhanden ist, vermieden wird. Es ist zwar nicht unbedingt erforderlich, wird aber bevorzugt, dass die enge Gleit- oder Presspassung den Kühlkörper 40, 42 hindert, sich relativ zu dem Oszillatorkörper 10 zu bewegen, ausgenommen bei dem Ausüben einer großen Kraft auf den Kühlkörper 40, 42.
Aspekte dieses Oszillators bezüglich der Press- oder engen Gleitpassung des Kühlkörpers 40, 42 in dem Oszillatorkörper werden in der Druckschrift GB 2342519 A beschrieben.
Wie in 3 gezeigt wird, hat der Wellenleiter 11 einen Stufenübergang 60 von der rechteckigen Form, die in der Nähe der Gunn-Diode 15 besteht, in eine im Wesentlichen kreisförmige Bohrung 61. Der Stufenübergang 80 dient als kapazitiver Widerstand. Seine Position beeinflusst somit die Ausgangsleistungskurve. Die Position des Übergangs ist so ausgewählt, dass sie die glatte und kontinuierliche Leistungsjustierung durch einen Kurzschluss 62 erlaubt. Die Position hängt von der Art der Vorspannungsverbindung 21 ab. In dieser Ausgestaltung ist der Übergang zwei Drittel der Wellenlänge der Mikrowellen oder 3,9 mm.
Die Bohrung 61 wird durch maschinelles Bearbeiten einer groben Bohrung gebildet, die in den Körper 10 druckgegossen ist. Der Durchmesser der Bohrung 61 ist so gewählt, dass die Wellenlänge in dem rechteckigen und dem kreisförmigen Wellenleiterabschnitt die gleiche ist.
Die Bohrung 61 wird durch maschinelles Bearbeiten des Oszillatorkörpers 10 auf einen Durchmesser zwischen 3,500 mm und 3,505 mm gebildet. Der Kurzschluss 62 ist ein geglühtes Kupferelement mit einem Außendurchmesser zwischen 3,49 und 3,50 mm. Dieser Kurzschluss 62 ist mit einem Film aus weichem Zinn mit einer Tiefe von etwa 15 mm plattiert, um die Außenabmessung des Kurzschlusses auf zwischen 3,52 und 3,54 mm zu bringen. Der Zinnfilm wirkt als Trockenschmierstoff, wenn er zwischen den härteren Metallen des Körpers 10 und des Kurzschlusses 62 eingefügt wird, was beim Einführen des Kurzschlusses in die Bohrung 61 hilft. Ein an dem vorderen Ende des Kurzschlusses 62 bereitgestellter abgeschrägter Rand 72 lässt zu, dass überschüssiges Zinn zur Rückseite des Kurzschlusses 62 hin verdrängt wird und nicht in Richtung auf die Gunn-Diode 15. Der Kurzschluss 62 wird somit durch eine enge Gleit- oder Presspassung in der Bohrung 61 gehalten und erhält dadurch eine gute und kontinuierliche elektrische Verbindung mit dem Oszillatorkörper 10.
5 zeigt die Beziehung zwischen der Verschiebung des Kurzschlusses und der Oszillatorausgangsleistung. Die Kurve 82 betrifft ein Gunn-Dioden-Potential von 4,5 Volt, und die Kurve 83 betrifft ein Potential von 6,5 Volt.
Diese Kurven beziehen sich auf den Fall, wenn die Verbindung 21 eine Drahtbondverbindung ist. Es ist wichtig, dass beachtet wird, dass die Kurven 82 und 83 jeweils zwischen Höchst- und Mindestwerten monoton sind. Eine genaue Einstellung der Ausgangsleistung des Oszillators ist leicht erreichbar, weil der Kurzschluss 62 in der Bohrung 61 selbsttragend ist. Es wird daher keine Arretierungsschraube benötigt und der Kurzschluss 62 kann sich in dem Wellenleiter nicht bewegen, außer durch Ausüben einer Kraft auf eine Stange 63, die zum Einstellen der Ausgangsleistung verwendet wird. Selbst das Entfernen der Stange 63, wenn die Ausgangsleistung eingestellt worden ist, kann keine Bewegung des Kurzschlusses 62 verursachen.
Der Oszillator umfasst ferner eine Frequenzabstimmungssonde 65, die durch eine in den Körper 10 gebohrte Bohrung 67 verläuft, wobei sich die Bohrung, wenn extrapoliert, im rechten Winkel mit der Längsachse der Drosselbaugruppe 13 schneidet.
Vorteilhaft befindet sich die Sonde auf halbem Weg oder im Wesentlichem auf halbem Weg zwischen der Scheibe 19 und der Fläche 66. Die Längsachse der Abstimmungssonde 65 ist lotrecht oder im Wesentlichen lotrecht zu der Längsachse der Vorspannungszuleitung 68 und ist orthogonal oder im Wesentlichen orthogonal zu der Längsachse des Wellenleiters 11. Die Längsachse der Abstimmungssonde 65 ist auch parallel oder im Wesentlichen parallel zu der horizontalen Achse des Wellenleiters 11 und ist auf der gleichen oder im Wesentlichen der gleichen Längsposition längs dem Wellenleiter wie die Gunn-Diode 15. Die Frequenzabstimmungssonde 65 kann daher durch Manipulieren ihres hinteren Endes in den Raum zwischen der Radialscheibe 19 und der Drosselbaugruppe 13 bewegt werden. Weil der Abstand zwischen der Radialscheibe 19 und der der Gun-Diode 15 am nächsten liegenden Fläche 66 der Drosselbaugruppe 13 bedeutend größer ist als der Abstand zwischen der Radialscheibe 19 und dem Kühlkörper 40, kann die Sonde 65 einen größeren Durchmesser haben als die Frequenzabstimmungssonden vom Stand der Technik. Das bedeutet, dass die Sonde 65 steifer, leichter herzustellen und einfacher formschlüssig in dem Oszillatorkörper 10 zu befestigen ist.
Die Fläche 66 der Drossel 13, die oberste Oberfläche der Scheibe 19 und der leitfähige Verbinder 68 bilden zusammen einen Koaxialresonator. Die Resonanzfrequenz dieses Koaxialresonators hängt teilweise von der Länge des Verbinders 68 ab. Der Koaxialresonator ist magnetisch mit dem Radialschwingungsoszillator gekoppelt, der zwischen der Scheibe 19 und dem Kühlkörper 40, 42 gebildet ist. Daher variiert das Einstellen der Resonanzfrequenz des Koaxialresonators durch das Einführen der Frequenzabstimmungssonde 65 in ihn die Schwingfrequenz des Radialschwingungsoszillators.
Die Fläche 66 ist aus der Form des Wellenleiters 11 ausgespart, der dadurch einen längeren Koaxialresonator bereitstellt als ansonsten bereitgestellt würde. Dieses Merkmal beeinflusst die Resonanzfrequenz des Koaxialresonators, die von der Länge des Verbinders 68 abhängt, wobei der Einfluss darin besteht, dass die Frequenz verringert wird. Die Beziehung zwischen der Länge des Verbinders 68 und der Schwingfrequenz wird von einer Kurve 84 in 6 gezeigt. Bezeichnenderweise erlaubt die größere Länge des Verbinders die Verwendung einer Frequenzabstimmungssonde 65 mit größerem Durchmesser, was wiederum mehr Abstimmung des Oszillators ermöglicht als mit einer Sonde kleineren Durchmesser möglich ist. Der mögliche Abstimmungsbetrag hängt auch davon ab, wie weit die Sonde 65 in den Koaxialresonator hinein ragt, und von dem Material, aus dem die Sonde hergestellt ist. Dies wird von der Kurve 85 in 7 illustriert.
Die Sonde umfasst einen vorderen Abschnitt 65, der Querschnittsabmessungen hat, die zum Ändern der Frequenz des Koaxialresonators ausgewählt sind, und einen hinteren Abschnitt 69. Der hintere Abschnitt 69 hat einen größeren Querschnittsdurchmesser als der vordere Abschnitt 65. Der vordere Abschnitt ist in der Bohrung 67 gelagert, während der hintere Abschnitt 69 in einer Bohrung 71 mit größerem Durchmesser sitzt.
Der hintere Abschnitt 69 der Frequenzabstimmungssonde 65 ist mit Oberflächenmerkmalen versehen, die es zulassen, dass sie so in der Bohrung 72 gelagert wird, dass Bewegungen der Frequenzabstimmungssonde 65, die selbstverständlich die Frequenz des Oszillatorausgangssignals beeinflussen würden, verhütet werden. Im Besonderen umfassen diese Oberflächenmerkmale drei längs ausgerichtete Rillen 70, die in regelmäßigen Abständen um den Umfang des radialen Querschnitts der Sonde 65 angeordnet sind. Die Rillen 70 haben einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt, wodurch Material von dem Körper 10 in sie hinein verdrängt werden kann, wenn die Sonde 65 in die Bohrung 71 gezwungen wird. Das hintere Ende der Sonde 69 greift daher in der Bohrung, während sie während der Oszillatorabstimmung in den Wellenleiter gedrückt wird. Es ist daher weniger wahrscheinlich, dass die Sonde 65 nach Abschluss der Abstimmung des Oszillators versehentlich bewegt werden kann.
In einer nicht gezeigten alternativen Ausgestaltung ist die Sonde 65 eine zylindrische Sonde mit konstantem Durchmesser, die mit einem weichen Metall wie Silber, Zinn oder Gold plattiert ist. Hier ist die Sonde durch eine von der weichen Metallplattierung bereitgestellte Press- oder enge Gleitpassung in einer einfachen Bohrung anstatt einer Verbundbohrung gelagert. Diese Sonde ist daher einfacher konstruiert und stellt eventuell eine bessere elektrische Verbindung mit dem Oszillatorkörper 10 bereit.
Der Körper kann, anstatt druckgegossen zu werden, auch maschinell aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Material gearbeitet werden. Die zum Bearbeiten des Körpers notwendigen Schritte sind fachkundigen Personen offensichtlich.
Die Ausgestaltung betrifft zwar einen Gunn-Dioden- Oszillator, es ist aber zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch auf Impatt-Dioden-Oszillatoren und dergleichen anwendbar ist.

Claims

Oszillator zum Erzeugen von Mikrowellenfrequenzstrahlung, wobei der Oszillator Folgendes umfasst: einen Oszillatorkörper (10) mit einem darin ausgebildeten Wellenleiter (11); einen in dem Wellenleiter gelagerten oszillierenden Halbleiterbaustein (15) und einen Kurzschluss (62) mit einem Film aus weichem Metall auf wenigstens einer Außenfläche davon; wobei der Kurzschluss Abmessungen hat, die so ausgewählt sind, dass der Film es zulässt, dass der Kurzschluss durch eine enge Gleit- oder eine Presspassung in dem Wellenleiter gehalten wird.
Oszillator nach Anspruch 1, bei dem der Kurzschluss (62) im Wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt hat, der Wellenleiter einen ersten Abschnitt mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt, wobei der oszillierende Halbleiterbaustein in diesem ersten Abschnitt gelagert ist, und einen zweiten im wesentlichen kreisförmigen Bohrungsabschnitt (61) hat, wobei der Kurzschluss durch die enge Gleit- oder die Presspassung in dem zweiten Abschnitt gehalten wird.
Oszillator nach Anspruch 2, bei dem ein Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Wellenleiters ein Stufenübergang (60) ist.
Oszillator nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Position eines Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt ausgewählt ist, um dem Oszillator eine glatte Leistungsabstimmungscharakteristik zu verleihen.
Oszillator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Durchmesser des Querschnitts des zweiten Abschnitts (61) des Wellenleiters so ausgewählt ist, dass die Wellenlänge sowohl im ersten als auch im zweiten Abschnitt des Wellenleiters im Wesentlichen gleich ist.
Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Oszillatorkörper (10) aus Metall druckgegossen ist.
Oszillator nach Anspruch 6, bei dem der zweite Abschnitt (61) des Wellenleiters durch maschinelles Bearbeiten einer in dem Oszillatorkörper gebildeten rohen Bohrung ausgebildet ist.
Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Oszillator aus einem massiven Aluminiumlegierungsstück gearbeitet ist.
Oszillator zum Erzeugen von Mikrowellenfrequenzstrahlung, wobei der Oszillator Folgendes umfasst: einen Oszillatorkörper (10); einen in dem Oszillatorkörper ausgebildeten Wellenleiter (11); ein Oszillatorgehäuse (17, 18, 40, 42), das einen oszillierenden Halbleiterbaustein (15) in dem Wellenleiter hält, wobei das Oszillatorgehäuse mechanischen Schutz für den oszillierenden Halbleiterbaustein bietet; eine in dem Oszillatorkörper ausgebildete Leitung (12), wobei sich die Leitung mit dem Wellenleiter schneidet; eine in der Leitung gelagerte Drosselbaugruppe (13); eine Radialscheibe (19), die mechanisch mit der Drosselbaugruppe verbunden ist und von der Drosselbaugruppe in Kontakt mit dem Oszillatorgehäuse in dem Wellenleiter gedrängt wird; und eine Frequenzabstimmungssonde (65), die angeordnet ist, um zum Ändern der von dem Oszillator erzeugten Strahlungsfrequenz in den Koaxialresonatorraum zwischen der Radialscheibe (19) und der Drosselbaugruppe (13) bewegt werden zu können, wobei die Frequenzabstimmungssonde einen Film aus weichem Metall auf wenigstens einer Außenfläche davon hat, um dadurch eine enge Gleit- oder Presspassung in einer in dem Oszillatorkörper gebildeten Sondenträgerleitung (67) zu ergeben.
Oszillator nach Anspruch 9, bei dem die Frequenzabstimmungssonde (65) längs einer Längsachse, die eine Längsachse der Drosselbaugruppe abschneidet, bewegt werden kann.
Oszillator nach Anspruch 9 oder 10, bei dem diejenige Oberfläche (66) der Drosselbaugruppe, die der Radialscheibe am nächsten liegt, mit einer Oberfläche des Wellenleiters im Wesentlichen bündig ist.
Oszillator nach Anspruch 9 oder 10, bei dem eine Oberfläche (66) der Drosselbaugruppe, die der Radialscheibe am nächsten liegt, aus der Form des Wellenleiters ausgespart ist.
Oszillator nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Frequenzabstimmungssonde (65) eine allgemein zylindrische Form hat.
Oszillator nach Anspruch 13, bei dem die Oberfläche von wenigstens dem hinteren Abschnitt der Frequenzabstimmungssonde (65) mit wenigstens zwei Längsrillen (70) ausgebildet ist.
Oszillator nach Anspruch 14, bei dem jede Rille so zugespitzt ist, dass sie an ihrem vorderen Ende eine größere Breite hat.
Oszillator nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Frequenzabstimmungssonde einen in den Koaxialresonator eindringenden Abschnitt und einen tragenden Abschnitt hat, wobei der tragende Abschnitt andere Querschnittsabmessungen hat als der in den Koaxialresonator eindringende Abschnitt und mit der im Oszillatorkörper gebildeten Sondenträgerleitung assoziiert ist.
Verfahren zum Zusammenbauen eines Oszillators zum Erzeugen von Mikrowellenfrequenzstrahlung, wobei der Oszillator Folgendes umfasst: einen Oszillatorkörper (10) mit einem darin ausgebildeten Wellenleiter (11), einen in dem Wellenleiter gelagerten oszillierenden Halbleiterbaustein (15) und einen Kurzschluss (62) mit einem Film aus weichem Metall auf wenigstens einer Außenfläche davon; wobei die Querschnittabmessungen des Kurzschlusses mit dem Film größer als die Querschnittabmessungen des Wellenleiters sind, wobei das Verfahren das Einführen des Kurzschlusses in den Wellenleiter umfasst, sodass der Kurzschluss von einer Press- oder einer engen Gleitpassung in dem Wellenleiter festgehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend das Druckgießen des Oszillatorkörpers aus Metall.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend das maschinelle Bearbeiten einer rohen Bohrung, die in den Oszillatorkörper eingegossen ist, um den zweiten Abschnitt des Wellenleiters zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend das Herausarbeiten des Oszillatorkörpers aus einem massiven Aluminiumlegierungsstück.
Verfahren zum Abstimmen eines Oszillators zum Erzeugen von Mikrowellenfrequenzstrahlung, wobei der Oszillator Folgendes umfasst: einen Oszillatorkörper (10); einen in dem Oszillatorkörper ausgebildeten Wellenleiter (11); ein Oszillatorgehäuse (17, 18, 40, 42), das einen oszillierenden Halbleiterbaustein in dem Wellenleiter trägt, wobei das Oszillatorgehäuse mechanischen Schutz für den Halbleiterbaustein bietet; eine in dem Oszillatorkörper ausgebildete Leitung (12), wobei sich die Leitung mit dem Wellenleiter schneidet; eine in der Leitung gelagerte Drosselbaugruppe (13); eine Radialscheibe (19), die mechanisch mit der Drosselbaugruppe verbunden ist und von der Drosselbaugruppe in Kontakt mit dem Gehäuse in dem Wellenleiter gedrängt wird, wobei das Verfahren das Bewegen einer Frequenzabstimmungssonde (65) in den Raum zwischen der Radialscheibe (19) und der Drosselbaugruppe (13) umfasst, um die von dem Oszillator erzeugte Strahlungsfrequenz zu ändern, wobei die Frequenzabstimmungssonde einen Film aus weichem Metall auf wenigstens einer Außenfläche davon hat, um dadurch eine enge Gleit- oder Presspassung in einer in dem Oszillatorkörper gebildeten Sondenträgerleitung (67) zu ergeben.