DE69520459T2

DE69520459T2 - Injektionssynchronisierter Oszillator

Info

Publication number: DE69520459T2
Application number: DE69520459T
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Tokumitsu
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1994-01-28
Filing date: 1995-01-26
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2015-01-27
Also published as: DE69520459D1; EP0665652A1; EP0665652B1; JPH07221546A; US5546056A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen injektionssynchronisierten Oszillator, der im Mikrowellenbereich arbeitet, insbesondere auf einen Oszillator, der zur Herstellung in Form einer integrierten Schaltung geeignet ist.
Ein injektionssynchronisierter Oszillator ist als Oszillator definiert, der im freilaufenden Zustand mit der Frequenz f&sub0; schwingt und mit der Frequenz f&sub1; synchronisiert wird, wenn ein externes Injektionssignal mit der Frequenz f&sub1; injiziert wird. Ein injektionssynchronisierter Oszillator ist auch ein Frequenzmultiplizierer, da der Oszillator mit hoher Stabilität und einer Schwingung mit geringem Phasenrauschen synchronisiert ist, wenn eine subharmonische Frequenz injiziert wird, die 1/n der freilaufenden Schwingungsfrequenz ist, wobei n eine ganze Zahl ist.
Nachstehend wird das Arbeitsprinzip eines injektionssynchronisierten Oszillators beschrieben.
Wenn ein externes Injektionssignal einer Oszillatorschaltung zugeführt wird, die sich im freilaufenden Schwingungszustand mit der Frequenz f&sub0; befindet, erzeugt die Schaltung eine Schwebung mit einer Frequenz, die der Differenz zwischen der Frequenz der freilaufenden Schwingung und des externen Injektionssignals entspricht, und die Schwebungsfrequenz nimmt auf Null ab, so daß die freilaufende Frequenz mit der Injektionsfrequenz synchronisiert wird. Für die Injektionssynchronisations-Bandbreite Δf eines injektionssynchronisierten Oszillators gilt folgende Beziehung:
wobei f&sub0; die freilaufende Schwingungsfrequenz eines Oszillators, Qe ein externes Q des Oszillators, P&sub0; die Ausgangsleistung der Schwingung bzw. des Oszillators und P&sub1; die Leistung des Injektionssignals ist. Da der Wert Qe kleiner und der Wert P&sub1; größer ist, ist die Injektionssynchronisations-Bandbreite größer. Beispielsweise bei P&sub1;:P&sub0; = 1 : 10, Qe = 1 und f&sub0; = 5 GHz, ist Δf = 1580 MHz, und die Frequenzstabilität und das Phasenrauschen einer Ausgangsschwingung sind denjenigen eines Injektionssignals ähnlich. Die Injektionssynchronisation ist auch möglich, wenn ein Signal mit einer subharmonischen Frequenz ( = f&sub0;/n, wobei n eine ganze Zahl ist) in den Oszillator injiziert wird, da ein Oszillator auch harmonische Komponenten der Frequenz f&sub0; erzeugt, und zwar wegen nichtlinearer Eigenschaften des Oszillators.
Fig. 6 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines früheren injektionssynchronisierten Oszillators, bei dem ein Zirkulator 101 einen Schwingkreis 105 am ersten Anschluß 102, einen zweiten Anschluß 103 zur Erzeugung eines Ausgangssignals und einen dritten Anschluß 104 zur Aufnahme eines externen Injektionssignals aufweist. Der Pfeil in der Figur stellt die Richtung des Signalflusses in dem Zirkulator dar, und die nichtreziproke Übertragungsrichtung des Zirkulators bewirkt eine Isolation zwischen den Anschlüssen. Der Oszillator 105 kann einen Resonanzaufbau mit einer einen negativen Scheinwiderstand darstellenden Diode in einer vorbestimmten Länge von einer Kurzschlußebene eines Wellenleiters aus oder eine Kombination eines Streifenleiters aufweisen, der als Resonator dient.
Fig. 7 stellt einen weiteren früheren injektionssynchronisierten Oszillator dar, der eine Kombination eines Richtungskopplers und eines Verstärkers darstellt. Dem ersten Anschluß 112 des Richtungskopplers 111 wird ein Injektionssignal zugeführt, und ein Verstärker 116 ist zwischen dem zweiten Anschluß 113 (dem Durchgangsanschluß) und den dritten Anschluß 115 (dem Isolationsanschluß) des Richtungskopplers 111 angeschlossen. Der vierte Anschluß 114 (Koppelanschluß) bildet den Schwingungsausgang des Richtungskopplers 111. In durchgehenden Linien und punktiert dargestellte Pfeile in der Figur stellen Signalrichtungen, jeweils von den Anschlüssen 112 und 115 gesehen, dar. Ein Richtungskoppler ist nicht nichtreziprok.
Die Anschlüsse 113 und 115 sind mit dem Verstärker 116 zur Bildung eines externen Rückführzweiges für den Verstärker 116 verbunden. Wenn die Phasenverschiebung im Rückführzweig 360º bei einer Frequenz beträgt, bei der der Verstärker eine Verstärkung hat, die höher als der Kopplungskoeffizient ist, dann schwingt der Schwingkreis mit dieser Frequenz. Wenn dem Anschluß 112 ein externes Signal zugeführt wird, wird dem Verstärker ein Teil des Signals über den Anschluß 113 zugeführt, so daß die Schwingungsfrequenz mit der Injektionssignalfrequenz synchronisiert wird. Die Ausgangsschwingung erscheint am Anschluß 114, jedoch nicht am Anschluß 112, bei dem es sich um einen Isolationsanschluß, vom Ausgang des Verstärkers her gesehen, handelt.
Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung hat den Nachteil, daß ihr Betrieb durch eine äußere Schaltung beeinflußt wird, weil der Richtungskoppler zwischen den Anschlüssen 114 und 115 nicht nichtreziprok ist. Dies ist auch bei der in der Zeitschrift IEEE Transactions an Microwave Theory and Techniques, März 1992, Seiten 475-481, J. Birkeland et al. "A 16 Element Quasi-Optical FET Oscillator Power Combining Array With External Injection Locking" offenbarten Schaltung der Fall.
Bei einem subharmonisch injektionssynchronisierten Oszillator wird üblicherweise eine Filterschaltung zur Trennung des Schwingungsfrequenzkanals von dem Injektionssignalanschluß 112 verwendet.
Ein früherer injektionssynchronisierter Oszillator enthält einen nichtreziproken Zirkulator oder einen Richtungskoppler, um einen Injektionsanschluß von einem Schwingkreis zu trennen. Er hat daher den Nachteil, daß der Betriebsfrequenzbereich aufgrund des Durchmessers und/oder der Dicke der Ferritscheibe und/oder der Viertelwellenlängen-Leitungen eingeschränkt ist. Der Betriebsfrequenzbereich im Stand der Technik ist kleiner als 10 bis 50% der Mittenfrequenz. Daher ist die Synchronisation einer subharmonischen Frequenz (die f/n beträgt, wobei f die Schwingungsfrequenz und n = 2, 3, 4 usw. ist) sehr schwierig, oder selbst wenn sie möglich ist, ist der Schaltungsbetrieb nicht auslegungsgerecht, und zwar aufgrund des Vorhandenseins komplizierter Bauelemente in einer nichtreziproken Schaltung.
Ferner läßt sich eine Schaltung mit einem Zirkulator nicht als integrierte Schaltung herstellen, und zwar wegen der Verwendung eines Ferritbauteils.
Eine Schaltung mit einem Richtungskoppler hat zu große Abmessungen, um als integrierte Schaltung für Frequenzen von weniger als 10 GHz hergestellt werden zu können, weil die Abmessung des Richtungskopplers umgekehrt proportional zur Frequenz sind. Ferner hat ein injektionssynchronisierter Oszillator mit einem Richtungskoppler den Nachteil, daß er durch eine äußere Schaltung beeinflußt wird, weil der Schwingkreis nicht gegenüber dem Injektionssignaleingang und/oder einem Schwingungsausgang elektrisch isoliert ist.
Ein früherer injektionssynchronisierter Oszillator, der mit subharmonischen Frequenzen synchronisiert ist, enthält eine Filterschaltung zum Isolieren eines Injektionssignaleingangs gegenüber einem Schwingungsfrequenzkanal, so daß er den Nachteil hat, daß ein subharmonischer Koeffizient n eingeschränkt werden muß, und ferner ist es nicht möglich, die Grundfrequenz (n = 1) zu synchronisieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Ziel der Erfindung besteht daher darin, einen neuen und verbesserten injektionssynchronisierten Oszillator anzugeben, bei dem die Nachteile und Einschränkungen eines früheren injektionssynchronisierten Oszillators vermieden sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen injektionssynchronisierten Oszillator anzugeben, der nur hauptsächlich mit einem Halbleiterbauelement realisiert ist, jedoch keinen Viertelwellenlängenkreis und keinen Ferritkreis enthält.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen injektionssynchronisierten Oszillator anzugeben, der nicht durch eine externe Schaltung beeinflußt wird und einen breiten Betriebsfrequenzbereich aufweist.
Die obigen und weiteren Ziele werden durch einen injektionssynchronisierten Oszillator nach Anspruch 1 und durch eine injektionssynchronisierte Oszillatoranordnung nach Anspruch 7 erreicht.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorstehend genannten und weitere Ziele, Merkmale und angestrebte Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung der beiliegenden Zeichnungen verständlicher. Darin stellt dar:
Fig. 1A ein prinzipielles Schaltbild eines erfindungsgemäßen injektionssynchronisierten Oszillators,
Fig. 1B eine Abwandlung der Fig. 1A,
Fig. 2 ein prinzipielles Schaltbild eines injectionssynchronisierten erfindungsgemäßen Oszillators,
Fig. 3 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen injektionssynchronisierten Oszillators mit Feldeffekttransistoren,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Injektionssignalseparator,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit mehreren injektionssynchronisierten Oszillatoren,
Fig. 6 einen früheren injektionssynchronisierten Oszillator mit einem Zirkulator und
Fig. 7 einen weiteren früheren injektionssynchronisierten Oszillator mit einem Richtungskoppler.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1A stellt ein prinzipielles Schaltbild eines erfindungsgemäßen injektionssynchronisierten Oszillators dar. Darin ist mit 10 ein nichtreziprokes (nicht umkehrbares) Vierpol-Netzwerk mit einem ersten Eingangsanschluß 1, einem zweiten Eingangsanschluß 2, einem ersten Ausgangsanschluß 3 und einem zweiten Ausgangsanschluß 4 bezeichnet. Ein dem ersten Eingangsanschluß 1 zugeführtes Eingangssignal wird nur an den Anschlüssen 3 und 4 ausgegeben, doch kann ein Signal am Anschluß 3 oder 4 nicht zum Anschluß 1 übertragen werden. Mit anderen Worten, der Signalübertragungskanal vom ersten Eingangsanschluß 1 zum ersten Ausgangsanschluß 3 ist nichtreziprok, und der Signalübertragungskanal vom ersten Eingangsanschluß 1 zum zweiten Ausgangsanschluß 4 ist ebenfalls nichtreziprok. In ähnlicher Weise ist der Signalübertragungskanal vom zweiten Eingangsanschluß 2 zum zweiten Ausgangsanschluß 4 und der Signalübertragungskanal vom zweiten Eingangsanschluß 2 zum ersten Ausgangsanschluß 3 nichtreziprok. Der Kanal zwischen den Anschlüssen 1 und 2 und der Kanal zwischen den Anschlüssen 3 und 4 sind elektrisch isoliert, so daß zwischen diesen Anschlüssen kein Signal übertragen wird. Die Pfeile in der Figur stellen Signalübertragungsrichtungen dar. Mit 11 ist ein Verstärker bezeichnet, der ein Spannungsverstärkung A, eine Phasenverschiebung θ, einen Eingangsanschluß 5 und einen Ausgangsanschluß 6 aufweist. Der Verstärker 11 kann durch einen Verstärker mit der Spannungsverstärkung A und einer Verzögerungsschaltung mit der Phasenverschiebung 0 ersetzt werden. Der Eingangsanschluß 5 des Verstärkers 11 ist mit dem Anschluß 3 des Vierpol-Netzwerks und der Ausgangsanschluß 6 des Verstärkers 11 mit dem Anschluß 2 des Vierpol-Netzwerks 10 verbunden.
Nimmt man an, daß ein Eingangssignal am Anschluß 1 oder 2 auf die Anschlüsse 3 und 4 mit einem Spannungsverhältnis von 1/2 und der gleichen Phasenlage aufgeteilt wird, dann läßt sich Fig. 1A in Fig. 2 umwandeln, in der Ue die Eingangssignalspannung und Uf die Ausgangsspannung eines Verstärkers ist. Die Ausgangsspannung Ua ist dann
Wenn das Verhältnis Ua/Ue unendlich ist, dann schwingt der Kreis 2-3-5-6 und es gilt
2-Acosθ = 0
Asinθ = 0
Daher ist A = 2 bei θ = 0 oder oder 2 ,,,. Mit anderen Worten, wenn ein Verstärker und/oder eine Verzögerungsschaltung so ausgelegt ist, daß A größer als 2 und θ ein ganzzahliges Vielfaches von ist, dann beginnt der Kreis 2-3-4-5-2 zu schwingen, und mit zunehmender Schwingungsamplitude nimmt die Verstärkung A des Verstärkers ab, so daß die Schwingung bei A = 2 stabil wird.
Vorausgesetzt, daß das Vierpol-Netzwerk 10 bei allen Frequenzen in der oben beschriebenen Weise arbeitet, dann wird, wenn dem Eingangsanschluß 1 ein Eingangssignal mit hoher Stabilität und geringem Phasenrauschen zugeführt wird, das halbe Eingangssignal dem Verstärker 11 über den Anschluß 3 zugeführt, und es werden Harmonische im Verstärker 11 aufgrund der Nichtlinearität des schwingenden Verstärkers erzeugt. Wenn die Frequenz der Harmonischen nahe bei der Schwingungsfrequenz liegt, dann wird eine Schwebung zwischen der Harmonischen und der Schwingungsfrequenz erzeugt. Und dann werden die Kreisbedingungen so verschoben, daß die Schwebungsfrequenz nach Null konvergiert, so daß die Schwingungsfrequenz mit der Injektionsfrequenz synchronisiert wird.
Die Ausgangsschwingung tritt am Ausgangsanschluß 4 über den Anschluß 2 auf, jedoch nicht am Eingangsanschluß 1, und zwar wegen der Nichtreziprozität des Vierpol- Netzwerks. Selbst wenn daher keine Impedanzanpassung am Anschluß 1 vorliegt, wird kein Teil der Ausgangsschwingung zum Eingangsanschluß 1 reflektiert, sondern wieder in den Schwingkreis injiziert. In ähnlicher Weise erscheint ein am Ausgangsanschluß 4 reflektiertes Signal an keinem Anschluß, so daß es nicht wieder in den Schwingkreis injiziert wird. Mit anderen Worten, die Schaltung nach Fig. 2 wird nicht durch eine äußere Schaltung beeinträchtigt.
Es sei betont, daß das nichtreziproke Vierpol-Netzwerk 10 durch die Kombination von vier nichtreziproken Verstärkern realisiert werden kann, die jeweils in einem durch einen Pfeil in Fig. 1 angedeuteten Abschnitt angeordnet sind. In diesem Fall ist die Verstärkung jedes Verstärkers nicht notwendigerweise größer als 1, sondern es würde ein Verstärker mit einer Verstärkung ausreichen, die kleiner als 1 ist.
Fig. 1B stellt eine Abwandlung der Fig. 1A dar. Das Merkmal der Fig. 1B besteht darin, daß kein nichtreziproker Signalkanal vom ersten Eingangsanschluß 1 zum zweiten Ausgangsanschluß 2 vorgesehen ist. Dieser Signalübertragungskanal vom Anschluß 1 zum Anschluß 2 ist für den Betrieb eines injektionssynchronisierten Oszillators nicht erforderlich. Wenn ein Vierpol-Netzwerk 10 durch eine koplanare Schaltung realisiert wird, dann kann die Schaltung symmetrisch sein, wenn ein Signalübertragungskanal vom Anschluß 1 zum Anschluß 3 existiert, so daß sich ein breiter Betriebsfrequenzbereich ergibt.
Nachstehend wird anhand von Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel beschrieben, das bei allen Frequenzen nichtreziprok ist.
Bei dem injektionssynchronisierten Oszillator nach Fig. 3 sind mit 21, 22, 31 und 32 Feldeffekttransistoren (FET) mit einem gemeinsamen Gate bezeichnet. Mit 20 und 30 sind ein phasengleicher Teiler mit einem Paar der Feldeffekttransistoren bezeichnet. Die gleichen Zahlen in Fig. 3 wie die in Fig. 2 bezeichnen die gleichen Bauteile. Wenn ein Transistor ein Feldeffekttransistor ist, ist mit S die Source, mit D die Drain und mit G das Gate bezeichnet.
Mit 11 ist ein Verstärker und mit 11a eine veränderbare Phasenschieberschaltung mit einer Leitung L und zwei veränderbaren Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; bezeichnet. Die Phasenschieberschaltung 11a stellt die freilaufende Frequenz des Oszillators durch Steuerung der Kapazität der Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; ein.
Ein phasengleicher Teiler 20 und 30 arbeitet wie folgt. Bezeichnet man die Steilheit eines FET mit gm, dann gilt für den Reflektionskoeffizienten S&sub1;&sub1; des phasengleichen Teilers am Eingangsanschluß 23 (oder 33):
S&sub1;&sub1; = (1-2 gm Z&sub0;) / (1+2 gm Z&sub0;)
Bei gm1/(2Z&sub0;) ist S&sub1;&sub1; Null, wobei 20 die Systemimpedanz der Schaltung ist und eine Impedanzanpassung am Anschluß 23 (oder 33) vorliegt. Ein dem Anschluß 23 (oder 33) zugeführtes Eingangssignal wird auf die Ausgangsanschlüsse 24 und 25 (oder 34 und 35) mit der gleichen Phasenlage aufgeteilt, weil die Schaltung symmetrisch ist. Für die Signalübertragungsverhältnisse S&sub2;&sub1; und S&sub3;&sub1; vom Anschluß 23 (oder 33) zu den Anschlüssen 24 und 25 (oder 34 und 35) gilt:
S&sub2;&sub1; = S&sub3;&sub1; = 2 gm 20/ (1+ 2gm Z&sub0;)
Der Wert S&sub2;&sub1; ist 1/2, wenn sich der Anschluß 23 (oder 33) im Impedanzanpassungszustand befindet. Andererseits wird eine Signalübertragung von den Anschlüssen 24 und 25 (oder 34 und 35) zum Anschluß 23 (oder 33) wegen der Nichtreziprozität eines FET verhindert, so daß die Signalübertragung zwischen den Ausgangsanschlüssen 24 und 25 (oder 34 und 35) verhindert ist.
Das heißt, die Bedingung S&sub1;&sub2; = S&sub1;&sub3; = 0 ist erfüllt. Ferner erfüllt das nichtreziproke Vierpol-Netzwerk 10 mit den Leistungsteilerschaltungen 20 und 30 die Bedingungen, daß S&sub1;&sub1;, S&sub1;&sub2; und S&sub1;&sub3; im Frequenzbereich von Gleichspannung bis 18 GHz kleiner als -20dB sind, wie es in dem Aufsatz "Very Small Ultra-Wide-Band MMIC Magic T and Applications to Combiners and Deviders" von T. Tokumitsu u. a. in der Zeitschrift IEEE Transactions, Heft MTT-37, Nr. 12, 1989 angegeben ist. Da die Grenzfrequenz eines FET, wie er hier verwendet wird, 20-30 GHz beträgt, arbeiten das nichtreziproke Vierpol- Netzwerk und/oder die Teilerschaltungen bis zu der Grenzfrequenz eines Transistorelements.
Das erwähnte nichtreziproke Vierpol-Netzwerk kann auch mittels Differenzverstärkern gemäß der JP-Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 158008/1991 und der JP- Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 58902/1990 mit ähnlicher Wirkungsweise wie der oben erwähnten realisiert werden.
Wie schon erwähnt, werden bei dem Vierpol-Netzwerk 10 die den Anschlüssen 24 und 25 (oder 34 und 35) zugeführten Signale jeweils zu den Anschlüssen 4 und 3 (oder 3 und 4) übertragen, während eine Signalübertragung vom Anschluß 4 (oder 3) zum Anschluß 1 (oder 2), 2 (oder 1), 3 (oder 4) wegen der Nichtreziprozität der Schaltung verhindert wird. Da ferner die Impedanz jeder Teilerschaltung sehr hoch ist, erhalten die Anschlüsse 3 und 4 das Signal in durch einen Teiler herunter geteilter Form. Daher gelten die Signalkanäle, die in dem Vierpol-Netzwerk 10 in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, in einem breiten Frequenzbereich für alle Frequenzen. Die Kombination des Vierpol-Netzwerks mit einem Verstärker 11, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, ergibt einen injektionssynchronisierten Oszillator, der mit der Grundfrequenz (n = 1), und den subharmonischen Frequenzen (n = 2, 3, 4 usw.) synchronisiert ist.
Das Teilerverhältnis eines Teilers ist bei obiger Erläuterung mit 1 : 1 angenommen, doch ist ersichtlich, daß natürlich auch ein anderes Verhältnis möglich ist, solange die Verstärkung in dem Kreis 2-3-5-6-2 größer als 1 ist.
Sodann sei darauf hingewiesen, daß der Kanal vom Anschluß 1 zum Anschluß 4 in einem Vierpol-Netzwerk für den Betrieb des vorliegenden injektionssynchronisierten Oszillators nicht notwendig ist, obwohl das Vorhandensein dieses Kanals den Betrieb nicht beeinträchtigt. Es sei darauf hingewiesen, daß der vorliegende injektionssynchronisierte Oszillator nur durch eine Transistorschaltung realisiert und keine Schaltung mit konstanter Verteilung, wie einer Viertelwellenlängen- Leitung, benutzt wird. Der vorliegende Oszillator ist daher auf einem einzigen Chip realisiert und in einer kleinen Verpackung zusammen mit einem Halbleiter-IC oder/und einem Mikrowellen-IC kleiner Abmessungen, d. h. einem Frequenzwandler, verpackt. Da eine kommerzielle Miniaturverpackung zur Realisierung des Oszillator- Moduls ausreichend ist, können die Herstellungskosten gering sein.
Der vorliegende Oszillator kann mit einer im Betriebsfrequenzbereich eines Verstärkers liegenden Frequenz und/oder 1/n dieser Frequenz synchronisiert sein, um eine hohe Stabilität und ein Signal mit geringem Phasenrauschen zu erzielen. Die Auswahl für einen Injektionssignalgenerator ist daher beliebig. Wenn ein Injektionssignalgenerator-IC beispielsweise für einen Synthesizer zur Mobilkommunikation realisiert wird, wird der vorliegende Oszillator-Modul nur durch zwei IC- Chips realisiert. Der vorliegende Oszillator ist daher einfach und wirtschaftlich im Vergleich zu einem früheren phasenstarren Frequenzregelkreis (PLL), der viele Packungs-IC's, einschließlich eines spannungsgesteuerten Oszillators, einer Leistungsteilerschaltung, eines Frequenzteilers, eines Phasenvergleichers und eines Tiefpaßfilters, enthält.
Fig. 4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorliegenden injektionssynchronisierten Oszillators dar. In dieser Figur ist mit 40 ein injektionssynchronisierter Oszillator, wie er in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel erwähnt wurde, mit 44 ein Mehrausgang- Verstärker mit einem Eingangsanschluß und zwei Ausgangsanschlüssen, mit 41 ein Injektionssignal- Eingangsanschluß, mit 42 ein Schwingungsausgangsanschluß und 43 ein zweiter Ausgangsanschluß des Verstärkers 44 bezeichnet.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hat das Merkmal, daß der Verstärker 44 vorhanden ist, so daß der Pegel eines Eingangssignals am Anschluß 41 niedrig sein kann. Da der Verstärker 44 ferner ein Ausgangssignal am Anschluß 43 mit einem aufgrund der Verstärkung höheren Pegel abgibt, wird dieses Ausgangssignal am Anschluß 43 als Injektionseingangssignal für einen nachgeschalteten injektionssynchronisierten Oszillator verwendet, der ohne Verschlechterung der Injektionssynchronisierungsbandbreite synchronisiert wird. Daher kann eine Vielzahl von injektionssynchronisierten Oszillatoren durch ein gemeinsames Injektionseingangssignal synchronisiert werden. Wenn bislang eine Vielzahl von injektionssynchronisierten Oszillatoren durch ein einziges Injektionseingangssignal synchronisiert wird, wird ein paralleler Mehrfachteiler mit einem Willkinson-Teiler zur Teilung des Eingangssignals benutzt, so daß alle Vorrichtungen auf einer zweidimensionalen Ebene angeordnet werden müssen. Da hingegen erfindungsgemäß ein Injektionseingangssignal auf einer linearen Leitung angeordnet ist, kann eine Vielzahl von injektionssynchronisierten Oszillatoren entweder linear oder in einer zweidimensionalen Ebene oder in einem dreidimensionalen Raum angeordnet werden. Da ferner der Kanal zwischen einem Eingangsanschluß und Ausgangsanschlüssen sowie der Kanal zwischen Ausgangsanschlüssen eines Mehrausgangs- Verstärkers elektrisch isoliert sind, arbeitet jeder injektionssynchronisierte Oszillator unabhängig von einem anderen injektionssynchronisierten Oszillator. Da ferner die Betriebsfrequenz eines Mehrausgang- Verstärkers 44 nur 1/n derjenigen eines injectionssynchronisierten Oszillators 40 beträgt, können die Betriebsfrequenz des Verstärkers 44 und seiner zugehörigen Schaltung gering sein.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere injektionssynchronisierte Oszillatoren linear angeordnet sind. Mit gleichen Bezugszahlen wie den in Fig. 4 verwendeten werden die gleichen Bauteile bezeichnet. Mit 50 ist eine gemeinsame Injektionsquelle bezeichnet, die ein Injektionssignal mit hoher Stabilität und geringem Phasenrauschen einem ersten injektionssynchronisierten Oszillator S&sub1; zuführt, der den in Fig. 4 dargestellten Aufbau aufweist. Der erste Oszillator S&sub1; hat nicht nur einen synchronisierten Ausgang am Ausgangsanschluß 42, sondern auch den zweiten Ausgang für das Injektionseingangssignal für einen nachgeschalteten Oszillator 52 am Anschluß 43. Der zweite injektionssynchronisierte Oszillator 52 wird daher durch ein Injektionseingangssignal synchronisiert, das über den Anschluß 43 des ersten Oszillators S&sub1; abgegeben wird. In ähnlicher Weise werden die nachgeschalteten Oszillatoren 53, 54 usw. mit der gemeinsamen Injektionsquelle 50 synchronisiert. Die Anordnung nach Fig. 5 kann an irgendeiner Stelle zwischen injektionssynchronisierten Oszillatoren angewandt werden, so daß keine besondere Bedingung für die Anordnung, wie z. B. bei einer früheren parallelen Mehrteiler-Schaltung, zu beachten ist.
Ferner sorgt ein geeigneter Phasenschieber oder eine Verzögerungsleitung zwischen benachbarten injektionssynchronisierten Oszillatoren (zwischen den Anschlüssen 43 und 41) für die gewünschten relativen Phasenlagen der Schwingungsausgangssignale. Weitere Phasenschieber oder Verzögerungsleitungen mit geeigneter Phasenverschiebung oder Verzögerungszeit sorgen für die verschiedenen Phasenlagen der Ausgangssignale. Dies ermöglicht die Versorgung einer Antennenkombination.
Eine Abwandlung der obigen Ausführungbeispiele ist nicht auf einen Feldeffekttransistor beschränkt, sondern kann einen bipolaren Transistor aufweisen. Sie ist auch nicht auf einen FET mit gemeinsamem Gate beschränkt, sondern es ist auch eine andere Ausführung (mit geerdeter Drain oder geerdeter Source) möglich. Wenn es sich um eine geerdete Source handelt, braucht ein Verstärker 11 keine größere Verstärkung als 1 zu haben, da eine Teilerschaltung 20 oder 30 eine Verstärkung aufweist.
Wie zuvor erwähnt, hat ein erfindungsgemäßes nichtreziprokes Vierpol-Netzwerk zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse, so daß Signalübertragungen von einem ersten Eingangsanschluß zu einem ersten Ausgangsanschluß, von einem zweiten Eingangsanschluß zu einem ersten Ausgangsanschluß und von einem zweiten Eingangsanschluß zu einem zweiten Ausgangsanschluß nichtreziprok (nicht umkehrbar) sind und die Stromkreise zwischen einem ersten Eingangsanschluß und einem zweiten Eingangsanschluß sowie zwischen einem ersten Ausgangsanschluß und zweiten Ausgangsanschluß elektrisch isoliert sind, und einen Verstärker mit einem Betriebsfrequenzbereich, der ein Teil des Betriebsfrequenzbereichs des Vierpol-Netzwerks bildet. Der Verstärker ist zwischen einem ersten Ausgangsanschluß des Vierpol- Netzwerks und einem zweiten Eingangsanschluß des Vierpol-Netzwerks angeschlossen. Ein erster Eingangsanschluß des Vierpol-Netzwerks bildet einen Eingangsanschluß eines injektionssynchronisierten Oszillators, und ein zweiter Ausgangsanschluß des Vierpol-Netzwerks bildet einen Ausgangsanschluß dieses Oszillators. Ein Mehrausgang-Verstärker kann zwischen einem Eingangsanschluß des Oszillators und einem ersten Eingangsanschluß des Vierpol-Netzwerks eingefügt sein.
Der vorliegende Oszillator wird nur durch Verwendung von Transistoren realisiert, oder ein Transistor bildet zumindest ein Hauptbauteil. Es ist daher keine Viertelwellenlängen-Schaltung, die sperrig ist, und/oder keine Schaltung mit Ferrit erforderlich, so daß der vorliegende Oszillator in einem kleinen IC-Chip verpackt sein kann. Wegen der Nichtreziprozität eines Vierpol- Netzwerks sind ein Schwingkreis (2-3-5-6-2), ein Injektionssignaleingang und ein Schwingungsausgang elektrisch gegeneinander isoliert. Der vorliegende Oszillator wird daher nicht durch eine externe Schaltung und/oder eine externe Last beeinträchtigt. Ferner hat der vorliegende Oszillator einen sehr breiten Betriebsfrequenzbereich, und zwar wegen des breiten Betriebsfrequenzbereichs eines Transistors, so daß der Oszillator mit einem Injektionssignal, das einen breiten Betriebsfrequenzbereich hat, synchronisiert werden kann, und der subharmonische Koeffizient n kann beliebig gewählt werden.
Der örtliche Oszillator in einem Sender und/oder in einem Empfänger kann daher durch eine Kombination des vorliegenden Oszillators mit einem im Handel erhältlichen Synthesizer gebildet werden.
Da ferner ein Injektionssignal verstärkt wird, so daß es einem nachgeschalteten Oszillator ungedämpft zugeführt werden kann, kann eine Vielzahl von Oszillatoren durch ein gemeinsames Injektionssignal synchronisiert werden, ohne den Synchronisationsbetriebsfrequenzbereich einzuschränken. Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, eine Antennenkombination durch Einfügung eines Phasenschiebers zwischen benachbarten Oszillatoren zu versorgen. Da die Oszillatoren entweder linear oder in einer zweidimensionalen Ebene oder einem dreidimensionalen Raum angeordnet werden können, wird die Freizügigkeit der Strahlbildung einer Antennenkombination verbessert.
Da in einem Kreis für eine freilaufende Schwingung ein Verstärker vorgesehen ist, kann die Kreisverstärkung entweder auf einen höheren Wert oder einen niedrigeren Wert als 1 durch Einstellung der Verstärkung des Verstärkers eingestellt werden, so daß die Schwingung ein- und ausgeschaltet wird. Dieses Merkmal ist bei einer Kommunikation mit Frequenzumschaltung und/oder Frequenzsprung anwendbar.
Aus vorstehendem ergibt sich mithin, daß ein neuer und verbesserter injektionssynchronisierter Oszillator erfunden wurde. Es versteht sich jedoch, daß die off enbarten Ausführungsbeispiele lediglich illustrativ sind und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken sollen. Daher sollte zur Ermittlung des Schutzumfangs der Erfindung auf die beiliegenden Ansprüche bezug genommen werden.

Claims

1. Injektionssynchronisierter Oszillator mit:

einem nichtreziproken Vierpol-Netzwerk (10), das einen ersten Eingangsanschluß (1), einen zweiten Eingangsanschluß (2), einen ersten Ausgangsanschluß (3) und einen zweiten Ausgangsanschluß (4) aufweist,

einem Verstärker (11) mit einem Eingang (5), der mit dem ersten Ausgangsanschluß verbunden ist und einen Ausgang (6) aufweist, der mit dem zweiten Eingangsanschluß verbunden ist, und mit einem Betriebsfrequenzbereich in wenigstens einem Teil des Betriebsfrequenzbereichs des Vierpol-Netzwerks, einem mit dem ersten Eingangsanschluß des Vierpol-Netzwerks verbundenen Injektionssignal- Eingangsanschluß und

einem mit dem zweiten Ausgangsanschluß des Vierpol-Netzwerks verbundenen Schwingungs-Ausgangsanschluß,

dadurch gekennzeichnet, daß

das nichtreziproke Vierpol-Netzwerk so ausgebildet ist, daß ein Signalübertragungskanal vom ersten Eingangsanschluß zum ersten Ausgangsanschluß nichtreziprok ist, ein Signalübertragungskanal vom zweiten Eingangsanschluß zum zweiten Ausgangsanschluß nichtreziprok ist und ein Signalübertragungskanal vom zweiten Eingangsanschluß zum ersten Ausgangsanschluß nichtreziprok ist, und daß der Kanal zwischen dem ersten Eingangsanschluß und dem zweiten Eingangsanschluß sowie der Kanal zwischen dem ersten Ausgangsanschluß und dem zweiten Ausgangsanschluß elektrisch isoliert sind, d. h. keine Signalübertragung auf den beiden zuletzt erwähnten Kanälen erfolgt.

2. Injektionssynchronisierter Oszillator nach Anspruch 1, bei dem ein Mehrausgang-Verstärker (44) mit einem einzigen Eingang (41) und mehreren Ausgängen zwischen dem Injektionssignal-Eingangsanschluß und dem ersten Anschluß des Vierpol-Netzwerks angeschlossen ist, so daß jeder Ausgang des Mehrausgang-Verstärkers mit dem ersten Anschluß des Vierpol-Netzwerks eines zugehörigen injektionssynchronisierten Oszillators verbunden ist.

3. Injektionssynchronisierter Oszillator nach Anspruch 1, bei dem ein nichtreziproker Signalübertragungskanal vom ersten Eingangsanschluß zum zweiten Ausgangsanschluß des Vierpol-Netzwerks vorgesehen ist.

4. Injektionssynchronisierter Oszillator nach Anspruch 1, bei dem jeder Signalübertragungskanal in dem Vierpol-Netzwerk einen nichtreziproken Verstärker aufweist.

5. Injektionssynchronisierter Oszillator nach Anspruch 4, bei dem der nichtreziproke Verstärker einen FeldeffektTransistor (21, 22, 31, 32) mit einem geerdeten Gate, einer Source und einer Drain in jedem Signalübertragungskanal aufweist.

6. Injektionssynchronisierter Oszillator nach Anspruch 4, bei dem eine veränderbare Phasenschieberschaltung (11a) in Reihe mit dem Verstärker (11) angeordnet ist, deren Betriebsfrequenzbereich in wenigstens einem Teil des Betriebsfrequenzbereichs des Vierpol-Netzwerks liegt.

7. Injektionssynchronisierte Oszillatoranordnung mit mehreren injektionssynchronisierten Oszillatoren (S&sub1;-S&sub4;), die jeweils aufweisen:

einen Mehrausgang-Verstärker (44) mit einem Eingangsanschluß (41) und zwei Ausgangsanschlüssen, ein nichtreziprokes Vierpol-Netzwerk mit einem ersten Eingangsanschluß (1) und einem zweiten Eingangsanschluß (2) sowie einem ersten Ausgangsanschluß (3) und einem zweiten Ausgangsanschluß (4),

einen Verstärker (11) mit einem Eingang (5), der mit dem ersten Ausgangsanschluß des nichtreziproken Vierpol-Netzwerks verbunden ist, und einem Ausgang (6), der mit dem zweiten Eingangsanschluß des nichtreziproken Vierpol-Netzwerks verbunden ist, wobei der Betriebsfrequenzbereich des Verstärkers in wenigstens einem Teil des Betriebsfrequenzbereichs des Vierpol-Netzwerks liegt, einen mit dem ersten Eingangsanschluß des nichtreziproken Vierpol-Netzwerks verbundenen Injektionssignal-Eingangsanschluß (41) und einen Schwingungs-Ausgangsanschluß (42), der mit dem zweiten Ausgangsanschluß des nichtreziproken Vierpol-Netzwerks verbunden ist, wobei

ein erster Ausgangsanschluß jedes Mehrausgang- Verstärkers, der mit einem ersten Eingangsanschluß (1) eines nichtreziproken Vierpol-Netzwerks eines injektionssynchronisierten Oszillators in derselben Stufe wie der des Mehrausgang-Verstärkers verbunden ist, und ein zweiter Ausgangsanschluß (43) jedes Mehrausgang-Verstärkers mit einem Eingangsanschluß des Mehrausgang-Verstärkers in einer folgenden Stufe verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

das nichtreziproke Vierpol-Netzwerk so ausgebildet ist, daß ein Signalübertragungskanal von einem ersten Eingangsanschluß zu einem ersten Ausgangsanschluß nichtreziprok ist, ein Signalübertragungskanal von einem zweiten Eingangsanschluß zu einem zweiten Ausgangsanschluß nichtreziprok ist und ein Signalübertragungskanal von einem zweiten Eingangsanschluß zu einem ersten Ausgangsanschluß nichtreziprok ist und daß der Kanal zwischen dem ersten Eingangsanschluß und dem zweiten Eingangsanschluß sowie der Kanal zwischen dem ersten Ausgangsanschluß und dem zweiten Ausgangsanschluß elektrisch isoliert sind, d. h. auf den beiden zuletzt erwähnten Kanälen keine Signalübertragung erfolgt.