SE424033B - Mikrovagsoscillatorkrets innefattande en dielektrisk resonator - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 7801938-7 2 elektrod. Den variabla kapacitansen möjliggör att man kan variërà"' âterkopplingens storlek mellan tankkretsen och oscillatorns emitter~ baskrets. Ehuru denna kända transistoroscillator kan alstra sinus- formad uteffekt vid så höga frekvenser som 3,H GHz, medför dock kom» plikationsgraden, storleken och svårigheten att noggrant avstämma och inställa de olika variabla kretselementen i den föreslagna an- ordningen att denna transistoroscillator är olämpad som en kompakt, billig och frekvensstabiliserad mikrovågsoscillator.

Användning av dielektriska resonatorer som mikrovâgsfilter be" skrives i amerikanska patentskriften 3.840Å828. Vid denna kända fil-_ teranordning är en dielektrisk resonator placerad över en planled- ning så att ledningens magnetiska fältlinjer i största möjliga ut- sträckning passerar genom resonatorns planparallella ytor. Denna kända anordning fungerar tillfredsställande för sitt avsedda ändamål, dvs. som mikrovâgsfilter, där varken aktiva mikrovågselement eller àterkopplingsslingor krävs för filtreringsfunktionens genomförande,c" Enligt uppfinningen löses ovannämnda problem därigenom att oscillatorkretsen även innefattar en dielektrisk resonator belägen i närheten av halvledaranordningen för upprättande av en återkoppw lingsväg mellan den första elektrodkretsen och den andra elektrod- kretsen.

En fördel med uppfinningen är att den förverkligar en liten och billig mikrovâgsoscillator som har hög frekvensstabilitet.

En annan fördel med uppfinningen är att den realiserar en kom~ pakt oscillatorkretsuppbyggnad som kan anordnas i en kompakt tempe~ raturreglerad ugn för förbättrad frekvensstabilitet. Ännu en fördel med uppfinningen är att den förverkligar en kompakt oscillatorkretskonfiguration i vilken verkan av olika ter- miska utvidgningar är väsentligt reducerad.

Ytterligare en fördel med uppfinningen är att den minskar frekvensdragningen och Q-värdesförsämringen i små mikrovågsoscil- latorer.

En annan fördel med uppfinningen är att den till följd av den dielektriska resonatorns höga Q-värde realiserar en i huvudsak låg- brusig oscíllator.

Vid en utföringsform av uppfinningen innefattar mikrovågsoscil~ latorkretsen en mikrovågshalvledaranordníng som är försedd med åt- minstone första och andra elektrodanslutningar, varjämte en dielek- trisk resonator är placerad i närheten av halvledaranordningen för upprättande av en âterkopplingsväg mellan den första och den andra elektrodanslutningen. Ett dielektriskt distansorgan är beläget mel» 10 15 20 25 30 35 40 7801938-7 lan elektrodanslutningarna och resonatorn för att bära den senare och reglera kopplingsgraden mellan elektrodanslutningarna. Halv- ledaranordningen kan antingen vara en bipolär mikrovâgstransistor eller en mikrovågsfälteffekttransistor.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar mikrovâgsoscillatorn dels en mikrovàgstransistoranordning med åt- minstone första och andra elektrodanslutningskretsar, dels en bär- platta med första och andra plana ytor för uppbäring av nämnda första resp. andra elektrodanslutningskrets5 varvid transistoranordningen är belägen mellan de båda ytorna vid plattans ena ände, och dels en dielektrisk resonator belägen i närheten av transistoranordningen för att upprätta en áterkopplingsbana mellan de första och andra elektrodanslutningskretsarna. Kopplingen mellan dessa båda anslut- ningskretsar kan regleras genom att man varierar höjden på det di- elektriska distansorganet, vilket exempelvis kan utgöras av ett kvartsrör beläget mellan transistoranordningen och resonatorn.

Pâ ritningen är fig. 1 ett schematiskt blockschema för en som exempel visad utföringsform av uppfinningen, under det att fig. 2 vi- sar denna utföringsforms ekvivalenta admittansschema. Pig. 3 och H visar en utföringsform av en enligt uppfinningen utförd mikrovågs- oscillator, och fig. 5 och 6 visar en alternativ kretsuppbyggnad för oscillatorn i fig. 3 och U. Pig. 7 och 8 visar ytterligare en utföringsform av en i enlighet med uppfinningen utförd mikrovågs- oscillator, och fig. 9 visar frekvensens variation som funktion av temperaturen vid sistnämnda utföringsform.

Pig. 1 visar schematiskt en mikrovågsoscillator enligt före- liggande uppfinning. Oscillatorn innefattar en mikrovågshalvledar- anordning, vilken för illustrationsändamål antages bestå av en mik- rovågstransistor 1 med en basanslutningsledare 2, en emitteranslut- ningsledare 3 och en kollektoranslutningsledare H. Transistorn U kan utbytas mot andra halvledaranordningar kapabla att alstra mikrovågs- svängningar. Vidare kan, trots att mikrovàgstransistorn 1 i fig. 1 visas som en NPN-transistor i GB-koppling - dvs. med baselektrod- kretsen kopplad till jordpotential - uppfinningens principer även tillämpas GE- och GK-koppling av denna eller andra transistortyper.

Emitterelektrodkretsen 3 är förbunden med en emitterförspänningskrets 5, och kollektorelektroden H är förbunden med en kollektorförspän- ningskrets 5 och med en belastning 7. I enlighet med föreliggande upp- finning är en liten, elektrodfri dielektrisk resonator 8 belägen i närheten av emitterelektrodkretsen 3 och kollektorelektrodkretsen nu Den dielektriska resonatorns 8 egenskaper är sâdanaatt den vid en ut- 10 15 20 25 30 35 M0 7801938-7 H föringsform av uppfinningen används för att åstadkomma en åter- kopplingsbana mellan kollektorelektrodkretsen 4 och emitterelektrod- kretsen 3. Resonatorns lilla storlek jämte det sätt varpå den kan kopplas genom sina yttre fält möjliggör att den samtidigt kan kopp- las såväl till mikrovägstransistorns 1 emitterkrets som till dennas kollektorkrets.

Den dielektriska resonatorn 8 kan bestå av bariumtitanat (Ba2Ti9O20), såsom visas i amerikanska patentskriften 3.938.069.

Utan att avvikelse sker från uppfinningstanken kan även andra di- elektriska material, t.ex. litiumtitanat (LiTa03), litiumniobat (LiNbO3) eller en blandning av titandioxid (TiO2) med antingen LiTa03 eller LiNb03 användas för den dielektriska resonatorn 8. Vid en ut- föringsform av uppfinningen utgöres den dielektriska resonatorn 8 företrädesvis av en enfasig Ba2Ti9020-keramikresonator9 som vid 4 GHz har ett Q-värde av storleksordningen 8000-11000, en díelektrícitets- konstant på 39,8 och en temperaturkoeffícient på +2 ppm/°C vid reso- nansfrekvensen. I en dylik resonator har TE01¿~-moden en magnetisk fältbild av dipoltyp som sträcker sig ut från resonatorn såsom visas i fig. 1 med pilar och streckade linjer. Således kan den dielektriska resonatorn 8 kopplas till en planledning eller en mikroplanledning som bildar elektrodkretsarna 3 och 4 förutsatt att resonatorn är belägen i närheten av och på förutbestämt avstånd från emitter~ och kollek- torelektrodkretsarna 3 och H. Nedan beskrives olika utföringsformer och uppbyggnader för realisering såväl av den eftersträvade kopplings- fördelningen som av fasförskjutningen genom återkopplingsbanan.

Ett ekvivalent admittansschema för den i fig. 1 visade utfö- ringsformen visas i fig. 2, där YT är transistorns admittans och YL är belastningsaddmittansen, vilken består av admittansen dels för de till kollektorelektrodkretsen H kopplade kretsarna, dels för en be- lastningsimpedans 7 på 50 ohm. I enlighet med en utföringsform av fö» religgande uppfinning innefattar återkopplingsadmittansen YF mellan kollektorelektrodkretsen 4 och emitterelektrodkretsen 3 resonator- admittansen YR och kretsadmittansen YE.

En som exempel visad utföringsform av en i enlighet med före- liggande uppfinning utförd mikrovågsoscillator visas i fig. 3 och H, där samma hänvisningsbeteckningar som i fig. 1 används för motsva- rande kretselement. Den dielektriska resonatorn 8 är belägen ovanför mikrovågstransistorn 1 och hålles på förutbestämt avstånd från denna medelst ett dielektriskt distansorgan 9. Distansorganet 9 är före- trädesvis bildat av ett avsnitt av ett kvartsrör som kapats till en 10 15 20 25 30 35 HO 7801938-7 5 förutbestämd längd. Andra dielektriska distansorgan kan emellertid användas för att mekaniskt uppbära den dielektriska resonatorn 8 och tillhandahålla låga dielektriska förluster och låg termisk ut- vidgning. I fig. 3 och N visas transistorns 1, resonatorns 8 och distansorganets 9 fysiska dimensioner kraftigt förstorade i avsikt att underlätta förståelsen av uppfinningens principer. Speciellt kan nämnas att, trots att den dielektriska resonatorn 8 visas som en cy- linder som hålles pâ plats ovanför emitterkretsen 3 och kollektor- kretsen N medelst ett cylindriskt distansorgan 9, så kan även andra geometriska former användas för den dielektriska resonatorn 8 och di- stansorganet 9 utan att avvikelse sker från uppfinningsidên. Det di- elektriska distansorganets ringa storlek, jämte kopplingen av resona- torns 8 yttre fält med emitter- och kollektorkretsarna, möjliggör fullbordandet av en äterkopplingsbana mellan nämnda kretsar. Den lilla, låg temperaturkoefficient och högt Q~värde uppvisande dielektriska re» sonatorn 8 utnyttjas således som en âterkopplingsbana för att stabili~ sera oscillatorns frekvens. Vidare är âterkopplingens storlek mellan emitter- och kollektorkretsarna 3 och H primärt en funktion av det di~ elektriska distansorganets 9 höjd.

Fig. 5 och 6 visar en alternativ kretsuppbyggnad för mikrovågs- oscillatorn i fig. 3. I fig. 5 visas den dielektríska resonatorn 8 belägen ovanför såväl mikrovàgstransistorn 1 som två kretsar 3' och H'. Emitterelektrodkretsen 3 är försedd med kretsen 3' under det att kollektorelektrodkretsen 4 är försedd med kretsen 4'. Kretsarnas 3 och 4 utökning med kretsarna 3' resp. U' möjliggör en inställning av både återkopplingen och fasförskjutningen genom återkopplingsbanan mellan emitter- och kollektorkretsarna 3 och är Genom att variera kretsarnas 3' och 4' dimensioner kan nämnda två parametrar enkelt justeras. En i fig. 6 visad alternativ kretsuppbyggnad är likartad den som visas i fig. 5 med undantag av att kretsarna 3" och H" är längre än motsvarande kretsar 3' och H'. Detta resulterar i att den lilla dielektriska resonatorn 8 placeras bortanför transistorn 1 ovanför delar av kretsarna 3" och U". I denna alternativa kretsupp- byggnad kan âterkopplingen och fasförskjutningen genom återkopplings- banan modifieras genom variation av kretsarnas längd och/eller för- skjutning av den dielektriska resonatorn i sidled relativt transis- torn 1. Kretsarna 3', R', 3" och 4" i kombination med den dielek- triska resonatorn medger reaktiv avstämning av transistorelektrod- kretsarna, vilket möjliggör inställning av återkopplingsbanans fas- förskjutning. 10 15 20 25 30 35 HO 7801938-7 6 Pig. 7 och 8 visar en front- resp. en sidovy av en annan i enlighet med uppfinningen utförd mikrovågsoscillator. Denna utfö- ringsform, som kan benämnas "den vikta oscillatoruppbyggnaden", bär samma hänvísningsbeteckningar som anordningen i fig. 3, Den vikta konstruktionen innefattar en bärplatta 10 för uppbäring av mikro- vâgstransistorn 1 och dess emitter- och kollektorkretsar 3 resp. H.

Dessa emitter- och kollektorkretsar bildas på ett aluminiumoxidsub- strat i enlighet med välkända metoder inom tekniken för integrerade míkrovâgskretsar. Bärplattan 10 är fäst vid en bas 11 försedd med ett antal anslutningskontakter 12, 13 och 14. Kontakten 12 motsvarar den kollektoranslutning som skall kopplas till förspänningskretsen 6 i fig. 1. Kontakten 14 motsvarar den oscíllatorutgâng som skall kopp- las till belastningen 7 i fig. 1. Olika impedansanpassningsavsnitt kan förbindas med kollektorkretsen mellan transistorn 1 och anslutnings- kontakterna 12 och 1%. Emitterkretsen 3 är förbunden med anslutninge- kontakten 13 för att ge den erforderliga emitterförspänningen alstrad av emitterförspänningskretsen 5 i fig. 1. Bärplattan 10 kan vara av ledande eller oledande material förutsatt att dess termiska utvidgning approximativt motsvarar den termiska utvidgningen hos det av keramik, aluminiumoxid eller annat material utförda substratet för emitter- och kollektorkretsarna 3 och N. Ledande material, såsom aluminium, mässing, nickelstâlföreningar eller andra metallegeringar kan använ- das för bärplarran 10. ' Såsom framgår av fig. 7 och 8 är mikrovågstransistorn 1 pla- cerad i konstruktionens "veck". Den dielektriska resonatorn 8 är bes lägen ovanför transistorn 1 och hålles på plats medelst det dielek- triska distansorganet 9. Den "vikta" oscillatoruppbyggnaden möjligs gör förverkligandet av en liten mikrovâgsoscillator, i vilken en enda bärplatta - approximativt anpassad till keramiksubstratet med avseen- de på termisk utvidgning - används för att uppbära både emitter- och kollektorkretssubstraten. Dessutom kan alla elektriska förbindningar i en dylik vikt uppbyggnad ske i ett enda, mot bärplattan vinkelrätt plan, så att de olika termiska utvidgningseffekterna mellan anord- ningens hölje och bärplattan/substraten blir utan betydelse.Till följd av minskningen av jordplansytan under den dielektriska resonatorn 8 sker dessutom en reducering av frekvensdragningen och Q-värdesförsäm- ringen. Enbart som exempel kan nämnas att för en 4,5 GHz mikrovågs- oscillator är den dielektriska resonatorn företrädesvis gjord av en Ba2Ti902O-cylinder med en diameter på cza 12,7 mm och en höjd på cza 5 mm. Det dielektriska distansorganet 9 är företrädesvis ett cylind- 10 15 20 25 30 7801938-7 riskt rör av kvarts med en höjd mellan 3,81 och 7,72 mm. I en dy- lik "vikt" uppbyggnad med de nyss nämnda dimensionerna kommer sä- ledes signifikant koppling av den dielektriska resonatorn till emitter- och kollektorkretsarna endast att uppträda i transistorns omedelbara närhet.

Några typiska temperaturstabilitetsresultat för en vid H,5 GHz arbetande oscillator av "vikt" typ presenteras i fig. 9. De olika temperaturutvidgningarna hos den av distanselement, resonator och bärplatta bestående anordningen å ena sidan och oscillatorhöljet å andra sidan har utnyttjats för att förbättra temperaturstabiliteten utöver den som finns hos själva resonatorn.Om +25°C väljs som refe- renstemperatur, är resonatorns linjära och kvadratiska temperatur- koefficienter +1,2 ppm/°C resp. +0,017 ppm/(°C)2. Temperaturkoef- ficienterna för oscillatorn är -0,38 ppm/OC resp. +0,018 ppm/(°C)2.

Verkan härav blir således ett tillskott av en kompenserande linjär temperaturkoefficient som med fördel kan utnyttjas för att förskjuta nolltemperaturkoefficienten vid resonansfrekvens till en högre tem- peratur. Över temperaturområdet -17,8 till +71,1°C är den totala frekvensändringen 200 kHz vilket motsvarar HU ppm. Vid placering i en temperaturreglerad ugn uppnâddes en lângtidsstabilitet på mindre än 5 ppm under ett år.

I ovanstående beskrivning illustrerades mikrovågsanordningen 1 som en mikrovågstransistor i GB-koppling. Uppfinningen är dock inte begränsad till oscillatorer med bipolära transistorer, utan transistorn 1 kan utbytas mot andra mikrovågshalvledaranordningar som kan alstra mikrovågssvängningar. Vid tillämpningar som kräver frekvenser typiskt ovanför 5 GHz möjliggör vidare användning av en mikrovågs-fälteffekttransistor, såsom en galliumarsenidfälteffekt- transistor (GaAsFET), direkt alstring av mikrovågsenergi på ett enkelt, kompakt och ekonomiskt sätt.

Claims (7)

7801938-7 Patentkrav

1. Mikrovâgsoscillatorkrets innefattande en mikrovågshalv- ledaranordning (1) som är försedd med åtminstone första (3) och andra (H) elektrodkretsar, k ä n n e t e c k n a d därav, att oscillatorkretsen även innefattar en díelektrisk resonator (8) be- lägen i närheten av halvledaranordningen (1) för upprättande av en âterkopplingsväg mellan den första elektrodkretsen (3) och den and- ra elektrodkretsen (H).

2. Mikrovågsoscíllatorkrets enligt krav 1, k ä n n e ~ t e c k n a d därav, att den även innefattar ett mellan resonatorn (8) och elektrodkretsarna (3, U) beläget díelektrískt dístansorgan (9) för reglering av kopplingsgraden mellan den första (3) och den andra (R) elektrodkretsen.

3. Míkrovågsoscillatorkrets enligt krav 2, k ä n n e- t e c k n a d därav, att halvledaranordningen är en mikrovågs- transistoranordning försedd med åtminstone första och andra elek- trodanslutningskretsar.

4. Mikrovâgsoscillatorkrets enligt krav 3, k ä n u e~ t e c k n a d därav, att den innefattar en bärplatta (10) för- sedd med första och andra plana ytor för uppbäring av den första (3) resp. den andra (4) elektrodanslutníngskretsen, varvid tran- sistoranordningen är belägen vid bärplattans (10) ena ände och mellan de båda plana ytorna.

5. Mikrovågsoscíllatorkrets enligt krav 3, k ä n n e- t e c k n a d därav, att transistoranordningen är en bipolär mikrovågstransistoranordníng.

6. Míkrovågsoscillatorkrets enligt krav 3, k ä n n e- t e c k n a d därav, att transistoranordningen är en mikro- vågsfälteffekttransistor.

7. Mikrovågsoscíllatorkrets enligt krav 1, k ä n n e- t e c k n a d därav, att den dielektriska resonatorn (8) ut- göres av en cylindrisk kropp av baríumtitanat (Ba2Ti9O20) och att moden för de elektriska svängningarna i resonatorn (8) är TE01¿'-moden. ANFÜRDA PUBLIKATIONER: