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Dokumentenidentifikation DE2652687C2 12.10.1989
Titel Höchstfrequenz-Verstärker oder -Oszillator
Anmelder Thomson-CSF, Paris, FR
Erfinder Diamand, Félix, Paris, FR;
Bourrabier, Guy, Orsay, FR;
Antoine, Robert, Fontenay-sous-Bois, FR
Vertreter Prinz, E., Dipl.-Ing.; Leiser, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 19.11.1976
DE-Aktenzeichen 2652687
Offenlegungstag 02.06.1977
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse H03B 7/14
IPC-Nebenklasse H03F 3/60   H03F 3/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Höchstfrequenz-Verstärker oder -Oszillator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Hochfrequenzschaltung dieser Gattung ist aus der DE-OS 20 42 816 bekannt. Derartige Höchstfrequenzschaltungen, die mehr als ein Element mit negativem Widerstand enthalten, beispielsweise Gunn- oder Avalanchedioden, sind in der Lage, entweder als Oszillator oder als Verstärker zu arbeiten.

Bei dem aus der DE-OS 20 42 816 bekannten Höchstfrequenz- Verstärker bzw. -Oszillator sind in zwei einander beiderseits eines Hohlleiters gegenüberliegenden zylindrischen Kammern zwei Dioden angeordnet, die entgegengesetzt zueinander gepolt sind und auf ihren einander zugewandten Seiten an einen Leiter angeschlossen sind, der symmetrisch in den Hohlleiter hineinragt und die Dioden mit einem Pol der Vorspannungsquelle verbindet. Die Auskopplung aus dem Hohlleiter erfolgt kapazitiv mittels einer Scheibe. Auch aus den US-PS 36 62 285 und 37 14 605 sind Höchstfrequenzschaltungen ähnlicher Art bekannt, bei denen eine kapazitive Entkopplung mittels einer Entkopplungsscheibe vorgenommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Höchstfrequenz- Verstärker oder -Oszillator der eingangs angegebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß der Wirkungsgrad verbessert ist, die Entkopplung zwischen Hochfrequenz- und Gleichstromseite erleichtert wird und eine gute Wärmeabfuhr gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Höchstfrequenz- Verstärker oder -Oszillator erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Höchstfrequenz-Verstärker oder -Oszillator liegt eine magnetische Kopplung vor, die durch Wechselwirkung zwischen dem HF-Strom der Koaxialleitung mit dem Magnetfeld im Hohlleiter zustande kommt.

Einzelheiten mehrerer Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Höchstfrequenz-Oszillators nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 und 4 schematische Schnittdarstellungen mehrerer Ausführungsformen der Erfindung und

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit zwei Diodenpaaren.

Das Prinzipschaltbild von Fig. 1 zeigt zwei Avalanchedioden 11 und 12, die im X-Band (8,2 bis 12,4 GHz) einen negativen Widerstand aufweisen, wenn sie durch eine Quelle 10 in Sperrichtung vorgespannt sind. Ein analoges Schema wäre möglich, indem die Besonderheiten von anderen Arten von Halbleiterdioden mit negativem Widerstand berücksichtigt werden, beispielsweise von Gunndioden. In dem gewählten Beispiel ist der Minuspol der Quelle 10 mit Masse und der Pluspol mit den (von der Masse isolierten) Elektroden der Dioden 11 und 12 über Innenleiter 101 und 201 von zwei Koaxialleitungsabschnitten 100 und 200 verbunden, die in bezug auf einen Wellenleiter symmetrisch sind, der symbolisch durch eine LC-Schaltung mit einer Belastungsimpedanz Z dargestellt ist. Mit Hilfe der üblichen Symbole sind gekoppelte Induktivitäten L&sub1; und L&sub2; dargestellt, die der magnetischen Kopplung zwischen der Koaxialleitung und dem Wellenleiter entsprechen.

Bezüglich der Betriebsweise der Schaltung von Fig. 1 sei folgendes angemerkt:

  • 1) die beiden Dioden liegen unter Hochfrequenzgesichtspunkten in Reihe, was wegen ihres geringen negativen Widerstands (in der Größenordnung von einigen Ohm) die Anpassung der Schaltung erleichtert;
  • 2) die beiden Dioden liegen unter Gleichstromgesichtspunkten parallel, was die Entkopplung der Stromversorgung erleichtert, wie weiter unten erläutert;
  • 3) die beiden Dioden liegen unter Wärmegesichtspunkten parallel, was gestattet, die Wärmeableitung in einfacher (herkömmlicher) Weise vorzunehmen;
  • 4) die besondere Symmetrie dieser Struktur schließt andererseits folgende Eigenschaft ein: die zu der Belastung übertragene Leistung enthält nur ungeradzahlige Harmonische, während die geradzahligen Harmonischen auf der Gleichstromversorgungsseite abgeleitet werden. Wenn man I(t) und I&min;(t) die Stromstärken in den Dioden 11 und 12 (mit den vereinbarten Richtungen, die den Pfeilen entsprechen, Fig. 1) und ebenso mit V(t) und V&min;(t) die Spannungen an den Klemmen der Dioden bezeichnet, gilt nämlich im Dauerbetrieb:

    I(t) = Σ In ejnωt (1)

    I&min;(t) = Σ I&min;n ejnωt (2)

    wobei n ganzzahlig ist und sich von -∞ bis +∞ ändert.


Wenn die Dioden ein vollkommenes Paar bilden, gilt:

I&min;(t + T/2) = I(t)

wobei T die Periode des Hochfrequenzstroms bezeichnet.

Nachdem t+T/2 an die Stelle von T gesetzt und alle Berechnungen ausgeführt worden sind, gilt folgende Gleichung:

I&min;n = (-1)nIn

Die in der Sekundärwicklung der Schaltung von Fig. 1 induzierte Spannung ist proportional zu dem resultierenden Strom in der Induktivität L&sub1;:

i&sub1;(t) = I(t) - I&min;(t)

wobei leicht zu erkennen ist, daß den geradzahligen Harmonischen ein Koeffizient Null zugeordnet ist; es bleiben somit nur die ungeradzahligen Harmonischen.

Der von der Vorspannungsquelle gelieferte Strom ist durch folgende Gleichung gegeben:

i&sub2;(t) = I(t) + I&min;(t)

wobei in gleicher Weise zu erkennen ist, daß nur geradzahlige Harmonische bleiben.

Die auf jede Diode zurückgeführten Impedanzen Z(ω) und Z(2l) können also (unter Vernachlässigung der Harmonischen von höherer Ordnung als n=2) mit Hilfe von zwei unabhängigen Einstellungen eingestellt werden. Insbesondere, wenn der Mittelpunkt der Induktivität L&sub1; unter Hochfrequenzgesichtspunkten an Masse gelegt ist, ist die Impedanz Z(2ω) Null und es wird mit der 2. Harmonischen keine Wirkleistung gebildet (außer der, die gegebenenfalls in dem Innenwiderstand jeder Diode verbraucht wird).

Es ist außerdem zu erkennen, daß bei Dioden, die ein vollkommenes Paar bilden, die Entkopplung der Vorspannungsquelle unnötig ist.

Schließlich neigen die Dioden dazu, spontan in Gegenphase zu schwingen und dabei eine maximale Leistung in den Wellenleiter abzugeben, wobei die 2. Harmonische praktisch eliminiert ist.

In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist schematisch ein elektromagnetischer Hohlraumkörper 20 dargestellt, der einen Wellenleiterabschnitt 21 umgibt, welcher den eigentlichen Hohlraum bildet.

In diesen Hohlraum führen:

  • - zwei Kanäle 22 und 23, die senkrecht zu einer großen Seite des Wellenleiterquerschnitts in den Hohlraumkörper gebohrt sind: durch diese Kanäle sind Positionierungsteile 24 und 25 (teilweise dargestellt) eingeführt, von denen ein Durchmesser mit Hilfe einer Klemmvorrichtung bekannter Art (nicht dargestellt) modifizierbar ist. Diese Teile oder Zangen tragen an ihrem Ende auf der Seite des Hohlraums eine Abflachung, in der eine Diode durch Einschrauben ihres Sockels in eine Gewindebohrung (nicht dargestellt) befestigt werden kann. Die Dioden 26 und 27 der Schaltung liegen jeweils an einem Ende eines Teils in Form einer Hantel an, die aus zwei massiven zylindrischen Kupferkörpern 28 und 29 gebildet ist, welche durch einen Arm 30 miteinander verbunden sind,
  • - eine Achse 31, die als Vorspannungsverbindung und als Halter für die Hantel während der Montage der Schaltung dient. Die Achse 31 wird auf jeder Seite durch absorbierende und isolierende Stopfen gehalten. Es ist eine Höchstfrequenzleistung in der Größenordnung von 7 W im X-Band mit einer Schaltung gemäß der Darstellung in Fig. 2 erzielt worden, die folgende Abmessungen hatte:
  • - Teile 28 und 29: Durchmesser 6 mm, Höhe: 7,5 mm, wovon 5 mm im Inneren der Kanäle 22 oder 23 lagen und 2,5 mm in den Hohlraum 21 hineinragten;
  • - Kanäle 22 und 23: Durchmesser 9 mm;
  • - Arm 30: Durchmesser 2 mm, Länge 5 mm;
  • - Achse 31: Durchmesser 2 mm (in dem Hohlraum).


Dank der Symmetrie der Schaltung konnte jegliche Entkopplung zwischen Dioden und Gleichstromquelle unterdrückt werden; insbesondere gestattet die Unterdrückung jeglichen Entkopplungswiderstandes in der Gleichspannungszuführung, den Wirkungsgrad der Schaltung beträchtlich zu erhöhen.

Die Schaltung nach der Erfindung hat darüber hinaus den Vorteil, in einem ziemlich breiten Durchlaßband durch die Vorspannung moduliert werden zu können, da keine Entkopplungsteile vorhanden sind, die für die Hochfrequenzen ein Hindernis (Tiefpaßfilter) darstellen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um ein Schaltungsbeispiel mit vier Dioden, die paarweise in bezug auf die Achse 31 (die der von Fig. 2 entspricht) symmetrisch sind. Diese Schaltung stellt eine Variante der vorhergehenden Schaltung dar. Sie enthält wieder die Positionierungsteile in Form von Spannzangen 51, 52, 53 und 54, in die die Sockel der Dioden 41, 42, 43 und 44 eingeschraubt sind. Die Zylinder 28 und 29 sind jedoch durch einen einzigen Zylinder (für jedes Diodenpaar) 45 oder 46 ersetzt worden, deren Durchmesser im wesentlichen gleich und deren Länge der des in Fig. 2 dargestellten hantelförmigen Teils äquivalent ist. Die Achse 31 ist in drei Teile zerlegbar, die durch in den Zylinder 45 und 46 eingeführte Schäfte miteinander verbunden sind. Auf der rechten Seite von Fig. 3 ist ein zweistufiger Auffänger dargestellt, der aus zwei aufeinanderfolgenden Koaxialleitungsabschnitten besteht, die unterschiedliche Impedanzen und eine Länge haben, welche gleich einem Viertel der vorbestimmten Wellenlänge ist. Der erste Abschnitt enthält einen Innenleiter 61 mit relativ großem Durchmesser, der von dem Innenleiter durch eine Hülse 610 aus Polytetrafluoräthylen isoliert ist. Der zweite Abschnitt hat einen Innenleiter 62 mit kleinerem Durchmesser und eine Luftisolierung. Eine Isolierbuchse 63 hält das dünnere Ende der Achse 31 auf der Seite des Auffängers fest. Auf der linken Seite ist ein isolierender und absorbierender Stopfen 33 dargestellt. In Wirklichkeit findet man eine vollkommen symmetrische Anordnung, die auf jeder Seite einen Auffänger oder einen Stopfen aufweist.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante der Schaltung von Fig. 2, in der ein Zylinder 40, der das hantelförmige Teil ersetzt, in zwei Teile 401 und 402 unterteilt ist, die an zwei Dreikantflächen miteinander in Verbindung sind, welche eine Isolierschicht 51 einschließen (beispielsweise aus Polytetrafluoräthylen). Infolge dieser Unterteilung gibt es zwei Halbachsen, die in Ausnehmungen 52 und 53 in der Mitte der Zylinder 40 eingeschraubt sind. Sie sind durch die Kapazität zwischen den Oberflächen der beiden Halbzylinder gleichstrommäßig voneinander isoliert und hochfrequenzmäßig kurzgeschlossen. Diese Variante gestattet, die Dioden getrennt zu speisen. In diesem Fall kann man durch ein Ungleichgewicht der Versorgungsspannungen einen leichten Paarigkeitsfehler der Dioden der Schaltung kompensieren.

Als Ausführungsbeispiele der Erfindung sind außerdem anzusehen:

  • - die Schaltungen, bei welchen die Vorspannung gegenüber der von Fig. 1 aufgrund des Typs der Diode umgekehrt ist; und
  • - die Schaltungen, bei welchen die die Dioden enthaltenden Kanäle unsymmetrisch ausgeführt sind.


Anspruch[de]
  1. 1. Höchstfrequenz-Verstärker oder -Oszillator mit einem Hohlleiterabschnitt, der in seinen einander gegenüberliegenden Breitseitenwandungen mit paarweise einander gegenüberliegenden und senkrecht zu der betreffenden Wandung gebildeten Öffnungen versehen ist, mit zylindrischen Kammern, die von elektrisch leitenden Wandungen begrenzt sind und über die Öffnungen mit dem Hohlleiterabschnitt in Verbindungen stehen, und mit je einer in einer der zylindrischen Kammern auf deren Symmetrieachse angeordneten Diode, die durch Anlegen einer bestimmten Vorspannunge mit negativem Widerstand betrieben wird, wobei die Dioden symmetrisch in bezug auf die Längssymmetrieebene des Hohlleiterabschnitts angeordnet und elektrisch entgegengesetzt gepolt in Reihe geschaltet sind sowie auf ihrer einen Seite elektrisch kontaktierend an einer Fläche eines Metallteils aus einem Material von hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit anliegt und auf ihrer gegenüberliegenden Seite mit einem senkrecht zu den Schmalseiten des Hohlleiters angeordneten Leiter verbunden sind, über den ein Pol der Vorspannungsquelle an die Dioden angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (26, 27; 41, 42, 43, 44) auf ihrer einander zugewandten Seite durch einen Koaxialleiterabschnitt (100, 200) miteinander verbunden sind, der einen Impedanztransformator bildet und in dem zentralen Teil des Hohlleiters (21) eine magnetische Kopplung mit dem elektromagnetischen Feld im Inneren dieses Hohlleiters (21) herstellt.
  2. 2. Höchstfrequenz-Verstärker oder -Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (26, 27; 41, 42, 43, 44) gepaart sind.
  3. 3. Höchstfrequenz-Verstärker oder -Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (11, 12; 26, 27; 41, 42,43, 44) über Trägerstäbe (24, 25; 51, 52, 53, 54), welche sie mit dem anderen Pol der Vorspannungsquelle (10) verbinden, thermisch parallel geschaltet sind.
  4. 4. Höchstfrequenz-Verstärker oder -Oszillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Diodenpaare (41, 43 und 42, 44), je eines in einer zylindrischen Kammer, vorgesehen sind, deren Dioden in gleicher Weise symmetrisch zu der Längssymmetrieachse (31) angeordnet und unter gleiche Vorspannung gesetzt sind.
  5. 5. Höchstfrequenz-Verstärker oder -Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Dioden des Diodenpaares an ihren einander zugewandten Anschlüssen über ein gemeinsames, aus zwei voneinander gleichströmig isolierte, hochfrequenzmäßig kurzgeschlossene Teile (401, 402) bestehendes Verbindungsteil (40) an getrennte Zuleitungen zu verschiedenen Vorspannungsquellen angeschlossen sind.






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