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
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IPC-Nebenklasse |
H03F 3/60
H03F 3/10
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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.
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Anspruch[de] |
- 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. Höchstfrequenz-Verstärker oder -Oszillator nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (26, 27; 41, 42, 43,
44) gepaart sind.
- 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. 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. 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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Patent Zeichnungen (PDF)
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