HohlleiterosziIlator

Die Erfindung betrifft einen Hohlleiteroszillator für die Erzeugung von Grundwellen in einem Hohlleiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bekannte Hohlleiteroszillatoren für die Erzeugung von Grundwellen in Hohlleitern bestehen aus einem in den Hohl¬ leiter eingesetzten Pfosten, der als Sende-Antennenelement dient, und aus einem in den Hohlleiter eingesetzten Halb¬ leiterschwingelement. Das Halbleiterschwingelement ist auf der Grundfläche des Hohlleiterinnenraumes angeordnet und der Pfosten ist zwischen der Gehäuseoberfläche des Halblei¬ terschwingelementes und der gegenüberliegenden Hohlleiter- fläche eingesetzt, so daß er lotrecht stehend frei in den Hohlleiterinneraum abstrahlen kann. Als Halbleiterschwing-

elemente werden in den bekannten Hohlleiteroszillatoren ge¬ häuste Gunn-Dioden, Impatt-Dioden oder ähnliche gehäuste Halbleiterelemente eingesetzt, die bei Anlegen einer Gleichspannung eine HF-Schwingung erzeugen können. Die An- passung des Oszillators an den Wellenwiderstand des Hohl¬ leiters erfolgt bei den bekannten Hohlleiteroszillatoren mittels eines Lambda-viertel-Kurzschlusses. Dieser Kurz¬ schluß besteht aus einem einseitig geschlossenen Hohllei¬ terabschnitt, dessen Länge etwa ein Viertel der Wellenlänge der abzustrahlenden Grundwelle beträgt, und an dessen offe¬ nen Ende der Pfosten mit dem Halbleiterschwingelement ange¬ ordnet ist. Die bekannten Hohlleiteroszillatoren sind be¬ dingt durch die Anfertigung und Montage der feinwerktechni- schen Teile relativ teuer. Die Halbleiterschwingelemente in den bekannten Hohlleiteroszillatoren sind nur als gehäuste Elemente einsetzbar, da auf sie der Anpreßdruck des Pfo¬ stens einwirkt. Gehäuste Dioden sind aber ebenfalls sehr teuer im Vergleich zu ungehäusten Chip-Dioden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen kostengün¬ stigen Hohlleiteroszillator zu schaffen, mit dem in einem Hohlleiter Grundwellen erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die im Patentan- spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung weist eine zu herkömmlichen Hohlleiteroszil¬ latoren vergleichbare Frequenzstabilität auf, hat dabei je- doch einen größeren Oszialltor-Wirkungsgrad. Die in den

Hohlleiter ausgekoppelte HF-Leistung ist deshalb bei glei¬ cher Gleichspannungsleistung größer. Es können preiswerte Chip-Dioden verwendet werden, da die Erfindung Bond-Verbin¬ dungen zwischen den Antenenelementen und den Dioden zuläßt.

Der erfindungsgemäße Oszillator eignet sich mit seiner pla- naren Schlitzleiterstruktur in vorteilhafter Weise für eine Massenproduktion, da diese Struktur ätztechnisch herge¬ stellt werden kann. Die Einbautiefe des erfindungsgemäßen Oszillators kann in vorteilhafter Weise klein gehalten wer¬ den, da ein Lambda-viertel-Kurzschluß zur Impedanzanpassung nicht unbedingt erforderlich ist. Bei Bedarf ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung, die durch die Verwendung von zwei Halbleiterschwingelementen und einer Verdopplung der Antennenelemente gekennzeichnet ist, bei gleicher Ein¬ bautiefe eine Verdopplung der Oszillatorleistung möglich. Auch kann gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung die Oszillatorleistung bei Verwendung nur eines Halbleiter¬ schwingelementes vorteilhaft durch eine Verdopplung der An- tennenelemente gesteigert werden, indem die zusätzlichen Antennenelemente anstelle des Halbleiterschwingelementes einen HF-Kurzschluß aufweisen. Die Weiterbildungen mit ver¬ doppelten Antennenelementen eignen sich besonders für Hohl¬ leiterschaltungen, da sie den Symmetrieeigenschaften des Hohlleiterfeldes entgegenkommen.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfin¬ dung näher erläutert.

Fig.l zeigt einen Hohlleiteroszilator mit einem Halbleiter¬ schwingelement und mit randförmig angeordneten Schlitzlei¬ tern,

Fig.2 zeigt einen Hohlleiteroszillator mit zwei Halbleiter- Schwingelementen, bei dem die Kompensations-Schlitzleiter zentral angeordnet sind,

Fig.3 zeigt einen Hohlleiteroszillator entsprechend Fig.2, bei dem das zweite Halbleiterschwingelement durch HF-Kurz¬ schlüsse ersetzt ist,

Fig.4 zeigt einen Hohlleiteroszillator entsprechend Fig.3, bei dem die HF-Kurzschlüsse mit nur einer Stichleitung ge¬ bildet sind,

Fig.5 zeigt einen Hohlleiteroszillator für einen Hohlleiter mit kreisförmigen Querschnitt und

Fig.6 zeigt das den erfindungsgemäßen Lösungen zugrundle¬ gende Prinzip des Zusammenwirkens der Resonanzkurven von Antennen- und Kompensations-Schlitzleitern.

Fig.l zeigt die Schlitzleiterstruktur 2 eines Hohlleiteros¬ zillators für die Erzeugung von Grundwellen in einem Hohl¬ leiter, die auf die Querschnittsfläche eines rechteckförmi¬ gen Hohlleiter 1 aufgesetzt ist. Die Schlitzleiterstrutur 2 ist in einer Metallschicht auf einem planaren, einseitig metallisierten, dielektrischen Substrat ausgebildet. In die Schlitzleiterstruktur 2 sind zwei Sende-Schlitzleiter 4 und 5, zwei Kompensations-Schlitzleiter 6 und 7, ein Halblei- terschwingelement 3, zwei kapazitive Elemente 14 und 15, zwei Stichleitungen 12 und 13 und ein Tiefpaß 21 inte¬ griert.

Die Sende-Schlitzleiter 4 und 5 sind mit offenen Enden hin¬ tereinander geschaltet und an der Zusammenfügungsstelle von einem ungehäusten Halbleiterschwingelement 3 überbrückt.

Das verwendete Halbleiterschwingelement 3 erzeugt bei Anle¬ gen einer Gleichspannung HF-Energie und kann je nach Anwen¬ dungsfall eine Gunn-Diode, eine Impatt-Diode oder eine ähn¬ lich wirkendende HF-Diode sein. Das Halbleiterschwingele-

ment 3 ist mittels Bondverbindungen in die Schlitzleiter¬ struktur 2 integriert. Das Halbleiterschwingelement 3 und die Sende-Schlitzleiter 4 und 5 sind in der Schlitzleiter¬ struktur 2 so angeordnet, daß das Halbleiterschwingelement dem Fußpunkt des maximalen Feldstärkevektors 10 des angren¬ zenden Hohlleiter-E-feldes benachbart ist.

Die beiden Sende-Schlitzleiter 4,5 sind gleich ausgebildet, besitzen somit dieselbe Resonanzfrequenz f(ind OI) , und sind in der Schlitzleiterstruktur 2 so angeordnet, daß sie auf ihrer gesamten Länge mit ihrer Außenkante an die Umran¬ dung des Hohlleiterinnenraumes 11 grenzen. Ihre elektrisch wirksame Länge beträgt jeweils eine halbe Wellenlänge der zu erzeugenden Grundwelle. An ihren nicht zusammengeschal- teten Enden sind die Sende-Schlitzleiter 4,5 jeweils mit einem kapazitiven Elementen 14,15 nahezu kurzgeschlossen. Die kapazitiven Elemente 14 und 15 sind außerhalb der Um¬ randung des Hohlleiterinnenraumes 11 angeordnet.

An die kurzgeschlossenen Enden der Sende-Schlitzleiter 4,5 schließt sich jeweils ein Kompensations-Schlitzleiter 6,7 an. Die die Sende-Schlitzleiter 4,5 kurzschließenden kapa¬ zitiven Elemente 14,15 bilden an den Anschlußstellen für die Kompensations-Schlitzleiter 6,7 ebenfalls einen Kurz- schluß. Auch die Kompensations-Schlitzleiter 6,7 grenzen mit ihrer Außenkante an die Umrandung des Hohlleiterinnen¬ raumes 11, sind gleich ausgebildet und besitzen dieselbe Resonanzfrequenz f(ind OII) . Die Länge der Kompensations- Schlitzleiter m6,7 beträgt jeweils ungefähr der halben Wel- lenlänge der zu erzeugenden Grundwelle. Ihre elektrisch wirksame Länge und damit die Resonanzfrequenz f(ind OII) ist aber jeweils durch eine transformierende Stichleitung 12,13 bestimmt, welche die anderen Enden der Kompensations- Schlitzleiter 6,7 abschließt. Diese transformierenden

Stichleitungen 12,13 sind außerhalb der Umrandung des Hohl¬ leiterinnenraumes 11 in der Schlitzleiterstruktur 2 ange¬ ordnet. Die Resonanzfrequenzen f(ind OII) der Kompensa¬ tions-Schlitzleiter 6,7 sind gem. Fig.6 in bezug auf die Resonanzfrequenzen f(ind 01) der Sende-Schlitzleiter 4,5 so eingestellt, daß die im Bereich des Halbleiterschwingele¬ mentes und dem Hohlleiter 1 erzeugte Blindleistung kompen¬ siert wird und eine optimale Impedanz-Anpassung zwischen Hohlleiter und Oszillator erreicht ist.

In der Schlitzleiterstruktur 2 ist durch die Schlitzleiter 4,5,6,7 eine innere Leiterfläche 8 und eine äußere Leiter¬ fläche 9 voneinander getrennt. Die Versorgungs-Gleichspan- nung für das Halbleiterschwingelement 3 wird dem Element über diese Leiterflächen zugeführt. Dazu ist in die

Schichtleiterstruktur 2 ein Mikrostreifen-Tiefpaß 21 inte¬ griert, der galvanisch getrennt von der äußeren Leiterflä¬ che 9 die innere Leiterfläche 8 kontaktiert.

Die Schlitzleiterstruktur 2 ist mit ihrer äußeren Leiter¬ fläche 9 in eine passende Vertiefung der Querschnittsfläche des Hohlleiters 1 eingelötet. Eine Befestigung der Schicht¬ leiterstruktur mittels Klebetechnik ist ebenfalls möglich. Auch kann in einer abgewandelten Form die Schichtleiter- Struktur 2 über die äußere Umrandung des Hohlleiters 1 be¬ liebig hinausragen.

Da das Halbleiterschwingelement 3 zwei als Resonatoren wir¬ kende Schlitzleiter speist und die erzeugte Blindleistung ebenfalls mit zwei als Resonatoren wirkende schlitzleitun- gen kompensiert wird, besitzt der Hohlleiteroszillator eine hohe Phasensteilheit und damit eine gute Frequenzstabili¬ tät. Aufgrund der geringen Entfernung der Kompensations- Schlitzleiter vom Halbleiterschwingelement ist das Schwing-

verhalten des Hohlleiteroszillators eindeutig. Fig.6c zeigt die Lage der Oszillator-Frequenz f(ind OSZ) , z.B. eines Gunn-Oszillators, im Bereich der größten Phasensteilheit der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung. Die Schaltung besitzt bei dieser Frequenz noch Blindleistung, welche zur Kompensation der Blindleistung des Halbleiterschwingelemen¬ tes dient.

Fig.2 zeigt einen Hohlleiteroszillator mit einer gegenüber der in Fig.l gezeigten Ausführung Vergrößerung der Oszilla- torleistung, die mit einer Verdopplung des Sende-Schlitz- leitersystemes und einem zusätzlichen Halbleiterschwingele- ment 18 erreicht wird. Die beiden Halbleiter- und Sende- Schlitzleitersysteme sind identisch aufgebaut und in der Schlitzleiterstruktur 2 spiegel-symmetrisch zueinander an¬ geordnet, so daß ein Halbleiterschwingelement 3 dem Fu߬ punkt des maximalen Feldstärkevektors 10 des angrenzenden Hohlleiter-E-Feldes benachbart ist und das andere Halblei¬ terschwingelement 18 dem ersten Halbleiterschwingelement 3 gegenüberliegend angeordnet ist. Alle Schlitzleiter weisen jeweils eine elektrisch wirksame Länge von einer halben Wellenlänge der zu erzeugenden Grundwelle auf und sind mit ihren Außenkanten der Umrandung des Hohlleiterinnenraumes benachbart angeordnet. Die beiden Schlitzleitersysteme sind an ihren den Halbleiterschwingelementen abgewandten Enden jeweils mittels eines kapazitiven Elementes 14,15 nahezu kurzgeschlossen. Diese Elemente entsprechen in ihrer Aus¬ führung den in Fig.l beschriebenen Elementen. Die Gleich¬ spannungszuführung zu den Halbleiterschwingelementen 3,18 erfolgt über einen Tiefpaß 21, der in diesem Ausführungs- beispiel seitlich an eines der kapazitiven Elemente 14,15 angekoppelt ist. Diese Tiefpaßanordnung könnte alternativ auch in dem mit Fig.l gezeigtem Ausführungsbeispiel verwen¬ det werden.

Die Kompensation der von den Sende-Schlitzleitern erzeugten Blindleistungen erfolgt mittels zwei Kompensations-Schlitz- leitern 6,7, die mit ihren offenen Enden zusammen geschal¬ tet sind. Die anderen Enden stellen einen Kurzschluß dar und sind so ausgebildet, daß die zusammengeschalteten Kom¬ pensations-Schlitzleiter die Form einer H-Blende bilden. Alternativ kannen auch eine andere Form für die Kompensa¬ tionsschlitzleiter 6,7 zur Anwendung kommen. Die H-Blende ist in der Schlitzleiterstruktur 2 zentral so angeordnet, daß ihr Mittelstück lotrecht auf dem maximalen Feldstärke¬ vektor 10 steht. Die Resonanzfrequenz der Kompensations- Schlitzleiter 6,7 ist abweichend von der Resonanzfrequenz der Sende-Schlitzleiter 4,5,16,17 eingestellt, damit die in den Hohlleiter abgestrahlte Blindleistung der Sende- Schlitzleiter im Hohlleiter 1 kompensiert wird.

Der in Fig.3 gezeigte Hohlleiteroszillator entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau mit dem verdoppelten Sende- Schlitzleitersystem und der zentral angeordneten H-Blende dem in Fig.2 gezeigtem Ausführungsbeispiel. Abweichend zu der dort gezeigten Ausführung ist hier auf das zweite Halb¬ leiterschwingelement 18 verzichtet. Dafür ist zwischen den diesbezüglichen Schlitzleiterenden ein transformatorisch hergestellter HF-Kurzschluß angeordnet. Dieser Kurzschluß besteht aus Stichleitungen 12,13, die eine elektrisch wirk¬ same Länge von einem Viertel der zu erzeugenden Grundwelle aufweisen und von der äußeren Leiterfläche 9 galvanisch ge¬ trennt sind. Die elektrischen Feldverteilungen auf den Sen¬ de-Schlitzleitern 16,17 entsprechen den Feldverteilungen der vorangehend beschriebenen Ausführungsvariante mit dem zweiten Halbleiterschwingelement 18. Der Tiefpaß 21 für diese Ausführungsvariante ist an den HF-Kurzschluß angekop¬ pelt, könnte aber auch an eines der kapazitiven Elemente 14,15 angebunden sein.

Eine einfachere Ausführung des HF-Kurzschlusses zeigt Fig.4, wobei nur eine Stichleitung 12 wirksam ist, was nur eine geringfügige Verschlechterung der Oszillatorwirkung im Vergleich mit dem in Fig.4 gezeigtem Ausführungsbeispiel zur Folge hat.

Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß Fig.l, das in Ab¬ weichung dazu für einen Hohlleiter 1 mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist, in seinem grundsätzlichen Auf- bau aber dem voranstehend zu Fig.l gemachten Ausführungen vollständig entspricht. Wichtig ist, daß das Halbleiter¬ schwingelement 3 dem Fußpunkt des maximalen Feldstärkevek- tors 10 benachbart ist. In der in Fig.5 gezeigten Weise sind auch die in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Ausführungs- beispiele auf kreisförmige Hohlleiter übertragbar.

Die Figuren 6a bis 6c zeigen Blindleistungs-Resonanzkurven des Hohlleiteroszillators. In Fig.6a ist die abgestrahlte Blindleistung der Sende-Schlitzleiter P(ind SE) aufgetra- gen. Fig.6b zeigt die Blindleistung der Kompensations- Schlitzleiter P(ind KO) und Fig.6c die sich überlagernden Blindleistungen in der Gesamtschaltung P. Die Frequenz f(ind OSZ) entspricht der Freqeunz mit der die Halbleiter¬ schwingelemente 3,18 in den erfindungsgemäßen Schaltungen betrieben werden.

Die Wirkung der Kompensations-Schlitzleiter 6,7 läßt sich in sämtlichen der voranstehnd beschriebenen Ausführungsbei¬ spiele dadurch erhöhen, daß die Schlitzleiterstrukur 2 in einem Lambda-viertel-Abstand von einem kurzgeschlossenen Ende des Hohlleiters 1 eingesetzt ist. Die an diesem Lambda-viertel-Kurzschluß reflektierten Hf-Anteile tragen mit zur Kompensation der von den Sende-Schlitzleitern abge¬ strahlten Blindleistungen bei.