DE1950596A1 - Elektronische Abstimmvorrichtung fuer elektromagnetischen Resonator - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. Lamprecht

München 22, Sfelnsdorfstr. 10

293-I4.985P 7.IO.I969

Minister of Technology in Her Britannic Majesty*s Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland,

London (Großbritannien)

Elektronische Abstimmvorrichtung für elektromagnetischen Resonator

Die Erfindung betrifft eine elektronische Abstimmvorrichtung für Mikrowellenkreise, insbesondere zur Abstimmung von koaxialen Hohlraumresonatoren durch Kapazitätsdioden (Kapazitäts-Variations-Dioden, Varaktoren).

Bekannte Verfahren zur Abstimmung von Hohlraumresonatoren mittels Kapazitätsdioden haben verschiedene Nachteile· Die Kapazitätsdiode wird gewöhnlich in den Hohlraumresonator durch eine Kopplungsschleife eingekoppelt· Derartige Kopplungssohleifen erfüllen zwei Funktionen, nämlich die Kopplung der Kapazitätsdiode mit dem Magnetfeld des Hohlraums und die Schaffung einer Gleichstromrückleitung für den Diodenvorspannungsstrom· Diese Form der Kopplung kann zu Streuresonanzen führen, bei denen die Kopplungsschleifeninduktivität einen Resonanzkreis mit der Kapazität der Kapazitätsdiode bildet. Dieser Resonanzkreis 1st eine Last, die parallel zum Resonanzkreis des Hohlst-JX 3137/06-HdE (7)

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raums liegt, und kann eine unerwünschte Leistungsübertragung von der Sollfrequenz des Hohlraums auf die unerwünschte Frequenz der Streuresonanz verursachen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sogenannte "gemischte Kopplungen" auftreten können, d.h. die Schleife teilweise als Sonde, die kapazitiv mit dem elektrischen Feld des Hohlraums gekoppelt ist, und teilweise als Schleife arbeitet, die induktiv mit dem Magnetfeld im Hohlraum gekoppelt ist. Bi manchen Fällen kann das kapazitiv gekoppelte Signal praktisch das induktiv gekoppelte Signal aufheben, so daß die Frequenz des Hohlraums unempfindlich gegenüber Einstellungen des Abstimmkreises wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Kopplung einer Kapazitätsdiode nur mit dem elektrischen Feld eines Hohlraumresonators durch eine kapazitive Sonde oder Platte anzugeben.

Bei der Einkopplung einer Diode in einen Hohlraumresonator durch eine derartige Vorrichtung muß eine Qleichstromrückleitung für den Diodenvorspannungsstrom vorgesehen sein. Biese Gleichstromrückleitung kann den Hohlraumresonator aber stark belasten und damit Streuresonanzen hervorrufen.

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zur elektronir sehen Abstimmung eines elektromagnetischen Resonators angegeben, die aufweist: eine Speise- oder Übertragungsleitung mit einer elektrischen Länge von im wesentlichen η h (wobei η eine ganze Zahl und £ ^die halbe Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz des Resonators ist), die an einem Ende an den Resonator, so daß sie mit dem elektrischen Feld einer darin in Resonanz befindlichen

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elektromagnetischen Welle kapazitiv gekoppelt ist, und am anderen Ende an eine Kapazitätsdiode angeschlossen ist; ein induktives Glied, das iflit der Speiseleitung im wesentlichen in einem Abstand von einer Viertelwellenlänge 4 von einem Ende verbunden ist; eine Vorspanniangsqiielle zur Leitung eines einstellbaren Stroms nacheinander durch das induktive Glied und die Kapazitätsdiode; tand einen ffoerbrückungskondensator, der parallel zur Vorspannungsquelle geschaltet ist·

In einer derartigen Schaltung bildet das induktive Glied eine Rüekleitung für den Vorspannungsstrom, der zur Einstellung der Kapazitätsdiodenkapazität verwendet wird. Die Kopplung mit dem Hohlraumresonator braucht daher nicht als GleichstromrUckleitung zu arbeiten land kann vollständig kapazitiv gemacht werden, so daß "gemischte Kopplungen" vermieden werden. Im Abstand von ^ von jedem JSmIe der Speiseleitung ist die Ersatzstromkreisimpedanz bei öer Beso^aii„...:-^quenz verhältnismäßig gering, so daß eine ßleiehstromverbindung in Form einer kurser Spirale aus dünnem Draht vorgesehen sein kann, die bei der Resonanzfrequenz eine induktive Impedanz aufweist, die beträchtlich größer als die Ersatzstromkreisimpedanz in dieser Lage ist und daher eine vernachlässigbare Wirkung auf den Resonanzfrequenzersatzstromkreis ausübt. Bei dieser Form der Kapazitätsdiodenschaltung ist es weniger wahrscheinlich, daß Streuresonanzen auftreten, als es für die entsprechenden Resonanzen in einer üblichen schleif engekoppelt en Anordnung der Fall ist. Die elektrische Länge der Speiseleitung ist vorzugsweise £ , wobei der induktive Anschluß etwa an ihrem elektrischen Mittelpunkt vorgenommen wird. Andere ganzzahlige Werte von η können verwendet werden, jedoch führen praktische Überlegungen in den meisten Fällen zur Verwendung des kleinstmöglichen Wertes.

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Die Abstimmvorrichtung gemäß der Erfindung kann z.B. in einem automatischen Frequenzregelkreis zur Regelung der Betriebsfrequenz eines Gunn-Oszillators oder einer anderen Mikrowelleneinrichtung verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 einen Schnitt durch eine Gunn-Diode, die koaxial zu einem Hohlraumresonator-Oszillator liegt, der einen Kapazitätsdiodenabstimmkopf hat;

Pig. 2 eine teilweise aufgeschnittene, perspektivische Ansicht eines Teils des Kapazitätsdiodenabstimmkopfs von Pig. I;

Fig. 5 ein Hochfrequenz-Ersatzschaltbild des Hohlraumresonators und des Kapazitätsdiodenabstimmkopfs von Fig. 1;- ■

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des Stromkreises von Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt durch ein abgewandeltes Ausführun$- beispiel des Oszillators und des Abstimmkopfs von Fig. 1 und 2; und

Fig. 6 ein Hochfrequenz-Ersatzschaltbild des Hohlraumresonators und des abgewandelten Ausführungsbeispiels des Kapazitätsdiodenabstimmkopfs von Fig. 5·

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Zeichnung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ist und daß der besseren Übersichtlichkeit wegen die Stromversorgungen, mechanischen Abstimmanordnungen und dergleichen weggelassen worden sind.

Fig. 1 zeigt einen Hohlraumresonator 1 mit einem Innen-

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leiter 2, der koaxial zu einem Außenleiter 3 liegt. Eine Gunn-Diode 4 befindet sich auf einer Stellschraube 5, so daß eine von ihren Elektroden in Kontakt mit dem Innenleiter 2 und die andere Elektrode in Kontakt mit der Schraube 5 ist· Ein Kapazitätsdiodenabstimmkopf 6 springt in den^ Hohlraumresonator 1 so vor, daß eine kapazitive Kopplungsplatte 7 sich im elektrischen Feld zwischen dem Innen- und Außenleiter 2 bzw. 3 befindet. Die Kopplungsplatte 7 ist mit der Kathode einer Kapazitätsdiode durch einen Innenleiter 9 verbunden. Eine äußere, zylindrische, leitende Wand 10 des Abstimmkopfs 6 ist vom Innenleiter 9 durch ein Dielektrikum 11 isoliert. Der Innenleiter 9 ist mit dem Außenleiter 10 durch eine Gleichstromverbindung 12 verbunden. Die Anordnung der Gleichstromverbindung 12 ist genauer in Pig. abgebildet, die nachher beschrieben werden wird. Der Innenleiter 9 kann die Kapazitätsdiode 8 aufnehmen. Eine Schraube 13 ist mit einer leitenden Mutter l4 verschraubt, um die Kapazitätsdiode 8 festzuhalten und mit ihr einen elektrischen Kontakt herzustellen. Ein Ring 15 ist in einen Gewindeabschnitt der Außenwand des Abstiramkopfs 6 eingeschraubt. Der Ring 15 hat eine Abschrägung 16, die ein Spiel zwischen dem Ring 15 und der Schraube IJ ermöglicht. Die leitende Mutter l4 ist elektrisch vom Ring 15 durch einen dielektrischen Distanzring 16 und einen ringförmigen Luftspalt 18 isoliert. Die Mutter 14 ist auch von der äußeren leitenden Wand 10 durch einen ringförmigen Luftspalt 19 und durch einen dielektrischen Distanzring 20 isoliert. Ein metallischer Distanzring 21 hat Kontakt mit dem Außenleiter 10· Ein Luftspalt 22 erzeugt ein Spiel zwischen dem metallischen Distanzring 21 und dem Flansch der Diode 8. Ein Luftspalt 23 . trennt den Distanzring 21 vom Dielektrikum 11. Eine Leitung 24 verbindet die Anode der Diode 8 mit einer Yorspannungsquelle (nicht abgebildet) über die Schraube 13 und die leitende Mutter 14,

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Pig. 2 zeigt einen Teil des Kapazitätsdiodenabstiimnkopfs genauer. Diejenigen Bauelemente von Fig. 2, die mit denen von Fig. 1 identisch sind, haben das gleiche Bezugs zeichen.

Die Verbindung 12 ist als kurze Spirale eines feinen Drahts abgebildet, die an ihrem Innenende mit dem Innenleiter 9 und an ihrem Außenende mit dem Außenleiter 10 verbunden ist. Das Dielektrikum 11 besteht aus zwei Teilen 11a und lib, zwi- ^ sehen denen ein Zwischenraum die Aufnahme der Verbindung 12 ermöglicht.

Die Arbeitsweise dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung wird jetzt anhand der Schaltbilder von Fig. 3 und 4 beschrieben. Der dielektrische Distanzring 20 bildet eine Hochfrequenzüberbrückungskapazität zwischen dem Anodenanschluß der Kapazitätsdiode 8 und dem metallischen Distanzring 21, der Kontakt mit der Außenwand des Abstimmkopfs 6 hat. Die Außenwand des Abstimmkopfs 6 ist in elektrischem Kontakt mit dem Außenleiter 2 des koaxialen Hohlraumresonators 1. Der Abstand zwischen der Platte 7 und dem Flansch der Diode 8 beträgt im wesentlichen $5 bei der Betriebsfrequens des .Hohlraumresonators. Der Leiter * bildet zusammen mit der zylindrischen Wand 10 und dem Dielektrikum 11 einen Abschnitt einer koaxialen Speiseleitung. Die Verbindung 12 befindet sich auf dieser Leitung in der Mitte, d.h. in einem elektrischen Abstand von £ von beiden Enden. Die Kapazität zwischen dem Anodenanschluß der Diode 8 und der Außenwand des Abstimmkopfs bildet an dieser Stelle für Mikrowellenfre- , quenzen praktisch einen Kurzschluß. . . ι

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Ausführungsbeispiels von Fig. 1. Diejenigen Teile von Flg. 1, die direkt _: in Fig. 5 wiedergegeben werden können, haben das gleiche Bezugsr>

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zeichen. Eine Kapazität 30 bildet zusammen mit der parallelen

Induktivität 31 den Hohlraumresonator. Eine Kapazität 32 stellt die Kopplungskapazität zwischen der Platte 7 und dem Hohlraumresonator 1 dar. Sie ist durch einen £} Abschnitt der koaxialen Speiseleitung 33 mit der Kathode der Kapazitätsdiode 8 verbunden. Die Anode der Kapazitätsdiode 8 ist mit einer Vorspannungszuleitung 2k und einem Anschluß eines Entkoppelkondensators 36 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators 36 ist mit einer Sammelleitung 37 zusammen mit dem Außenleiter des Abschnitts der Speiseleitung 33 und einem Ende des Hohlraumresonatorersatzkreises 30. und 31 verbunden. Der Entkoppelkondensator 36 stellt die Kapazität zwischen der Anode der Diode 8 und der Außenwand des Kapazitätsdiodenabstimmkopfs 6 dar. Die Außenwand des Abstimmkopfs 6 ist durch die Sammelleitung 37 abgebildet. Die Induktivität 12 ist die Gleichstromverbindung zwischen dem Innen- und Außenleiter der ^ -Speiseleitung 33·

Ein £ -Abschnitt der Speiseleitung dient als 1:1 Transformator. Daher werden im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Kapazitätseffekte in der Diode 8 im wesentlichen unverändert auf die kapazitive Kopplungsplatte 7 übertragen. Die Kapazitätsdiode 8 verhält sich als variable Kapazität, wenn der Vor*· spannungsstrom durch sie variiert wird.

Pig. 4 zeigt einen Stromkreis, der dem von Pig. 3 bei sehr hohen Frequenzen äquivalent Ist. Eine Platte der Kapazitätsdiode 8 ist direkt mit der Sammelleitung 37 verbunden, da der Entkoppelkondensator 36 bei diesen Frequenzen einen vernachlässigbaren Widerstand hat. Die andere Platte der Kapazitätsdiode 8 ist direkt mit dem Koppelkondensator 32 wegen der 1:1 Transformator-Wirkung des -^ -Abschnitts der Speiseleitung verbunden. Die Induktivität 12 ist aus noch zu erläuternden Gründen weggelassen.

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Die Schaltung von Fig. 1 ist daher bei sehr hohen Frequenzen auf einen Parallelresonanzkreis zurückgeführt* zu dem parallel eine feste Kapazität' j52 in Serie mit einer variablen Kapazität 8 geschaltet ist. Das Abstimmen des Resonanzkreises wird durch Änderung des Werts der Kapazität 8 vorgenommen, indem die Sperrvorspannung der Kapazitätsdiode 8 geändert wird. Die Platte 7 wird in einen Bereich relativ hoher Spannung und niedrigen Stroms im Hohlraumresonator eingebracht, d.h. in eine Stellung hoher Impedanz.

Die stehende Welle des ^ -Abschnitts der Speiseleitung hat einen solchen Verlauf, daß an ihrem Mittelpunkt ein Bereich sehr niedrigen Felds existiert. Die Impedanz ZIf im Mittelpunkt kann ausgedrückt werden durch die Gleichung:

Zd + Zc

wobei Zo den Wellenwiderstand der Speiseleitung j5jj5, Zd die Kapazitätsdiodenlastimpedanz und Zc die Lastimpedanz bedeuten, die durch den Hohlraumresonator 1 über die Koppelkapazität 22 gezeigt ist. Daher hat die Vorspannungsstromrückleitung 12, die sich an der Speiseleitung 33 an deren Mittelpunkt befindet, keine größere Belastung zur Folge, wenn die Hochfrequenzimpedanz der Rückleitung 12 bedeutend größer als die Impedanz ZIf ist.

Bei in der Praxis verwendeten Ausführungsbeispielen der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird die Summe der Impedanzen Zd und Zc normalerweise größer als Ik-A sein, und wenn die Speiseleitung 33 einen Wellenwiderstand von 50-Q hat, ist die Impedanz ZIf nicht größer als 2*5 SL . Eine Vorspannungsstromrückleitung 12 aus kO swg-Draht mit einer Länge von 1 cm

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hat eine Impedanz von etwa 8OO-Ω- bei einer Frequenz von 8 GHz. Wenn eine derartige Impedanz an die Speiseleitung an deren Mittelpunkt angeschlossen wird, wird keine größere Änderung in der stehenden Welle erzeugt, so daß die Entstehung von unerwünschten Streuresonanzen unwahrscheinlich ist.

Die hier beschriebene Abstimmvorrichtung ist im wesentlichen frei von gemischten Kopplungen, da die Kopplungseinrichtung eine offen geschaltete Platte ist, so daß sie nicht mit dem Magnetfeld des Hohlraumresonators gekoppelt werden kann.

Obwohl die Anordnung des Überbrückungskondensators und der Vorspannungsquellenzuleitung von Pig. 1 und 2 mechanisch zweckmäßig ist, können diese Bauteile auch in einer abgewandelten Stellung gemäß Pig. 5 geschaltet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das äußere Ende der Gleichstromuückleitung 12 mit einem metallischen Distanzring 50 verbunden, der zwischen dielektrischen Distanzringen 51 und 52 sandwichartig eingeklemmt ist. Diese Distanzringe sind zwischen Gliedern 54 und 55 eingeklemmt, die in diesem Ausführungsbeispiel zusammengeschraubt sind, um den Außenleiter der Abstimmkopfspeiseleitung zu bilden, so daß sie eine geeignete Überbrüekungskapazitat darstellen. Die isolierte Vorspannungszuleitung 24 ist durch ein Loch und einen Schlitz 55 im Glied 55 geführt und elektrisch mit dem pistanzring 50 verbunden. Die die Kapazitätsdiode 8 sichernden Bauteile sind vereinfacht als Glied 56 abgebildet, das in das Glied 55 eingeschraubt ist, um einen elektrischen Kontakt zwischen ihm und der Anode der Kapazitätsdiode 8 herzustellen. Andere in Fig. 5 gezeigte Bauteile sind Im wesentlichen ähnlich denen vom Ausführungsbeispiel von Fig. 1 und mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.

Flg. 6 zeigt den Ersatzstromkreis der abgewandelten Ab-

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stimmkopfanordnung. Fig. 3 entsprechende Bauelemente sind mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Daher brauchen nur die Merkmale beschrieben zu werden, durch die sich die abgewandelte Schaltung vom Stromkreis von Fig. > unterscheidet. Es ist ersichtlich, daß die Anode der Kapazitätsdiode 8 direkt mit dem anderen, geerdeten Leiter 10 der Speiseleitung verbunden ist. Das andere Ende des induktiven spiralenförmigen Verbindungsdrahtes 12 ist mit der Vorspannungszuleitung 24 und nicht mit dem Außenleiter 10 verbunden. Die Überbrüekungskapazität 63» die durch die dielektrischen Distanzringe 51 und 52 von Fig. 5 gebildet ist, ist mit der Verbindung 12 und dem Außenleiter 10 verbunden, damit sie wirksam die Vorspannungszuleitung 24 entkoppelt.

Bei der Resonanzfrequenz des Resonators sollte der Überbrückungskondensator 63 eine vernachlässigbare Impedanz haben, die sich einem Kurzschluß nähert, während die induktive Verbindung 12 eine relativ hohe Impedanz mit vernachlässigbarem Einfluß am Mittelpunkt der Speiseleitung aufweisen sollte. Daraus folgt, daß die Schaltung von Fig. β der Schaltung von Fig. 4 bei hohen Frequenzen äquivalent ist, so daß sie wie die bereits beschriebene Schaltung von Fig. 4 arbeitet.

Verschiedene Änderungen der eben beschriebenen Vorrichtungen sind möglich. Beispielsweise kann die Abstimmvorrichtung für irgendeinen Mikrowellenresonanzkreis unabhängig davon ver-

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wendet werden, ob es sich um einen Hohlraumresonator wie oben beschrieben oder den Abschnitt einer Übertragungs- oder Speiseleitung mit geeigneter Verteilung von stehenden Wellen handelt» Die Polarität der Kapazitätsdiode kann vertauscht werden, wenn die Polarität der Vorspannungsquelle ebenfalls vertauscht Wird.

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Claims (1)

1. - li -

   Patentansprüche

   Iy Vorrichtung zur elektronischen Abstimmung eines elektromagnetischen Resonators mit einer Kapazitätsdiode, die elektromagnetisch mit dem Resonator gekoppelt ist, und mit einer Steuereinrichtung zur. Leitung eines steuerbaren Vorspannungsstroms durch die Kapazitätsdiode, um deren Kapazität zu steuern, dadurch . gekennzeichnet, daß die Kapazitätsdiode (8) mit dem Resonator (1) durch eine Speiseoder Übertragungsleitung (9, 10) verbunden ist, deren eines Ende kapazitiv mit dem elektrischen Feld einer in dem Resonator (l) in Resonanz befindliehen elektromagnetischen Welle und deren anderes Ende mit der Kapazitätsdiode (8) gekoppelt ist, daß die Speiseleitung eine elektrische Länge von im wesentlichen η κ hat, wobei η eine ganze Zahl und X die halbe Wellenlänge bei der Hesonaazfrequenz des Resonators (1.) ist, daß an die Speiseleitung ein liMtifcfcii/eis Glied (12) im wesentlichen in einem elektrischen Abstand von £ von einem Ende angeschlossen ist; und daß die Steuereinrichtung (24) zur Leitung eines VorspannungsStroms durch das induktive Glied (12) in Serie mit der Kapazitätsdiode (8) liegt und einen Überbrückungskondensator (20,, J>6) hat, der parallel zu den Vorspannungsstromzuleitungen (24, 57) geschaltet ist, so daß die Vorspannungsstromabstimmung von unerwünschten Kopplungen frei ist.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Länge der Speiseleitung (9, 10) eine halbe Wellenlänge |j beträgt.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Glied (12) eine spiralförmige Zuleitung ist, die an

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   ihrem inneren Ende mit einem Innenleiter (9) der Speiseleitung und an ihrem äußeren Ende mit einem Außenleiter (10) der Speiseleitung verbunden ist, und daß die Kapazitätsdiode (8) und der Oberbrückungskondensator (20, 36) in Serie zwischen den Innenleiter (9) und den Außenleiter (10) geschaltet sind.

   4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsdiode (8) mit einer Elektrode mit einem Innenleiter (9) der Speiseleitung und mit der anderen Elektrode mit einem Außenleiter (10) der Speiseleitung verbunden ist; und daß das induktive Glied (12) und der Überbrückungskondensator (20, 36) in Se.rie zwischen den Innenleiter (9) und den Außenleiter (10) geschaltet sind. -■ ■-.

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