DE2803610C2

DE2803610C2 - Frequenzvervielfacher mit einer Step- Recovery-Diode

Info

Publication number: DE2803610C2
Application number: DE19782803610
Authority: DE
Inventors: Rudolf 8190 Wolfratshausen Heise
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-01-27
Filing date: 1978-01-27
Publication date: 1986-04-03
Also published as: DE2803610A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzvervielfacher mit einer Step-Recovery-Diode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Frequenzvervielfacher dieser Art sind beispielsweise durch die Literaturstelle »Internationale elektronische Rundschau«, 1967, Nr. 4, 21. Jahrgang, Seiten 87 bis 90. und die DE-OS 15 91 726, bekannt Step-Recovery-Dioden gestatten es, wegen ihrer Strom-Spannungscharakteristik sehr viele Oberwellen zu erzeugen. Step-Recovery-Dioden sind so dotiert, daß sie für eine kurze definierte Zeit in der Sperrichtung genauso leitend sind wie in der Durchlaßrichtung. Dieser Effekt beruht auf dem Vorhandensein restlicher Minoritäistriigcr, die während des vorangegangenen Betriebs in Flußrichtung gespeichert worden sind. Die Leitfähigkeit in Sperrichtung, die aus der Speicherung entsteht, läßt sich infolge des abrupten Obergangs vom leitenden in den gesperrten Zustand zur Anregung eines ganzen Spektrums von Oberwellen der Grundschwingung ausnutzen, aus dem dann eine oder auch mehrere Oberwellen ausgefiltert werden können. Um einen stabilen Betrieb bei einem solchen Frequenzvervietfacher zu erzielen, ist .es zunächst erforderlich, die Impedanz des die Grundschwingung erzeugenden Generators über ein Anpassungsnetzwerk an den die Diode enthaltenden Serienresonanzkreis anzupassen. Weiterhin ist es erforderlich, den Serienresonanzkreis so auszugestalten, daß der Vervielfächer bei möglichst hoher Ausgangsleistung der vervielfachten Frequenz der Grundschwmgung stabil arbeitet, d. h. keine zusätzlichen Störschwingungen in der Schaltung angeregt werden. Die Erfüllung dieser Forderungen gestaltet sich dann außerordentlich schwierig, wenn der Frequenzvervielfacher in einem großen Temperaturbereich, beispielsweise zwischen —40" C und +85⁰C einwandfrei arbeiten soll.

Durch die Literaturstelle DE-OS 23 59 293 ist es bereits bekannt, den Temperaturarbeitsbereich eines mit einer Step-Recovery-Diode realisierten Frequenzvervielfachers dadurch zu vergrößern, daß der Arbeilswiderstand an seinem vier Diode fernen Anschluß über eine temperaturabhängige Widerstandsschaltung mit Bezugspotential und über einen weiteren Vorwiderstand mit einer Vorspannung verbunden ist, die vorzeichengleich zur gleichgerichteten Diodenspannung am Arbeitswiderstand addiert wird und mit zunehmender Temperatur zunimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Frequenzvervielfacher der einleitend beschriebenen Art mit einer temperaturabhängigen Versorgungsspannung eine weitere Lösung anzugeben, bei der bei minimalem technischen Aufwand innerhalb eines großen Temperaturbereiches eine ausreicherde Stabilität hinsichtlich Störschwingungen in Verbindung mit einer optimalen Leistungsabgabe gewährleistet ist

Diese Aufgabe wird für einen Frequenzvervielfacher mit einer Step-Recovery-Diode gemäß dem Oberbegriff durch die im Patentanspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, daß nach dem Step-Recovery-Prinzip arbeitende Frequenzvervielfacher eine immer wiederkehrende Folge von gedämpften Schwingungen in den sogenannten »Abrißpausen« erzeugen. Das Ende der gedämpften Schwingungen in diesen Abrißpausen muß zu Anfang der bereits wieder einsetzenden, durch die Grundschwingung gesteuerten Durchlaßphase der Diode sowohl vorhanden sein als auch phasenrichtig liegen, damit kein Phasenjitter zwischen beiden Schwingungen auftritt Dieser Phasenjitter erzeugt nämlich die Unsiabilität oder hai ein erhöhtes Rauschen zur Folge. Hieraus ergibt sich für den Serienresonanzkreis die Forderung nach einer verminderten Güte. Eine zu geringe Güte hat jedoch den Nachteil, daß die Ausgangsleistung des Frequenzvcrvieifachers und damit sein Wirkungsgrad herabgesetzt wird. Um eine optimale Ausgangsleistung bei optimaler Störlinienstabilität zu erzeugen, müssen die durch die Diode fließenden Obcrwellenströme in pauschaler Wirkung eine gewisse Phasenlage im Diodenserienkreis aufweisen, und zwar so, daß bei richtig dimensionierter Phasenlage des Nci/.wcrkcs, entsprechend einer bestimmten Kreisgüte, einwnndfrei SlörlinicnsiabilitiU kc-

währleislcl wird Dies labt sich in der beschriebenen Weise mittels zweier Widerstände, die dabei in ihren Werten empirisch ermittelt werden, erreichen.

Die gleichzeitig vorgesehene temperaturabhängige Vorspannung für die Diode unterstützt diese Maßnahme. Hierdurch läßt sich die beispielsweise für Zimmertemperatur über die beiden Widerstände erzielte optimale Ausgangs'crstung bei optimaler Störliniensiabilität auch über einen großen Temperaturbereich dadurch gewährleisten, daß diese zusätzlich wirkende Vorspannung, den bei hohen Temperaturen geänderter Diodeninnenwiderstand weitgehend wieder auf den ursprünglichen Wert, wie er in etwa dem bei Zimmertemperatur entspricht, zurück ändert. Eine störende Kreisverstimmung des Anpassungsnetzwerkes kann deshalb kaum eintreten.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Dämpfungswiderstand der Diode wechselstrommäßig parallel geschaltet Diese Schaltungsvariante kommt insbesondere zur Anwendung, wenn oic unvermeidlichen Streureaktanzen eines solchen Widerstandes keine definierte Bemessung der in diesem Falle sehr kleinen Induktivität des Serienresonanzkreises mehr zulassen.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist der weitere Widerstand der Serienschaltung aus dem Serienwiderstand und der Induktivität unmittelbar parallel geschaltet. Dies ist immer dann möglich, wenn die Induktivität einen gegenüber Streureaktanzen der Schaltung ausreichend großen Wert aufweist.

Bei vielen Anwendungen des erfindungsgemäßen Frequenzverviclfachers, beispielweise für Ausgangsschwingungen mit Frequenzen oberhalb 500 MHz ist es vorteilhaft, den Serienwiderstand durch ein im Magnetfeld der Induktivität angeordnetes Ferriimaterial zu realisieren.

Wie einschlägige Untersuchungen ergeben haben, nimmt die Ausgangsleistung bei gleichzeitiger Erhöhung der Störanfälligkeit ab, wenn das Verhältnis von Sperrzeit zu Durchlaßzeit kleiner als 1/4 wird. In diesem Falle wird die eigentliche Ausschwingzeit, welche für die hochfrequente Schwingung zur Verfüguvjg steht, zu klein. Um die Frequenzvervielfacherschaltung nach der Erfindung unabhängig zu machen von dieser von Diode zu Diode schwankenden Eigenschaft, ist es sinnvoll, zusätzlich in Reihe zur temperaturabhängig gesteuerten Vorspannung eine temperaturunabhängige, einstellbare, vorzeichengleiche Vorspannung vorzusehen. Durch geeignete Wahl dieser zusätzlichen Vorspannung läßt sich nämlich das vorerwähnte Verhältnis von Sperrzeit zu Durchlaßzeit während einer Periode der Grundschwingung beeinflussen.

Anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In den Zeichnungen bedeutet

Fig. 1 eine Frequenzvervielfacheranordnung mit zwei wechselweise an einen Grundgenerator anschaltbaren Vervielfachern nach der Erfindung,

Fig.2 eine Schaltungsvariante der Eingangsschaltung derFrequenzvervielfachernach Fig, 1.

Fig. I zeigt zwei Frequenzvervielfacher, die jeweils aus dem eigentlichen Vervielfacher VVI und VV2 und einer ihnen vorgeschalteten Schaltkammer SK bestehen. Beide Frcquenzverviclfacher sind an die Grundschwingung (sig) eiries gemeinsamen Grundgenerators CG über Schaltdioden Dsanschaltbar. Die Anschaltung erfolgt über die Schaltung s, die im geschlossenen Zustand die jeweils zugehörige Schaltdiode Ds vom Sperrin den Durchlaßzustand schalten. Dies geschieht dadurch, daß die betreffende Schaltdiode Ds über d-e Drossel Dr der Schaltkammer SK gegen Bezugspotential stromleitend wird. Die Schaltkammer SK weist im Verbindungsweg der Grundschwingung (sig) zum Ver-

vielfacher den Koppelkondensator Ck und die Induktivität LM auf. Die Induktivität LM gehört zum Anpassungsnetzwerk in Form eines .τ-Gliedes, dessen ein- und ausgangsseitige Querglieder durch die Kondensatoren Ce und C/gebildet sind. Im geschlossenen Zustand eines Schalters s liegt der Spannungsteiler, bestehend aus dem Arbeiiswiderstand Ru in. Reihe mit der Parallelschaltung aus dem Widerstand R1 und dem Kaltleiter K/auf Bezugspotential, worauf sich die selbstgleichrichtende Diodenspannung aufbaut. In geöffnetem Zustand des Schalters 5 wird das Bezugspotential weggenommen, so daß über die Widerstände RO_t R1. KL Ra sowie über die Induktivitäten LAi und L die negative Versorgungsspannung Ub als Sperrspannung an der Step-Recovery-Diode RD zur Wirkung kom^i, wodurch dieser Vervielfacherzweig außer Betrieb gesetzt ist. Der Widerstand R 1 stellt einen Shunt zum Kaftleiter Kl dar und dient der Linearisierung der Kennlinie des Kaltleiters.
Der eigentliche Vervielfacher VVl bzw. VVI besteht eingangsseitig aus dem bereits erwähnten Kondensator Cf, der Längsinduktivität L mit dem Serienwiderstand RV bzw. RI, der Step-Recovery-Diode RD sowie dem weiteren Widerstand Rp' bzw. Rp und dem ausgangsseitigen koppelkondensator Ca. Beim Vervielfächer VVi ist der weitere Widerstand Rp'in Reihe mit dem Koppelkondensator C2 der Diode parallel geschaltet. Die hier lediglich ein kleines Drahtslück dar-

• stellende Längsinduktivität L ermöglicht es aus räumlichen Gründen nicht, den Serienwiderstanc' Ä/'unmittelbar in Reihe anzuordnen. Er wird durch das im Magnetfeld dieser Induktivität angeordnete Ferritmaterial FM realisiert. Um dies anzudeuten, ist dieser Serieirviderstand RV lediglich in unterbrochener Linie in Reihe zur Induktivität L in der Figur dargestellt. Auch beim Vervielfacher VV2 ist der Serienwiderstand Rl nicht unmittelbar in Reihe zur Induktivität L angeordnet Er wird vielmehr durch einen in die Induktivität L₁ dis hier einen wesentlich größeren Wert aufweist als beim Vervielfacher VVi, eingebrachten Ferritkern verwirklicht. Der weitere Widerstand Rp ist hier unmittelbar dieser Serienschaltung aus dem Serienwiderstand Rl und der Induktivität L parallel geschaltet. Die Wirkung ist die gleiche wie beim Vervielfacher VVi, da der Kondensator CF für die vervielfachte, auszukoppelnde Schwingung praktisch einen Kurzschluß darstellt

Der Kaltleiter Kl in der Schaltkammer SK hat bei ZimrrtTtemperatur einen vernachlässigbar kleinen Wert, so daß im Betriebszustand des jeweiligen Frequenzvervielfacheis die durch Gleichrichtasig an der Diode entstehende Spannung Ua am Arbeitswiderstand Ra ausschließlich die Vorspannung an der Step-Recovery-Diode RD bestimmt Bei zunehmender Temperatur wird der Kaltleiter /C/hochohmiger, so daß sich über den Widerstand RO die nunmehr wirksam werdende negative Betriebsspannung Ub zur Spannung Ua in Form der Spannung Ut addiert.

Die in F i g. 2 dargestellte Variante der Schaltkammer SK ermöglicht es, zusätzlich eine temperaturabhängige einstellbare Spannung Uv der Step-Recovery-Diode RD zuzuführen, mit deren Hilfe es möglich ist, auch Dioden mit der Toleranzeigenschaft von zu kurzer Sperrzeit im Verhältnis zur Durchlaßzeit (auf die Grundschwingung bezogen), in der gleichen Vervielfa-

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cIiLischallung zum Einsatz zu bringen. Mit dieser Maß- ■

nähme läßt sich der Vervielfacher diodenspezifisch auf

maximale Ausgangsleistung bei optimaler Störliniensta- |j

bilitäi einstellen. Die Parallelschaltung aus dem Kaltlei- φ

tcr Kl und dem Widerstand R 1 ist hier ersetzt durch ein 5 ff

Widerstandsnetzwerk, bestehend aus der Reihenschal- '

tung des Widerstandes 7? 11 mit der Parallelschaltung aus dem Potentiometer P mit dem Widerstand R 2 sowie dem Kaltleiter /(/und dem Widerstand RZ, die vom Anschluß für den Potentiometerabgriff gegen Bezugs- io potential bzw. gegen einen gemeinsamen Verbindungspunkt des Potentiometers P mit dem Widerstand R 11 geschaltet sind. Die an diesem Netzwerk abfallende Spannung, bestehend aus der Summe der temperaturabhängigen Spannung Ut und der temperaturunabhän- is gigen Vorspannung Uv, reduziert sich in der Einstellung a des Potentiometers P auf die temperaturabhängige Spannung Ut, gemäß Schaltung Fig. I. In der zweiten Einstellung b des Potentiometers P nimmt dagegen die temperaturunabhängige Vorspannung Uv einen maxi- 20 malen Wert ein.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche;

1. Frequenzvervielfacher mit einer Step-Recovery-Diode, bei dem aus einer Grundfrequenz-Schwingung Harmonische als Ausgangssignale gewonnen werden, bei dem ferner die einseitig auf Be- -zugspotential liegende Step-Recovery-Diode, die mit einem Gleichstromarbeitswiderstand über ein Anpassungsglied in Verbindung steht, durch Serienschaltung mit einer Induktivität, die zwischen die Step-Recovery-Diode und das Ahpassungsglied geschaltet ist, zu einem Serienresonanzkreis für eine gewünschte Harmonische ergänzt ist, bei dem ferner die Schwingung mit der Grundfrequenz einem Anpassungsnetzwerk zugeführt ist und das Anpassungsnetzwerk mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Gleichstromarbeitswidersland und dem Anpassungsglied verbunden ist und bei dem der Arbeitswiderstsnd an seinem der Step-Recovery-Diode ferner Abschluß über eine temperaturabhängige Widerstandsschaltung mit Bezugspotential und über einen weiteren Widerstand mit einer Vorspannung verbunden ist, die vorzeichengleich zur gleichgerichteten Diodenspannung am Arbeitswiderstand addiert wird und mit zunehmender Temperatur zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Serienresonanzkreis ein Serienwiderstand (RL', RL) zugeschaltet und parallel zur Reihenschaltung aus der Induktivität (L) und dem Serienwiderstand (RL', RL) ein wechselstrommäßig wirksamer Widerstand (Rp' Rp) angeschaltet ist.

2. Frequepzvervielfaeher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 der weitere Widerstand (Rp')der Step-Recovery-Diode (:"D) wechselstrommäßig parallel geschaltet ist

3. Frequenzverviclfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Widerstand (Rp) der Serienschaltung aus dem Serienwiderstand (Rl) und der Induktivität (L) unmittelbar parallel geschaltet ist

4. Frequenzvervielfacher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienwiderstand (RI') durch ein im Magnetfeld der Induktivität (L) angeordnetes Ferritmaterial (FM) realisiert ist

5. Frequenzvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in Reihe zur temperaturabhängig gesteuerten Vorspannung (Ut) eine temperaturunabhängige, einstellbare, vorzeichengleiche Vorspannung (Uv) vorhanden ist.