DE3879265T2

DE3879265T2 - Hyperfrequenz-oszillator mit dielektrischem resonator, insbesondere fuer den 22 ghz-bereich.

Info

Publication number: DE3879265T2
Application number: DE8888105716T
Authority: DE
Inventors: Francois Lafranca; Isaac Mettoudi
Original assignee: Alcatel Telspace SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1987-04-15
Filing date: 1988-04-11
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2008-04-12
Also published as: JPS6427303A; DE3879265D1; FR2614151A1; US4862111A; EP0290794A1; EP0290794B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrowellenoszillator mit dielektrischem Resonator, insbesondere für den Frequenzbereich um 22 GHz (beispielsweise von 18 bis 24 GHz).
Die neue Generation der Richtfunksysteme und mobilen Relaisstationen, die vor allem im Bereich um 22 GHz arbeiten, erfordert mehr und mehr die Verwendung sehr stabiler Quellen mit geringem Verbrauch und niedrigen Kosten. Eine hierzu verwendete Maßnahme besteht in der Verwendung eines Oszillators, der ein Festkörperbauelement, wie beispielsweise einen FET- Transistor (Feldeffekttransistor) vom Typ AsGa aufweist, das durch einen dielektrischen Resonator stabilisiert wird.
Ein Oszillator dieser Art ist im Dokument US 4.357.582 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt einen Mikrowellenoszillator, der einen Feldeffekttransistor enthält, welcher auf einem ebenen Substrat angeordnet ist. Eine erste auf dem Substrat liegende Übertragungsleitung ist mit dem Gate des Transistors verbunden und über eine Anpassungsimpedanz abgeschlossen. Eine zweite Übertragungsleitung ist an den Drain des Transistors angeschlossen und auf dem Substrat unter einem vorbestimmten Winkel relativ zur ersten Leitung angeordnet, während eine dritte Leitung mit der Source des Transistors verbunden und auf dem Substrat angeordnet ist und den Oszillatorausgang liefert. Ein dielektrischer Resonator ist in dem Winkel angeordnet, der von der ersten und der zweiten Übertragungsleitung gebildet wird.
Gemäß diesem Dokument besteht die zur Abstimmung der Oszillatorfrequenz benutzte Maßnahme darin, eine Scheibe genau über dem dielektrischen Resonator zu verschieben.
0bwohl diese Maßnahme sehr praktisch ist, besitzt sie jedoch den Nachteil, daß die Feldlinien im Bereich des dielektrischen Resonators gestört werden. Dies führt zu einer Verringerung des Überspannungskoeffizienten Q unter Last.
Dieser Faktor fällt nämlich je nach der Position der Scheibe über dem dielektrischen Resonator beispielsweise von 1000 auf 500 ab. Dies äußert sich auch in einer Abnahme der Frequenzstabilität sowie der spektralen Reinheit.
Durch das Dokument US-4.618.836 ist weiter ein Mikrowellenoszillator gleichen Typs bekannt geworden, bei dem der dielektrische Resonator, statt auf dem Substrat angeordnet zu sein, oberhalb des Substrats mit Hilfe eines mit Gewinde versehenen Schachts aufgehängt ist, wodurch die Justierung des Abstandes zwischen dem Substrat und dem Dielektrikum ermöglicht wird. Andererseits erlaubt ein im Inneren des Schachtes angeordneter beweglicher Tauchkörper, dessen Position durch Verstellen einer Gewindeschraube in Richtung der Achse des Schachtes eingestellt werden kann, sowohl die Justierung des Abstandes zwischen einer Metallscheibe und dem dielektrischen Resonator, als auch die der Oszillatorfrequenz.
Einer der Zwecke dieser Struktur besteht in der Kompensation der Frequenzabweichungen, die durch Änderungen der Temperatur der Anordnung verursacht werden, insbesondere solcher Veränderungen, die von der Wärmeabgabe des auf dem Substrat befindlichen aktiven Bauelementes, oder mehrerer davon, herrührt. Eine solche Kompensation würde durch Einflußnahme auf die differentielle Dehnung bestimmter Teile erreicht, und zwar derart, daß die mechanischen Ausdehnungen mit Amplituden auftreten, die im wesentlichen denen bei Temperaturanstiegen entsprechen, jedoch in umgekehrte Richtung gehen. Ein System dieser Art weist zahlreiche Nachteile auf, sowohl hinsichtlich des dem System zugrundeliegenden Prinzips, als auch hinsichtlich der Realisierung desselben und seiner eventuellen praktischen Umsetzung, wobei diese Nachteile sowohl durch die Anzahl der zusammenzubauenden Teile im Verein mit einer sehr großen Herstellungspräzision derselben und ihrer gegenseitigen Anordnung, als auch durch die nötige Justierung zur Erzielung der gewünschten Wirkungsweise bedingt sind.
Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu verringern.
Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck einen Mikrowellenoszillator mit dielektrischem Resonator vor, der einen solchen dielektrischen Resonator und ein Element mit negativem Widerstand aufweist, das auf der Oberfläche eines Substrats im Inneren eines metallischen Gehäuses angeordnet ist, das mit einem Freiraum oberhalb eines auf dem Substrat angeordneten dielektrischen Resonators versehen ist, derart, daß die durch den Resonator bedingten Feldlinien nur sehr wenig gestört werden, wobei der Freiraum ein senkrecht zur Oberfläche des Substrats verlaufender Schacht mit einem Gewinde ist, in dem mindestens eine Verschlußschraube angebracht ist, die die Justierung der Frequenz des Oszillators ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat für den Betrieb vor allem im Bereich um 22 GHz aus zwei Plättchen besteht, auf deren Oberseite Mikrostreifenleitungen angebracht sind, wobei der dielektrische Resonator auf der Oberseite eines der Plättchen angeordnet ist, während die Unterseite der Plättchen zu beiden Seiten des Elementes mit negativem Widerstand an die Masse des Gehäuses angelötet ist, wobei dieser Widerstand ein auf einem gut wärmeleitenden Träger aufgelöteter Transistor ist und der Träger seinerseits an der Masse des Gehäuses angelötet ist, während der Drain dieses Transistors mit einer ersten Mikrostreifenbahn, Drainbahn genannt, verbunden ist und das Gate mit einer zweiten Mikrostreifenbahn, Gatebahn genannt, verbunden ist, wobei das Vorspannen des Gates und das Vorspannen des Drains über Leitungen geringer Impedanz in Form von Viertelkreissektoren und über Leitungen hoher Impedanz bewirkt wird und die Gatebahn an ihrem Ende mit einer Last von 50 X abgeschlossen ist, wobei ein Spalt die Trennung des Gates von der Last von 50 X ermöglicht, während sich ein weiterer Spalt in der Drainbahn befindet, um den Drain von der an den Ausgang angeschlossenen Last zu trennen.
Vorteilhafterweise werden bei einem solchen Oszillator die durch den dielektrischen Resonator bedingten Feldlinien nur sehr geringfügig gestört.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Freiraum als senkrecht zum Substrat verlaufender Schacht ausgebildet, der mit einem Gewinde versehen ist, in welchem mindestens eine Verschlußschraube mit zweifachem Gewinde angebracht ist. Im Inneren dieser Schraube befindet sich eine selbsthemmende und einstellbare Schraube, die in den Schacht einschraubt ist, während die Schraube mit zweifachem Gewinde auf dem Schacht mit Hilfe einer Blockiermutter befestigt ist und das Gehäuse mit einem Deckel versehen ist, in den der Freiraum eingearbeitet ist.
Im einzelnen besteht der Oszillator aus dem genannten Gehäuse, an das zwei Plättchen zu beiden Seiten eines FET- Transistors angelötet sind, der auf einem Träger montiert ist, der seinerseits direkt an die Masse des Gehäuses angelötet ist. Der Drain dieses Transistors ist mit einer ersten Drainmikrostreifenbahn verbunden. Das Gate ist an eine zweite Mikrostreifenbahn angeschlossen, während die Vorspannung des Gates und des Drains jeweils über Leitungen niedriger Impedanz in Form von Viertelkreissektoren und über Leitungen hoher Impedanz bewirkt wird. Die Gatebahn ist an ihrem Ende durch eine Last von 50 X abgeschlossen, während ein "Spalt" die Trennung des Gates von dieser Last ermöglicht. Ein "Spalt" befindet sich auch in der Drainbahn, um diesen Drain von der am Ausgang angeschlossenen Last zu trennen.
Vorteilhafterweise besteht das Gehäuse aus Messing, das Substrat aus Quarz, der Träger des Transistors aus Kupfer und jede der Schrauben aus Berylliumbronze.
Die genannte Merkmale des Oszillators gemäß der Erfindung ermöglichen eine höhere Frequenzstabilität abhängig von der Temperatur und eine größere spektrale Reinheit.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen im übrigen aus der nachfolgenden, beispielshalber und ohne Beschränkungsabsicht abgefaßten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren hervor.
Fig. 1 stellt eine Schnittansicht durch den Oszillator gemäß der Erfindung dar; und
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Oszillators.
Gemäß Fig. 1 enthält der Oszillator gemäß der Erfindung:
- ein parallelepipedisches Gehäuse 10, das einen Deckel 11 trägt, der mit einem Schacht 12 versehen ist;
- ein Substrat im Inneren des Gehäuses, bestehend aus zwei Abschnitten 13 und 14, auf deren Oberfläche die Mikrostreifenleitungen 15, 16 und ein dielektrischer Resonator 19 angebracht sind,
- einen kleinen Träger 17, der an die Masse des Gehäuses angelötet und zwischen den beiden Abschnitten 13 und 14 des Substrats angeordnet ist und auf dem ein Transistor 18 angelötet ist, und
- einen Ausgangsstecker 20, der am Gehäuse befestigt ist.
Der im Deckel des Gehäuses vorhandene Schacht 12 ist oberhalb des Resonators 19 angeordnet. Daher werden die durch den Resonator bedingten Feldlinien nur sehr geringfügig gestört. Eine Frequenzabstimmung wird mit Hilfe einer Doppelschraube 21, 22 ermöglicht, die einer Blockiermutter 23 zugeordnet ist.
Der Freiraum ist unmittelbar in den Deckel 11 des Gehäuses 10 des Oszillators eingearbeitet. Die Zentralöffnung 24 dieses Freiraumes 12 befindet sich oberhalb des dielektrischen Resonators 19. Das Innere des Freiraums weist ein Gewinde auf. In den Freiraum ist eine hohle Schraube 21 eingedreht, die ein doppeltes Gewinde besitzt. Die Schraube 21 mit doppeltem Gewinde ist mit Hilfe der Blockiermutter 23 im Schacht 12 befestigt.
Im Inneren dieser Doppelschraube 21 befindet sich eine selbsthemmende und einstellbare Schraube 22.
Die Öffnung 24 des Schachtes 22 schafft einen Freiraum für die Feldlinien im Bereich des dielektrischen Resonators 19.
Eine erste Einstellung der Frequenz des Oszillators erfolgt mit Hilfe der hohlen Schraube 21 mit doppeltem Gewinde. Eine Feinjustierung wird mit Hilfe der selbsthemmenden Schraube 22 erzielt.
Bei jeder Justierung muß zwischen dem inneren Rand des Deckels 11 und dem Ende der Schraube 21 mit doppeltem Gewinde ein Absatz von einigen Millimetern vorhanden sein, wie Fig. 1 zeigt.
Bei einem Ausführungsbeispiel des 22 GHz-0szillators mit dielektrischem Resonator gemäß der Erfindung besteht das Gehäuse 10 beispielsweise aus Messing, auf dem die beiden Plättchen 13, 14, beispielsweise aus Quarz, zu beiden Seiten des Transistors 18 angelötet sind. Dieser chipförmige AsGa-FET ist auf dem beispielsweise aus Kupfer bestehenden Träger 17 montiert, der seinerseits direkt an die Masse des Gehäuses 10 angelötet ist, um eine gute Wärmeableitung für den Transistor zu ermöglichen. Der Drain des Transistors 18 ist an eine erste Drainmikrostreifenbahn 15 angeschlossen, wie Fig. 2 zeigt. Das Gate ist mit einer zweiten Mikrostreifenbahn 16 verbunden. Das Vorspannen des Gates erfolgt über eine Leitung 25 niedriger Impedanz in Form eines Viertelkreissektors, sowie einer Leitung 26 hoher Impedanz, die den Einfluß der Vorspannungsleitung auf die Arbeitsfrequenzen vernachlässigbar macht. Die Drainvorspannung erfolgt über eine Leitung 27 niedriger Impedanz in Form eines Viertelkreises sowie eine Leitung 28 hoher Impedanz.
Die Gatebahn 16 ist an ihrem Ende mit einer Last 29 von 50 X abgeschlossen. Ein "Spalt" 30 (Bandpaßfilter, das auf die Frequenz von 22 GHz zentriert ist und einen minimalen Durchlaßbereich von beispielsweise 2,4 GHz besitzt) ermöglicht die Isolierung des Gates des Transistors von der Last 29 von 50 X.
Ein "Spalt" 31 befindet sich auch in der Drainbahn 15, um den Drain des Transistors gegen die am Ausgang angeschlossene Last zu isolieren, die in Fig. 2 nicht dargestellt ist.
Der dielektrische Resonator 19, der an die Mikrostreifenbahn 16 angekoppelt ist, die ihrerseits mit dem Gate des Transistors verbunden ist, ermöglicht die Festlegung der Ausgangsfrequenz des Oszillators.
Auf dem Gehäuse befindet sich der beispielsweise aus Messing bestehende Deckel 11. In diesen Deckel ist ein Gewindeloch eingearbeitet, das den Schacht 12 bildet. In dieses Gewindeloch ist die beispielsweise aus Berylliumbronze bestehende Schraube 21 mit zwei Gewinden eingeschraubt. In diese Schraube 21 mit zwei Gewinden ist die selbsthemmende und justierbare Schraube 22 eingedreht, die beispielsweise aus Berylliumbronze besteht. Die den Schacht enthaltende Vorrichtung bildet also ein praktisches Mittel zur Einstellung der Ausgangsfrequenz des Oszillators und läßt die Feldlinien oberhalb des dielektrischen Resonators 19 unberührt.
Auf dem in Fig. 2 dargestellten Substrat sind außerdem metallisierte Löcher 32, 33 und 34 sichtbar, die die Verbindung mit einer Massefläche auf der Rückseite des Substrats ermöglichen, sowie zwei Entkopplungskondensatoren 35 und 36.
Die Leitungen 25 und 27 niedriger Impedanz sind mit Steckern verbunden, die in den Figuren nicht dargestellt sind und das Zuführen der Vorspannungssignale für das Gate und den Drain ermöglichen.
Die Zonen 38 und 39, für die ein Lack, beispielsweise aus Silber zu beiden Seiten der Leitung 15 auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht wurde und die das Anbringen von Justierstöpseln ermöglichen, dienen zur Veranschaulichung eines Mittels zur Einstellung der Impedanz an zwei Punkten der Leitung 15.
Der Oszillator gemäß der Erfindung ermöglicht die Beibehaltung eines hohen Überspannungskoeffizienten Q bei der Einstellung der Frequenz des 0szillators. Dies ergibt eine erhöhte Frequenzstabilität in Abhängigkeit von der Temperatur und eine größere spektrale Reinheit des Oszillators.
Natürlich wurde die vorliegende Erfindung nur für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben und dargestellt, so daß ihre konstitutiven Bauelemente durch äquivalente Elemente ersetzt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu sprengen.
So kann der durch den Schacht 12 gebildete Freiraum relativ zum dielektrischen Resonator beispielsweise um einige Zehntel Millimeter versetzt werden.
Auch kann der FET durch ein anderes Element mit negativem Widerstand, wie etwa einer GUNN-Diode, ersetzt werden.

Claims

1. Mikrowellenoszillator mit dielektrischem Resonator, der einen solchen dielektrischen Resonator (19) und ein Element mit negativem Widerstand (18) aufweist, das auf der Oberfläche eines Substrats (13, 14) im Inneren eines metallischen Gehäuses (10) angeordnet ist, das mit einem Freiraum (12) oberhalb eines auf dem Substrat (13, 14) angeordneten dielektrischen Resonators (19) versehen ist, derart, daß die durch den Resonator bedingten Feldlinien nur sehr wenig gestört werden, wobei der Freiraum ein senkrecht zur Oberfläche des Substrats (13, 14) verlaufender Schacht mit einem Gewinde ist, in dem mindestens eine Verschlußschraube angebracht ist, die die Justierung der Frequenz des Oszillators ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat für den Betrieb vor allem im Bereich um 22 Ghz aus zwei Plättchen (13, 14) besteht, auf deren Oberseite Mikrostreifenleitungen (15, 16) angebracht sind, wobei der dielektrische Resonator (19) auf der Oberseite eines der Plättchen angeordnet ist, während die Unterseite der Plättchen zu beiden Seiten des Elementes mit negativem Widerstand an die Masse des Gehäuses (10) angelötet ist, wobei dieser Widerstand ein auf einem gut wärmeleitenden Träger (17) aufgelöteter Transistor (18) ist und der Träger seinerseits an der Masse des Gehäuses (10) angelötet ist, während der Drain dieses Transistors (18) mit einer ersten Mikrostreifenbahn (15), Drainbahn genannt, verbunden ist und das Gate mit einer zweiten Mikrostreifenbahn (16), Gatebahn genannt, verbunden ist, wobei das Vorspannen des Gates und das Vorspannen des Drains über Leitungen geringer Impedanz (25, 27) in Form von Viertelkreissektoren und über Leitungen hoher Impedanz (26, 28) bewirkt wird und die Gatebahn (16) an ihrem Ende mit einer Last (29) von 50 X abgeschlossen ist, wobei ein Spalt (30) die Trennung des Gates von der Last (29) von 50 X ermöglicht, während sich ein weiterer Spalt (3l) in der Drainbahn (15) befindet, um den Drain von der an den Ausgang angeschlossenen Last zu trennen.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine hohle Schraube (21) mit doppeltem Gewinde, in deren Innerem sich eine selbsthemmende und justierbare Schraube (22) befindet, in den Schacht (12) eingeschraubt ist.

3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (21) mit doppeltem Gewinde im Schacht mit Hilfe einer Blockiermutter (23) befestigt ist.

4. Oszillator nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit einem Deckel (11) versehen ist, in den der Freiraum eingearbeitet ist.

5. Oszillator nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit negativem Widerstand ein Feldeffekttransistor (18) ist.

6. Oszillator nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) aus Messing besteht.

7. Oszillator nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (13, 14) aus Quarz besteht.

8. Oszillator nach einem beliebigen der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (17) des Transistors (18) aus Kupfer besteht.

9. Oszillator nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrauben (21, 12) aus Berylliumbronze bestehen.

10. Oszillator nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Silber bedeckte Zonen (38, 39) zu beiden Seiten der Drainleitung (15), zumindest an einer Stelle, angebracht sind.