DE2941826C2

DE2941826C2 - Mikrowellen-Oszillator

Info

Publication number: DE2941826C2
Application number: DE2941826A
Authority: DE
Inventors: Keiro Shinkawa; Chuichi Yokohama Sodeyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-10-17
Filing date: 1979-10-16
Publication date: 1984-02-09
Also published as: JPS5553907A; DE2941826A1; US4307352A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellen-Oszillator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art.

Bei einem solchen, aus »IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques«, Vol. MTT-26, No. 3, 1978, Seiten 156—162 bekannten Mikrowellen-Oszillator ist der dielektrische Resonator mit dem Mikrostreifenleiter elektromagnetisch so gekoppelt, daß ersterer direkt auf dem den Mikrostreifenleitungskreis bildenden isolierenden Substrat angeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung ändert sich die Entfernung zwischen dem dielektrischen Resonator und dem Erdungsleiter mit dem Raumtemperaturänderung, so daß sich die Resonanzfrequenz ändert. Um diese ungünstige Frequenzänderung zu vermeiden, wird bei der bekannten Anordnung ein relativ teures Keramikmaterial für das isolierende Substrat verwendet und versucht, den negativen Temperaturkoeffizienten des unstabilisierten Oszillators durch den positiven des dielektrischen Resonators zu kompensieren. Andererseits sind aus »Microwaves«, Dez. 1977, Seiten 14—18 und »Microwave Journal«, Okt. 1978, Seiten 65—66 Resonatoren aus Bariumtitanat etwa der Zusammensetzung Ba₂TIqChO als Material äußerst geringer Temperaturabhängigkeit bekannt.

Im folgenden werden typische Beispiele des herkömmlichen Mikrowellen-Oszillators beschrieben.

Der allgemeine Aufbau einer Mikmslreifenleitung ist in Fig. 1 gezeigt. Ks ist ein .!ν-ϊ^κμ ■> ches Sub.Mrai 1 vorgesehen, auf Jessen Ober:. . V· Sirei'cpJeiter ,·!

ausgeführt ist, und ein Erdungsleiter 3 ist auf der Rückseite des dielektrischen Substrats 1 vorgesehen.

Der Streifenleiter 2 und der hierzu parallele Erdungsleiter 3 bilden eine Leitung für die Übertragung eines Signales. Der Erdungsleiter 3 kann anstelle der Befestigung auf der Rückseite des dielektrischen Substrates 1 alternativ durch ein Metallgehäuse vorgesehen sein, in dem das dielektrische Substrat mit diesem in enger Berührung angeordnet ist In einem

ι« derartigen Fall ist lediglich der Streifenleiter auf der Oberseite des dielektrischen Substrates angeordnet Eine Gunn-Diode oder ein Feldeffekttransistor (FET) ist auf dieser Mikrostreifenleitung angebracht, und ein dielektrischer Resonator eines hohen Gütefaktors ist auf der Seite der Mikrostreifenleitung vorgesehen, um somit einen Mikrowellen-Oszillator zu bilden. Fig.2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Mikrowellen-Oszillators mit einer Gunn-Diode, und Fig.3 gibt ein Beispiel für einen Mikrowellen-Oszillator mit einem Feldeffekttransistor.

In Fig.2 ist eine durch eine Mikrostreifenleitung einer Gunn-Diode 4 gebildete Ausgangsleitung 5 mit einem dielektrischen Resonator 6 gekoppelt, und eine Vorspannung liegt an der Gunn-Diode durch eine nicht gezeigte Vorspannungseinrichtung, wodurch ein Oszillator entsteht Um die größte Reflexion bei der Resonanzfrequenz des dielektrischen Oszillators 6 zu erzielen, 'vird der Abstand zwischen der Gunn-Diode 4 und der Koppiungsstelle des dielektrischen Resonators 6 so gewählt, daß eine Eigenschwingungsschleife zwischen der Gunn-Diode 4 und dem dielektrischen Substrat 6 gebildet wird, wodurch eine Schwingung bei der Resonanzfrequenz des dielektrischen Oszillators 6 erzielt wird. Dieser dielektrische Resonator besteht im allgemeinen aus einem Material der Ti-Gruppe und hat eine Resonanzfrequenz abhängig von der Dielektrizitätskonstanten und von seinen Abmessungen. Gegenwärtig gibt es dielektrische Resonatoren mit Gütefaktoren von ca. 3000 bis 5000.

In Fig.3 ist der dielektrische Resonator 10 auf der Seite einer Ausgangsleitung 9 aus einer Mikrostreifenleitung angeordnet, die mit einer Drain 8 eines Feldeffekttransistors verbunden ist, dessen Source 7 geerdet ist. Als Ergebnis ist der Betrag der Rückkopp-

lung zwischen der Drain 8 und einem Gate 12 des mit einem Rückkopplungskondensator U verbundenen Feldeffekttransistors am größten bei der Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators 10. bei der eine Schwingung auftritt Obwohl dies in Fig. 3 nicht

so dargestellt ist, liegt eine Vorspannung an jeder Elektrode des Feldeffekttransistors durch eine Vorspannungseinrichtung. Außerdem ist das Gate 12 des Feldeffekttransistors mit einer Eingangsleitung 9' verbunden, die aus einer Mikrostreifenleitung besteht.

Wie aus dem Aufbau der in F i g. 2 und 3 dargestellten Oszillatoren folgt, macht es die reine Anordnung des dielektrischen Resonators in der Nähe der Mikrostreifenleitung möglich, eine Resonatorschaltung eines hohen Gütefaktors zu bilden, wodurch ein stabiler

^bü Oszillator verwirklicht wird.

Ein Beispiel für einen herkömmlichen Aufbau, in dem die Mikrostreifenleitung und der dielektrische Resonator miteinander gekoppelt sind, ist in F i g. 4 gezeigt. In der Mikrostreifenleitung bildet sich eine Leitungswelle

^h3 aus. deren elektrisches Feld 16 zwischen einem Streifenleiter 14 auf der Oberseite eines dielektrischen Si'tetnue^ 13 und einem Hraungsieiter 15 iui Jessen Rückseite konzentriert ist und deren magnetisches Feld

17 den Streifenleiter 16 umgibt. Wenn ein dielektrischer Resonator 18 neben dieser Mikrostreifenieitung vorgesehen ist, ist dessen Magnetfeld 19 mit dem Übertragungs-Magnetfeld 17 gekoppelt Auf diese Weise ist die Mikrostreifenieitung mit dem dielektrischen Resonator

18 gekoppelt so daß die Kennlinie eine;; Bandsperrfilters erzielt wird, in dem die höchste Dämpfung bei der Resonanzfrequenz f_r des dielekt-ischen Resonators auftritt wodurch eine Resonatorschaltung gebildet wird Ό

Der Aufbau der in F i g. 4 gezeigten Vorrichtung ist sehr einfark, da der dielektrische Resonator 18 lediglich durch ein Bindemittel oa. dgl. auf dem dielektrischen Substrat 13 in der Näne der Mikrostreifenieitung festgelegt ist Im Hinblick auf ihren einfachen Aufbau is wird diese Vorrichtung weit verwendet Die Resonanzfrequenz fr des dielektrischen Resonators 18 hängt von dessen Abstand zur umgebenden Leiterwand ab. In der in Fig.4 gezeigten Vorrichtung ändert sich die Resonanzfrequenz mit dem Abstand zwischen dem dielektrischen Resonator 18 und dem Eruungsleiter 15, d. h. mit der Dicke d des dielektrischen Substrates, wie dies in Fig.5 dargestellt ist Wenn der Erdungsleiter näher beim dielektrischen Resonator 18 vorgesehen ist, indem die Dicke des dielektrischen Substrats verringert wird, wächst die Resonanzfrequenz fr an. Selbst wenn daher die Dicke des dielektrischen Substrates auf d bei normaler Raumtemperatur festgelegt wird, ändert sich die Dicke d mit der Änderung der Raumtemperatur entsprechend der Wärmeausdehnung des Substratmaterials, so daß — wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substratmaterials konstant ist — sich die Resonanzfrequenz fr mit einem im wesentlichen festen G radienten mit der Änderung der Raumtemperatur verändert. Um die Veränderung in der Schwingungsfrequenz des >' Oszillators mit der Änderung der Raumtemperatur zu dämpfen, wird ein dielektrischer Resonator aus einem Material, dessen Temperaturkoeffizient positiv ist, verwendet, um den negativen Temperaturkoeffizienten der im Oszillator verwendeten Bauelemente und den negativen Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz entsprechend dem Grad der Wärmeausdehnung des Substratmaterials zu kompensieren.

Übliche Materialien des dielektrischen Substrats für die mit Mikrowellen verwendete Mikrostreifenieitung «5 umfassen Quarz, Saphir oder Keramik. In jüngster Zeit wird jedoch Polytetrafluoräthylen (= PTFE) oder PTFE-Glasfaser mit PTFE als Hauptbestandteil oder Ferrit als Material des dielektrischen Substrates aufgrund geringen Aufwandes und günstiger Verarbeitungsmöglichkeit betrachtet. Da die aus dem hochpolymeren Material bestehenden Substrate im Vergleich mit den herkömmlichen Substraten große Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, muß daher der positive Temperaturkoeffizient des dielektrischen Resonators beträchtlich hoch sein, um den großen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrates zu kompensieren. Dies führt zu dem Nachteil, daß die Veränderungen der Gradienten der Temperaturkennlinien der dielektrischen Resonatoren ansteigen, wodurch die Stabilitäten der Oszillatoren hinsichtlich der Temperatur für jeden Oszillator verändert werden. Auch hat PTFE einen Übertragungsbereich bei einer Temperaturspanne von 18,3°C bis 25°C. in der eine plötzliche Volumenänderung von 1 bis 2% auftritt. Das heißt, der Ausdehnungskoeffizient β von PTFE verändert sich stark bei 20⁰C (vgl. Fig.6), wobei die Linearität des Wärmeausdehnungskoeffizienten verschwindet.

Durch diese plötzliche Änderung der Dicke des PTFE-Substrates bei ca. 20⁰C ergibt sich eine entsprechend starke Änderung der Schwingungsfrequenz Afbti ca. 20°C, wie dies in F i g. 7 gezeigt ist Bei einem Feldeffekttransistor-Oszillator mit einer Schwingungsfrequenz von 11 GHz ergab sich gemäß Fig. 7 eine Frequenzänderung von ca. 600 kHz im Temperaturbereich von 15° C bis 20° C. Wie aus den obigen Erläuterungen folgt hat der Oszillator mit dem Substrat aus einem hochpolymeren Material den Nachteil, daß einerseits die Schwingungsfrequenz mit der Änderung der Raumtemperatur instabil ist und daß andererseits die Schwingungsfrequenz stark bei ca. der normalen Raumtemperatur streut wo er meistens eingesetzt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mikrowellen-Oszillator der eingangs vorausgesetzten Art anzugeben, dessen Resonanzfrequenz sich selbst dann wenig verändert, wenn ein dielektrisches Substrat, dessen Volumen sich stark mit einer Temperaturänderung verändert für das Mikrostreifen-Substrat verwendet wird, und dessen Schwingungsfrequenz außerdem mit der Temperaturänderung stabil ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des dielektrischen Resonators wird erreicht, daß selbst dann, wenn sich das dielektrische Substrat durch Temperaturzunahme ausdehnt, der Abstand zwischen dem dielektrischen Resonator und dem Erdungsleiter konstant bleibt, so daß lediglich der geringe Temperaturkoeffizient des dielektrischen Resonators für die Stabilität der Schwingungsfrequenz zu berücksichtigen ist. Die Schwingungsfrequenz wird also nicht durch die Änderung der Dicke des dielektrischen Substrats aufgrund von Temperaturänderungen beeinflußt, und daher hat die Schwingungsfrequenz eine hohe Stabilität gegenüber der Temperatur, selbst wenn ein billiges dielektrisches Substrat mit relativ hoher Wärmeausdehnung verwendet wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Beispiel für den Grundaufbau einer allgemeinen Mikrostreifenieitung,

Fig.2 und 3 Schaltbilder mit Beispielen einer Oszillator-Schaltung, die die in F i g. 1 dargestellte Mikrostreifenieitung verwendet,

F i g. 4 einen Schnitt zur Erläuterung des Kopplungszustandes zwischen dem Streifenleiter und dem dielektrischen Resonator einer Oszillator-Schaltung,

Fig.5 eine Kurve zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz der Oszillator-Schaltung und der Dicke des Substrates der Mikrostreifenieitung in der in Fig.4 gezeigten Anordnung des dielektrischen Resonators,

F i g. 6 eine Kurve mit einem Beispiel der Temperatur-Kennlinie des Längenausdehnungskoeffizienten von PTFE,

F i g. 7 eine Kurve mit einem Beispiel für die Messung der Temperatur-Kennlinie der Schwingungsfrequenz des Oszillators mit einer Mikrostreifenieitung, die ein PTFE-Substrat verwendet,

Fig. 8 ein Schnittbild zur Darstellung der Kopplung eines dielektrischen Resonators und eines Streifenleiters eines Mikrowellen-Oszillators nach der Erfindung,

F i g. 9 eine perspektivische Darstellung eines Beispieles für den Aufbau des dielektrischen Resonators in

einem Mikrowellen-Oszillator nach der Erfindung, und Fig. 10 eine Kurve mit einem Beispiel für die Messung der Temperatur-Kennlinie der Schwingungsfrequenz eines Oszillators nach der Erfindung.

Die Erfindung wird in Einzelheiten anhand der Zeichnung näher erläutert. Fig.8 zeigt die Kopplung eines dielektrischen Resonators und einer Mikrostreifenleitung des PTFE-Substrates, das im Mikrowellen-Oszillator nach der Erfindung verwendet wird. Ein PTFE-Subslrat 20, auf dessen Oberseite ein Streifenleiter 21 und auf dessen Rückseite ein Erdungsleiter 22 vorgesehen ist, bildet eine Mikrostreifenleitung. Der Teil des dielektrischen, mit dem Erdungsleiter 22 bedeckten Substrates 20 neben dem Streifenleiter 21 ist teilweise entlang des Streifenleiters 21 abgeschnitten, so daß ein dielektrischer Resonator 23 im freigelegten Bereich und direkt auf einer Metallgehäuse-Platte 24 vorgesehen ist. Als eine Alternative kann das dielektrische Substrat 20 allein abgeschnitten sein, wobei also der Erdungsleiter 22 zurückgelassen wird, so daß der dielektrische Resonator 23 direkt auf dem freiliegenden Erdungsleiter 22 angebracht werden kann. Die Mikrostreifenleitung mit dem so angeordneten dielektrischen Resonator 23 wird durch ein Halbleiter-Bauelement, wie z. B. eine Gunn-Diode oder einen Feldeffekttransistor, in herkömmlicher Weise zu einem Oszillator ergänzt (vgl. F ig. 2 oder 3).

Der dielektrische Resonator ist mit der Mikrostreifenleitung verkoppelt, so daß die Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators nicht durch die Dickenänderung des Substrates entsprechend dem Ausdehnungskoeffizienten des für das Substrat verwendeten PTFE beeinflußt wird, wodurch die Stabilität der Schwingungsfrequenz des Oszillators gegenüber Temperaturschwankungen verbessert wird.

In einer ähnlichen Weise wird die gleiche Wirkung wie in F i g. 8 durch die Vorrichtung der F i g. 9 erhalten, in der ein dielektrischer Resonator 25 direkt auf einem Erdungsleiter 28 oder einem Metallgehäuse 29 in einem in einem PTFE-Substrat 26 ausgeführten Loch 27 befestigt ist. Ein Beispiel der Temperatur-Kennlinie des Feldeffekttransistor-Oszillators des PTFE-Substrates mit dem in Fig.9 dargestellten Aufbau ist in Fig. 10 gezeigt. Die Schwingungsfrequenz beträgt 11 GHz, die sich nicht plötzlich mit einer Temperaturschwankung verändert, sondern sich um ca. lediglich 100 kHz im Temperaturbereich von 0°C bis 30⁰C ändert, wodurch eine überlegene Stabilität erzielt wird.

In den obigen Ausführungsbeispielen wurde die Erfindung anhand eines Beispieles erläutert, das das PTFE-Substrat verwendet. Da die Erfindung jedoch einen Aufbau vorsieht, der nicht durch die Dicke des Substrates beeinflußt wird, ist das Substratmaterial nicht auf PTFE beschränkt, sondern es kann jedes andere Material mit der gleichen oder ähnlichen Wirkung verwendet werden.

Aus den obigen Erläuterungen folgt, daß bei der Erfindung der dielektrische Resonator direkt auf dem Metallgehäuse oder dem Erdungsleiter der Mikrostrei- -fenleitung für die Verbindung mit der Mikrostreifenleitung vorgesehen ist, und daher wird die Änderung unter den Resonanzfrequenzen der Oszillatoren verringert, wodurch die gegenüber Temperaturschwankungen stabilen Kennlinien erzielt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellen-Oszillator mit einem Mikrostreifenleitungskreis mit einem dielektrischen Substrat, einem auf der Oberseite des dielektrischen Substrats angeordneten Streifenleiter und einem im wesentlichen den gesamten Bereich der Unterseite des dielektrischen Substrats bedeckenden Erdungsleiter; einem mit dem Mikrostreifenleitungskreis verbundenen schwingungsfähigen Halbleiterbauelement; und einem mit einem Teil des Streifenleiters elektromagnetisch verkoppelten dielektrischen Resonator, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aussparung oder ein Loch (27) durch das dielektrische Substrat (20; 26) unter Erreichung der Oberseite des Erdungsleiters (22, 24; 28, 29) in der Nähe des Streifenleiters (21) gebildet ist, und daß der dielektrische Resonator (23; 25) in der Ausnehmung oder dem Loch (27) und auf dem Erdungsleiter (22, 24; 28,29) angeordnet ist

2. Mikrowellen-Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Erdungsleiter (22, 24; 28, 29) aus einer im wesentlichen die gesamte Fläche der Unterseite des dielektrischen Substrats (20; 26) bedeckenden leitenden Schicht (22; 28) und einem leitenden Gehäuse (24; 29) im Kontakt mit der Unterseite der leitenden Schicht (22; 28) zusammengesetzt ist,
die Ausnehmung oder das Loch (27) durch die leitende Schicht (22; 28) hindurch bis zur Oberseite des leitenden Gehäuses (24; 29) reicht und
der dielektrische Resonator (23; 25) auf der Oberseite des leitenden Gehäuses (24; 29) angeordnet ist.