DE3129306C2

DE3129306C2 - Mikrowellen-Oszillator mit Feldeffekt-Transistor

Info

Publication number: DE3129306C2
Application number: DE3129306A
Authority: DE
Inventors: Masaki Noda; Keiro Shinkawa; Chuichi Yokohama Sodeyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-07-25
Filing date: 1981-07-24
Publication date: 1983-11-17
Also published as: USRE32527E; DE3129306A1; JPS5726902A; US4435688A; JPS6248925B2

Abstract

Ein Mikrowellen-Oszillator mit einem FET (1), einem dielektrischen Resonator (11) und einer Streifen-Leitung (Micro-Strip Leitung) besitzt ein kapazitives Blindwiderstands-Bauelement (14) zwischen dem Source-Anschluß (4) des FETΔs (1) und Erde oder zwischen dem Source- (4) und dem Drain-Anschluß (2) des FETΔs, so daß die Schwingfrequenz-Schwankungen mit der Versorgungsspannung und/oder der Umgebungstemperatur im wesentlichen unterdrückt werden können.

Description

gekennzeichnet durch eine dicht am FET(I) angeordnete kapazitive Blindleitung (14) aus einer Streifenleitung, deren eines Ende mit dem Source-Anschluß (4) des FETs (1) verbunden ist und deren kapazitiver Blindwiderstand größer als der Blindwiderstand am Source-Anschluß (4) des FETs (1) ist.

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Oszillator mit einem Feldeffekt-Transistor (im folgenden kurz FET genannt), nachdem Oberbegriff des Anspruchs.

Aus »Markus, John: Guidebork of Electronic Circuits, New York 1974, McGraw-Hill Book Company, S. 602 ist eine mit einem FET aufgebaute Gizillatorschaltung für verhältnismäßig tiefe Frequenzen bekannt Aus der Figur mit der Unterschrift »7—73MHz Seiler« ist bekannt, einen Kondensator vom Source-Anschluß des FETs zur HF-Erde zu legen und den Drain-Anschluß hochfrequenzmäßig zu erden.

Die DE-OS 29 41 826 »Mikrowellen-Oszillator« beschreibt den grundsätzlichen Aufbau eines Mikrowellen-Oszillators mit einer Streifen-Leitung, einem dielektrischen Resonator und einem FET. Der Mikrowellen-Oszillator mit der Streifen-Leitung und dem dielektri- sehen Resonator wird wegen seines einfachen Aufbaiis bei SHF-Umsetzern eingesetzt.

Die DE-OS 28 03 846 zeigt einen Mikrowellen-Oszillator mit einem FET, Streifenleitungen und einem dielektrischen Resonator, wobei der FET mit seinem Drain-Anschluß HF-mäßig geerdet ist, eine aus einer Streifenleitung bestehende Ausgangsleitung mit dem Source-Anschluß des FETs verbunden ist und wobei der dielektrische Resonator nahe der Gate-Leitung angeordnet und mit ihr elektrisch gekoppelt ist.

F i g. 1 zeigt einen bekannten Mikrowellen-Oszillator mit einem FET, einer Streifen-Leitung und einem dielektrischen Resonator. Dieser Oszillator besitzt eine Streifen-Leitung aus einer Blindleitung 3, einer Ausgangsleitung 5, einem Filter 7, das an die Ausgangslei- ^ω tung 5 angeschlossen ist, und einer Gate-Leitung 10, einen FET 1, einen dielektrischen Resonator 11, einen Vorwiderstand 6 sowie einen Endwiderstand 9, wobei der FET 1 mit seinem Source-Anschluß 4 an di.e Ausgangsleitung 5, seinem Drain-Anschluß 2 an die Blindleitung 3 und seinem Gate-Anschluß 8 an die Gate-Leitung 10 angeschlossen ist. Der Vorwiderstand 6 ist mit dem Filter 7 und der Endwiderstand 9 mit der Gate-Leitung 10 verbunden, so daß ein Strompfad für Vor-GIeichstrom durch den FET 1 gebildet wird. Der dielektrische Resonator 11 ist nahe der Gate-Leitung 10 angeordnet und elektrisch mit ihr gekoppelt und bildet einen Resonanzkreis. Die Blindleitung 3 dient als Kurzschluß-Blindleitung für A/4, so daß der Drain-Anschluß 2 des FETs hochfrequenzmäßig geerdet ist. Bei diesem Oszillator wirkt eine innere Kapazität zwischen der Source- und der Gate-Elektrode des FETs 1 als Rückkopplungs-Kapazität

Wenn bei einem derartigen Oszillator eine Versorgungsspannung V_D an einem. Versorgnngsspannungsanschluß 12 angelegt wird, schwingt der Oszillator mit der Spannung Vo von 2 bis 10 V und gibt eine Schwingleistung über die Ausgangsleitung 5 ab. Die Schwingfrequenz dieses Oszillators schwankt jedoch stark mit der Versorgungsspannung Vd. Wenn z.B. eine Versorgungsspannung Vd von 7 V angelegt wird, damit Schwingungen bei einer Frequenz von 11 GHz erzeugt werden, schwankt die Schwingfrequenz um ca. 50 kHz/ 0,1 V. Ferner schwankt die Frequenz auch stark mit der Umgebungstemperatur. Zum Beispiel schwankt die Schwingfrequenz bei Temperaturänderungen des FETs 1 mit ca. 10 kHz/" C Bei einem Mikrowellen-Oszillator, der bei SHF-Umsetzern zum Empfang von Fernseh-Signalen von ca. 12 GHz eingesetzt wird, muß jedoch die Schwingfrequenz-Variation kleiner als 300 kHz sein. Gewöhnlich wird ein SHF-Umsetzer in einem Temperaturbereich von —10 bis 50^rC betrieben. Diese Anforderungen können vom herkömmlichen Oszillator nicht immer befriedigend erfüllt werden, so daß er nicht in einen SHF-Umsetzer eingebaut werden kann.

Um die Schwingfrequenz-Schwankung auf unter 5kHz/°C zu reduzieren, wäre es denkbar, einen dielektrischen Resonator zu nehmen, dessen Temperatur-Gang die Schwingfrequenz-Schwankungen infolge Temperaturschwankungen des FETs aufhebt Um jedoch verschiedene Schwingfrequenz-Schwankungen entsprechend verschiedenen FETs zu kompensieren, müßte ein dielektrischer Resonaioi mit ganz bestimmtem Temperatur-Gang gewählt werden, um eben einem bestimmten FET angepaßt zu sein. Da ferner die Schwingfrequenz-Schwankungen mit der Versorgungsspannung von den Eigenschaften des jeweiligen FETs abhängen, ist es bei dem herkömmlichen Mikrowellen-Oszillator schwierig, die Schwingfrequenz-Schwankungen zu unterdrücken.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mikrowellen-Oszillator zu schaffen, bei dem Schwingfrequenz-Schwankungen mit der Umgebungstemperatur oder der Versorgungsspannung äußerst klein gehalten sind, insbesondere Schwingfrequenz-Schwankungen in Abhängigkeit von der Kennlinie des jeweils verwendeten FETs.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs gelöst.

Wie bereits erwähnt, bewirken Schwankungen der Umgebungstemperatur des Mikrowellen-Oszillators, insbesondere des FETs, oder Schwankungen in der Versorgungsspannung entsprechende Schwankungen der Schwingfrequenz des Mikrowellen-Oszillators. Das heißt, die Umgebungstemperatur-Schwankungen oder die Versorgungsspannungs-Schwankungen verursachen zunächst eine Änderung der elektrischen Kennlinie des FETs und damit der Schwingfrequenz. Wenn also Parameter der elektrischen Kennlinie des FETs, die gegenüber Temperaturschwankungen oder Versor-

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gungsspannungs-Schwankungen empfindlich sind, erkannt sind, kann eine Schaltung geschaffen werden, die diese Parameter kompensiert, um Schwingfrequenz-Schwankungen klein zu halten.

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

F i g. 1 das Schaltbild eines bekannten Mikroweilen-Oszillators;

Fig.2 das Blockschaltbild eines Modells eines Mikrowellen-Oszillators mit einem FET;

Fig.3 eine Kurvenschar bezüglich der Admittanz (dem Schfnnleitwert) am Source-AnschluB des FETs;

F i g. 4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Mikrowellen-Oszillators;

F i g. 5 Kennlinien des Mikrowellen-Oszillators, insbe- '5 sondere den Zusammenhang zwischen Versorgungsspannung und Schwingfrequenz;

F i g- 6 Kennlinien des Mikrowellen-Oszillators, insbesondere den Zusammenhang zwischen Umgebungstemperatur und Schwingfrequenz-Abweichung.

Fig.2 zeigt ein Modell eines Oszillaiors mit einem FET, dessen Source geerdet ist In dieser Schaltung kann, wenn die Impedanz einer Schaltung, die an das Gate 8 des FETs 1 angeschlossen ist, mit r_g + /· Xg bezeichnet ist, ein Scheinleitwert Y an einem Source-Anschluß 4 des FETs 1 aus dem Diagramm gemäß F i g. 3 abgeleitet werden. Auf einer Kurve A ist der Scheinleitwert Y für seinen realen Anteil Re(Y) gleich Null. Ein Bereich G, der von der Kurve A und der Achse Xg umgeben ist, entspricht einem Bereich negativen Wirkleitwerts. Auf einer Kurve B ist der Scheinleitwert YIw seinen imaginären Anteil Im(Y) gleich Null. Daher liegen die Schwing-Betriebspunkte, wenn ein reiner Widerstand mit dem Gate-Anschluß 8 verbunden ist, auf der Kurve B innerhalb des Bereichs C. Je nach Anschluß eines Kondensators mit einem Blindwiderstand (Reaktanz) von 5 Ω, 10 Ω oder 15 Ω an die Source 4 des FETs 1 und an Erde wandert ein Schnittpunkt a sowohl auf der Kurve A als auch auf 3 entsprechend RE(Y) = 0 bzw. In(Y) — 0/"j einem Punkt b, coder c/auf der Kurve A. Wenn die Umgebungstemperatur des FETs 1 variiert, treten Schwankungen in der kapazitiven Komponente des Scheinleitwerts am Source-Anschluß 4 des FETs 1 auf. Wenn also die Kapazität zunimmt, verschiebt sich der Punkt a zum Punkt d auf der Kurve A₁ während bei abnehmender Kapazität, der Punkt a sich zum Punkt e verschiebt. Dies führt zu Schwankungen in der Schwingfrequenz des Oszillators. Typischerweise beträgt der Blindwiderstand der Source 4 des FETs 1 ca. 1 Ω, hängt jedoch vom verwendeten FET ab; da die Schwankung in der kapazitiven Komponente des Scheinleitwerts mit der Umgebungstemperatur oder der Versorgungsspannung vom verwendeten FET variiert, kommt es zu Schwingfrequenz-Schwankungen, die vom einzelnen verwendeten FET abhängen.

Aus der vorangegangenen Erläuterung ist ersichtlich, daß der Anschluß eines kapazitiven Blindwiderstand-Bauelements an den Source-Anschluß 4 des FETs 1 wirksam den Betriebspunkt des Oszillators rum Punkt b, coder dgemäß F i g. 3 verschieben kann. Wenn also z. B. der Punkt c oder d als Betriebspunkt gewählt wird, bleibt dieser Schwing-Betriebspunkt praktisch unverändert, selbst wenn der Ausgangs-Scheinleitwert am

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55 Source-Anschluß 4 des FETs 1 variiert Wenn also ein kapazitive? BJihdwiderstand-Bauelement, dessen Wert größer als der Blindwiderstand am Source-Anschluß 4 des FETs 1 ist, an diesen Source-Anschluß 4 angeschlossen wird, bleibt der Scheinleitwert am Source-Anschluß 4 praktisch unverändert, selbst wenn die Umgebungstemperatur oder die Versorgungsspannung schwankt so daß die Schwingfrequenz-Schwankung sehr klein gemacht werden kann. Verständlicherweise sollte der Blindwiderstand dieses kapazitiven Blindwiderständ-Bauelements unempfindlich gegen Schwankungen von Umgebungstemperaturen und/oder Versorgungsspannung sein.

Fig.4 zeigt den Mikrowellen-Oszillator. Dabei ist eine kapazitive Blindleitung 14 mit einer Ausgangsleitung 5 verbunden, die an einen Source-Anschluß 4 eines FETs 1 angeschlossen ist, so daß ein kapazitiver Blindwiderstand zwischen dem Source- und dem Drain-Anschluß 4 bzw. 2 des FETs 1 vorhanden ist. Der Blindwiderstand der Blindleitung 14 ist verständlicherweise so gewählt, daß der Schwingbe^nebspunkt sich am Punkt coder dgemäß F i g. 3 befindet

In Fig.5 ist der Zusammenhang zwischen der Schwingfrequenz und der Vorsorgungsspannung für den Fall dargestellt, daß der Blindwiderstand der kapazitive,; Blindieitung 14 gleich 15 Ω gewählt ist In Fig.5 bedeutet eine Kurve D die Schwingfrequenz-Schwankung im Mikrowellen-Oszillator nach Fig.4, während eine Kurve C die Schwingfrequenz-Schwankung im bekannten Mikrowellen-Oszillator darstellt, wobei die Abszisse die Versorgungsspannung und die Ordinate die Schwingfrequenz bezeichnet. Wie aus Fig.5 ersichtlich ist, beträgt im Gegensatz zum bekannten Mikrowellen-Oszillator mii einer Schwingfrequenz-Schwankung von ca. 500 kHz/V beim Oszillator nach F i g. 4 die Schwingfrequenz-Schwankung nur noch 200 kHz/V (20 kHz/0,1 V).

Fig.6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Umgebungstemperatur und der Schwingtrequenz-Schwankung, wenn der Blindwiderstand der Blindleitung 14 gleich 15 Ω gewählt ist. In F i g. 6 bedeutet eine Kurve F die Schwingfrequenz-Schwankung im Mikrowellen-Oszillator und eine Kurve E die Schwingfrequenz-Schwankung beim bekannten Mikrowel!en-Oszillator, wobei die Abszisse die Umgebungstemperatur T ("C) und die Ordinate die Frequenzabweichung Af (kHz) bezeichnet. Wie aus F i g. 6 ersichtlich ist, beträgt beim bekannten Mikrowellen-Oszillator die Frequenzschwankung ca. 30OkHz bei v-l0°C oder +50⁰C, während sie beim Mikrowellen-Oszillator nach Fig.4 auf unter 200 kHz innerhalb eines Umgebungstemperaturbereichs von — 10 bis +50°C verringert ist.

Durch die Erfindung wird es also möglich, einen Mikrowtilcn-Oszillator mit FET, Streifenleitungen und dielektrischem Resonator zu schaffen, der einen vereinfachten Schaltungsaufbau besitzt und Schwingfrequenz-Schwankungen mit der Umgebungstemperatur und der Versorgungsspannung unterdrückt, indem ein bestimmter kapazitiver Blindwiderstand an den Sourceanschluß geschaltet wird. Ein so aufgebauter Mikrowellen-Oszillator kann in der Praxis zufriedenstellend in SHF-Umsetzer eingebaut werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch: Mikrowellen-Oszillator mit

— einem FET(I),

— Streifenleitungen (3,5,7,10,14) und

— einem dielektrischen Resonator (11), wobei

— der FET (1) mit seinem Drain-Anschluß (2) hochfrequenzmäßig geerdet ist,

— eine Ausgangsleitung (.5) aus einer Streifenleitung mit dem Source-Anschluß (4) des FETs (1) verbunden ist, *

— eine Gate-Leitung (10) aus einer Streifenleitung mit dem Gate-Anschluß (8) des FETs (1) verbunden ist und \

— der dielektrische Resonator (11) nahe der Gate-Leitung (10) angeordnet und mit ihr elektrisch gekoppelt ist,