192510. lajstromszámú szabadalom • Frekvenciastabilizált mikrohullámú félvezetős oszcillátor elrendezés
1 192 510 2 A találmány tárgya frekvenciastabilizált mikrohullámú félvezetős oszcillátor, amely alkalmazható minden olyan célra az 1—30 GHz frekvencia sávban, ahol 1 mW—10 W nagyságrendű teljesítmény, 10“3—10“’ relatív frekvenciastabilitás szükséges, és ahol döntő a kis méret, fogyasztás és az egyszerű gyárthaitóság. Alkalmazható mikrohullámú berendezések keverőinek lokálellátására, mérőműszerekben, kisméretű, esetleg hordozható doppler radar készülékek, valamint érzékelő és riasztóberendezések adóoszcillátoraként. Jelenleg a mikrohullámú technikában a frekvencia (stabilizált (félvezetős oszcillátor megoldások sok változata ismeretes. Ezeknél az oszcillátoroknál a frekvencia megváltozását környezeti hatások, elsősorban a hőmérséklet és a levegő páratartalma idézik elő. A páratartalom ellen az áraimkor hermetikus lezárásával lehet védekezni, a hőmérséklet okozta frekvencia változást pedig az oszcillátor rezonátorának kialakítása és hőtágulása határozza meg. Ismeretes sok olyan megoldás, ahol a frekvencia meghatározó elem TE vagy TM módusú, körkeresztmetszetű üregrezonátor, a rezgéskeltő eleme Gunn vagy IMPATT dióda, amely a rezonátorhoz csatolt külön tápvonalban helyezkedik el. A teljesítmény kicsatolása téglalap keresztmetszetű csőtápvonalon történik. A csatolásokat az üreg és a tápvonal fala közötti kisméretű nyílások biztosítják. Az oszcillátor frekvenciastabilitását az üregrezonátor laza csatolása, valamint anyagának kis hőtágulása biztosítja. Az ilyen konstrukciók fő hátránya a nagy méret és súly, továbbá, hogy az egész, viszonylag nagyméretű rezonátort kis hőtágulású anyagból kell készíteni, ezek az anyagok viszont drágák és nehezen megmunkálhatok. Ismeretes 'olyan elrendezés, ahol a kjcsatoló hullámvezető egy fémdobozban elhelyezett mikroszalag vonal alumíniumoxid kerámia hordozón, amelynél a dióda közvetlenül csatlakozik a szalagvonalhoz. A körkeresztmetszetű rezonátor a szalagvonal alaplemeze .alatt helyezkedik el, csatolását az alaplemezen vágott kisméretű nyílással oldották meg. A konstrukció hátránya itt is a rezonátor miatti nagy méret, ’továbbá az, hogy szalagvonalat hordozó kerámiát az alsó csatoló rés miatt a kétoldalasra kell készíteni. Ezenkívül a konstrukció megvalósításához többféle technológia együttes alkalmazása szükséges. Ismeretes olyan megoldás is, ahol a frekvencia meghatározó elem a két végén rövídrezárt koaxiális üregrezonátor, a félvezető dióda a koaxiális üreg -belső vezetőjében elhelyezett másik koaxiális tápvonalban helyezkedik el. A rezonátor két féldarabból áll, melyet a külső felület mentén három invar rúd tart össze, a rezonátor hőtágulását, azaz az oszcillátor frekvencia stabilitását ezek határozzák meg. Ez a konstrukció bonyolult, sok elemből áll, ezért gyártási szempontból anyag és költségigényes. Mikrohullámú oszcillátorok frekvencia stabilizálására alkalmazhatók dielektromos rezonátorok is. Ismert elrendezések az alumíniumoxid kerámia hordozón mikroistrip kivitelben megvalósított Gunn diódás vagy FET-es oszcillátorok. A félvezetővel összekapcsolt mikroszalag vonalhoz csatolódik szórt elektromágneses tér révén a hordozó lapkán rögzített dielektromos rezonátor. A frekvencia stabilitást a rezonátor anyagának megfelelő hőtágulási együtthatója biztosítja. A dielektromos rezonátor alkalmazásának több hátránya van. A dielektrikum elkészítése speciális technológiát igényel, pontos méretre utólag kell ledarabolni és csiszolni. Az áramkör összeszerelése sokféle technológiát igényel, a rezonátor elhelyezésénél a pozicionálás és rögzítés pontossága külön gondot jelent. Az utóbbi időben megnövekedett a kereslet közepes és kisméretű mikrohullámú berendezések és készülékek, elsősorban 10—12 GHz frekvencia sávban működő vevőrendszerék, sebességellenőrző radarok valamint érzékelő és riasztóberendezések iránt, amelyek lokál és adóteljesítményét legegyszerűbben szabadonfutó oszcillátorokkal lehet biztosítani. Mivel ezek a berendezések és készülékek részben személyi használatra, esetleg hordozható kivitelben is készülhetnek, elsőrendű cél, hogy kisméretű és súlyú áramkörökből nagy darabszámban olcsón és egyszerű technológiákkal is előállíthatok legyenek. Mindezek az igények megteremtették a szükségletet az ismerteknél egyszerűbb elrendezésű mikrohullámú oszcillátor típusok kidolgozására. Az ismeretes megoldásokhoz képest lényeges méretcsökkentés, .anyagtakarékosság és egyszerűbb gyártási technológia érhető el a találmány szerinti oszcillátor elrendezéssel, mivel az így kialakított áramkör kisméretű és egyszerű alkatrészeket tartalmaz, ezek egyféle technológiával is elkészíthetők, az ismerteknél kedvezőbb frekvencia stabilitás eléréséhez pedig elegendő az oszcillátor egyetlen elemét kis hőtágulású anyagból készíteni. A találmányunk szerinti megoldásban az oszcillátor frekvencia maghatározó eleme egymáshoz közvetlenül vagy közvetve rögzített külső és belső vezetővel rendelkező TEM módusú rezonátor, amelynél a belső vezető légréssel csatolódik az oszcillátor valamelyik eleméhez vagy elemeihez, ennek megfelelően a rezgési frekvenciát alapvetően a belső vezető hossza és a csatoló rés mérete határozza meg, az oszcillátor frekvencia stabilitását pedig a csatoló rés mérete mint a csatolás mértéke, továbbá a résméret és a belső vezető hőmérséklet okozta relatív mozgásai határozzák meg azáltal, hogy a külső és belső vezetők és azokat egymáshoz rögzítő elemek megfelelő hőtágulású anyagból készülnek. Mivel a légréssel való csatolás a belső vezetőnek szabad hőmozgást biztosít, ezért a frekvencia stabilitás növelése céljából elegendő 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
