SYNCHRONOUS GENERATING OR AMPLIFYING H.F. ENERGY ARRANGEMENT, ESPECIALLY IN THE MILLIMETER WAVE RANGE

Abstract: 1. A arrangement for the synchronized generation or amplification of high frequency power, in particular in the millimetre wave range, with a quasi-optically constructed power divider arrangement (A) for a synchronizing signal (Psyn ), which is fed to a number of oscillators, and a quasi-optically constructed power addition arrangement (B) for the combinaison of the synchronized output powers (Padd ) of the oscillators, wherein the power divider arrangement (A) and the power addition arrangement (B) are built up as circular segments (1), which are bounded perpendicularly to the circular plane by metal plates at spacings which are at most equal to gamma /2, and the input (3) and the output (4) of the arrangement are respectively disposed in the centre of the circle, while the oscillators (2) are coupled in by way of waveguide openings (6, 7) in the circular outline (1), characterized thereby, that the power divider arrangement (A) and power addition arrangement (B) are arranged separately each from the other in two planes one above the other and their respective waveguide openings, arranged one above the other, are each connected to a respective first port (6) and a respective fourth-port (7) of a number of fourth port circulators (10), a respective oscillator (2) is connected to a third port (8) of the respective four-port circulators (10), that a respective short-circuit slide (11) for the phase adjustement of the oscillator signal is connected to a second port (9) of the respective four-port circulators (10), which is disposed in the synchronizing signal path, and that the direction of circulation is given from the first port by way of the second prot, by way of the third port and finally to the fourth port (Figs. 4 and 5).

Description: Anordnung zur synchronisierten Erzeugung oder Verstärkung von Hochfrequenzleistung, insbesondere im Millimeterwellenbereich Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruche 1. Die Ausgangsleistung von Halbleiter-Oszillatoren (Gunnoder Impatt-Oszillatoren) im Millimeterwellenbereich nimmt bekanntlich mit wachsender Prequen.z f nach der Gesetzmässigkeit l/f ... l/f 2 ab. Um bei höheren r"requenzo ( > 30 GHz) für verschiedene Anwendungszwecke ausreichende Ausgangsleistung zu erreichen, werden deshalb Leistungsadditionsschaltungen benutzt, die die Leistung von mehre ren Halbleitern kohärent addieren. Solche Schaltungen können entweder als unsynchronisierte oder synchronisierte Oszillatoren oder als lineare Verstärker arbeiten. Pine bekannte Anordnung als Beispiel für einen aynchroni- sierten Oszillator zeigt FIG. 1. Die Eingangsleistung Pl synchronisiert über einen 3 dB-Richtkoppler zwei Oszillatoren. Das reflektierte und verstärkte Signal addiert sich am Ausgang zur Ausgangsleistung Pa. Aufbauend auf diesem Prinzip lassen sich umfangreiche Leistungsadditionswerke realisieren. Beispiele hierfür werden im Nizushins, S.e.a.t A corporate strue-ture for combining power from 3 oscillators. IEEE-MTT-S Tnt. Microw. Sympos. Digest Washington, 1980, pp. 168-170 gezeigt. Eine bekannte Erweiterung unter Benutzung von vier 3 dB-Kopplern zeigt FIG. 2. Die Realisierung dieser Anordnung erfordert wegen der Koppler einen hohen feinmechanischen Aufwand. Die unvermeidlichen Kopplerverluste reduzieren die Ausgangs leistung. Eine weitere bekannte Leistungsadditionsschaltung ist in Kurokawa, K.; Magalhaes. F.M.: An X-band 10-Watt multiple Impatt-Oscillator. Proc. IDEE, 59, 1971, p. 102 beschrieben. Dabei sind mehrere Dioden an einen gemeinsamen Resonator gekoppelt. Jede Diode sitzt bei der dort beschriebenen usführung an einem Ende eines Koaxialleiters, welcher an eine Innenwand eines Wellenleiterresonators angekoppelt ist, während das andere Ende der Koaxialleitungen jeweils mit einem getaperten Absorber abgeschlossen ist. Wegen der mit grösser werdender Frequenz nicht beliebig reduzierbaren Dioden- und Chokeabmessungen lässt sich dieses Prinzip nur schwer bei hohen Frequenzen (z. B. 90 GHz) realisieren. Beide bckunnte Leistungsadditionsschaltungen haben den IQachteil, dass in der Praxis nicht mehr als acht bis zwölf Dioden paral cl geschaltet werden können. Das bedeutet eine maximale Ausgangsleistung von etwa der 10-fachen Diodeneinzelleistung. Eine Anordnung, mit der die Leistung von noch mehr Dioden kombiniert werden kann, ist in der DE-OS 31 14 598 besohrieben (FIG. 3). Diese Anordnung besteht aus zwei Metallplattell, die im Abstand von ca. /2 angeordnet sind. Entlang einer elliptischen Kontur 1 sind Oszillatoren 2 oder Verstärker angeordnet. In einem Brennpunkt 3 der Ellipse wird ein Synchronisationssignal P1 eingespeist. Ist der "Ziehwinkel" (Phase) zwischen Synchronisations- signal und Oszillatorsignal für alle Oszillatoren gleich, so wird praktisch die gesamte Oszillatorleistung im zweiten Brennpunkt 4 der Ellipse ausgekoppelt. Die Wände der Anordnung sind teilweise mit Absorbermaterial 5 ausgekleidet Diese Anordnung weist aber noch folgende Nachteile auf: - Die eingesetzten Dioden streuen. Damit muss jeder Oszillator individuell abgestimmt werden, wodurch der "Ziehwinkel" von Oszillator zu Oszillator variiert-. Wird aber auf maximale Leistung am Ausgang der An ordnung abgestimmt, ist die maximale Leistung der Einzeloszillatoren nicht erreichbar, und die Synchro nisationsbandbreite nimmt ab. - Die Oszillatoren sind nicht voneinander entkoppelt. Änderungen an einem Oszillator beeinflussen auch die anderen, im wesentlichen ür die Anpassung der Einzeloszillatoren an den Feldraum der Kombinabions- anordnung. Dies ist jedoch besonders für Impattdioden sehr kritisch und kann im schlimmsten Fall zur Zerstörung der Diode führen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die aufgezählten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Im einzelnen soll die erfindungsgemässe Anordnung folgende Bedingungen erfüllen: - Die einzelnen Oszillatoren sind voneinander ent koppelt. - Die Oszillatoren sind einzeln und unabhängig von anderen Parametern auf maximale Leistung und auf Sollfrequenz abstimmbar. - Die Einkoppelphase ist für jeden Oszillator getrennt und unabhängig einstellbar. Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungen der Erfindung. In einer ersten, nicht näher erläuterten Ausführung der Erfindung sind die Leistungsteileranordnung und die Leistungsadditionsanordnung aus Hohlleiterverzweigungen oder -kopplern aufgebaut. Die Erfindung wird im folgenden anhand der FIG. 4 und 5 in einer bevorzugten, besonders vorteilhaften Ausführung näher erläutert. Die bevorzugte Ausführung geht aus von einer Anordnung gemäss FIG. 3 mit quasioptischer Aufteilung der Synchronisationsleistung bzw. Kombination der Ausgangsleistungen der Einzeloszillatoren. FIG. 4 zeigt einen Schnitt durch die erfindungsgemässe Anordnung. Der Feldraum A zur Verteilung der Synchronisationsleistung P syn ist von dem zur Leistungsadditio B getrennt und besteht jeweils aus einem Kreiszylindersegment, wie in FIG. 5 dargestellt. Beide Feldräume sind in zwei Ebenen übereinander angeordnet. Entkopplung, Synchronisation und Phaseneinstellung erfolgen jeweils über einen Viertorzirkulator 10, der z. B. als E-Ebenen X,irkulator ausgebildet und vor jedem Einzeloszillator 2 angeordnet ist. Leistungsaddition und Leistungsteilung erfolgen in diesem iall in der H-Ebene. Völlig analog können H- und E-Ebene auch vertauscht werden. Das Syn chronisationssignal P syn wird im Feldraum A aufgeteilt und jeweils in dasw erste Tor 6 des Zirkulators 10 ein gespeist. Von dort gelangt es zum zweiten Tor 9, von wo es mit einer durch die Stellung eines Kurzschlussschiebers 11 vorgebbaren Phasenverschiebung auf den Einzeloszilla tor 2 am dritten Tor 8 gelangt. Die synchronisierte Leistung des Oszillators gelangt über das vierte Tor 7 zum Feldraum B, wo die Anteile der Einzeloszillatoren bei richtiger Phaseneinstellung addiert und am Ausgang 4 ausgekoppelt werden. Durch den Zirkulator 10 werden jeweils die Feldräume A, B, der Phasenschieber 11 und der Einzeloszillator 2 voneinander entkoppelt, so dass die oben genannten Bedingungen erfüllt sind. Die Viertorzirkulatoren 10 können auch aWgzwei Dreitorzirkulatoren aufgebaut sein. Bei optimaler Einstellung des Einzeloszillators lässt sich dessen Phase individuell und unabhängig von anderen Parametern so einstellen, dass am Ausgang 4 maximale Gesamtleistung erreicht wird. Die etwas erhöhte Dämpfung durch den Phasenschieber 11 ist in den Synchronisationszweig gelegt, wo sie weniger störend wirkt. Für die Oszillatoren 2 bleibt lediglich die Dämpfung zwischen zwei benachbarten Toren 8, 9 des Zirkulators 10 übrig, die aber im allgemeinen weniger als 0,5 dB beträgt. Dieser Nachteil, sowie der erhöhte Aufwand durch die Zirkulatoren 10 werden aber bei weitem durch die bereits genannten Vorteile kompensiert. Dazu kommt noch eine erhebliche Aufwandsersparnis beim Optimieren und Abstimmen der Oszillatoren.

Claims: Patentansprüche 1. Anordnung zur synchronisierten Erzeugurg oder Verstärkung von Hochfrequenzleistung, insbesondere im mm-Wellen-Bereich, mit einer Leistungsteileranordnung ft ein SWynchronisationssignal, welches einer Anzahl Oszillatoren zugefülwt ist und einer Leistungsadditionsanordnung zur Kombinacion der synchronisierten Ausgangsleistungen der Oszillatoren, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: : istungsteileranordnung (A) und Leistungsadditionsanordnung (B) sind voneinander getrennt und entkoppelt und sind jeweils an ein erstes (6) und ein viertes Tor (7) einer Anzahl von Viertorzirkulatoren (10) angeschlossen; - An einem dritten Tor (8) der Viertorzirkulatoren (10) ist jeweils ein Oszillator (2) angeschlossen; - An einem zweiten Tor (9) der Viertorzirkulatoren (10) ist jeweils ein Kurzschlussschieber (11) zur Phaseneinstellung des Oszillatorsignals angeschlossen (FIG. i). 2. Anordnung nach Anspruch 1, daqdurch gokennzeichent, dass die Leistungsteileranordnung die Leistungsadditionsanordnung aus Hohlleiterverzweigungen oder -Kopplern aufgebout sind. 3. Auerdnung nach Anspruch 1, dadurch gekonnzeichnet, dass die Leistungsteileranordnung und die Leistungsadditionsanordnung guasioptisch aufgobaut sind (FIG. 5). 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 3 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsteiler- (A) und die Leistungsadditionsanordnung (B) als Kreissagmente (1) aufgebaut sind, die oben und unten im Abstand von @ #/2 durch Metallplatten begrenzt sind, dass der Eingang (3) bzw. der Ausgang (4) der Anordnung sich im Mittelpunkt des Kreises befinden, während die Oszillatoren (2) über Hohlleiter öffnungen (6, 7) in der Kreiskontur (1) angekoppelt sind (FIG. 4 und 5). 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsteileranordnung (A) und die Leistungsadditionsnnordnung (B) in zwei Ebenan übereinander angeordnet sind (FIG. 4). 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsteilung und die Leistungsaddition in der ii-Ebene stattfinden. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Viertorzirkulator (10) als E-Ebenen-Zirkulator ausge führt ist. 8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsteilung und Leistungsaddition in der E-Ebene stattfindet. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vierterzirkulator (10) als H-Ebene-Zirkulator ausgeführt ist. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Viertorzirkulator (10) aus zwei Dreitorzirkulatoren zusammengesetzt ist. 11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das dritte Tor (9) des Zirkulators (10) mit dem Kurzschlussschieber (11) im Synchronisationssignalweg befindet.

Inventors: BARTH, HELMUT, DIPL.-ING., MENZEL, WOLFGANG, DR.-ING., REMBOLD, BERNHARD, DR,.ING., SOLBACH, KLAUS, DR.-ING.
Applicants: LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMBH
Application year: 1984
Main classification: H01P5
IPC codes: H03F3, H03B9, H01P5