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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultrahochfrequenz-Oszillator
mit dielektrischem Resonator.
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Oszillatoren
dieses Typs werden in der Elektronik häufig im Bereich von Ultrahochfrequenzen eingesetzt.
Es handelt sich um grundlegende Bauteile in zahlreichen Schaltungen,
insbesondere im Bereich Fernsehen und Telekommunikation.
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Ein
derartiger Oszillator enthält
einen aktiven Teil mit Verstärker
oder negativer Impedanz und einen passiven Teil, der den dielektrischen
Resonator beinhaltet.
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Der
aktive Teil und der passive Teil können zur Rückstrahlung oder zur Übertragung
miteinander verbunden werden.
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1 stellt
einen bekannten Aufbau zur Übertragung
dar.
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In
diesem Aufbau besteht das aktive Element aus einem Verstärker 10 und
der dielektrische Resonator 12 ist in Reihe mit einer Rückkopplungsschleife geschaltet,
die den Ausgang 11 des Verstärkers 10 mit seinem
Eingang 13 verbindet.
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Die
Verbindung zwischen der Leitung 14, die am Ausgang 11 des
Verstärkers 10 angeschlossen ist,
und dem Resonator 12 ist eine Kopplung magnetischer Art.
Ebenso ist die Kopplung zwischen der Eingangsleitung 16 und
dem Resonator 12 magnetischer Art. Die Kopplung zwischen
dem Resonator 12 und der jeweiligen Leitung 14, 16 ist
um so höher, desto
stärker
der Strom in der Leitung ist. Daher sieht man im Allgemeinen eine
Leitung 18 mit der Länge λ/4 am Eingang
vor, um einen Kurzschluss herzustellen und damit den Strom zu maximieren. λ ist die
der Oszillatorfrequenz entsprechende Wellenlänge.
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Um
einen solchen Oszillator herzustellen, müssen herkömmlicherweise zwei Bedingungen
erfüllt
werden, und zwar muss einerseits die Verstärkung im Verstärker 10 größer sein
als die Verluste in der Rückkopplungsschaltung
zwischen dem Eingang 11 und dem Ausgang 13, und
andererseits muss die Phasenverschiebung der Signale in der Schaltung gleich
Null, d.h. Modulo 2π,
sein. Um die zweite Bedingung zu erfüllen, sind die Koppelpunkte
der Leiter 14 und 16 mit dem Resonator 12 im
Verhältnis
zu dem scheibenförmigen
Resonator beispielsweise diametral entgegengesetzt. Unter diesen
Bedingungen führt
der Resonator eine Phasenverschiebung um den Radianten π, und der
Verstärker 10 sowie
die damit verbundenen Leitungen führen eine zusätzliche Phasenverschiebung
um den Radianten π aus.
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Diese
Art von Oszillator weist den Vorteil einer großen Reproduzierbarkeit auf:
Er eignet sich daher für
die Serienproduktion, da er nur wenige Einstellungen erfordert.
Seine Abstimmung ist dagegen nicht immer einfach, da zwei Kopplungen
bestimmt werden müssen:
die Kopplung zwischen dem Resonator und den Leitungen 14 und 16.
Außerdem
ist es, wie bei der Ausführung
des Kurzschlusses, erforderlich, eine Leitung 18 mit einer
Länge in
Abhängigkeit von
der Wellenlänge
vorzusehen, der Durchlassbereich der entsprechenden Schaltung ist
daher gering. Im Dokument JP56156002 wird ein Oszillator mit dielektrischem
Resonator zur Übertragung
mit zwei Verstärkern
in zwei Rückkopplungsschleifen
beschrieben.
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2 stellt
einen Oszillator mit dielektrischem Resonator zur Rückstrahlung
dar, der zwei aktive Elemente 20 und 22 und einen
dielektrischen Resonator 24 beinhaltet.
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Jedes
aktive Element ist mit dem Resonator 24 durch Rückstrahlkopplung
verbunden. Eine von einem aktiven Element abgestrahlte Welle wird
vom Resonator zurückgestrahlt
und an das aktive Element zurückgesandt,
das sie verstärkt.
Um eine Oszillation zu erreichen, ist es zudem erforderlich, zwei Bedingungen
zu erfüllen:
Die Verstärkung
des aktiven Elements muss größer sein
als die Verluste und die zurückgestrahlten
Wellen müssen
die gleiche Phase aufweisen wie die ausgestrahlten Wellen. Die zweite
Bedingung ist erfüllt,
indem der Abstand zwischen der Kopplungsebene des Resonators und
den Anschlüssen
der aktiven Elemente eingestellt wird.
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In
dem so genannten „Push-Push"-Aufbau, der in 2 dargestellt
ist, liegen die erzeugten Oszillatoren in Gegenphase vor, da der
Koppelpunkt 23 des aktiven Elements 22 mit dem
Resonator 24 dem Koppelpunkt 21 des aktiven Elements 20 mit
dem scheibenförmigen
Resonator 24 diametral entgegengesetzt ist. Diese Gegenphasen-Wellen
werden über einen
Leitungsschalter 28 und 30 an einem Ausgangspunkt 32 zusammengeführt.
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In
dieser Art von Aufbau ist der Resonator 24 zwischen zwei
Mikrobandleitern 231 und 241 angeordnet. Dieser Resonator hat zum
Ziel, die Oszillation zu ermöglichen
und die Signale der beiden Oszillatoren in Gegenphase aufrecht zu
erhalten. Man hat festgestellt, dass die Aufrechterhaltung der Oszillationen
in Gegenphase nicht korrekt erfolgt, wenn die Oszillation nicht
exakt mit der Resonanzfrequenz des Resonators erfolgt; dies hat
eine eingeschränkte Funktionsweise
zur Folge. In diesem Fall soll der Oszillator eine Frequenz 2f0 liefern, die das Doppelte der Grundfrequenz
f0 beträgt,
wobei er die Tatsache ausnutzt, dass die Ausgangswellen in der Gegenphase zur
Frequenz f0 vorliegen, jedoch nicht die
gleiche Phase aufweisen können
wie die doppelte Frequenz. Der Leitungsschalter 28 und 30 ermöglicht die
Beseitigung der Wellen in Gegenphase und die zusätzliche Erzeugung von Wellen
in der gleichen Phase. Da die Eigenschaften des Schalters jedoch
notwendigerweise von der Frequenz f0 abhängen, ist
es verständlich, dass
die Grundfrequenz nicht vollständig
eliminiert werden kann, wenn die Oszillation mit einer anderen Frequenz
erfolgt.
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Man
kann außerdem
beobachten, dass die Positionierung des Resonators 24,
der auf exakt symmetrische Weise in Bezug auf die Leitungen 231 und 241 angeordnet
werden muss, nicht einfach ist, was insbesondere in der Serienproduktion
besonders störend
ist. Außerdem
erfordert er manuelle Einstellungen, insbesondere bei der Impedanz 34,
die eine Elektrode des aktiven Elements 20 oder 22 mit der
Masse verbindet. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt jedoch darin,
dass er ein geringes Phasenrauschen aufweist.
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Die
Erfindung hat zum Ziel, einen Ultrahochfrequenz-Oszillator zu bieten,
der eine Welle mit einer Frequenz 2f0 mittels
eines Resonators mit einer Frequenz f0 bietet,
der auf einfache Weise hergestellt werden kann und dessen Funktionsparameter
kaum Einstellungen erfordern.
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Der
Oszillator gemäß der Erfindung
beinhaltet mindestens zwei aktive Elemente, die zur Übertragung
mit dem gleichen dielektrischen Resonator verbunden sind, wobei
der Aufbau so ausgeführt
ist, dass der Eingang und der Ausgang jedes aktiven Elements in
Gegenphase zur Resonanzfrequenz des Resonators vorliegen und dass
der Eingang der beiden benachbarten aktiven Elemente mit einem ersten
Anschluss verbunden ist, der an den dielektrischen Resonator gekoppelt
ist; in gleicher Weise sind die Ausgänge der benachbarten aktiven
Elemente mit einem zweiten Anschluss verbunden, der an den Resonator
gekoppelt ist, wobei die Kopplung dieser Anschlüsse an den Resonator so ausgeführt ist,
dass praktisch ein Kurzschluss vorliegt.
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Anders
ausgedrückt
ist die Oszillation durch die gleichzeitige Anwesenheit der aktiven
Elemente möglich,
und die Oszillationen der beiden benachbarten Oszillatoren sind
mit einer Phasenverschiebung von 180° synchronisiert. Auf diese Weise
ermöglicht der
Oszillator, im Vergleich zu dem in 2 dargestellten „Push-Push"-Aufbau, die Oszillation
eines der beiden primären
Oszillatoren, hat jedoch nicht die Aufgabe, die Phasenverschiebung
von 180° zwischen
den Signalen der beiden Oszillatoren aufrecht zu erhalten. In anderen
Worten wird in dem Oszillator gemäß der Erfindung die Synchronisierung
der beiden primären
Oszillatoren unabhängig
vom Resonator erreicht.
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Daraus
ergibt sich, dass der Oszillator weniger empfindlich für die Parameter
des Resonators ist.
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Dadurch,
dass der Resonator des Oszillators gemäß der Erfindung nicht zum Ziel
hat, die Phasenverschiebung um 180° zwischen den jeweils erzeugten
Oszillationen der primären
Oszillatoren zu gewährleisten,
ist es nicht erforderlich, dass der Resonator exakt symmetrisch
in Bezug auf den ersten und zweiten Anschluss positioniert wird,
wogegen es bei dem Oszillator in der „Push-Push"-Schaltung
aus 2 erforderlich ist, dass der Resonator 24 symmetrisch
in Bezug auf die Leitungen 231 und 241 angeordnet wird. Daher ermöglicht die
Erfindung verschiedene Entkopplungen, und zwar einerseits zwischen
dem ersten Anschluss und dem Resonator und andererseits zwischen
dem zweiten Anschluss und dem Resonator.
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Desgleichen
wird deutlich, dass es nicht erforderlich ist, einen Schalter einzuplanen,
dessen Leitungslänge
von λ abhängt, um
die Gegenphase zu den von jedem der aktiven Elemente generierten Wellen
zu erzeugen, wie dies in dem „Push-Push"-Aufbau aus 2 der
Fall ist. Die entsprechende Schaltung kann daher eine größere Bandbreite
der Frequenzen aufweisen als die bekannten Ausführungen, die in 1 und 2 dargestellt
sind.
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Zudem
kann man feststellen, dass der Kurzschluss im Vergleich zu einem
Oszillator mit einem einzelnen aktiven Element, der zur Übertragung
mit einem dielektrischen Resonator (1) verbunden ist,
erzielt wird, ohne dass eine Leitung vorgesehen werden muss, die
eine Länge
von einem Viertel der Wellenlänge
aufweist.
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Außerdem vereinfacht
die Tatsache, dass im Vergleich zum „Push-Push"-Aufbau
kein Schalter erforderlich ist, die Abstimmung des Oszillators.
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Die
Erfindung bezieht sich auf allgemeine Weise auf einen Ultrahochfrequenz-Oszillator
gemäß einem
der Ansprüche
1 oder 2.
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In
einer Ausführung
liegen die Wellen in den Leitungen, die zum ersten Koppelpunkt führen, in
Gegenphase vor und die Wellen in den Leitungen, die zum zweiten
Koppelpunkt führen,
liegen gleichermaßen
in Gegenphase vor.
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Die
aktiven Elemente können
praktisch identisch sein, die Längen
der Leitungen, die den ersten Koppelpunkt mit den Eingängen der
aktiven Elemente verbinden, können
praktisch gleich sein, und die Längen
der Leitungen, die den zweiten Koppelpunkt mit den Ausgängen der
aktiven Elemente verbinden, können
ebenfalls in etwa gleich sein.
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Vorzugsweise
beinhaltet der Oszillator eine gerade Anzahl an aktiven Elementen,
die mit einem einzelnen Resonator verbunden sind.
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Die
aktiven Elemente beinhalten beispielsweise jeweils einen Verstärker.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
der Erfindung weist der Resonator eine runde Form auf und die Koppelpunkte
sind in Bezug auf diesen Resonator diametral entgegengesetzt angeordnet.
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Die
Resonanzfrequenz des dielektrischen Resonators wird so gewählt, dass
der Oszillator beispielsweise eine Frequenz in einem Frequenzband zwischen
10 und 15 GHz aufweist.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf ein Herstellungsverfahren für
einen solchen Oszillator, der dadurch gekennzeichnet ist, dass man
von einem aktiven Element und einem Resonator ausgeht, dass man
eine Leitung mit der Länge λ/4 mit dem ersten und
dem zweiten Koppelpunkt verbindet, um Kurzschlüsse herzustellen, dass man
den Abstand zwischen den Koppelpunkten und dem Resonator einstellt,
sodass die Rückkopplung
unter Beibehaltung der durch das aktive Element erzielten Oszillation
minimiert wird, dass man die Leitungen mit der Länge λ/4 entfernt sowie dadurch, dass
man ein anderes (bzw. andere) aktive(s) Element(e) an dem/den Koppelpunkten)
installiert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Beschreibung
der verschiedenen Ausführungsvarianten
deutlich, die sich auf die im Anhang beigefügten Zeichnungen bezieht, wobei:
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Die
bereits beschriebenen 1 und 2 stellen
bekannte Oszillatoren dar;
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3 ist
ein Schema eines Oszillators gemäß der Erfindung,
der zwei aktive Elemente beinhaltet; und
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4 ist
ein Schema einer anderen Ausführungsvariante
gemäß der Erfindung,
die vier aktive Elemente beinhaltet.
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Der
in 3 dargestellte Oszillator beinhaltet zwei aktive
Elemente 40 und 42 und einen dielektrischen Resonator 44.
Bei den aktiven Elementen 40 und 42 handelt es
sich in diesem Beispiel um Verstärker.
Der dielektrische Resonator 44 ist zur Übertragung jeweils in die Rückkopplungsschleife
der Verstärker 40 und 42 installiert,
so dass die Kopplungsanschlüsse 46 und 48 praktisch
virtuelle Massen oder Kurzschlüsse
darstellen. Dieser Resonator 44 weist in diesem Beispiel
die Form einer Scheibe auf und die Anschlüsse 46 und 48 sind
in Bezug auf diese Scheibe diametral entgegengesetzt angeordnet.
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Man
sieht also, dass der Ausgang des Verstärkers 40 über einen
Leiter 50 mit dem Anschluss 46 verbunden ist.
Ebenso verbindet eine Leitung 52 den Ausgang des Verstärkers 42 mit
dem Anschluss 46.
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Auf
analoge Weise verbindet eine Leitung 54 den Eingang des
Verstärkers 40 mit
dem Anschluss 48 und eine Leitung 56 verbindet
den Eingang des Verstärkers 42 mit
dem Anschluss 48.
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Wie
bereits erwähnt,
ist es erforderlich, um die Phasenverschiebung einer Welle von Null
Modulo 2π zu
erhalten, die einen Verstärker
und den Resonator 44 durchquert und die wieder an den Eingang des
gleichen Verstärkers
zurückkommt,
dass dieser Verstärker
und die damit verbundenen Leitungen eine Phasenverschiebung von π verursachen,
wenn der Resonator die gleiche Phasenverschiebung verursacht. Wenn
der Resonator eine andere Phasenverschiebung als π verursacht,
muss die übrige Schaltung
eine Phasenverschiebung verursachen, die eine Ergänzung von
2π ist.
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Um
die Kurzschlüsse
an den Anschlüssen 46 und 48 zu
erhalten, sollten die aktiven Elemente 40 und 42 vorzugsweise
identisch sein und die Längen der
Leitungen 50 und 52 sollten vorzugsweise gleich sein,
ebenso sollten die Längen
der Leitungen 54 und 56 vorzugsweise gleich sein.
Dennoch kann die Gegenphase an den Anschlüssen 46 und 48 zwischen den
Oszillationen der beiden primären
Oszillatoren (und damit die dargestellten Kurzschlüsse) auch dann
erzielt werden, wenn die Elemente 40 und 42 und/oder
die Längen
der Leitungen nicht identisch sind, und zwar durch die Wirkung des
einen primären Oszillators
auf den anderen.
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Zur
Abstimmung eines der in 3 dargestellten Oszillatoren
kann man wie folgt vorgehen:
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Man
geht zunächst
von einem aktiven Element aus, beispielsweise von dem aktiven Element 40,
von dem Resonator 44, von dem Anschluss 46 und
von der Leitung 50 sowie von dem Anschluss 48, von
der Leitung 54, dem aktiven Element 42 und den Leitungen 52 und 56,
die ursprünglich
nicht vorgesehen waren.
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Außerdem installiert
man an den Anschlüssen 46 und 48 eine
Leitung mit der Länge λ/4 (nicht abgebildet),
analog zur Leitung 18 aus 1, um Kurzschlüsse an diesen
Anschlüssen
auszuführen.
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Anschließend passt
man die Abstände
zwischen den Anschlüssen 46 und 48 und
dem Resonator an, um die Rückkopplung
zu optimieren.
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Nach
diesem Vorgang entfernt man die Leitungen mit der Länge λ/4. Unter
diesen Bedingungen erhält
man keine Oszillation mehr.
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Anschließend installiert
man das aktive Element 42 mit den Leitungen 52 und 56.
Die Signale der beiden primären
Oszillatoren mit den aktiven Elementen 40 und 42 stellen
sich dann automatisch in Gegenphase ein. Die beiden Oszillatoren
synchronisieren sich auf 180°,
d.h. sie bilden praktisch die Kurzschlüsse an den Anschlüssen 46 und 48,
unabhängig
von den Eigenschaften des Resonators.
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Der
Oszillator arbeitet mit der doppelten Resonanzfrequenz des Resonators 44.
Er weist eine hohe Stabilität
und ein geringes Phasenrauschen auf. Er erfordert keine manuellen
Einstellungen. Er kann daher einfach auf automatische Weise in Serienproduktion
hergestellt werden. Wie bereits oben erwähnt, können die verbundenen Schaltungen
außerdem
eine relativ große
Bandbreite aufweisen. Außerdem
ist es nicht erforderlich, wie in dem herkömmlichen „Push-Push"-Aufbau
einen Schalter vorzusehen.
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Das
Ausgangssignal des Oszillators wird beispielsweise mit Hilfe einer
Antenne (nicht abgebildet) erzielt, die mit dem Gehäuse gekoppelt
ist, das die Elemente 40, 42 und 44 enthält.
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Er
funktioniert über
den gesamten Ultrahochfrequenzbereich, d.h. von 500 MHZ bis 60 GHz.
Besonders gute Resultate erzielt er im Ku-Band zwischen 10 und 155 GHz. Er ist
insbesondere im Bereich der Telekommunikation und/oder bei der Übertragung
von digitalen Fernsehsignalen nützlich.
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In
der in 4 dargestellten Ausführungsvariante beinhaltet der
Oszillator einen Resonator 44, mit dem vier primäre Oszillatoren
verbunden sind, d.h. die vier aktiven Elemente 60, 62, 64 und 66.
Diese aktiven Elemente sind Verstärker, die so installiert sind,
dass der Eingang eines Verstärkers
mit dem Eingang eines anderen, benachbarten Verstärkers über einen
entsprechenden Anschluss 70 und 72 verbunden ist,
und der Ausgang jedes Verstärkers
an den Ausgang eines anderen benachbarten Verstärkers über die Anschlüsse 74 bzw. 76 angeschlossen ist.
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So
ist der Anschluss 70 an den Eingängen der Verstärker 60 und 62 angeschlossen
und der Anschluss 72 ist an den Eingängen der Verstärker 64 und 66 angeschlossen.
Der Anschluss 74 ist mit den Ausgängen der Verstärker 60 und 66 verbunden, während der
Anschluss 76 mit den Ausgängen der Verstärker 62 und 64 verbunden
ist.
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Wie
im Aufbau aus 3 wählt man die Positionen der
Anschlüsse
so, dass sich der Eingang und der Ausgang jedes Verstärkers praktisch
in Gegenphase befinden.
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Außerdem ist
der Aufbau so ausgeführt, dass
jeder primäre
Oszillator in Gegenphase zu dem benachbarten primären Oszillator
funktioniert, d.h. dass die Anschlüsse 70, 72, 74 und 76 praktisch Kurzschlüsse oder
virtuelle Massen darstellen. So erzeugt der primäre Oszillator mit dem aktiven
Element 60 beispielsweise Oszillationen in Gegenphase zu
einer Oszillation des primären Oszillators
mit dem aktiven Element 62 und in Gegenphase zur Oszillation des
primären
Oszillators mit dem aktiven Element 66.
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Wie
in der in 3 beschriebenen Ausführungsvariante
schwingt der Oszillator mit vier aktiven Elementen mit der doppelten
Frequenz des Resonators. Hierzu ist anzumerken, dass in dieser Ausführungsvariante
zwei nicht benachbarte Oszillatoren in Phase vorliegen.
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Der
Vorteil des Aufbaus aus 4 im Vergleich zu dem in 3 dargestellten
Aufbau besteht darin, dass er die Möglichkeit bietet, einerseits
eine größere Leistung
und andererseits ein noch geringeres Phasenrauschen zur Verfügung zu
stellen.
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Auf
allgemeine Weise kann der Aufbau eine gerade Anzahl an aktiven Elementen
beinhalten.