Forum: HF, Funk und Felder Verstärker zu 433 MHz Colpitts-Oszillator


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von Bastian H. (lucky66)


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Hallo,

ich habe erfolgreich einen Verstärker gebaut, der noch bis über 1 GHz 
gut nutzbar (>10 dB) ist. Aufgebaut als einfache Emitterschaltung mit 
einem BPF196WN (mein kleiner Favorit).

Um nun zu einem 433 MHz Oszillator zu kommen war mein Gedanke einfach 
den Tank Circuit (2 C's und 1L, siehe Foto) vom Colpitts Oszillator 
zwischen Eingang und Ausgang zu setzen (Quelle: 
http://www.circuitstoday.com/colpitts-oscillator). Meine Erwartung wäre, 
dass der Tank Circuit nur bei 433 MHz resoniert und diese somit an den 
Eingang rückkoppelt. Diese werden immer wieder verstärkt und ich sollte 
einen Oszi für 433 MHz haben.

Für eine erste Näherung habe ich mal C1=20pF,C2=40pF und L=10nH gewählt. 
Das trifft gemäß der Resonanzformel die 433 noch nicht genau, ist für 
das Prototypen an dieser Stelle aber für mich ausreichend.

Leichter gedacht als getan, denn leider springt der Oszilator gar nicht 
an und es scheint eher so zu sein, dass die beiden C's das RF-Signal 
einfach auf Masse kurzschließen (da gemäß Z=1/jwC nahezu kein Widerstand 
bei 433 MHz).

Übersehe ich etwas? Wie schaffe ich es den im Bild dargestellten 
Colplitts-Oszillator für 433 MHz funktionstüchtig zu realisieren? 
Übersehe ich kritische parasitäre Effekte?

Viele Grüße und Danke für eure Hilfe
Lucky

von Tobias P. (hubertus)


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Bastian H. schrieb:
> die beiden C's das RF-Signal einfach auf Masse kurzschließen

nein, die sind in Resonanz mit der Spule.

Damit der Oszillator schwingt, müssen sowohl die Amplitudenbedingung 
(Betrag der Schleifenverstärkung >1) als auch die Phasenbedingung 
(Phasenverschiebung in der Schleife n*360°) erfüllt sein.

Das kann man testen, wenn man die Schleife auftrennt (zB vor Cin) und da 
ein 433MHz Signal einspeist und sich anguckt, wie das Signal vor der 
Trennstelle (Verbindung von C2 und L) aussieht. Eventuell muss man noch 
beachten, dass Cin eine Belastung für dieses Signal darstellt.

"einfach so" aber einen Verstärker mit dem Resonanzkreis verbinden 
funktioniert aber tatsächlich nicht ;-)

von Jochen F. (jamesy)


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Die 10 nH kommen mir bauchmäßig als zu niedrig vor für 433 MHz.

von Bastian H. (lucky66)


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@hubertus Danke, ich werde die Messungen gleich mal machen

@jamesy: 1/(2*pi*sqrt(10e-9*(20e-12*40e-12)/(20e-12+40e-12))) = 
4.3586376e8 -> 435 MHz

von Jochen F. (jamesy)


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Ich meinte nicht den Absolutwert, sondern das Verhältnis C/L. Den Wert 
habe ich nicht bezweifelt, aber mache Dir mal klar, wie wenig 10 nH sind 
- das ist etwa 1 cm Draht, nicht gebogen.
Ich habe hier Oszillatoren aufgebaut als VCO, und bin bisher immerhin 
bis 5.5 GHz gekommen, beruflich arbeite ich gerade an einem 80 MHz-VCO, 
der allerdings ein paar Nebenbedingungen erreichen muß.
Ich wollte nicht Deine Kenntnisse in Frage stellen, das wäre in dem Fall 
falsch rübergekommen - bitte entschuldige das.

: Bearbeitet durch User
von Bastian H. (lucky66)


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@jamesy Bitte versteh das auch von meiner Seite aus nicht falsch. Ich 
habe das nicht so gemeint :)

Das L/C-Verhältnis ist tatsächlich eher suboptimal, aber leider weiß ich 
nicht wie ich die Induktivität größer wählen soll, da die Kapazitäten 
bereits so klein. Diese weiter zu verringern wäre schwierig.

Aktuell habe ich für die Frequenzen leider nur meinen 
Spektrumanalysator, da mein Oszi erst nächste Woche wieder kommt. 
Demnach konnte ich nur die Amplitude auswerten:

1.Messung: Tank circuit abgehangen und nur den Verstärker an sich bei 
433 MHz mit -56 dBm angeregt -> Ergebnis 12 dB Verstärkung

2.Messung: Messung wie von hubertus beschrieben: Vor Cin mit 433 MHz 
angeregt und am Verbindungspunkt C2 und L abgegriffen
-> Ergebnis -1 dB Verstärkung bzw. 1 dB Dämpfung

Die geringen Amplituden habe ich gewählt, da der Verstärker nur bis 
-27dBm hoch kommt (dient aktuell als LNA).

Die zweite Messung zeigt demnach, dass mein Problem die 
Schleifenverstärkung ist bzw. zu viel Insertion loss durch den Tank 
circuit.

Den Transistor reize ich schon ziemlich stark aus, daher ist eine 
größere Verstärkung nur schwierig erreichbar. Die Frequenz sei jetzt mal 
dahingestellt, da bei einer Verstimmung des Tank circuits zumindest eine 
Oszillation auf einer anderen Frequenz entstehen sollte (sofern die 
Schleifenverstärkung ausreichend ist).

Frage: Hat jemand eine Idee wie ich den Tank Circuit umgestalten kann, 
damit er mir nicht meine ganze Verstärkung raubt? Oder einen anderen 
Vorschlag wie ich das Problem lösen kann?

Danke für eure Hilfe und viele Grüße
Lucky

von Günter Lenz (Gast)


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Jochen F. schrieb:
>Die 10 nH kommen mir bauchmäßig als zu niedrig vor für 433 MHz.

Ich habe 436MHz ausgerechnet.

Bastian H. schrieb:
>Übersehe ich etwas? Wie schaffe ich es den im Bild dargestellten
>Colplitts-Oszillator für 433 MHz funktionstüchtig zu realisieren?
>Übersehe ich kritische parasitäre Effekte?

Wie sind die anderen Bauteile dimensioniert?
Cout kannst du weglassen. Arbeitspunkt des Transistors richtig
eingestellt? Vielleicht ist die Schwingkreisgüte zu schlecht.
Wie sieht die Spule aus? Ich würde versilberten Kupferdraht
so etwa 1mm Durchmesser verwenden. Vielleicht sind die
Verbindungsleitungen der Schaltung zu lang. Hat die
Betriebsspannung einen Stützkondensator? Wie hast du
detektiert ob die Schaltung schwingt oder nicht?
Vielleich ist die Schaltung für so hohe Frequenzen nicht
geeignet. Um Erfahrungen zu sammeln würde ich mit
niedrigeren Frequenzen anfangen.

von Jochen F. (jamesy)


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Tip: Rechne doch mal den Blindwiderstand von C und L bei 435 MHz aus. 
Das ist im einstelligen Ohm-Bereich. Selbst bei einer hohen Güte des 
Kreises wird man unter einem Kiloohm bei Resonanz bleiben, besonders 
wegen der extrem niedrig gewählten Induktivität.
Das meinte ich mit "Bauchgefühl", da die Impedanzen um den T höher sein 
werden.

von Tobias P. (hubertus)


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Die charakteristische Impedanz des Schwingkreises

Z=sqrt(L/C)

ist eine wichtige Kenngrösse. Prinzipiell kann man jede LC Kombination 
schwingen lassen, aber wenn Z sehr klein ist werden die Ströme gross und 
der Verstärker wird stärker belastet. Im anderen Fall, wenn Z sehr gross 
ist, dann ist zwar die Spannung hübsch gross, aber der Schwingkreis wird 
sehr leicht verstimmt und der geringste parasitäre Effekt verschlechtert 
das Q.
 Tietze und Schenk empfehlen für solche diskreten Oszillatoren ca. 
100-1000 Ohm für Z anzustreben.

von Bastian H. (lucky66)


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Ausführungen sind in SMD 0603 mit gemessenen Streukapazitäten im Bereich 
von 0,5 pF und Streuinduktiväten im Bereich von 0,5 nH.

Betriebsspannung ist gestützt. Ob sie schwingt ist mit 
Spektrumanalysator detektiert. Der Verstärker funktioniert bis weiter 
über 1 GHz, gemessen mit Netzwerkanalysator. Erfahrungen mit ~ 100 MHz 
habe ich durch viele Projekte in der Richtung schon aufgebaut und auch 
433 MHz ist kein Neuland. Nur meine bisherigen Oszilatoren gingen nicht 
weit über 100 MHz hinaus. Wohl fühle ich mich eigentlich in höheren 
Frequenzbereichen, da ich lieber mit Hohlleitern arbeite. Das wird 
jedoch aus finanziellen Gründen nur auf der Arbeit etwas, sodass 
Hobbyprojekte in dem Bereich stattfinden müssen.

von Bastian H. (lucky66)


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@hubertus @jamesy Danke für eure Bemerkungen. Diese treffen beide zu, 
doch soll ich dann wirklich lieber 1 oder 2 pF Kapazitäten nehmen? 
Hinsichtlich der Streukapazitäten glaube ich nicht die Frequenz dann 
noch halbwegs genau treffen zu können :(

Z=sqrt(L/C)

genau darüber mache ich mir Sorgen. Wenn ich L=50nH wähle, benötige ich 
für 100 Ohm 5pF. Da gelange ich in den Bereich der Streukapazitäten. Für 
noch höheren Widerstand sogar noch geringe Kapazitäten.

Z= sqrt(50e-9/5e-12) = 100

1/(2*pi*sqrt(50e-9*(5e-12*5e-12)/(5e-12+5e-12))) -> ungefähr 450 MHz

Soll ich nun wirklich Kapazitäten mit 1 oder 2 pF verwenden? Ich stelle 
mir sehr schwer vor dann am Ende die Frequenz noch präzise zu treffen.

von Günter Lenz (Gast)


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von Jochen F. schrieb:
>aber mache Dir mal klar, wie wenig 10 nH sind
>- das ist etwa 1 cm Draht, nicht gebogen.

Ja, so ist das. Früher in Fernsehtunern waren solche
Schwingkreise ein gerades Stück versilbertes Kupferröhrchen,
etwa so wie eine Kugelschreibermine.

Ich habe hier gerade eine interessante Seite zu disem
Thema gefunden.

https://www.robkalmeijer.nl/techniek/electronica/radiotechniek/hambladen/ukw-berichte/1986/page150/index.html

von Tobias P. (hubertus)


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als Startwert würde ich C1=C2 wählen. Und vielleicht eher einen JFET in 
Goral-Konfiguration.
Ich kann heute Abend meine Spice-Dateien dazu posten.

von Jochen F. (jamesy)


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Bastian H. schrieb:
> @hubertus @jamesy Danke für eure Bemerkungen.
> Soll ich nun wirklich Kapazitäten mit 1 oder 2 pF verwenden? Ich stelle
> mir sehr schwer vor dann am Ende die Frequenz noch präzise zu treffen.

Ich gebe zu bedenken: Die Streukapazitäten sind ja nicht zeitvariante 
Zufallswerte. Die sind da, und bleiben da. Wenn das ganze abgeschirmt 
ist, sind die externen Einflüsse einigermaßen beherrschbar. Wenn schon 
ein SpA vorhanden ist, so kann man das doch gut nachvollziehen.

von Bastian H. (lucky66)


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Das stimmt allerdings. Ich baue es nachher Mal um und teile die 
Ergebnisse. Einen schönen Sonntag euch noch

von Tobias P. (hubertus)


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Wie gesagt hilft hier Spice sehr viel und es ist auch hilfreich, 
Simulationen zu machen durch Auftrennen der Schleife. Das Problem dabei 
ist dann aber, dass sich die Impedanzverhältnisse ändern, wenn man die 
Schleife auftrennt, deshalb habe ich weiter oben den Goral empfohlen, 
weil da das Problem etwas entschärft ist. Mehr dazu später. Ich lade 
dann ein Beispiel hoch, wo ich das für 250MHz durchgespielt habe.

von Helmut -. (dc3yc)


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Schau doch mal, wie die Chinesen das mit ihren 433MHz-ISM-Sendemodulen 
machen: https://gemischtwaren-haendler.de/shopdateien/5299_1.pdf
Einfacher geht's nicht! Ist billig und du bist sicher, dass du auf der 
richtigen ISM-Frequenz bist. Aber bitte keine Antenne an den Verstärker 
hängen!

: Bearbeitet durch User
von Bastian H. (lucky66)


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@hubertus ich habe für den bfp196wn bisher noch kein passendes Spice 
Model und schaffe es auch ehrlich gesagt dort nicht sinnige HF 
Simulationen zu erzeugen. Daher sitze ich mit dem tietze schenk am 
Schreibtisch und rechne noch altmodisch :D

Würde gerne bei dem Transistor bleiben, da ich keinen JFET da habe

@dc3yc danke für den Link. Der Spaß an der Geschichte ist aber das 
selber bauen :) Das ganze ist für ein Projekt auf der Empfangsseite.

von Robert M. (r0bm)


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Bastian H. schrieb:
> Übersehe ich etwas? Wie schaffe ich es den im Bild dargestellten
> Colplitts-Oszillator für 433 MHz funktionstüchtig zu realisieren?

Scheint zu funktionieren. Darauf achten den Verstärkereingang nur leicht 
an den Schwingkreis anzukoppeln.

von Bastian H. (lucky66)


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Hallo r0bm,

danke für die Simulation. Das ist wirklich sehr hilfreich. Ich überprüfe 
nochmal die Koppelkondensatoren.


Welches Simulationstool verwendest du und wie hast du da ein passendes 
Modell für den Transistor gefunden und eingebunden ?

Viele Grüße
Lucky

von Tobias P. (hubertus)


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Bastian H. schrieb:
> Welches Simulationstool verwendest du und wie hast du da ein passendes
> Modell für den Transistor gefunden und eingebunden ?

sieht nach Multisim aus.

Die hier
https://www.infineon.com/cms/en/product/rf-wireless-control/rf-transistor/high-linearity-si-and-sigec-transistors-for-use-up-to-6-ghz/bfp196/
scheinen auch ein SPICE Modell anzubieten!

Bin noch unterwegs und habe grad keinen Zugriff auf meine Files. Da 
hätte ich aber noch einen Designvorschlag. Evt dann morgen ;-)

Bastian H. schrieb:
> Würde gerne bei dem Transistor bleiben, da ich keinen JFET da habe

fair enough. Für später würde ich aber schon empfehlen, ein paar 
MMBFJ310 auf Halde zu legen - die eignen sich perfekt für sowas. Der 
Vorteil ist halt, dass man da keinen Spannungsteiler für das Gate 
braucht - der Spannungsteiler an der Basis deines Transistors stellt ja 
eine zusätzliche Last für den Schwingkreis dar und senkt so dessen Q.

von Tobias P. (hubertus)


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@TO

ich habe hier mal das ganze durchexerziert. Es ist zwar mit JFET. Das 
hat aber wie erwähnt den Vorteil, dass der JFET-Verstärker wesentlich 
hochohmiger ist an seinem Input.

Du kannst es aber auch ohne JFET machen. Dann würde ich aber dennoch 
einen Versuch machen mit dieser Goral-Topologie. Sie ist zwar recht 
unbekannt und wird auch im Tietze Schenk nirgends erwähnt, aber ich habe 
damit gute Erfahrungen gemacht. Dank des zusätzlichen Transistors ist 
die Analyse einfacher, weil der Loop besser entkoppelt ist (d.h. die 
Impedanzverhältnisse ändern sich weniger stark, wenn du zur Analyse die 
Schleife auftrennst).
Ich habe damals den Oszillator genau so aufgebaut, wie ich ihn simuliert 
hatte, und er ist auf anhieb angeschwungen, ohne dass ich ein einziges 
Bauteil optimieren musste, auch der Frequenzbereich hat sehr gut zur 
Simulation gepasst :-) das hat mich enorm gefreut.
Vielleicht helfen dir die Graphen ja ein bisschen was.

Den Oszillator habe ich verwendet um ein 0dBm Signal für einen Mischer 
zu erzeugen. Der musste genaue 50 Ohm sehen, daher war es auch noch 
Vorteilhaft, dass man mit dem 2. Transistor quasi kostenlos einen sauber 
isolierten 50 Ohm Ausgang bauen kann.

Gruss
Tobias

von Bastian H. (lucky66)


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Jochen F. schrieb:
> Bastian H. schrieb:
>> @hubertus @jamesy Danke für eure Bemerkungen.
>> Soll ich nun wirklich Kapazitäten mit 1 oder 2 pF verwenden? Ich stelle
>> mir sehr schwer vor dann am Ende die Frequenz noch präzise zu treffen.
>
> Ich gebe zu bedenken: Die Streukapazitäten sind ja nicht zeitvariante
> Zufallswerte. Die sind da, und bleiben da. Wenn das ganze abgeschirmt
> ist, sind die externen Einflüsse einigermaßen beherrschbar. Wenn schon
> ein SpA vorhanden ist, so kann man das doch gut nachvollziehen.

Hallo nochmal an alle,

@jamesy Vielen Dank nochmal für den hilfreichen Hinweis! Ich habe es 
umgebaut und entsprechend mit einer größeren Induktivität und kleineren 
Kapazitäten ausgestattet. Dank Spektrumanalysator ließen sich auch die 
parasitären Einflüsse in den Griff bekommen. Aktuell habe ich die 
Frequenz noch nicht ideal getroffen, aber das bekomme ich auf jeden Fall 
auch noch hin. Final optimiere ich das ganze nun noch noch. Ich rechne 
mir aktuell das T nochmal separat aus (Analyse hinsichtlich Güte etc.) 
und werde die Impedanz am Ende noch matchen. Außerdem werde ich das 
ganze nun parallel auch in der Simulation versuchen mal durchlaufen 
lassen.

Dank euch habe ich jetzt eine gesunde Basis mit der ich weiterarbeiten 
kann.

Tobias P. schrieb:
> ich habe hier mal das ganze durchexerziert.

Wow, vielen Dank, dass du die Ergebnisse mit mir teilst. Ich mache 
aktuell gerade wieder eine Mouser-Bestellung fertig und habe mir gemäß 
deinem Rat auch ein paar hier von reingetan: 
https://www.mouser.de/ProductDetail/ON-Semiconductor/MMBFJ310LT3G?qs=HVbQlW5zcXUxpOb1Nt2lgA%3D%3D

Sobald die da sind, versuche ich mein Glück mal mit der Goral-Topologie. 
Die Geschichte scheint wirklich Charme zu haben.

Falls jemand von euch mal Unterstützung mit Hohlleiter- oder 
dielektrischen Komponenten benötigt, kann ich mich vielleicht 
revanchieren ;)

Vielen Dank an alle für die tolle Unterstützung!

Viele Grüße
Lucky

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von Tobias P. (hubertus)


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Bastian H. schrieb:
> Falls jemand von euch mal Unterstützung mit Hohlleiter- oder
> dielektrischen Komponenten benötigt, kann ich mich vielleicht
> revanchieren ;)

da meld ich mich doch gleich ;-)

* design von DRO-Oszillatoren - ich habe mal einen gebaut (2.5GHz), hat 
gut funktioniert und ca. 20dBm Leistung raus gehauen, aber das war wohl 
eher so ein "lucky punch" :-) Doku ist leider alles verloren gegangen. 
Würd aber gern wieder einen bauen, so für 10GHz oder ähnlich.
* Hohlleiter Oszillatoren: wie könnte man für 26.5-40 GHz einen Oszi in 
Hohlleitertechnik bauen? oder vielleicht einfacher, einen Multiplier mit 
Diode, wo man z.B. mit 13-20 GHz rein kommt? so wie hier: 
http://www.pacificmillimeter.com/Multipliers.html die Dinger sind extrem 
kompakt und da scheint nicht mehr als eine einzelne Diode drin zu sein. 
Aber Anpassnetzwerk=? verwendeter Diodentyp=? keine Idee diesbezüglich. 
Spannend wäre es aber, weil ich dann mit meinem 20GHz Signalgenerator 
und einem Speki zumindest einen einfachen Skalaranalysator bauen könnte.

Tja das sind die ewigen Klassiker auf meiner Todo Liste. Besonders die 
DROs werden immer stark mystifiziert und niemand will da so recht sagen, 
wie man die baut.


Bastian H. schrieb:
> gerade wieder eine Mouser-Bestellung fertig und habe mir gemäß
> deinem Rat auch ein paar hier von reingetan:
> 
https://www.mouser.de/ProductDetail/ON-Semiconductor/MMBFJ310LT3G?qs=HVbQlW5zcXUxpOb1Nt2lgA%3D%3D

gut ;-) ja, obwohl die Dinger SMD sind, kann man sie trotzdem noch 
einigermassen gut als Dead-Bug zusammen braten, die Pins sind grade noch 
gross genug. Man muss also nicht gleich eine Leiterplatte machen.

: Bearbeitet durch User
von Bastian H. (lucky66)


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Tobias P. schrieb:
> design von DRO-Oszillatoren - ich habe mal einen gebaut (2.5GHz), hat
> gut funktioniert und ca. 20dBm Leistung raus gehauen, aber das war wohl
> eher so ein "lucky punch" :-) Doku ist leider alles verloren gegangen.
> Würd aber gern wieder einen bauen, so für 10GHz oder ähnlich.

An was genau für einen Dro denkst du da ? 10 GHz, also mit WR90 
Rausführung? Was für Dielektrika hast du auf Lager? Womit machst du die 
Simulation ? CST oder HFSS? CST wäre schöner , weil ich mit HFSS erst 
zwei Jahre Erfahrung habe :p

Tobias P. schrieb:
> Hohlleiter Oszillatoren: wie könnte man für 26.5-40 GHz einen Oszi in
> Hohlleitertechnik bauen? oder vielleicht einfacher, einen Multiplier mit
> Diode, wo man z.B. mit 13-20 GHz rein kommt? so wie hier:
> http://www.pacificmillimeter.com/Multipliers.html die Dinger sind extrem
> kompakt und da scheint nicht mehr als eine einzelne Diode drin zu sein.
> Aber Anpassnetzwerk=? verwendeter Diodentyp=? keine Idee diesbezüglich.
> Spannend wäre es aber, weil ich dann mit meinem 20GHz Signalgenerator
> und einem Speki zumindest einen einfachen Skalaranalysator bauen könnte.

Im "Grundprinzip" ist es auch nicht viel mehr. Die Arbeiten da mit einer 
Gunn-Diode. Diese besitzt keinen klassischen PN Übergang, sondern einen 
n+,n,n+ und hat die schöne Eigenschaft mit der richtigen Vorspannung 
einen negativen differentiellen Widerstand zu haben, welcher sich mit 
dem positiven Widerstand der restlichen Schaltung canceld und zu einem 
differentiellen Widerstand insgesamt von 0 führt.Dadurch fängt es zu 
schwingen an. Die Frequenz hängt von der gewählten Gunn-Diode ab, da die 
aus der breite der aktiven Schicht in der Diode resultiert.

Zu bedenken gibt es eben, dass die Wellenlängen bei dem von dir 
genannten Frequenzbereich kleiner gleich einem cm sind und gemäß 
Rayleigh-Kriterium für Wellen (ursprünglich aus der Optik) selbst die 
kleinsten Abweichungen schon einen Einfluss auf das Ergebnis haben 
(kleiner gleich Lambda/16). Deshalb ist die genaue Positionierungen der 
Diode im Hohleiter-Element sehr wichtig. Da lohnt es sich vorher 3D 
Simulationen laufen zu lassen, sich das E-Feld im Hohlleiter bei der 
gewünschten Frequenz anzuschauen und die Diode entsprechend zu 
platzieren (hier steck mehr oder weniger deine Anpassung). Mit 
Faustregeln kommt man hier meines Wissens nach nur noch begrenzt weiter.

Schau am besten mal hier: 
http://www.ijmer.com/papers/Vol2_Issue5/FC2539083911.pdf

EDIT: Hab das hier noch gefunden: 
https://www.elprocus.com/gunn-diode-working-characteristics-and-its-applications/
-> Da wird es auch schön erklärt und ist ein leichteres Beispiel als in 
dem Paper (Nur Waveguide Feed + Gunn Diode)

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