DE2110903A1 - Hochfrequenzenergiekonverter - Google Patents

Description

D1PL.-ING. GÜNTHER KOCH
DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 8· März 1971 uNSERZEicHEN: 1j5 o66 - K/vM

Sperry Rand Corporation., New York, USA, Hochfrequenzenergiekonverter

Die Erfindung besieht sich auf einen Hochfrequenzenergiekonverter. Insbesondere bezieht sieh die Erfindung auf Konverter zum Verstärken von Mikrowellen oder Hochfrequenzsignalen oder zur Frequenzwandlung bzw«, Vervielfachung solcher Signale, wobei einfache kompakte und billige Elemente benutzt werden und gewährleistet ist, daß EnergieVerluste im Einschwingzustand verhindert sind.

Grundsätzliche Hochfrequenzschwingungen wurden oft in Systemen beobachtet, die Hohlräume oder andere Resonatoren oder Hochfrequenzübertragungsleitungen mit Halbleiterdioden kombinieren, die einen nützlichen negativen Widerstandseffekt geben, wenn sie in einem geeigneten Vorspannfeld angeordnet werden. Solche Grundfrequenzschwingungen wurden beispielsweise bei Silizium- und Germanium-Dioden sowohl bei pulsierendem Betrieb als auch bei kontinuierlichem Betrieb beobachtet. Dioden nrit abrupten p-n Verbindungen wurden beispielsweise in solchen Schaltungen benutzt. Wirkungsgrade bis zu etwa 40 % wurden bei der Erzeugung von Grundsignalfrequenzen bei kontinuierlichem Wellenbetrieb derartiger Dioden-Oszillatoren beobachtet.

Eine wirksame Erzeugung nützlicher harmonischer Energie in ähnlich angeordneten einfachen Schaltungen wurde jedoch nicht

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merklich verbessert. Teilweise war das Problem mit der Schaffung geeigneter Mittel für eine unabhängige Anpassung, -Abstimmung und sonstige Einstellung der Einzelteile des Kreises verknüpf^, in der Grundsignale und harmonische Signale gemischt, oder getrennt fließen«, Zum Teil sind auch Probleme aufgetreten^ die abhängen von der Natur der negativen Widerstandseigenschaften der Halbleiterdioden, von denen ein Teil nur in der Umgebung eines Mikrowellenfeldes auftritt. Bei der Anwendung von Dioden, die Lawineneffekte besitzen, können außerdem gewisse parametrische Effekte auftreten. Außerdem sind diese Charakteristiken nicht immer stabil und 'scheinen in unvorhersehbarer Weise miteinander verknüpft zu sein. Niedrige Konversionswirkungsgrade und schwierige Kühlerfordernisse stellten bei bekannten Dioden ebenfalls schwerwiegende Probleme dar«

Gemäß der Erfindung ist ein Hochf-requenzenergiewandler zwecks Lösung der gestellten Aufgabe in der Weise ausgebildet, daß er eine hohle Übertragungsleitung aufweist, die einen Innenleiter und einen rohrförmigen Außenleiter besitzt, wobei eine leitfähige Wand den rohrförmigen Außenleiter kurzschließt, daß eine Lawinendiode elektrisch mit der leitfähigen Wand und dem Innenleiter verbunden ist, daß Schaltungsmittel die Lawinendiode mit -einem in einer Richtung verlaufenden Feld unter dem charakteristischen Durchbruchsfeld vorspannen, daß Kopplungsmittel ein hochfrequentes Trägerfeld an die Diode legen, das dem in einer Richtung verlaufenden Feld überlagert wird, so daß das Gesamtfeld über der Diode über einen kritischen Lawinenfeldstromtriggerwert zum Zwecke der Erregung verstärkter Hochfrequenzfelder in der Koaxialübertragungsleitung ansteigt, und daß ein Impedanztransformator das wirksame Abziehen der Hochfrequenzfelder von der Übertragungsleitung erleichtert.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Konverter ein Mikrowellensignalverstärker oder ein Hochfrequenzsignalverstärker bzw. ein Frequenzkonverter, bei dem die Diode eine Halbleiterdiode ist, die als aktiver negativer Widerstand in einer vielfach abgestimmten übertragungsleitung der Koaxialbauart angeordnet ist. Die Koaxialleitung ist durch die Halbleiterdiode abgeschlossen. Impedanzanpaßeinrichtungen,bestehend aus Abschnitten von Übertragungsleitungen mit niedriger Impedanz, die zwischen der Diode und einer äußeren Leitung angeordnet sind, werden benutzt, um die Schaltung für einen wirksamen Betrieb einzustellen. Im Betrieb wird ein in einer Richtung verlaufendes Potential an die Halbleiterdiode derart angelegt, daß diese bis fast am Durchbruchspegel vorgespannt sind. Das Hochfrequenz- oder Mikrowellensignal erzeugt, wenn es dieser Vorspannung überlagert wird, große Änderungen der augenblicklichen Diodenspannung bzw. des Stromes, wobei die Änderunger derart sind, daß ein großer pulsierender negativer Widerstand bei der gleichen Frequenz erzeugt wird, die das angelegte Hochfrequenzsignal besitzt.Die Stromwelle enthält zahlreiche harmonische Komponenten, die an ein oszillierendes harmonisches Hochfrequenzfeld gekoppelt werden können, um verstärkte harmonische Signale zu erzeugen.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Konverters, ι Fig. 2 ein äquivalentes Schaltbild zur Erläuterung der Arbeitsweise des Konverters nach Fig.l,

Fig. 3 ein Blockschaltbild, welches veranschaulicht, wie der Konverter nach Fig.l bei der Benutzung angeschlossen werden kann,

Fig. 4 ein weiteres Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Konverters.

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Fig. 1 zeigt den Signalkonverter 50, der als Verstärker und als Frequenzvervielfacher benutzt werden lann. Der Konverter 50 weist einen koaxialen Leitungsabschnitt mit einem stabförmigen Innenleiter 1 und einen diesen umgebenden Außenleiter in Gestalt eines metallischen Rohres 2 auf, der ähnlich gute elektrische Leiteigenschaften besitzt. Wie bei Hochfrequenzkreisen ganz allgemein ist es auch im vorliegenden Fall hauptsächlich die stromführende Oberfläche *j5 bzw. 4 von Innenleiter 1 bzw. Außenleiterrohr 2 die besonders gute elektrische Leiteigenschaften für Hochfrequenzströme aufweisen. Das Rohr 2 ist durch eine metallische Stirnwand bzw. eine Kurzschlußwand 5 abgeschlossen, die einstückig mit dem Rohr hergestellt sein kann und eine innere Oberfläche 6 mit hoher Leitfähigkeit aufweist. Der Konverter 50 besitzt außerdem eine Halbleiterdiode ¹J, von der eine Elektrodenoberfläche in bekannter Weise leitend mit der Oberfläche 8 des Innenleiterstabes 1 verbunden ist. Eine zweite Oberfläche der Diode 7 ist in gleicher Weise leitfähig mit einem Abschnitt 9 der Oberfläche 6 an der Endplatte 5 angeschlossen.

In im Abstand zueinander liegenden Intervallen sind innerhalb des Konverters einstellbare Impedanzanpaß- oder Transformierungselemente 10,11 und 12 angeordnet. Das Element 10 besteht z.B. aus einem massiven Ring elektrisch leitfähigen Metalls mit einem Außendurchmesser, der eine Längsbewegung innerhalb des Rohres 2 in Berührung mit der Oberfläche 5 zuläßt. Ein kurzer in Längsrichtung verlaufender Schlitz 13, der durch die Wandung des Rohres 2 geführt ist, erlaubt eine Einstellung des Elementes 10 und dann eine Festlegung an Ort und Stelle durch Anziehen einer Schraube 15 gegen eine Unterlegscheibe 14. Die Schraube 15 ist in ein Gewindeloch des Elementes 10 eingeschraubt. Die Lage des in gleicher Weise ausgebildeten Impedanztransformationselementes 11 kann ebenfalls in Längsrichtung eingestellt und dann in der betreffenden Stellung festgelegt werden, zu welchem Zweck wiederum ein Schlitz 16, eine Unterlegscheibe 17 und eine Schraube 18

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vorgesehen sind, welch letztere in das Element 11 eingeschraubt ist. Das dritte* in gleicher Weise ausgebildete Impedanztransformationselement 12 wirläfc in gleicher Weise mit einem Schlitz 19» einer Unterlegscheibe 20 und einer Schraube 21 zusammen , die in gleicher Weise eingestellt und dann fixiert werden kann. Die Impedanzanpaß- bzw. Transformationselemente 10,11 und 12 sind an sich bekannt und arbeiten individuell in bekannter Weise* Bei der erfindungsgemäSen Anordnung wirken sie Jedoch in unüblieher Weise zusammen^ wie im folgenden erläutert wird. Sie können natürlich auch eingestellt und dann permanent durch eine Verlötung fixiert werden*,

Die Impedanztransformationsringelemente 10f11,12 haben eine zweite Punktion: Sie bilden nämlich einen Träger für den Innenleiter 1 relativ sum Außenleiter 2, So umgibt der Transformatorring 10 einen Ring aus dielektrischem Material mit geringen Verlusten, der an ihm an der Oberfläche 28 nach irgendeinem bekannten Verfahren festgelegt ist und frei auf der Ober-

des
fläche 5/Innenleiters 1 gleiten kann. In gleicher Weise umgeben die Transformatorelemente 11 und 12 dielektrische Ringe 26 und 27 mit niedrigen Verlusten, die an den Oberflächen 29 und 30 der Transformatorelementen 11 und 12 festgelegt sind. In gleicher V/eise können die dielektrischen Ringe 26 und 27 frei auf der Oberfläche 3 des Innenleiters 1 gleiten.

Eine koaxiale Leitungseingangszuführung, bestehend aus einem Innenleiter 41 und einem Außenleiter 40 ist über eine öffnung in der Wand 5 festgelegt, um die Erregung einer Kopplungsschleife 35 und einer aus den Leitern 1 uns 2 bestehenden Übertragungsleitung durch ein Eingangssignal (jj _F von irgendeiner geeigneten Quelle zu bewirken. Ein Ausgangssignal der Frequenz U^ oder Uv kann an der rechten Seite der Figur direkt von den Leitern 1 und 2 der Vorrichtung 50 oder in anderer bekannter Weise abgenommen werden.

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Gemäß Pigel und 3 wird eine geeignete, in einer Richtung verlau fende Vorspannung den Elektroden 8 und 9 der Diode 7 angelegt. Ein zweckmäßiges Verfahren'ist in Pig.3 dargestellt, das auch eine Ausführungsform des Gerätes veranschaulicht, welches von der Erfindung Gebrauch macht«, Ein Signalgenerator 49 liefer.t Hochfrequenzenergie mit einer Frequenz UJ„ über Leiter 4O,4l dem erfindungsgemäßen Signalgeneral bzw. Konverter 50. Das Ausgangssignal wird vom Konverter 50 über eine Übertragungsleitung 55 abgenommen, die einfach von einer Portsetzung der Leiter 1 und 2 gebildet, werden kann. In der Leitung 55 durchläuft das Ausgangssignal ein'konventionelles Vorspannungs-T-Verbindungsstück 51 und fließt im wesentlichen ungestört nach irgendeinem Verbraucher 52.

Das Wesen der Vorspann-T-Verbindung 51 besteht darin, einen durch den Erdkreis 56 vervollständigten Kreis zu speisen, um ein Vorspannfeld an die Diode 7 anzulegen. Das so angelegte Vorspannfeld kann durch Einstellung eines Potentiometers 53 gewählt werden, das mit einer ,Spannungsquelle 54 gekoppelt ist.

Es hat sich gezeigt, daß eine Diode jener Bauart, die allgemein als "Lawinen-Laufzeitdiode" bezeichnet wird, all jene Charakteristiken aufweist, die für die Diode 7 benötigt werden. Sie kann entweder in bekannter Form als Stoßlawinen-Laufzeitdiode benutzt werden, wie es unter dem Namen IMPATT-Diode bekannt ist. Oder es kann eine Benutzung in Form einer getriggerten Pangplasmalawinenlaufzeitdiode erfolgen, wie sie unter der Bezeichnung TRAPATT-Diode bekannt ist. Die Diode 7 kann z.B. eine Epitaxial-Silizium-Diode oder eine andere p-n-oder Stufendiode oder eine Flächendiode oder eine p-n-n+-Durchgriffsdiode sein, derart, daß bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes ausreichende? Amplitude dieses Feld ein Substrat bei

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dem umgekehrten Durchbruch dunchgreift. Derartige Dioden werden z.B. durch Diffusion von Bor aus einer Bor-NitriCt-Quelle in ein mit Phosphor angereichertes epitaxiales Material auf einer unterlage hergestellt, die stark mit Antimon angereicht ist. Die Dicke der -epitaxialen Schicht wird durch Ätzen verändert, bevor die Diffusion erfolgt, um den p-n-Aufbau oder den p-n-n+ Aufbau zu erhalten.

Die Fig. 1, 2 und 3 werden benutzt, um weiter eine mögliche Theorie der Arbeitsweise der Erfindung zu diskutieren. Dabei ist zunächst festzustellen, daß die Figuren 1 und 3 untereinander in einer bestimmten Weise derart ausgerichtet sind, daß gewisse elektrische Bezugsebenen, die die Phasenwinkel G₁, Gp und Θ, bilden, vertikal ausgerichtet sind. Es ist weiter festzustellen, daß die Schaltung gemäß Fig.2 sehr genau die Arbeitsweise der W Erfindung veranschaulicht, wenn die Vorrichtung als Verstärker arbeitet. Da das Ausführungsbeispiel eine verteilte Schaltung umfaßt^ ist es nicht möglich, mit völliger Genauigkeit die Arbeitsweise bei im harmonischen Abstand liegenden Frequenzen zu definieren, wenn man eine konstante äquivalente Schaltung benutzt. Die Theorie wird daher nur zur Veranschaulichung des allgemeinen Prinzips der Arbeitsweise der Erfindung benutzt.

Der Impedanztransformator 10 gemäß Fig.l hat für das eintretende Signal(t/ ™ eine Viertelwellenlänge und ist in einem Abstand G, von der Ebene der Diode 7 zentriert. Andererseits sind die Transformatorelemente 11 und 12 bezüglich des Eingangssignales Mk U/ „ ein Achtelweilenlänge lang. Das Element 11 ist in einem Abstand Gp von der Mittelebene des Transformatorelementes 10 zentriert, während das Transformatorelement 12 in einem Abstand G-, von der Mittelebene des Transformatorelementes 11 .distanziert liegt.

Das Element 10 liegt im wesentlichen in einer elektrischen Länge G, von der Ebene der Diode J entfernt, so daß die Schleife A

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bei - (jj„ und sämtlichen Harmonischen hiervon in Resonanz befindlich ist. Die Lagen der Mittelebenen der Elemente 11 und 12, d.h. die Werte von Gp und Q^, werden so eingestellt, daß die Diode 7 in einer erstreckten Schleife B mit einer Resonanz bei η Uz₁₇₁

i?

liegt oder z.B. bei ^u·. Die Menge η ist eine positive ganze Zahl einschließlich 1. Wie aus Pig.3 ersichtlich, wirkt das Element 10 als Sperrfilter und besteht aus dem Kondensator C₁ und der Induktivität L und zwar sperrt das Filter bei der Frequenz £[/„. Dies führt zu einer Einstellung,durch welche verhindert wird, daß Energie mit der Frequenz U/„ die Last erreicht. Mit anderen Worten ausgedrückt, heißt dies, daß die Transformatorelemente 11 und 12 in Fig.3 als Kondensatoren Cp und G-, dargestellt sind und zwar an Stellen, die durch die jeweiligen Werte

• vpn G₁ und Θ, bestimmt werden. Die Winkel β_ο und Θ-. können so 13 2 3

eingestellt werden, daß ein Stromfluß bei der Frequenz &/„

oder bei hierzu harmonischen Signalen η Uf ¹^ nach der Last

j?

52 hin zugelassen ist.

Wie erwähnt, kann das Eingangssignal der Frequenz l\j^ dem Konverter 50 in Fig.l über die kpaxiale Übertragungsleitung zugeführt werden, die die Leiter 40 und 41 umfaßt und über die Koppelschleife 35· Ein in einer Richtung wirkendes Vorspannfeld wird an die Diode 7 angelegt und dieses wird, wie oben erwähnt, beispielsweise von einer Batterie 54, einem Potentiometer 53 und· eine Vorspann-T-Verbindung 51 erhalten. Das Potentiometer 53 wird so eingestellt, daß der Spitzenwert des elektrischen Filters über der Diode 7 innerhalb weniger Volt des Sperrzusammenbruches liegt.

Im eingeschwungenen Zustand ohne Vorhandensein eines Eingängssignales mit der Frequenz 4/_ra fließt im wesentlichen kein Gleichstrom durch die Diode 7 und es wird keine Leistung vergeudet. Ein unerwünschter Leistungsverbrauch und eine Erhitzung der Diode 7 werden so vermieden. Wenn Hochfrequenzenergie mit der Frequenz Uj ρ dem Konverter 50 zugeführt wird, ist das elektrische Feld

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über der Verbindung der Diode 7 gleich der Summe einer in einer Richtung verlaufenden Vorspannfeldkomponente und der Wechselfeldkomponente von hoher Frequenz ^™· Immer wenn die Zeitänderung von Ansteigen und Spitzenwert des gesamten Feldes über der Diode 7 den kritischen Wert überschreitet, itfird eine Lawinenstoßwelle erzeugt, die bewirkt, daß das elektrische Feld innerhalb der Diode 7 augenblicklich auf einen sehr niedrigen Wert fällt.

Infolgedessen kann ein sehr großer Stromimpuls von der Batterie 54 nach der Diode 7 abfließen· Der Spitzenwert des Stromimpulses hat eine Amplitude in der Größenordnung von dem Zehnfachen der Amplitude des Hochfrequenzsignales U)^_t wie experimentell beobachtet wurde. Dieser Stromstoß ist abrupt und daher reich an Harmonischen, so daß ein harmonisches elektrisches Signalfeld der Frequenz &/„ leicht mit der Schleife B des Konverters gekoppelt werden kann» Eine Verstärkung des Signals ergibt wegen den relativ geringen Abweichungen vom -£/-Signal* was nur um wenige Volt relativ zur Durchbruchsspannung schwankt, eine Triggerung einer relativ greifen Schwingung im Stromfluß durch die Diode 7· Wegen des breiten Diodenstromschwingens von dem Wert von etwa Null ist eine Verstärkung oder Frequenzvervielfachung ein wirksames Verfahren und ein Wirkungsgrad von j50# für eine Umformung von Gleichstrom in Hochfrequenzwechselstrom wurde experimentell bei der zweiten Harmonischen von 2,8 GHz beobachtet. Beim Fehlen des Signales ü/ _p geht leine Energie verloren. Auf diese Weise werden leicht einstellbare Schaltungselemente benutzt, um eine wirksame Energieumformung zu erhalten.

Wie bereits bei der Diskussion der Fig.2 bemerkt, kann nur eine ungefähre Annäherung dadurch gegeben werden, um die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig.l für die Erzeugung von Harmonischen sowie für Verstärkung zu geben. Fig.4 kann benutzt werden, um eine allgemeine annehmbare Theorie zu geben.

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Gemäß Fig.4 ist die Diode 6 an einen äußeren Lastwiderstand 52 über eine Hochfrequenzfilterstufe 60 angeschlossen. Die Filterstufe 60 ist dadurch charakterisiert, daß sie eine Eingangsimpendanz Z ( LJ ) und eine Übertragungsfunktion H ( U)) hat. Die Filterstufe 60 ist so ausgebildet, daß die Eingangsimpendanz Z {(if) gleich der konjugierten Impedanz Z (a) der Diode 7 bei der Eingangsfrequenz

ist und ebenso bei allen Harmonischen η Ci/- hiervon. Diese Einstellung a-möglicht das Fließen eines Hochfrequenzstromes durch die Diode 7 bei Frequenzen CU _p und allen Harmonischen hiervon. Die Übertragungsfunktion H ((J) ist so gewählt, daß nur der Strom bei der harmonischen Ausgangsfrequenz U/π im Lastwiderstand 52 fließt. Die Ausgangsfrequenz kann die w gleiche sein wie die Eingangsfrequenz 4/™ oder die gleiche wie Harmonische hiervon (n44)· Di ^e Lagen und Längen der versehiedenen Abstimm» oder Anpaßelemente in Fig.l sind.so gewählt, daß die Erfordernisse erfüllt werden, die durch Z (U/) und H {CO) erhalten werden.

Aus Fig.4 ist bei der Betriebsweise des Konverters nach Fig.l erkennbar, daß eine alternative Vorrichtung zum Abziehen von Hochfrequenzenergie aus dem Konverter darin besteht, eine bekannte Zirkulatorvorrichtung in der Impedanzbezugsebene T gemäß Fig.4 anzuordnen. Eine solche Vorrichtung kann bei der Verstärkung benutzt werden, um Eingang und die verstärkten Ausgangssignale zu trennen.

Wenn die Ausgangsfrequenz gleich der Eingangsfrequenz ist, wie es bei der Verstärkung der Fall ist, dann wird die Übertragungsfunktion H (Cc'_W) gleich dem Einheitswert und Null für alle Harmonischen. Bei der Erzeugung von Harmonischen (Frequenzvervielfachung) und wenn die Ausgangsfrequenz z.B. den Wert der η-ten Harmonischen von CJ hat, dann wird die Übertragungsfunktion H (n 4/_p) gleich der Einheit, während die Übertragungsfunktion für den Grundwert Null ist.

Patentansprüche :

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Claims (1)

1. Patentansprüche :

   Il.) Hochf reque'nzenergiekonverter,

   dadurch gekennzeichnet, daß er eine hohle übertragungsleitung aufweist, die einen Innenleiter (1) und einen rohrförmigen Außenleiter (2) besitzt, wobei eine leitfähige Wand (5) den rohrförmigen Außenleiter (2) kurzschließt, daß eine Lawinendiode (7) elektrisch mit der leitfähigen Wand (5) und dem Innenleiter (1) verbunden ist, daß Schaltungsmittel (53*5^) die Lawinendiode (7) mit einem in einer Richtung verlaufenden Feld unter dem charakteristischen Durchbruchsfeld vorspannen, daß Kopplungsmittel (40,4l) ein hochfrequentes Trägerfeld ™ an die Diode (7) legen, das dem in einer Richtung verlaufenden Feld, überlagert wird, so daß das Gesamtfeld über der Diode (7) über einen kritischen Lawinenfeldstromtriggerwert zum Zwecke der Erregung verstärkter Hochfj. equenzfeider in der Koaxialubertragungsleitung ansteigt,und daß ein Impedanztransformator (11,12) das wirksame Abziehen der Hochfrequenzfelder von der Übertragungsleitung erleichtert.

   2. Konverter nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß Innen- und Außenleiter s±» (1 bzw.2) konzentrisch angeordnet sind. Λ

   3· Konverter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lawinendiode (7) eine Stoßlawinenlaufzeitdiode ist.

   4. Konverter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lawinendiode eine fangplasma-lawinengesteuerte Laufzeitdiode ist·

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   5« Konverter nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Impedanztransformators (11,12) als Sperrfilter für den Hochfrequenzträger dient, um das Hochfrequenzträgerfeld in einem Bereich der übertragungsleitung in der Nähe der Lawinendiode (7) zu halten.

   6. Konverter nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanztransformator (11,12) dielektrische Teile (26,27) besitzt* um den Innenleiter (1) abzustützen.

   7. Konverter nach den Ansprüchen 1. bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanztransformator aus drei Teilen (10,11,12) besteht, die jeweils in Längsrichtung innerhalb der hohlen Übertragungsleitung einstellbar sind.

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