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Abstimmbarer parametrischer Mikrowellenverstärker-Mischer
Die Erfindung betrifft eine abstimmbare parametrische Mikrowelleneinrichtung zum Verstärken und
Mischen und dient zum Umwandeln von Mikrowellensignalen geringer Leistung in Mikrowellensignale anderer Frequenz, wobei das umgewandelte Mikrowellensignal zugleich verstärkt wird. Die Frequenz- umwandlung- im folgenden Mischung genannt-und die Verstärkung werden dabei durch eine parametri- sche Halbleiterdiode bewirkt. Die Verstärkung des parametrischen Verstärker-Mischers beträgt etwa 25 db, seine Bandbreite etwa 0, 5 MHz und sein Arbeitsfrequenzbereich 3400 - 3800 MHz.
Eine bisher bekannte Verstärkeranordnung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Ihre Arbeitsweise kann an Hand der in Fig. 2 dargestellten Ersatzschaltung erläutert werden. Das zu mischende und ver- stärkende Signal wird in einen Schwingungskreis I eingekoppelt, dessen Resonanzfrequenz auf die Fre- quenz des eingekoppelten Signals abzustimmen ist. Ein Schwingungskreis II ist auf die Frequenz des ge- mischten Signals abgestimmt, wobei das gemischte und verstärkte Signal diesem Schwingungskreis ent- nommen wird. Der Wert Ccs der Kopplungskapazität zwischen den beiden Schwingungskreisen ändert sich zeitlich mit der Frequenz f. Diese Kapazität wird durch eine sogenannte parametrische Diode gebildet, deren Kapazität von der angelegten Spannung abhängt.
Deshalb muss diese Diode zwecks Kapazitätsänderung durch ein Signal von der Frequenz fp gesteuert bzw. - wie es in der Literatur üblicherweise genannt ist-gepumpt werden. Die Pumpfrequenz ist in der Regel höher als die Frequenz des zu mischenden und verstärkenden Signals. Ein Schwingungskreis III ist auf diese Frequenz abgestimmt und hier ist auch der Pumposzillator angeschlossen. Die Mischung erfolgt in der Weise, dass mit Änderung der Kapazität der parametrischen Diode am Schwingungskreis II als Differenz zwischen Pumpfrequenz und Signalfrequenz das gemischte Signal erscheint. Die Verstärkung wird dadurch herbeigeführt, dass bei hinreichend hohen
Gütefaktoren der Schwingungskreise I und II die zugeführte Pumpleistung durch die die veränderliche Kapazität bildende Halbleiterdiode zum Teil auf den Schwingungskreis II bzw. auf das gemischte Signal übertragen wird.
Das Mass dieser Energieübertragung und somit der Verstärkung kann durch die Leistung der Pumpfrequenz geregelt und auf einen bestimmten optimalen Wert eingestellt werden.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform werden die Schwingungskreise I - III durch einen Hohlraum gebildet, der von einem einzigen rechteckigen Hohlleiter gebildet ist, dessen innere Abmessung derart gewählt ist, dass er bei verschiedenen Frequenzen Schwingungen in dreierlei Wellenformen ausführen kann. In der Mitte des Hohlraumes - in der Symmetrieebene derselben-ist die erwähnte parametrische Halbleiterdiode 5 mit der Kapazität Ccs angeordnet. Bei der ankommenden und der gemischten Frequenz sowie bei der Pumpfrequenz kann der Hohlraum jeweils in einer andern Wellenform Schwingungen ausführen. Das ankommende bzw. zu verstärkende Signal wird über eine Stabantenne 1 eingekoppelt, auf deren Frequenz der Hohlraum abgestimmt ist. wodurch der Schwingungskreis I der Ersatzschaltung entsteht.
Das gemischte verstärkte Signal wird über eine Stabantenne 2 aus dem Hohlraum ausgekoppelt. Der Hohlraum ist auch auf diese Ausgangsfrequenz abgestimmt und'dieser Resonanzkreis bildet den Schwingungskreis II der Ersatzschaltung. Das Pumpsignal gelangt über eine Einkopplungsschleife 3 in den Hohlraum. Der Hohlraum ist schliesslich auch auf diese Frequenz abgestimmt, wodurch der Schwingungskreis III der Ersatzschaltung zustandekommt. Zwischen den einzelnen Schwingungskreisen wird die Kopplung durch die Kapazität der parametrischen Halbleiterdiode bewirkt.
Bei dieser Anordnung ist die Wahl der zu verwendenden Frequenzen nicht frei. Den Frequenzen des
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ankommenden Signals, des gemischten Signals und des Pumpsignals ist ein Hohlraum bestimmter innerer
Abmessungen zugeordnet. Sollen die Frequenzen der ankommenden und gemischten Signale einander verhältnismässig naheliegen, so werden sehr unvorteilhafte Hohlraumabmessungen erhalten. Ein anderer
Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die den einzelnen Wellen zugeordneten Resonanzfrequen- zen nicht voneinander unabhängig eingestellt werden können, wodurch die Einstellung des Systems um- ständlich wird.
Bei einer andern Anordnung wird eine Mischverstärkung dadurch erreicht, dass einerseits die an- kommende Frequenz und anderseits die Pumpfrequenz einer Diode von veränderlicher Kapazität in einem
Hohlleiter zugeführt werden und zu beiden Seiten dieser Diode im Hohlleiter Bandfilter angeordnet wer- den, die durch auf feste Frequenzen abgestimmte Resonanzblenden begrenzt sind. Hiedurch wird erreicht, dass in der einen oder der andern Richtung des Hohlleiters mittels zweier verschiedener fester Frequen- zen, die von der Eingangsfrequenz abweichen, eine Verstärkung bewirkt werden kann. Es wird aber da- bei als Nachteil empfunden, dass zwecks Änderung der Frequenz die Blenden ausgetauscht werden müssten, wobei nur Frequenzen erzielt werden können, die durch die jeweils eingebauten Bandfilter bestimmt sind, so dass keine kontinuierliche Abstimmung erfolgen kann.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines abstimmbaren parametrisch verstärkenden Mischers, bei dem die erwähnten Unzulänglichkeiten beseitigt sind. Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 3 bzw. 4 in zwei zueinander senkrechten Längsschnitten dargestellt. Die Anordnung ist in einem rechteckigen Hohlleiter untergebracht, dessen schmälere Seiten mit 16 und 17 und dessen brei- tere Seiten mit 18 und 19 bezeichnet sind. Eine parametrische Halbleiterdiode 6 ist zwischen den schmäleren Seiten 16 und 17 zu diesen parallel angeordnet. Die Zuführung des Diodengleichstromes ist durch einen Anschluss 11 angedeutet. Die andere Zuführung der Diode ist an den koaxialen Hohlleiter mit Innenleiter 14 und Aussenleiter 13 angeschlossen. Die Länge des koaxialen Hohlleiters kann durch einen metallischen Kurzschluss 12 geändert werden.
Das Pumpsignal wird über einen Schleifenkoppler 3 dem koaxialen Hohlleiter zugeführt. In zur Längsachse des rechteckigen Hohlleiters senkrechten Ebenen sind sogenannte Abstimmblenden4 bzw. 5 vorgesehen. Diese bestehen aus an den Seitenwänden des Hohlleiters metallisch anliegenden Platten. in denen je eine schmale rechteckige Öffnung vorgesehen ist. Die Abmessungen dieser Öffnungen sind derart gewählt, dass das ankommende bzw. das gemischte Signal durch die Blenden unbehindert oder bei sehr geringer Reflexion durchgelassen werden, während das Pumpsignal durch beide Blenden sehr stark reflektiert wird.
Durch Anbringung der Blenden ist somit um die parametrische Diode 6 ein Hohlraumresonator ausgebildet worden, dessen Resonanzfrequenz durch den Kurzschluss 12 eingestellt werden kann. Der Schwingungskreis III in Fig. 2 wird durch diesen Hohlraumresonator gebildet. Durch die Blenden 4 bzw. 5 wird ferner verhindert, dass das Pumpsignal den Eingang oder Ausgang der Anordnung erreicht.
Die abstimmbare Ausbildung der Schwingungskreise I und II der elektrischen Ersatzschaltung wird in folgender Weise erreicht. Im rechteckigen Hohlleiter werden rechts und links von der parametrischen Diode 6 entlang der Längsachse des Hohlleiters sogenannte Bandsperrfilter vorgesehen, die derart aufgebaut sind, dass in der Längsachse des Hohlleiters in einer die breiteren Seitenwände 18 und 19 halbierenden und zu den schmäleren Seitenwänden 16 und 17 parallelen Ebene aus drei Stäben 15 bestehende Stabreihen vorgesehen sind, deren Stäbe die breiteren Seitenwände 18 und 19 metallisch berühren. Durch die Stabreihen wird der ursprüngliche Hohlleiterabschnitt in Hohlleiterabschnitte halber Breite unterteilt.
In einer zur Ebene der Stabreihen senkrechten Ebene in den Abschnitten halber Hohlleiterbreite sind ab- stimmbare Stäbe 20, 21,22 und 23 angebracht, die lediglich mit der breiteren Seitenwand 19 in metallischer
EMI2.1
stehen und deren Tauchtiefe im Innenraum des Hohlleiters veränderbar ist. Die Tauchtiefe derDiode angebrachte Filter das gemischte Signal unbehindert durchlässt und das Eingangssignal reflektiert.
Das Eingangssignal wird über einen Schleifenkoppler 2 dem System zugeführt und kann über die Blenden 4 und 5 sowie die Bandsperrfilter hindurch lediglich zur Kurzschlusswand 9 gelangen. Für diese Frequenz ist somit ein Hohlraumresonator gebildet worden, der dem Schwingungskreis I der Fig. 2 entspricht und dessen Resonanzfrequenz mittels der Kurzschlusswand 9 geregelt werden kann. Durch Einstellung des den Abstimmstäben 22 und 23 zugeordneten Bandsperrfilters wird der Schwingungskreis I durch die Kurzschlusswand 10 nicht beeinflusst. Der Hohlraumresonator, der dem Schwingungskreis II der Fig. 2 entspricht, entsteht in ähnlicher Weise. Hier wird das gemischte Signal durch das den Abstimmstäben 20 und 21 zugeordnete Bandsperrfilter nicht zur Kurzschlusswand 9 hindurchgelassen, wogegen dieses Signal unbehindert zur Kurzschlusswand 10 gelangen kann.
Deshalb kann der den Schwingungskreis II bildende
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Hohlraumresonator durch die Kurzschlusswand 10 abgestimmt werden. Das verstärkte Überlagerungssignal wird dabei über einen Schleifenkoppler 2 aus dem System ausgekoppelt.
Das Wesen der beschriebenen Erfindung besteht darin, dass infolge der Anwendung von Bandsperrfiltern die Schwingungskreise I und II voneinander unabhängig eingestellt werden können, wobei der Frequenzunterschied zwischen Eingangssignal und Überlagerungssignal sehr gering (z. B. 5% der Signalfrequenz) sein kann, ohne Schwierigkeiten im geometrischen Aufbau des Systems zu verursachen.