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Einrichtung zur Verstärkung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verstärkung sehr kurzer, elektromagnetischer Wellen, bestehend aus einem Reaktanzmodulator mit einer Kapazitätsdiode als nichtlineare Reaktanz, der ausser der zu verstärkenden Signalenergie die Energie eines weiteren Oszillators (Pumposzillator) zugeführt ist.
Einrichtungen dieser Art sind unter dem Namen "parametrischer Verstärker" bekannt geworden.
Sie weisen eine verhältnismässig geringe Rauschtemperatur auf und eignen sich deshalb besonders als Eingangsschaltung für hochempfindliche Empfangseinrichtungen.
Parametrische Verstärker, wie sie beispielsweise in der Zeitschrift "Proceedings of the IRE" J u1i 1958, Seiten 1301-1305, beschrieben sind, machen von den nichtlinearen Eigenschaften einer Reaktanz Gebrauch, die zweckmässig aus einer im Sperrgebiet betriebenen Kapazitätsdiode besteht. In der Regel ist die Frequenz der vom Pumposzillator der Reaktanz zugeführten Energie grösser als die Frequenz der Signalenergie. Infolge der Nichtlinearität der Reaktanz entstehen oberhalb und unterhalb der Pumpfrequenz gelegene Seitenbänder. Durch einen eine Wirkkomponente enthaltenden Abschluss der Schaltung für die unterhalb der Pumpschwingung liegende Differenzfrequenz wird eine Entdämpfung des Signaleingangs hervorgerufen.
Die Kapazitätsdiode wirkt dann wie ein negativer Widerstand und kann so in Verbindung mit einem Zirkulator zur Verstärkung von Wellen herangezogen werden.
Parametrische Verstärker benötigen, sofern sie nicht als Wanderwellenverstärker ausgebildet sind, zum Betrieb je einen abgestimmten Kreis für die signalfrequenten und die differenzfrequenten Ströme. Diese abgestimmten Kreise müssen möglichst breitbandig sein, wenn die Verstärkerbandbreite ihrerseits gross sein soll. Die erreichbare Bandbreite der Kreise wird in der Praxis durch die parasitären Reaktanzen der Kapazitätsdiode stark beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen parametrischen Verstärker der einleitend beschriebenen Art u. a. hinsichtlich der geschilderten Schwierigkeiten wesentlich zu verbessern.
Für eine Einrichtung zur Verstärkung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, bestehend aus einem Reaktanzmodulator mit einer Kapazitätsdiode als nichtlineare Reaktanz, der ausser der zu verstärkenden Signalenergie die Energie eines weiteren Oszillators (Pumposzillators) zugeführt ist, und bei der die parasitären Reaktanzen der Kapazitätsdiode im wesentlichen den Resonanzkreis für die aus der Mischung der Signalenergie mit der Pumpenergie entstehende Differenzfrequenzschwingung bestimmen, wird erfindungsgemäss die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Differenzfrequenz zwischen der Pump- und der Signalfrequenz mit derjenigen Eigenresonanzfrequenz der Kapazitätsdiode übereinstimmt, die durch die mittlere Sperrschichtkapazität und die Reihenschaltung der Eigeninduktivität und der Gehäusekapazität der Diode gegeben ist,
und dass die äussere Schaltung bei der Differenzfrequenz hinsichtlich der Kapazitätsdiode sehr hochohmig ist.
Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass die bei einem parametrischen Verstärker mit Kapazitätsdiode erzielbare maximale Bandbreite bei der Eigenresonanz der Diode auftritt und durch den Bahnwiderstand und die Eigeninduktivität der Diode gegeben ist.
In der Zeichnung ist in Fig. 1 das Ersatzschaltbild eines mit einer Kapazitätsdiode ausgerüsteten parametrischen Verstärkers dargestellt. Die Kapazitätsdiode D besitzt die mittlere Sperrschichtkapazität Cm, die Eigeninduktivität Lo, den Bahnwiderstand r und die Gehäusekapazität Cg. Die Aussteuerung der
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stand r und die Gehäusekapazität Cg der Kapazitätsdiode D sind im Ersatzschaltbild zweifach angegeben, da sie sowohl für den Signalkreis SK als auch für den Differenzfrequenzschwingkreis DK wirksam sind. Der Signalkreis SK weist ferner, abgesehen vom Signalgenrator G und seinem Innenwiderstand Ri einen der Abstimmung dienenden Blindwiderstand Z 1 auf.
In gleicher Weise enthält der Differenzfrequenzschwingkreis einen Scheinwiderstand Z2, der den äusseren Abschluss dieses Kreises darstellt und der Gehäusekapazität Cg parallel liegt. Im allgemeinen weist Z 2 eine Wirkkomponente auf, die den Differenz-
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frequenzkreis zusätzlich zum Bahnwiderstand r belastet und eine Blindkomponente, die zur Abstimmung des Differenzfrequenzschwingkreises auf Resonanz erforderlich ist. Mit Rücksicht auf eine geringe Rauschtemperatur ist Z 2 meist als reiner Blindwiderstand ausgeführt.
In der Regel macht die Verwirklichung einer grossen Bandbreite des Differenzfrequenzschwingkreises die grösseren Schwierigkeiten. In Fig. 2 ist die Bandbreite B des Differenzfrequenzschwingkreises über der Resonanzfrequenz f aufgetragen. Hiebei stellt der äussere Abschlusswiderstand Z 2, mit dessen Hilfe die Abstimmung auf die jeweilige Resonanzfrequenz erfolgt, einen reinen Blindwiderstand dar. Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass die Bandbreite B zunächst bis zur Bandbreite Bo bei der Resonanz- frequenzjd 1 zunimmt. In diesem Bereich ist Z 2 induktiv. Im Bereich zwischen der Resonanzfrequenzfd 1 und der Resonanzfrequenzjd 2 wächst die Bandbreite nicht weiter, sondern bleibt wegen der Eigeninduktivität La der Diode konstant. In diesem Bereich ist Z 2 kapazitiv.
Im Bereich oberhalb der Resonanz- frequenz, in dem Z 2 wiederum induktiv ist, fällt die Bandbreite wegen der Wirkung der Gehäusekapazität auf kleine Werte ab.
Die Resonanzfrequenzen 1 undid 2, in deren Bereich die Bandbreite des Differenzfrequenzschwingkreises ein Maximum hat, dessen Wert sich aus dem Bahnwiderstand r und der Eigeninduktivität La zu
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berechnet, sind Eigenresonanzen der Kapazitätsdiode, u. zw. ergibt sich mit Z 2 = 0 für die Eigenresonanzfrequenz Jd 1
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und mit Z 2 = so für die Eigenresonanzfrequenz fd 2
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Parametrische Verstärker, die von der unteren Eigenresonanzfrequenz fd 1 Gebrauch machen, sind bereits bekannt. Der für diese Frequenz notwendige Kurzschluss der Gehäusekapazität Cg wird dabei mittels einer Brückenschaltung realisiert, die noch eine weitere Kapazitätsdiode enthält. Im Gegensatz hiezu macht der Erfindungsgegenstand von der oberen Eigenresonanzfrequenzfd 2 Gebrauch.
Der grosse Vorteil liegt zunächst darin, dass an Stelle zweier nur eine Diode benötigt wird. Die Eigenresonanzfrequenz fd 2 stellt die höchste Differenzfrequenz dar, bei der die maximal erreichbare Bandbreite Bo noch realisiert
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üblichen Dioden in der Grössenordnung 1, 4-2.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist die Kapazitätsdiode im Innern eines der Zuführung der Pumpenergie dienenden Hohlleiters angeordnet, dessen Grenzfrequenz oberhalb der Differenzfrequenz liegt. Die Signalenergie ist der Kapazitätsdiode über einen wenigstens teilweise als Filter ausgebildeten Wellenleiter zugeführt, der an seiner Einmündung in den Hohlleiter für die Differenzfrequenz einen Leerlauf und für die Pumpfrequenz wenigstens annähernd einen Kurzschluss darstellt.
Der die Signalenergie zuführende Wellenleiter kann beispielsweise ein Koaxialleiter sein, der zur Erfüllung der Leerlaufforderung hinsichtlich der Differenzfrequenzschwingung im Abstand eines Viertels einer Wellenlänge Xd der Differenzfrequenzschwingung oder eines ganzzahligen Vielfachen davon von seiner Einmündung in den Hohlleiter in einen Tiefpass übergeht, dessen Grenzfrequenz oberhalb der höchsten Signalfrequenz, aber unterhalb der tiefsten Frequenz des Differenzfrequenzbandes liegt. Der Wellenwiderstand des Koaxialleitungsabschnitts zwischen der Hohlleitereinmündung und dem Tiefpass ist dabei so bemessen, dass die Signalquelle an den negativen Widerstand der Kapazitätsdiode angepasst ist.
Als Abschluss des Hohlleiters in Richtung der fortschreitenden Pumpwellen hinter der Kapazitätsdiode eignet sich am besten ein veränderbarer Kurzschluss im Form eines Kurzschlussschiebers. Da die Stromsteuerung der Kapazitätsdiode grössere Modulationsgrade als die Spannungssteuerung zulässt, ist es ferner angebracht, die Diode in einem Strombauch der Pumpwelle anzuordnen. Dies geschieht in einfacher Weise
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dadurch, dass der Abstand zwischen dem Ort der Kapazitätsdiode und dem Ort der Kurzschlussebene des Kurzschlussschiebers gleich einer halben Hohlleiterwellenlänge Xp der Pumpschwingung gewählt wird.
Im Gegensatz zu bekannten parametrischen Verstärkern in Hohlleiterbauweise leistet der Hohlleiter beim Erfindungsgegenstand keinen Beitrag zum Differenzfrequenzschwingkreis. Dieser glückliche Umstand kann gemäss einer Weiterbildung der Erfindung zur Einsparung von Pumpleistung mit Hilfe eines den Bahnwiderstand der Diode an den Pumposzillator anpassenden Transformationsgliedes ausgenutzt werden.
Das Transformationsglied ist hiebei an geeigneter Stelle in den die Pumpenergie zuführenden Hohlleiter einzufügen.
An Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.
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ist in Fig. 3, wie auch in der noch zu beschreibenden Fig. 4, durch ein mit einer rechteckigen Umrandung versehenes übliches Gleichrichtersymbol dargestellt. Die Umrandung soll das Diodengehäuse andeuten, gegen das die Diode eine für ihr Resonanzverhalten wesentliche Kapazität (Cg) aufweist. Der Hohlleiter, dessen Grenzfrequenz oberhalb der Differenzfrequenz liegt, ist auf seiner rechten Seite mit einem Kurzschlussschieber Ks abgeschlossen. Die Pumpenergie P wird der Kapazitätsdiode D von links im Hohlleiter über das Transformationsglied T und das zu verstärkende Signal S über einen Koaxialleiter K zugeführt.
Der Koaxialleiter K ist im Bereich seiner Einmündung in den Hohlleiter H zu einem Filter F ausgebildet, das hinsichtlich der Differenzfrequenzschwingung einen Leerlauf und hinsichtlich der Pumpfrequenz fp einen möglichst niedrigen Widerstand darstellt. Das Transformationsglied T ist derart bemessen und so im Hohlleiter angeordnet, dass der Bahnwiderstand der Diode an den an den Ort der Kapazitätsdiode transformierten Innenwiderstand des Pumposzillators angepasst ist. Die Kurzschlussebene des Kurzschlussschiebers Ks ist zweckmässig so festgelegt, dass sich die Kapazitätsdiode am Ort eines Strombauches der Pumpwelle befindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand die Hälfte einer Hohlleiterwellenlänge der Pumpschwingung. Selbstverständlich kann der Abstand auch ein ganzzahliges Vielfaches davon betragen.
Wie bereits erwähnt wurde, hat die Stromsteuerung der Kapazitätsdiode D gegenüber der Spannungssteuerung den Vorteil, dass sie grössere Aussteuergrade zulässt.
Bei gegebener mittlerer Signalfrequenzfs ist die Pumpfrequenzfp so gewählt, dass die mittlere Differenzfrequenz mit der oberen Eigenresonanzfrequenzjd 2 der Kapazitätsdiode D zusammenfällt. Der Differenzfrequenzschwingkreis ist entsprechend den vorangegangenen Ausführengen beim Erfindungsgegenstand ausschliesslich auf die Kapazitätsdiode D selbst beschränkt, u. zw. wird er von der mittleren Sperrschichtkapazität und der Reihenschaltung der Eigeninduktivität und der Gehäusekapazität gebildet.
Die äussere Schaltung (Hohlleiter Hund Koaxialleiter K) ist bei der Differenzfrequenz von der Diode völlig entkoppelt, da einerseits die Hohlleitergrenzfrequenz oberhalb der Differenzfrequenz festgelegt ist und anderseits der Koaxialleiter K für die Differenzfrequenz einen Leerlauf darstellt.
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Signalfrequenz, aber unterhalb der tiefsten Frequenz des Differenzfrequenzbandes liegt. Ausserdem ist der Wellenwiderstand dieses Ad/4 langen Koaxialleitungsabschnitts so gewählt, dass der Signalgenerator an den negativen Widerstand der Kapazitätsdiode D angepasst ist. Die Einschnürung E des Innenleiters des Koaxialleiters am diodennahen Ende dient der Abstimmung des Signalkreises. In den Koaxialleiter K eindringende Differenzfrequenzschwingungen finden am Tiefpasseingang einen Kurzschluss vor.
Der kDl4 lange Koaxialleitungsabschnitt bildet also für die Differenzfrequenz eine an ihrem einen Ende kurzgeschlossene Stichleitung, die an ihrem andern offenen Ende leer läuft. Für die Pumpfrequenz stellt der Tiefpasseingang ebenfalls einen Kurzschluss dar. Die Frequenz der Pumpwelle liegt wesentlich oberhalb der Differenzfrequenz. Für sie bildet der Koaxialleitungsabschnitt daher einen kapazitiven Blindwiderstand, der umso kleiner ist, je besser die Wellenlänge der Pumpschwingung im Koaxialleiter mit der halben Wellenlänge Àd der Differenzfrequenzschwingung übereinstimmt. Gegebenenfalls kann dieser kapazitive Blindwiderstand mit der eine Induktivität darstellenden Einschnürung E auf einen vernachlässigbaren kleinen Wert vermindert werden.
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