<Desc/Clms Page number 1>
Passiver Frequenzvervielfacher
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
vielfachungszahl über zehn mehrere passive Vervielfacher mit einer unterhalb zehn gelegenen, jeweils möglichst hohen Vervielfachungszahl in Kette geschaltet sind, beispielsweise für eine Gesamtvervielfachungszahl von 36 zwei Versechsfacher.
Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass für die erreichte Steigerung des Wirkungsgrades nicht irgendwelche parametrische Vorgänge in der Vervielfacherschaltung massgebend sind.
Vielmehr ist die Eigenschaft von Varaktordioden wesentlich, dass sie bei vorausgehender starker Übersteuerung in das Flussgebiet beim Zurückgehen der jeweils anliegenden Steuerspannung einen Diffusionsstrom zeigen, der in Gegenrichtung zu dem in Flussrichtung fliessenden Steuerstrom gerichtet ist und dem bei genügend langer Rekombinationszeit in der anzuwendenden Varaktordiode, die vorzugsweise lang gegen die Periodendauer der Grundschwingung sein soll, eine Ladung zugeordnet ist, die der durch die Einsteuerung in das Flussgebiet festgelegten Ladung wenigstens nahezu betragsgleich ist.
Für diesen Diffusionsstrom muss sichergestellt werden, dass er möglichst exakt seine im Diffusionsvorgang begründet Kurvenform erhält und durch äussere Schaltelemente nicht in der Kurvenform verzerrt wird. Das bedeutet, dass, bezogen auf die Sperrschicht der Varaktordiode, für möglichst alle Harmonischen mit Ausnahme der zu entnehmenden ein Kurzschluss über Hilfskreise vorhanden und ein hochohmiger Leerlauf vermieden sein soll. Es verursacht dann zwar jeder der Kurzschlussströme bei den einzelnen Harmonischen in dem Bahnwiderstand der Kapazitätsdiode einen gewissen Verlustanteil, doch bringen
EMI2.1
de Minderung des Wirkungsgrades.
Durch eineFourier-Analyse des etwa nach Art eines Sägezahnes zeitlich verlaufenden Diffusionsstromes lässt sich zeigen, dass die Stromanteile für die einzelnen Harmonischen mit zunehmender Ordnungszahl der Harmonischen abnehmen und dass die Abnahme, amplitudenmässig betrachtet, näherungsweise mit 1 : n erfolgt, wenn n die Ordnungszahl der jeweiligen Harmonischen ist. Wendet man daher beispielsweise bei einem Versechsfacher Hilfskreise nur für die Harmonische mit den Ordnungs- bzw. Vervielfachungszahlen 2 und 3 an, so werden die Kurvenverzerrungen des Diffusionsstromes ausserordent- lich hoch, weil die Beträge der nachteilig beeinflussten Diffusionsanteile bei den andern Harmonischen mit den Ordnungszahlen 4 und 5 noch nennenswert hoch sind.
Aus dieser Betrachtung ist auch ersichtlich, dass eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades dann erreichbar ist, wenn zumindest für die nächst höheren, der geforderten Harmonischen benachbarten Harmonischen Hilfskreise mit Serienresonanzcharakter vorgesehen werden. Für einen Versechsfacher dürfte es in der Regel ausreichend sein, wenn Hilfskreise für die Harmonischen mit den Ordnungszahlen 2 - 5 und 7 und 8 vorgesehen werden, um hinreichend gut den theoretisch bestimmbaren Maximalwert des Wirkungsgrades gut anzunähern.
Die letzterwähnteForderung nach einer Bildung eines äusseren Kurzschlusses bei den frequenzhöheren Harmonischen wird im Regelfall noch durch eine Eigenschaft der Varaktordiode, nämlich die unvermeidbare Gehäusekapazität, im gewissen Sinne günstig beeinflusst, weil diese gerade für die höheren Harmonischen einen mit zunehmender Ordnungszahl immer besser werdenden kapazitiven Kurzschluss bildet. Man kann daher sogar diese bisher als störend empfundene Gehäusekapazität künstlich erhöhen und den Wirkungsgrad daher noch günstig beeinflussen.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert.
In Fig. 1 ist eine idealisierte Strom-Spannungskennlinie einer Halbleiterdiode dargestellt, darunter der zeitliche Verlauf einer Aussteuerungsspannung, rechts neben der Kennlinie der damit verbundene Stromverlauf und rechts unten die Schaltung, mit der der angegebene Spannungs- und Stromverlauf gemessen werden kann. Strom-und Spannungsverlauf sind für zwei Fälle, nämlich für die Gleichrichter- und für die Varaktordiode, angegeben.
Bei sinusförmiger Aussteuerungsspannung um die Dioden-Vorspannung U, wirkt sowohl die Gleich- richterdiode als auch die Varaktordiode während der Zeit tl - t2 als Spannungsbegrenzer ; die Diodenspannung u kann also nicht wesentlich über das Kontaktpotential P eines pn-Überganges ansteigen, das aus Vereinfachungsgründen in Fig. l zu angenähert Null angenommen ist, im Regelfall bei einigen Zehntel Volt liegt.
Während dieser Zeit tl - t2 fliesst durch die Diode ein sinuskuppenförmiger Strom i (t), der proportional der Generatorspannung ist. Im Zeitpunkt t2 ist der Strom wieder Null.
Bei der Gleichrichterdiode bleibt er von diesem Zeitpunkt an Null, und die Diodenspannung folgt wieder der Generatorspannung (dick ausgezogene Strom- und Spannungskurve). Bei der Varaktordiode hingegen fliesst nach t ein sogenannter Diffusionsstrom in negativer Stromrichtung, weil die während der
<Desc/Clms Page number 3>
positiven Halbwelle, also im Zeitraum t,-t, in die jeweiligen Nachbargebiete eingedrungenen La- dungsträger des pn-Überganges noch nicht oder nur teilweise rekombiniert haben (Ladungsspeichereffekt).
Dieser Diffusionsstrom fliesst vom Zeitpunkt t2 so lange, bis alle gespeicherten Ladungsträger wieder in ihren Ursprungsgebieten sind. Zu diesem Zeitpunkt Ta hört der Strom mehr oder weniger abrupt zu flie- ssen auf, und die Diodenspannung, die bei der Varaktordiode bis Ta auf dem Kontaktpotential bleibt, sinkt entsprechend mehr oder weniger abrupt auf den Momentanwert der Generatorspannung ab (dick gestrichelte Kurve).
Am besten sind solche Varaktoren für die Frequenzvervielfachung geeignet, bei denen möglichst wenig Ladungsträger rekombinieren, so dass die schraffierten Stromflächen, die. die Ladung charakterisieren, angenähert gleich gross sind.
Eine Strom- und Spannungsanalyse nach Fourier zeigt, dass die Energie jeder durch die Verzerrung entstehenden Harmonischen der Grundwelle je nach Stromflusszeit At = t2 - tl verschieden ist. In Fig. 2 ist der auf die Grundwellenenergie bezogene Energieanteil der zweiten, dritten und vierten Harmonischen, also bei den Frequenzen 2f, 3f und 4f (f = Grundwellenfrequenz), in Form des Wirkungsgrades 1) in Abhängigkeit von der Stromflusszeit At aufgetragen, wobei r die Periodendauer der
Grundschwingung ist.
Wegen der besseren Übersichtlichkeit sind die höheren Harmonischen nicht gezeichnet. Man erkennt, dass die Energieanteile jeder Oberwelle stark von der Stromflusszeit und damit sowohl von der Diodenvorspannung U als auch von der Aussteuerungsspannung u (t) abhängen. Für jede Harmonische gibt es also eine optimale Stromflusszeit. Für einen optimalen Vervielfacherbetrieb muss diejenige Stromflusszeit gewählt werden, bei der die gewünschte Harmonische optimale Energie hat.
In Fig. 3 sind für eine Stromflusszeit T 14 der Spannungs-und Stromverlauf nochmals dargestellt und die nach Fourier ermittelten Oberwellen. Dieser Fall ist für die Verdreifachung optimal entsprechend der Fig. 2. Für den optimalen Verdreifacherbetrieb darf aber keine Energie bei den andern Harmonischen als bei der 3f-Harmonischen verbraucht werden.
Zu diesem Zweck muss dem Varaktor für diese unerwünschten Oberwellen ein Blindwiderstand angeboten werden. Mit Hilfe der Fourieranalyse kann gezeigt werden, dass dann bei der gewünschten 3f-Harmonischen die meiste Energie entnommen werden kann, wenn der Varaktor für die unerwünschten Harmonischen kurzgeschlossen wird. Nur in diesem Fall bleibt nämlich der Stromverlauf, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, im Prinzip erhalten.
Wird dagegen ein Oberwellenstrom z. B. durch einen Leerlauf am Fliessen verhindert, so wird der Gesamtstromverlauf so gestört, dass auch bei der gewünschten Harmonischen kein Strom mehr fliesst, also keine Energie bei der gewünschten Harmonischen entnommen werden kann. Der Varaktor nimmt dann auch keine Grundwellenenergie auf, er reflektiert also bei der Grundfrequenz. Durch den Bahnwiderstand und die Streureaktanzen des Varaktors wird dieser Vorgang zwar etwas abgeschwächt, aber der Wirkungsgrad ist immer schlechter als dann, wenn die unerwünschten Oberwellen am Varaktor kurzgeschlossen werden.
Aus den beschriebenen Gründen wurde z. B. ein Versechsfacher, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, mit Hilfskreisen, also mit Serienresonanzkreisen für 2f, 3f, 4f, 5f und 7f aufgebaut, während für die Grundfrequenz f und die gewünschte Ausgangsfrequenz 6f Bandfilter vorgesehen sind. Das metallische Abschirmgehäuse des Versechsfachers ist hiefür in sieben Kammern unterteilt, wobei je eine Kammer für das Ein- und Ausgangsfilter, die übrigen fünf Kammern für je einen Hilfskreis vorgesehen sind.
Mit Vorteil wird die Unterteilung des metallischen Gehäuses etwa sternförmig um die im mittleren Bereich angeordnete Varaktordiode derart vorgenommen, dass die Verbindung mit der Diode leicht durchgeführt werden kann. Dabei empfiehlt es sich, die einzelnen Kreise und Filter so auszubilden, dass diese mit einer Induktivität an der Diode enden. Diese Kammern dienen zur Abschirmung der einzelnen Kreise gegeneinander, deren Abstimmfrequenzen, bezogen auf die Grundfrequenz f, jeweils eingetragen sind.
Im Zentrum der Anordnung ist der Varaktor D einseitig mit dem das Bezugspotential gebenden Gehäuse G und mit der andern Seite an die Zusammenführung sämtlicher Kreise angeschlossen angenommen.
In Fig. 5 ist das Blindwiderstandsverhalten der fünf dem Varaktor parallelgeschalteten Hilfskreise in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen. Durch Parallelschalten von fünf Serienresonanzkreisen entstehen bekanntlich fünf Nullstellen (Kurzschlüsse) und sechs Pole (Parallel-Resonanzen). Bei entsprechender Abstimmung dieser Hilfskreise kann erreicht werden, dass diese Nullstellen bei 2f, 3f, 4f, 5f und 7f auftreten und ein Pol bei 6f, also bei der gewünschten Ausgangsfrequenz. Ein Pol liegt bei der Frequenz Null, ein weiterer bei der Frequenz Unendlich, die andern zwischen den Nullstellen, so dass sie nicht stören.
<Desc/Clms Page number 4>
Es müssen also immer bei den kurzzuschliessenden Harmonischen jeweils Nullstellen auftreten, wäh- rend solche bei der Grund- und Ausgangsfrequenz auf keinen Fall auftreten dürfen.
Bei grossen Vervielfachungszahlen kann es schwierig werden, die notwendige Anzahl von Hilfskreisen räumlich unterzubringen, ohne zusätzliche Leitungen zwischen Hilfskreisen und Varaktor zu verwenden, die zwangsläufig Transformationseigenschaften haben.
Dieser Schwierigkeit lässt sich jedoch auf überraschend einfache Weise begegnen, indem die sonst in der Filtertechnik an sich störende Eigenschaft von Leitungsabschnitten ausgenutzt wird, periodisch sich wiederholende Serien- und Parallelresonanzen in Abhängigkeit von der Frequenz aufzuweisen.
In Fig. 6 ist eine am einen Ende kurzgeschlossene Doppelleitung gezeigt, die mit ihrem offenen Ende an der Diode D, beispielsweise der Diode D in Fig. 4, angeschaltet sein soll. Diese Doppelleitung kann eine Bandleitung, eine Koaxialleitung, auch eine sogenannte Streifenleitung oder auch eine Hohlleitung sein. Elektrisch kommt es nur darauf an, dass sie die Eigenschaften einer Lecherleitung zeigt. In einer Tabelle ist in Fig. 6 noch dargestellt, bei welchen Harmonischen, wenn man unter der zweiten Harmonischen die mit der doppelten Grundfrequenz f versteht, die Leitung an der Anschlussstelle der Diode Serienresonanzverhalten zeigt.
In der Tabelle sind nur vier geometrische Leitungslängen a, b, c und d angegeben, woraus für entsprechende andere Bemessungen der Tabellenverlauf sich analog entwickelt. Für die geometrische Leitungslänge a soll die frequenztiefste Serienresonanz bei der doppelten Grundfrequenz, also bei der zweiten Harmonischen, auftreten. Für die geometrische Länge b soll die tiefste Serienresonanzfrequenz bei der dritten Harmonischen, für die geometrische Länge c die tiefste Serienresonanz bei der vierten Harmonischen und für die geometrische Länge d die frequenztiefste Serienresonanz bei der fünften Harmonischen auftreten. In den Spalten unter den Angaben für die geometrischen Längen a - d sind dann die Harmonischen angegeben, für die die jeweilige geometrische Länge auf Grund des Leitungscharakters ebenfalls Serienresonanz ergibt.
In Fig. 7 ist dieselbe Darstellung für den Fall gegeben, dass das der Diode D abgewendete Leitungsende leer läuft.
Wie man aus den Fig. 6 und 7 erkennt, ist somit durch an den Enden offene bzw. kurzgeschlossene Leitungsabschnitte bereits die Möglichkeit gegeben, für eine grosse Anzahl von Harmonischen mit Ausnahme der Grundschwingung (erste Harmonische) und für die als Ausgangsschwingung zu entnehmende Harmonische Serienresonanzen zu erzwingen.
Wie sich gezeigt hat, ist es hiefür ausreichend, wenn zwei solche Leitungsabschnitte angewendet werden, gegebenenfalls unter zusätzlicher Anwendung von einigen Hilfskreisen in konzentrierter Schaltungsausführung, also mit einer konzentrierten Kapazität und Induktivität. Die kurzgeschlossenen Leitungsabschnitte sind dabei in an sich bekannter Weise natürlich so auszubilden, dass sie die Diode für Gleichstrom nicht kurzschliessen, d. h. sie sind entweder über einen einen hochfrequenten Kurzschluss darstellenden Kondensator an die Diode anzuschalten oder mittels eines einen hochfrequenten Kurzschluss bildenden Kondensators an dem der Diode abgewendeten Ende kurzzuschliessen.
Für den Fall eines Versiebenfachers ist die Verwendung von Leitungsabschnitten zur Serienresonanzbildung bei bestimmten Harmonischen in Fig. 8 schematisch dargestellt. Die Grundschwingung mit der Frequenz f wird über ein Bandfilter der Diode D zugeführt. Die als Ausgangsschwingung vorgesehene siebente Harmonische mit der Frequenz 7f wird über ein Bandfilter entnommen. Parallel zur Diode D sind zwei Leitungsabschnitte geschaltet, von denen der eine die geometrische Längenbemessung a und der andere die geometrische Längenbemessung b entsprechend Fig. 6 hat. Diese beiden Leitungsreso- nanzkreise ergeben damit Serienresonanzen für die Harmonischen mit den Frequenzen 2f, 3f, 4f, 6f, 8f, 9f usw.
Um nicht Serienresonanzen für die noch offene fünfte Harmonische einzuführen, wird für diese ein Serienresonanzkreis in konzentrierter Bauweise parallel zur Diode D geschaltet, derdieentsprechendeAb- stimmung hat. Um einen Überblick über die auf diese Weise möglicheAusbildung eines Vervielfachers zu geben, der die geringsteAnzahl erforderlicher Hilfskreise hat, ist in Fig. 9 noch für Vervielfachungszahlen von 2 bis 10 unter Bezugnahme auf die Fig. 6 und 7 eine Tabelle gegeben. In der Tabelle sind oben die Vervielfachungszahlen angegeben. In den Spalten unter den Vervielfachungszahlen ist zunächst angegeben, welche Hilfsleitungen mit den geometrischen Bemessungen entsprechend den Fig. 6 und 7 anzuwenden sind.
Dann folgen die Angaben über die anzuwendenden Hilfskreise in konzentrierter Schaltungstechnik, wobei jeweils nur die Abstimmungsfrequenzen angegeben sind. Der Tabelle ist dabei zugrunde gelegt, dass für alle Harmonischen, die zwischen der ersten als Eingangsschwingung dienenden Harmonischen und
EMI4.1
<Desc/Clms Page number 5>
ergibt, wenn man pro Spalte jeweils die Anzahl der in konzentrierter Schaltungstechnik ausgeführten Hilfskreise und die entsprechend anzuwendenden Leitungsabschnitte zusammenhält,
Zusätzlich ist unterhalb von Sm noch die Grösse Sm'für die einzelnen Spalten eingetragen, die besagt, wieviel Hilfskreise in konzentrierter Schaltungstechnik vorzusehen wären, wenn nur solche in konzentrierter Schaltungstechnik vorgesehen sind. Die erzielte Einsparung E ist im Anschluss daran für jede Spalte nochmals gesondert ausgeworfen.
Wie man aus der Tabelle ersieht, ist für Vervielfachungszahlen von 2,4 und 6 durch Hilfsleitungen scheinbar kein Gewinn erzielbar, während der Gewinn für die Vervielfachungszahlen bzw. Faktoren 3,5, 7,9 usw. stetig zunimmt.
Für geradzahlige Vervielfachungen ab 8 ist ebenfalls ein Gewinn bereits offensichtlich. Der tatsächliche Gewinn durch die Hilfsleitungen ist aber in der Praxis insofern noch höher, weil Hilfsleitungen in Wirklichkeit auch noch wesentlich höhere Harmonische als die als Ausgangsschwingung geforderte Harmonische in der gewünschten Weise kurzschliessen, wodurch eine noch bessere Annäherung der geforderten Stromkurve im Sinne der Erfindung erreicht wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Passiver Frequenzvervielfacher, vorzugsweise für den Bereich der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen, wie der Dezimeter- und Zentimeterwellen, bei dem als nichtlineares Element eine Varaktordiode vorgesehen ist, der über ein auf die Grundfrequenz abgestimmtes Bandfilter die Grundschwingung zugeführt und über ein auf die Frequenz der geforderten Harmonischen abgestimmtes Bandfilter die geforderte Harmonische entnommen wird, und ausserdem parallel zur Varaktordiode geschaltet, als Hilfskreise wirkende Serienresonanzkreise vorgesehen sind, die auf von der geforderten Harmonischen frequenzverschiedene Harmonische abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzvervielfacher für eine Vervielfachungszahl grösser als drei und vorzugsweise nicht wesentlich grösser als zehn ausgelegt ist,
und dass wenigstens für den überwiegenden Teil, vorzugsweise für alle zwischen der Grundfrequenz und der geforderten Harmonischen liegenden weiteren Harmonischen Hilfskreise in Form von Serienresonanzkreisen vorgesehen sind.