Anordnung zur Kopplung eines rauscharmen Verstärkers mit einer Belastung Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Kopplung eines rauscharmen Verstärkers mit einer Belastung, deren Rauschtemperatur höher ist als die des Verstärkers.
Es sind bereits Verstärker dieser Art bekannt, die im Gegensatz zu Verstärkern mit Röhren oder Transi storen ein äusserst niedriges Eigenrauschen aufweisen, wie z. B. Maser . Infolge des niedrigen Eigenrau schens eignen sich diese Verstärker insbesondere zur Verwendung in sehr empfindlichen Empfängern, bei denen nur eine äusserst geringe Nutzsignalenergie zur Verfügung steht, z. B. bei Radioteleskopen oder Funk- messanlagen zum Erfassen von Zielen in grosser Ent fernung.
Die Belastung solcher Verstärker besteht im allge meinen aus einer nachfolgenden mit Verstärkerröhren bestückten Verstärkerstufe, und es ist in der Praxis meist unvermeidlich, dass diese Belastung selber ein Eigenrauschen aufweist.
Die Erfindung gründet sich auf der Erkenntnis, dass bei den bekannten Verstärkern dieser Art nicht nur das Eingangssignal, sondern auch das Rauschen der Bela stung selber verstärkt wird, so dass sich an dieser Last eine viel stärkere Rauschkomponente ergibt, als beim Fehlen des Verstärkers der Fall gewesen wäre und somit das Verhältnis Nutz- zu Störpegel ungünstig be einflusst wird.
Die Erfindung verringert diesen Nachteil. Die An ordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeich net, dass Übertragung der Rauschenergie von der Be lastung zum Verstärker dadurch vermieden wird, dass ein einseitig in der Richtung zur Belastung durchlässiges Kopplungselement, dessen Rauschtemperatur niedri ger ist als diejenige der Belastung, zwischen dem Ver stärker und der Belastung geschaltet ist. Infolge dieser Massnahme wird die Belastung gleichsam gegen den Verstärker isoliert, wodurch zwar Energie vom Ver- stärker auf die Belastung übertragen werden kann, jedoch die Rauschenergie der Belastung nicht dem Verstärker zugeführt und von diesem verstärkt werden kann, so dass es nicht mehr nötig ist, die Belastung selber rauscharm zu machen, z. B. durch Kühlung, was in der Praxis meist sogar völlig unmöglich ist.
Nichtreziproke, einseitig Energie durchlassende Kopplungsglieder sind an sich bekannt. Bestimmte Ausführungsformen werden als Undine und Zirku- lator bezeichnet und sind z. B. im Bell System Tech- nical Journal, 1952, Seiten 1-31, beschrieben worden.
Es wird bemerkt, dass es bekannt ist, bei einem Am moniak-Maser einen Richtungskoppler mit schwacher Kopplung zu verwenden. Solche Richtungskoppler sind jedoch reziprok und können somit nicht die Zu rückführung der Rauschenergie der Belastung zu dem Verstärker verhüten und also nicht den erwünschten Effekt herbeiführen.
Die erfindungsgemässe Anordnung wird nachste hend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiels näher erläutert.
Bei dieser Anordnung werden die von einer Antenne 21 empfangenen Signale einem Arm a eines Zirkulators 22 zugeführt. Unter einem Zirkulator wird in der Mi krowellentechnik ein nichtreziprokes Übertragungs glied verstanden. Es ist kennzeichnend für einen sol chen Zirkulator, dass die dem Arm a zugeführte Energie sich selektiv in Richtung des Armes b fortpflanzt. Der Arm b des Zirkulators dient zur Zufuhr des Betriebs signals an den Maser 23. Zu diesem Zweck eignet sich insbesondere ein Feststoffmaser, wie er in dem schweizerischen Patent Nr. 359757 beschrieben wor den ist.
Das verstärkte Ausgangssignal des Masers wird dem Arm b zugeführt und pflanzt sich durch den Zirkulator selektiv in Richtung des Armes c fort. Das Hilfssignal wird dem Maser vom Hilfsoszillator 24 zugeführt. Der Arm c des Zirkulators leitet seinerseits die Energie weiter an die Last 25, die meist eine weitere Stufe des Empfängers oder der Hohlraumresonator infolge von Fehlanpassungen von der Belastung reflek- einer zweiten Maserstufe ist, wenn eine höhere Verstär kung verlangt wird, als mit einer einzigen Maserstufe erzielbar ist.
Um zu verhüten, dass Energie, die infolge von Fehlanpassungen von der Belastung reflektiert wird, wieder zur Belastung zurückkehrt, enthält der Zirkulator einen weiteren Zweig<I>d.</I> Der Arm<I>d</I> leitet die Energie dabei weiter an die praktisch angepasste Belastung 26, die somit Reflexionen auf ein Mindest mass beschränkt. Mit Rücksicht auf die Erzielung eines möglichst hohen Verhältnisses Nutz- zu Störpegel des Maserverstärkers ist es erwünscht, dass dieser auf ver hältnismässig niedriger Temperatur, und zwar auf wenigen Graden Kelvin, gehalten wird, so dass er selber nur ein äusserst geringes Eigenrauschen aufweist.
In einem solchen Falle ist es besonders wichtig, das Rau schen sämtlicher weiteren möglichen Rauschquellen auf ein Mindestmass zu beschränken. Vorzugsweise werden dann auch nicht nur der Maser, sondern auch das nichtreziproke Übertragungsglied, z. B. der Zirku- lator, und die praktisch angepasste Belastung des Armes d auf wenige Grade Kelvin abgekühlt. Die Antenne ist in Wirklichkeit der Strahlungstemperatur des inter stellaren Raumes ausgesetzt und bildet infolgedessen keine Rauschquelle von Bedeutung.
Im vorliegenden Falle, in dem der Zirkulator bei sehr niedrigen Tem peraturen betrieben wird, ist es möglich, paramagneti- sches Material anstelle des üblichen ferromagnetischen Materials im Gyrator zu verwenden. Dieser Gyrator ist ein kennzeichnender Teil eines Zirkulators vom Typ, der im vorstehend erwähnten Aufsatz in The Bell System Technical Journal , Jahrgang 31, Seiten 1-31 (1952) beschrieben worden ist.
Die Verwendung para- magnetischen Materials ist in diesem Falle möglich, weil bei der beabsichtigten niedrigen Temperatur die erzielbare Magnetisierung gross genug wird. Vorzugs weise wird ausserdem die angepasste Belastung 26 a am Arm d auf niedriger Temperatur gehalten. Weil der Zirkulator 22 die Belastung 25 vom Verstärker 23 trennt, ergibt sich die besondere Wirkung, dass das Rauschen der Belastung 25 nicht in den Verstärker 23 eindringen und dort verstärkt werden kann, was eine unerwünschte Verstärkung des Rauschens der Bela stung 25 herbeiführen würde.
Unter diesen Umständen ist es dann auch nicht notwendig, dass die Belastung 25 selber rauscharm ist, was in der Praxis in vielen Fällen nicht oder nur schwer verwirklichbar ist. In der Zeich nung ist durch die gestrichelte Linie 28 angegeben, dass die von dieser gestrichelten Linie umgebenen Elemente in einer geeigneten Kühlanlage untergebracht sind.
Einfachheitshalber sind die verschiedenen Filter elemente, die dazu benutzt werden, die Übertragung des Hilfssignals auf die Belastung auf ein Mindestmass zu beschränken, nicht dargestellt, weil sie an sich be kannt sind.
Arrangement for coupling a low-noise amplifier to a load The invention relates to an arrangement for coupling a low-noise amplifier to a load whose noise temperature is higher than that of the amplifier.
There are already known amplifiers of this type that, in contrast to amplifiers with tubes or Transi, have an extremely low inherent noise, such as. B. Burl. As a result of the low Eigenrau schens these amplifiers are particularly suitable for use in very sensitive receivers in which only an extremely low useful signal energy is available, eg. B. in radio telescopes or radio measuring systems for detecting targets at great distances.
The load on such amplifiers generally consists of a subsequent amplifier stage equipped with amplifier tubes, and in practice it is usually unavoidable that this load itself has its own noise.
The invention is based on the knowledge that with the known amplifiers of this type not only the input signal but also the noise of the load itself is amplified, so that a much stronger noise component results at this load than is the case with the absence of the amplifier would have been and thus the ratio of useful to interference level is adversely affected.
The invention reduces this disadvantage. The arrangement according to the invention is characterized in that the transmission of the noise energy from the load to the amplifier is avoided in that a coupling element which is permeable on one side in the direction of the load and whose noise temperature is lower than that of the load is stronger between the Ver and the load is switched. As a result of this measure, the load is as it were isolated from the amplifier, whereby energy can be transferred from the amplifier to the load, but the noise energy of the load cannot be fed to the amplifier and amplified by it, so that it is no longer necessary to make the load low-noise, B. by cooling, which is usually even completely impossible in practice.
Non-reciprocal coupling elements which transmit energy on one side are known per se. Certain embodiments are referred to as undine and circulator and are e.g. B. in Bell System Technical Journal, 1952, pages 1-31, has been described.
It is noted that it is known to use a directional coupler with weak coupling in an ammonia maser. Such directional couplers, however, are reciprocal and thus cannot prevent the noise energy of the load from being fed back to the amplifier and thus cannot bring about the desired effect.
The arrangement according to the invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing.
With this arrangement, the signals received by an antenna 21 are supplied to an arm a of a circulator 22. In Microwave technology, a circulator is understood to be a non-reciprocal transmission element. It is characteristic of such a circulator that the energy supplied to the arm a is selectively propagated in the direction of the arm b. The arm b of the circulator is used to supply the operating signal to the maser 23. For this purpose, a solid maser, as described in the Swiss Patent No. 359757, is particularly suitable.
The amplified output signal of the maser is fed to arm b and selectively propagates through the circulator in the direction of arm c. The auxiliary signal is fed to the maser from the auxiliary oscillator 24. The arm c of the circulator in turn conducts the energy on to the load 25, which is usually a further stage of the receiver or the cavity resonator due to mismatches of the load reflecting a second maser stage if a higher amplification is required than with a single one Maserstufe is achievable.
To prevent energy that is reflected from the load as a result of mismatches from returning to the load, the circulator contains another branch <I> d. </I> The arm <I> d </I> conducts the energy further to the practically adapted load 26, which thus limits reflections to a minimum. With a view to achieving the highest possible ratio of useful to interference level of the maser amplifier, it is desirable that this is kept at a relatively low temperature, namely to a few degrees Kelvin, so that it itself has only extremely low inherent noise.
In such a case, it is particularly important to restrict the noise of all other possible noise sources to a minimum. Preferably, not only the grain, but also the non-reciprocal transmission link, e.g. B. the circulator, and the practically adapted load on arm d cooled to a few degrees Kelvin. The antenna is actually exposed to the radiant temperature of the interstellar space and therefore does not constitute a significant source of noise.
In the present case, in which the circulator is operated at very low temperatures, it is possible to use paramagnetic material instead of the usual ferromagnetic material in the gyrator. This gyrator is a feature of a circulator of the type described in the aforementioned article in The Bell System Technical Journal, Volume 31, pages 1-31 (1952).
The use of a paramagnetic material is possible in this case because the magnetization that can be achieved becomes large enough at the intended low temperature. In addition, the adjusted load 26 a on the arm d is preferably kept at a low temperature. Because the circulator 22 separates the load 25 from the amplifier 23, there is the particular effect that the noise of the load 25 cannot penetrate into the amplifier 23 and be amplified there, which would lead to an undesirable increase in the noise of the load 25.
Under these circumstances, it is then also not necessary for the load 25 itself to be low-noise, which in practice cannot or can only be achieved with difficulty in many cases. In the drawing it is indicated by the dashed line 28 that the elements surrounded by this dashed line are housed in a suitable cooling system.
For the sake of simplicity, the various filter elements that are used to limit the transmission of the auxiliary signal to the load to a minimum are not shown because they are known per se.