DE1084785B

DE1084785B - Parametric reactance amplifier

Info

Publication number: DE1084785B
Application number: DET16625A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Klaus Bomhardt; Dr-Ing Johannes Schubert; Robert Maurer
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1959-04-30
Filing date: 1959-04-30
Publication date: 1960-07-07

Description

Parametrischer Reaktanzverstärker Die Erfindung befaßt sich mit einem parametrischen Reaktanzverstärker nach dem schaltungstechnisch besonders einfachen Prinzip des Geradeausverstärkers.Parametric Reactance Enhancer The invention is concerned with one parametric reactance amplifier according to the circuitry which is particularly simple Principle of the straight ahead amplifier.

In der letzten Zeit sind neue Verstärker bekanntgeworden, .die ihrer Natur nach Mischanordnungen sind mit gleichzeitiger Verstärkung zwischen Eingangs-und Ausgangsfrequenz. Ihre verstärkende Wirkung beruht auf der Durchsteuerung einer nichtlinearen Reaktanz mit der sogenannten Pumpfrequenz. Der große Vorteil solcher Anordnungen beruht darauf, daß kein »heißer« Elektronenstrahl wie in Vakuumröhren verwendet wird, sondern daß die verstärkende Wirkung in Halbleitern oder Ferriten erzeugt wird. Es ergibt sich daraus ein wesentlich geringeres Rauschen als bei entsprechenden Röhrenanordnungen. Als nichtlineare Reaktanz kann hierbei eine Kapazität oder eine Induktivität Verwendung finden. Der erste Fall wird in Halbleiterdioden verwirklicht, die im Sperrgebiet betrieben werden und eine von der negativen Vorspannung abhängige Kapazität darstellen. Für den zweiten Fall benutzt man geeignete Ferrite, in denen mit Hilfe der Präzessionsbewegung des Elektronenspins eine von der steuernden Spannung abhängige effektive Induktivität erzeugt wird. In beiden Fällen läßt sich ein Ersatzschaltbild angeben, in welchem die nichtlineare Reaktanz als Kopplung zwischen den drei Schwingkreisen für die Eingangsfrequenz f s mit dem Signalgenerator, für die Ausgangsfrequenz mit der Last und für die Pümpfrequenz f v, mit dem Pumpgenerator auftritt. Die Pumpfrequenz steuert dabei die nichtlineare Reaktanz durch.Recently, new amplifiers have become known, yours Nature after mixing arrangements are with simultaneous amplification between input and Output frequency. Their reinforcing effect is based on the control of a non-linear reactance with the so-called pump frequency. The big advantage of such Arrangement is based on the fact that there is no "hot" electron beam as in vacuum tubes is used, but that the reinforcing effect in semiconductors or ferrites is produced. This results in a much lower noise than with corresponding ones Tube assemblies. A capacitance or a Find inductance use. The first case is realized in semiconductor diodes, which are operated in the restricted area and one that is dependent on the negative bias voltage Represent capacity. For the second case one uses suitable ferrites in which with the help of the precession motion of the electron spin one of the controlling voltage dependent effective inductance is generated. An equivalent circuit diagram can be used in both cases indicate in which the nonlinear reactance is the coupling between the three oscillating circuits for the input frequency f s with the signal generator, for the output frequency with the load and for the pumping frequency f v, occurs with the pump generator. The pumping frequency controls the non-linear reactance.

Beim Geradeausverstärker ist die Frequenz f s des Eingangssignals gleich der des verstärkten Ausgangssignals. Die Signalquelle und die Last sind beide parallel zum Signalkreis des Verstärkers geschaltet. Die verstärkende Wirkung kommt dadurch zustande, daß dieser Signalkreis beim Durchsteuern der Reaktanz mit einer Pumpfrequenz f_, durch den parametrischen Effekt entdämpft wird. Zum stabilen. Betrieb ist es notwendig, daß in der Schaltung ein Resonanzkreis vorhanden ist, dessen Resonanzfrequenz in der Nähe der Differenzfrequenz von Pumpspannung und Signalspannung liegt. Die Differenzfrequenz, in der englischen Fachliteratur mit »Idlefrequenz« bezeichnet, ist demnach f p_ s = f p- f s. Dieser Resonanzkreis bestimmt die Phase zwischen dem Strom und der Spannung der Frequenz, die bei dem Mischvorgang in der Koppelreaktanz entsteht. Der erwähnte Resonanzkreis ist bei den bisher bekanntgewordenen Anordnungen als Hilfskreis in die Schaltung eingebaut.In the case of a straight amplifier, the frequency fs of the input signal is the same as that of the amplified output signal. The signal source and the load are both connected in parallel to the signal circuit of the amplifier. The reinforcing effect is due to the fact that this signal circuit is undamped by the parametric effect when the reactance is driven through with a pump frequency f_. To the stable. Operation, it is necessary that a resonance circuit is present in the circuit, the resonance frequency of which is close to the difference frequency between the pump voltage and the signal voltage. The difference frequency, called “idle frequency” in English technical literature, is accordingly f p_ s = f p- f s. This resonance circuit determines the phase between the current and the voltage of the frequency that is created in the coupling reactance during the mixing process. The aforementioned resonance circuit is built into the circuit as an auxiliary circuit in the arrangements that have become known up to now.

Es sind schon parametrische Verstärker bekanntgeworden, bei denen die Pumpfrequenz ungefähr doppelt so groß gewählt wurde wie die Signalfrequenz, so daß der Signalkreis die Aufgabe des Hilfskreises mit übernehmen kann. Diese Anordnungen sind jedoch nicht geeignet, um mit möglichst kleiner Pumpleistung eine maximale Durchsteuerung der Reaktanz zu erzielen.Parametric amplifiers have already become known where the pump frequency was chosen to be about twice as large as the signal frequency, so that the signal circuit can take over the task of the auxiliary circuit. These arrangements however, they are not suitable for achieving a maximum To achieve control of the reactance.

Die Erfindung befaßt sich mit einer solchen Anordnung, wobei die Schaltung gegenüber den bisher bekanntgewordenen Verstärkern wesentlich vereinfacht werden kann.The invention is concerned with such an arrangement, the circuit are significantly simplified compared to the previously known amplifiers can.

Bei einem parametrischen Reaktanzverstärker, bestehend aus einem Pumpkreis und einem Signalkreis mit hierzu parallel liegender Last, bei dem der Pumpkreis über eine durchsteuerbare nichtlineare Reaktanz mit dem Signalkreis gekoppelt ist, wobei die Pumpfrequenz ungefähr doppelt so groß gewählt ist wie die Signalfrequenz, so daß der Signalkreis gleichzeitig als Hilfskreis dient, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, als Signalkreis einen auf die Signalfrequenz abgestimmten, am Ende kurzgeschlossenen 2/4-Kreis zu verwenden. Der Pumpkreis wird durch einen am Ende kurzgeschlossenen )./4-Kreis, abgestimmt auf die Pumpfrequenz, gebildet. Durch eine in Serie zu seinem Innenleiter geschaltete Kapazität wird er so ergänzt, daß für die Pumpfrequenz Parallelresonanz, für die Signalfrequenz jedoch Serienresonanz eintritt.In the case of a parametric reactance amplifier, consisting of a pump circuit and a signal circuit with a load lying parallel thereto, in which the pump circuit is coupled to the signal circuit via a controllable non-linear reactance, where the pump frequency is chosen to be approximately twice as large as the signal frequency, so that the signal circuit also serves as an auxiliary circuit, it is proposed according to the invention, The signal circuit is one tuned to the signal frequency and short-circuited at the end Use 2/4 circle. The pumping circuit is short-circuited by one at the end ) ./ 4-circle, matched to the pump frequency. Through one in series to his Inner conductor switched capacity, it is supplemented in such a way that parallel resonance, for the signal frequency, however, series resonance occurs.

Nachfolgend soll der Erfindungsgedanke an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The idea of the invention will be described below with reference to an exemplary embodiment are explained in more detail.

Die Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines Dioden-Reaktanzverstärkers ohne Hilfsbeis mit konzentrierten Schaltelementen. An den Klemmen I-I ist der Pumpgenerator G1 an den Pumpkreis 1 angeschlossen. Eine durchsteuerbare Reaktanz R koppelt diesen Kreis 1 mit dem Signalkreis 2. Die Last Ra und der Signalgenerator G1 liegen an den Klemmen II-II parallel zum Signalkreis. Die durchsteuerbare Reaktanz R ist im Ausführungsbeispiel eine Halbleiterdiode, deren Kapazität mit Hilfe einer Vorspannung in bekannter Weise variiert werden kann. An Stelle dieser Diode kann natürlich auch eine andere Reaktanz durchgesteuert werden, beispielsweise eine Induktivität, die man mit Hilfe der Präzessionsbewegung des Elektronenspins geeigneter Ferrite erzeugt. Hierbei ist die Frequenz f p des Pumpgenerators ungefähr doppelt so groß gewählt wie die Frequenz f s des Signalgenerators. Man erreicht dadurch, daß die sogenannte Idlefrequenz f,-, ... f s wird, so daß sie in der Nähe der Signalfrequenz liegt, auf die der Signalbeis abgestimmt ist. Dieser Signalkreis übernimmt dabei die Rolle des Hilfskreises, d. h., ein getrennter Hilfskreis ist überhaupt nicht mehr nötig.Fig. 1 shows the equivalent circuit diagram of a diode reactance amplifier without auxiliaries with concentrated switching elements. Pump generator G1 is connected to pump circuit 1 at terminals II. A controllable reactance R couples this circuit 1 with the signal circuit 2. The load Ra and the signal generator G1 are connected to the terminals II-II parallel to the signal circuit. In the exemplary embodiment, the controllable reactance R is a semiconductor diode, the capacitance of which can be varied in a known manner with the aid of a bias voltage. Instead of this diode, another reactance can of course also be controlled, for example an inductance that is generated with the help of the precession motion of the electron spin of suitable ferrites. The frequency fp of the pump generator is selected to be approximately twice as large as the frequency fs of the signal generator. The result is that the so-called idle frequency f, -, ... f s, so that it is close to the signal frequency to which the signal is tuned. This signal circuit takes on the role of the auxiliary circuit, ie a separate auxiliary circuit is no longer necessary at all.

Für den praktischen Betrieb muß die Bandmittenfrequenz des Signals so weit gegenüber der halben Pumpfrequenz verschoben sein, daß die Idlefrequenz f p-, außerhalb der Bandbreite des nachfolgenden Verstärkers liegt. Dabei muß die Bandbreite des entdämpften Signalkreises größer sein als die der nachfolgenden Stufe, damit er noch als Resonanzkreis für die Idlefrequenz wirkt.For practical operation, the band center frequency of the signal must be shifted so far with respect to half the pump frequency that the idle frequency f p- is outside the bandwidth of the following amplifier. The bandwidth of the undamped signal circuit must be larger than that of the subsequent stage so that it still acts as a resonance circuit for the idle frequency.

In der Fig.2 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung gezeigt. Als Resonänzkreise sind verlustarme konzentrische Leitungen verwendet. Mit R ist wie in der Fig. 1 die durchsteuerbare Reaktanz bezeichnet. Es ist dies eine Halbleiterdiode. Ihr Arbeitspunkt wird mit einer über die eingezeichnete UHF-Drossel Dr zugeführten Gleichspannung eingestellt, wobei noch durch einen Trennkondensator CK dafür gesorgt ist, daß die Gleichspannung nicht über den Innenwiderstand des an den Klemmen I-I anzuschließenden Pumpgenerators G1 kurzgeschlossen wird. Entsprechend der Fig. 1 wird an den Klemmen 11-II die Last Ra und der Signalgenerator G2 angeschlossen. Der Einfachheit halber wurde dies jedoch nicht mehr mit eingezeichnet. Die beiden Leitungsfilter 1 und 2 sind im Ausführungsbeispiel koaxiale Filter, die am Ende in bekannter Weise durch Kurzschlußschieber S1 und SZ abgeglichen werden.2 is a section through an arrangement according to the invention shown. Low-loss concentric lines are used as resonance circuits. As in FIG. 1, R denotes the controllable reactance. It is this a semiconductor diode. Your working point is indicated by a UHF choke Dr supplied DC voltage adjusted, with still by an isolating capacitor CK ensures that the DC voltage does not exceed the internal resistance of the pump generator G1 to be connected to terminals I-I is short-circuited. Corresponding 1, the load Ra and the signal generator G2 are connected to the terminals 11-II. For the sake of simplicity, however, this was no longer shown. The two In the exemplary embodiment, line filters 1 and 2 are coaxial filters which, at the end be adjusted in a known manner by short-circuit slide S1 and SZ.

Damit die maximale Durchsteuerung der Reaktanz R mit möglichst kleiner Pumpleistung erzielt werden kann, sind diese beiden Kreise in besonderer Weise ausgebildet und abgestimmt. Der Signalkreis 2 ist erfindungsgemäß ein auf die Signalfrequenz f 8 abgestimmter, am Ende kurzgeschlossener A/4-Kreis. Seine wirksame Länge 1, beträgt also ABl, Er wirkt bei dieser Frequenz somit wie ein Parallelresonanzkreis. Da die Signalfrequenz f$ ;e. 1/2 fp gewählt wurde, ist die Wellenlänge A8 der Signalspannung ungefähr 2 Ap (Ap = Wellenlänge der Pumpspannung). Bei gleicher Länge 1, des Kreises 2 wirkt dieser daher bei der Pumpfrequenz als Serienresonanzkreis; denn setzt man in die Gleichung den erfindungsgemäßen Wert für A3 ,. 2 2, ein, so erhält man Ein am Ende kurzgeschlossener A/2-Kreis ist aber ein Serienresonanzkreis. Die weitere Bedingung für maximale Durchsteuerung mit minimaler Pumpleistung wird am Kreis 1 folgendermaßen erzielt. Seine Länge h wird erfindungsgemäß auf Api¢ eingestellt (unter Berücksichtigung der verkürzenden Wirkung der in den Innenleiter L1 im Fußpunkt eingeschalteten Kapazität C). Die Kapazität C wird dabei so bemessen, daß der Kreis 1 für die Pumpfrequenz in Parallelresonanz, für die Signalfrequenz jedoch in Serienresonanz ist. Es gibt nur einen Wert für h und C, bei dem diese beiden Bedingungen gleichzeitig erfüllt werden, wobei wieder f p ,.; 2 f 8 vorausgesetzt wird.So that the maximum through-control of the reactance R can be achieved with the smallest possible pump power, these two circles are designed and coordinated in a special way. According to the invention, the signal circuit 2 is an A / 4 circuit which is tuned to the signal frequency f 8 and short-circuited at the end. Its effective length is 1, so it is ABl. At this frequency it acts like a parallel resonance circuit. Since the signal frequency f $; e. 1/2 fp has been selected, the wavelength A8 of the signal voltage is approximately 2 Ap (Ap = wavelength of the pump voltage). With the same length 1, of the circle 2, this therefore acts as a series resonance circuit at the pump frequency; because you put in the equation the value according to the invention for A3,. 2 2, one, one obtains An A / 2 circuit short-circuited at the end is, however, a series resonance circuit. The further condition for maximum control with minimum pump power is achieved on circuit 1 as follows. According to the invention, its length h is set to Api (taking into account the shortening effect of the capacitance C connected into the inner conductor L1 at the base point). The capacitance C is dimensioned so that the circuit 1 is in parallel resonance for the pump frequency, but in series resonance for the signal frequency. There is only one value for h and C for which these two conditions are met at the same time, where again fp ,.; 2 f 8 is required.

Durch die in der Erfindung aufgezeigte Lehre wird der Bau eines einfachen parametrischen Verstärkers ohne Hilfskreis möglich, bei dem eine maximale Durchsteuerung der nichtlinearen Reaktanz mit möglichst kleiner Pumpleistung erzielt wird.The teaching shown in the invention makes the construction of a simple one parametric amplifier without auxiliary circuit possible, in which a maximum through control the non-linear reactance is achieved with the lowest possible pump power.

Claims

PATENT CLAIM: 1. Parametric reactance amplifier, consisting of a pump circuit and a signal circuit with a load lying parallel thereto, in which the pump circuit is coupled to the signal circuit via a controllable non-linear reactance, the pump frequency being selected to be approximately twice as large as the signal frequency, so that the signal circuit also serves as an auxiliary circuit, characterized in that the signal circuit (2) is an A / 4 circuit tuned to the signal frequency (f8) and short-circuited at the end and that the pump circuit (1) is connected by an A / 4- Circle, matched to the pump frequency (fp), is formed, which is supplemented by a capacitance (C) connected in series with its inner conductor so that parallel resonance occurs for the pump frequency, but series resonance occurs for the signal frequency.

2. Parametric reactance amplifier according to claim 1, characterized in that the controllable reactance with the help of a Bias adjustable capacitance of a semiconductor diode is used.

3. Parametric Reactance amplifier according to Claim 1, characterized in that the controllable Reactance with the help of the precession motion of the electron spin of suitable ferrites is produced. Considered publications: Phys. Rev., 107 (1957), 1 (1. July), 317; Proc. I. R. E., 46 (1958): 6 (June), 1302; Proc. I. R. E., 47 (1959), 4 (April), 586.