DE1087646B

DE1087646B - Anordnung zur Verstaerkung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen

Info

Publication number: DE1087646B
Application number: DES63372A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Konrad Abel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-06-09
Filing date: 1959-06-09
Publication date: 1960-08-25
Also published as: US3517209A; GB951310A; BE591720A; NL252456A; NL136231C; SE300635B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Verstärkung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen mit einem Reaktanzmodulator, dessen. Ausgang sowohl für das als Nutzschwingung entnommene, insbesondere obere Seitenband, als auch für das andere, insbesondere untere Seitenband, eine Abschlußimpedanz enthält.

Verstärker der vorbezeichneten Art, die beispielsweise aus der Zeitschrift »Proceedings of the IRE«, Juni 1958, S. 1301 bis 1303, vorbekannt sind, be- ίο stehen aus einem Modulator mit einer nichtlinearen Reaktanz, der einerseits die zu verstärkenden Wellen und andererseits eine Überlagerungsschwingung höherer Frequenz zugeführt werden. Infolge der nichtlinearen Eigenschaften der Reaktanz — die z. B. aus einer im Sperrgebiet betriebenen, als Kapazität wirkenden Kristalldiode besteht — entstehen hierbei oberhalb und unterhalb der Überlagerungsfrequenz gelegene Seitenbänder. Durch einen eine Wirkkomponente enthaltenden Abschluß des Reaktanzmodulators wird für die unterhalb der Überlagerungsschwingung gelegenen Frequenzen eine Entdämpfung des Modulatoreingangs hervorgerufen. Der Modulator wirkt dann wie ein negativer Widerstand und kann so in Verbindung mit einem Zirkulator in an sich bekannter Weise zur Verstärkung von Wellen verwendet werden. Eine andere Verwendungsart derartiger Verstärker besteht darin, daß der Ausgang des Reaktanzmodulators über Richtungsleitung und ein das obere Seitenband aussiebendes Bandfilter mit dem Verbraucher verbunden wird. Nachteilig an diesen bekannten Anordnungen ist die im Betrieb in Erscheinung tretende starke Einengung der Bandbreite, wenn nennenswerte Verstärkungen erzielt werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, auf dem es möglich ist, vor allem diesen Schwierigkeiten in einfacher Weise zu begegnen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Anordnung zur Verstärkung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen mit einem Reaktanzmodulator, dessen Ausgang sowohl für das als Nutzschwingung entnommene, insbesondere obere Seitenband, als auch für das andere, insbesondere untere Seitenband, eine Abschlußimpedanz enthält, in der Weise gelöst, daß für das andere Seitenband eine Abschluß impedanz vorgesehen ist, die hinsichtlich ihrer Wirkkomponente unabhängig von. der für das als Nutzschwingung dienende Seitenband vorgesehenen Abschluß impedanz ist. Zweckmäßig wird hierbei die Wirkkomponente der Abschlußimpedanz für das andere Seitenband derart hoch gewählt, daß bei einer vorgegebenen Bandbreite die Verstärkung ihren maximalen Wert erreicht. Weiterhin empfiehlt Anordnung zur Verstärkung

kurzer und sehr kurzer
elektromagnetischer Wellen

Anmelder;

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dipl.-Phys, Konrad Abel, München,
ist als Erfinder genannt worden

es sich, daß die Wirkkomponente der Abschlußimpedanz für das andere Seitenband derart hoch gewählt ist, daß der Eingangsleitwert des Reaktanzmodulators für die Signalschwingung einen vorgegebenen positiven oder negativen reellen Wert hat. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß für die beiden Seitenbänder eine Trennung mittels einer Weichenanordnung oder einer Brückenschaltung vorgesehen ist. Vorteilhaft läßt sieh ein gleichwertiges Ergebnis auch dadurch erzielen, daß für die beiden Seitenbänder an sich eine gemeinsame Abschlußimpedanz vorgesehen wird, jedoch in die Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang des Reaktanzmodulators und der Abschlußimpedanz eine selektiv für das andere Seitenband wirkende Transformationsvorrichtung eingeschaltet wird.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in zum Teil wesentlichen Einzelheiten in der Zeichnung wiedergegeben sind.

In der Fig. 1 ist das der Diskussion des Erfindungsgegenstandes zugrunde gelegte Ersatzschaltbild eines parametrischen Verstärkers mit einer nichtlinearen Kapazität als nichtlineare Reaktanz dargestellt. Hierin bedeuten C₀ und C_v die durch die nichtlineare Kapazität gebildeten elektrischen Größen. Dabei ist eine Unterscheidung in der Weise vorgenommen, daß C₀ die mittlere Kapazität und C_v die durch die Wechselspannungen hervorgerufene Änderung der mittleren Kapazität ist. In dem die Kapazitätskennlinie beschreibenden Polynom entspricht somit C₀ dem konstanten Anfangsglied, während C_v durch die weiteren Glieder höherer Ordnung des Polynoms be-

009 588/281

_,_Λ ,ν 1 OS? 646 .

3 4

stimmt ist. Der Deutlichkeitshalber ist in dem Ersatz- ■ Bezeichnet; ma& mit F₁₃ die Leistungsverstärkung

schaltbild die nicht lineare "Reaktanz durch einen ge- " vom Signaleingang I nach dem Signalausgang III, so

strichelt eingezeichneten Rahmen hervorgehoben. An gilt

diese nichtlineare Reaktanz sind vier Zweige parallel _ f ₃ · 4 · W₁₃

angeschaltet. Die einzeleneh" Zweige sind mit 0, 1, 2 5 ^1S ~ f . η _j_ _m . _m \i ·

und 3 bezeichnet. Der Zweig 0 dient der Zuführung

der Energie des Pumposzillators mit der Frequenz Z₀, Das aus diesen Gleichungen sich ergebende Verder aus dem Generatorleitwert G₀ und der Strom- halten des gesamten parametrischen Verstärkers ist quelle I₀ besteht. Der Zweig 1 dient der Zuführung der in einem Schaubild in der Fig. 3 wiedergegeben. Setzt Energie der Signalquelle piit der Frequenz Z₁. Die io man G₂ entsprechend dem bekannten Fall gleich Un-Signalquelle besteht aus 'dem Generatorleitwert G₁ endlich, so wird die Verstärkung des parametrischen und der Signalstromquelle J₁ -X₀' und X₁, C₁ sind die Verstärkers gleich dem Verhältnis J₃Jf₁. Sobald je-Eingangskreise für die Oszillatorfrequenz und für die doch G₂ reell wird, geht auch G₃ mit in die Verstärdem Eingang zugeführte Signalfrequenz in den je- kung ein. Allgemein läßt sich aus den Gleichungen weiligen Zweigen. Der Zweig 2 stellt die dem unteren 15 die Regel ableiten, daß die Verstärkung für Z₃ um so Seitenband sich anbietende Ausgangsimpedanz dar, größer ist, je mehr G₂ am Energieverbrauch beteiligt während der Zweig 3 die dem oberen Seitenband sich wird. Für ein gegebenes reelles G₂ wird die Verstärdarbietende Ausgangsimpedanz ist. Jeder dieser kung weiterhin um so größer, je niedriger G₃ gewählt Zweige umfaßt einen der Herausstimmung von Blind- wird. Man hat es demnach durch entsprechende Wahl komponenten dienenden Kreis L, C und einen Wirk- 20 von G₂ und G₃ auch in der Hand, einen vorgegebenen leitwert G, die im Ersatzschaltbild mit dem jeweiligen Verstärkungswert zu realisieren, und zwar im sta-Index des Zweiges versehen sind. Im vorliegenden Fall bilen Zustand. Die Stabilitätsbedingung für einen wird also im Zweig 2 das untere Seitenband mit der derartigen Verstärker lautet, W₁₃ — W₁₂ muß größer Frequenz Z2⁼/o~/i ^un& im'Zweig 3 das obere Seiten- als —1 sein. Dabei bedeutet die Differenz W₁₃ — m₁₂ band mit der Frequenz /_e = Z₀ + Zi entnommen. Den 25 den normierten Eingangsleitwert G₁JG₁ des paraweiteren Betrachtungen wird zugrunde gelegt, daß in metrischen Verstärkers. In dem Schaubild nach Fig. 3 der Gesamtanordnung Mittelivorgesehen sind, die sicher- sind zwei Parameter vorgesehen, und zwar einmal die stellen, daß in jedem der Zweige nur solche Energie Differenz W₁₃ — W₁₂ entsprechend dem normierten vorhanden ist, die die für diesen Zweig vorgesehene Eingangsleitwert G₁JG₁ des parametrischen Verstär-Frequenz hat. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß 30 kers und andererseits die Größe W₁₂. Es ist auf diese keiner der Zweige die jeweils drei anderen stört. Weise möglich, entweder vom Eingangsleitwert aus-Das Verhalten einer derartigen Anordnung läßt gehend durch Wahl von W₁₃ oder W₁₂ die Verstärkung sich wie folgt beschreiben." Oer Wirkleitwert G₂ im festzulegen oder unmittelbar durch Wahl von W₁₂ Zweig 2 hat zur Folge, daß an den Eingangsklemmen I und W₁₃. Der mit W₁₂ = O bezeichnete Wert in dem des parametrischen Verstärkers eine Eingangsimpe- 35 Schaubild entspricht dem bekannten Fäll, daß G₂=oo danz erscheint, zu der G₂ einen negativen Wirkleit- sein soll und somit die Verstärkung nur von dem Verwert als Anteil beisteuert, während G₃ einen positiven hältnis Z3: Zi abhängt.

Wirkanteil ergibt. Durch gegenseitige Abstimmung Für den Fall der Verwendung des unteren Seiten-

von G₂ und G₃ läßt sich somit an den Abschluß- bandes, also des Zweiges Z₂ als Signalausgang, ergibt

klemmen I des parametrischen Verstärkers ein belie- 40 sich für die Leistungsverstärkung F₁₂ des Signals die

biger positiver oder negativer Wirkleitwert als Ein- Gleichung

gangsleitwert erzwingen. Die Verstärkung der im · f . 4 . _m

Ersatzschaltbild beschriebenen Anordnung läßt sich F₁₂ = „ \ _m _m \2 ·

wie folgt beeinflussen, wenn_rdas Ersatzschaltbild nach Ρ/ι ν i3 12J

der Fig. 2 zugrunde gelegt wird, in der mit G₁', G₂', 45 Das durch diese Gleichung beschriebene Verhalten

G/ die Eingangsimpedanzen des parametrischen Ver- des parametrischen Verstärkers in dieser Schaltungs-

stärkers, von den jeweiligen Anschlüssen aus betrach- weise ist im Schaubild der Fig. 4 wiedergegeben. Zu

tet, bezeichnet sind. Dieses .Ersatzschaltbild ist inso- diesem Fall läßt sich feststellen, daß eine Beteiligung

fern vereinfacht, als der Zweig 0 für die Zuführung von G₃ am Energieverbrauch sich dahingehend aus-

der Energie des Oszillators außer Betracht geblieben 50 wirkt, daß zwar eine gewisse Verringerung der Ver-

ist und nur die Wirkleitwerte der jeweiligen Ein- Stärkung eintritt, daß jedoch für eine geforderte Ver-

gangsimpedanzen in Betracht gezogen sind. Zur Ver- Stärkung die Bandbreite erhöht wird,

einfachung der Betrachtung wird vorausgesetzt, daß Nachstehend soll noch gezeigt werden, wie im

innerhalb des Arbeitsbereiches die Ladungskennlinie Einzelfall in der Praxis die Trennung für die Fre-

der nichtlinearen Reaktanz ,quadratischen Verlauf hat, 55 quenzen Z₂ und Z₃ durchgeführt werden kann. Dabei

obwohl die vorstehenden allgemeinen Regeln auch für ist zu beachten, daß Z₂ und Z₃ nicht nur einzelne Fre-

anderen Kennlinienverlauf gelten. Es lassen sich dann quenzen sein sollen, sondern wegen der endlichen

folgende Beziehungen zwischen den einzelnen Wirk- Bandbreite des Signals mit der Frequenz Z₁ auch eine

leitwerten feststellen: . endliche Bandbreite haben.

q'iq = _m ---^- μ ^6o Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist eine

Q¹SfQ¹ = w£^Z l(\ -f ² _OT ) Weichenanordnung zur Trennung der Frequenzen Z₂

Q'IQ — m Ki — w ) ^un<^ ^3 vorgesehen. In einem Hohlleiter 1 rechteck-

wobei s/s 13/Λ 12/> förmigen Querschnitts ist eine Kristalldiode 2 in be-

_m _., . ., . r'11 er .r\ kannter Weise als nichtlineare Reaktanz zwischen die

_an(j . . ^H ^e5 gegenüberliegenden breiten Hohlleiterseiten einge-

_m ,. .,,,-. r *Jtr r\ schaltet. Die Zuführung der Hochfrequenzspannungen

* mit der frequenz Zo bzw. Zi erfolgt über zwei Ko-

ist. C₁ ist hierbei dem im Ersatzschaltbild nach Fig. 1 axialleitungen in Form einer Reiheneinspeisung. Die

erwähnten C_v wegen dqr .vorausgesetzten quadrati- entsprechenden Koaxialleitungen sind mit 3 und 4

sehen Kennlinie im Arbeitsbereich gleichzusetzen. 70 bezeichnet. Im Hohlleiter 1 ist, von der Querschnitts,-

ebene, in der die nichtlineare Reaktanz 2 eingeschaltet ist, aus gerechnet, im Abstand von einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge bei der Frequenz f₃ ein erstes Filter 5 eingeschaltet, welches nur für die Frequenz f₂ durchlässig ist und mit seiner Eingangsblende für die Frequenz /₃ einen Kurzschluß bildet. In gleicher Weise ist im anderen Abschnitt der Hohlleitung ein Filter 6 vorgesehen, welches für die Frequenz /₃ durchlässig ist und für die Frequenz f₂ in Abstand von einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge bei der Frequenz f₂, von der Einschaltungsebene der nichtlinearen Reaktanz aus gerechnet, einen Kurzschluß darstellt. Die Anordnung arbeitet demzufolge in der Weise, daß von dem Mittelabschnitt des Hohlleiters 1 aus betrachtet, in der einen Richtung sich nur die Energie mit der Frequenz f₂ und in der anderen Richtung nur die Energie mit der Frequenz f₃ ausbreitet. Es ist somit erreicht, durch Absorber oder weitere Filter die einzelnen Energieanteile gesondert in der vorerwähnten Weise behandeln zu können.

In der Fig. 6 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem von frequenzselektiven Transformationseigenschaften eines Leitungsabschnittes Gebrauch gemacht wird. Das Grundkonzept der Anordnung entspricht etwa dem nach der Fig. 5, weshalb für die hierbei gleichen Teile die entsprechenden Bezugszeichen übernommen sind. Der zur frequenzselektiven Transformation dienende Leitungsabschnitt 7 ist in seiner Länge I und in seinem Wellenwiderstand Z derart abweichend von den beiderseits daran anschließenden Abschnitten gewählt, daß das nachgeschaltete Filter 9 für die Frequenz ^₃ hinsichtlich seiner Eingangsimpedanz für die Frequenz f₂ derart in die Einschaltungsebene der nichtlinearen Reaktanz 2 transformiert wird, daß dort für die Frequenz f₂ ein gewünschter Wirkleitwert erscheint. Bei Brückenschaltungen, die ebenfalls zur Trennung der Frequenz verwendet werden können, kann in entsprechender Weise vorgegangen werden.

Das Anwendungsgebiet eines parametrischen Verstärkers ist relativ weit gespannt. So· kann mit Vorteil ein parametrischer Verstärker nach der Erfindungunter anderem als Vorrichtung zur Transponierung einer in relativ niedriger Frequenzlage befindlichen Hochfrequenzschwingung in eine höhere Frequenzlage (Aufwärtsumsetzer) dienen. Dabei kann es sich auch um einen Frequenzumsetzer handeln, der beispielsweise in der Relaisstelle einer Richtfunkstrecke als Sendeumsetzer dient und demzufolge eine relativ hohe Ausgangsleistung abgeben soll. Auch als Verstärker für ein Empfangssignal ist der Erfindungsgegenstand verwendbar, und zwar z. B. in der Weise, daß mittels des parametrischen Verstärkers das Empfangssignal in eine höhere Frequenzlage gebracht und hierbei verstärkt wird und daß es in dieser höheren Frequenzlage in üblicher Weise weiterverarbeitet, z. B. demoduliert wird. Der Vorteil liegt hierbei darin, daß die Verstärkung rauscharm erfolgt und auch bei nicht sehr hoch liegender Pumpfrequenz durch Wahl von G₂ und G₃ einem vorgegebenen Wert entsprechend eingestellt werden kann, der unter Umständen erheblich über dem aus dem Verhältnis von Ausgangssingnalfrequenz zu Eingangssignalfrequenz resultierenden Wert liegt.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Verstärkung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen mit einem Reaktanzmodulator, dessen Ausgang sowohl für das als Nutzschwingung entnommene, insbesondere obere Seitenband, als auch für das andere, insbesondere untere Seitenband, eine Abschlußimpedanz enthält, dadurch gekennzeichnet, daß für das andere Seitenband eine Abschlußimpedanz vorgesehen ist, die hinsichtlich ihrer Wirkkomponente unabhängig von der für das als Nutzschwingung dienende Seitenband vorgesehenen Abschlußimpedanz ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkkomponente der Abschlußimpedanz für das andere Seitenband derart gewählt ist, daß bei einer vorgegebenen Bandbreite die Verstärkung ihren maximalen Wert erreicht.

3. Anordnung nach Anspruch 1- oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkkomponente der Abschlußimpedanz für das andere Seitenband derart hoch gewählt ist, daß der Eingangsleitwert des Reaktanzmodulators für die Signalschwingung einen vorgegebenen positiven oder negativen reellen Wert hat.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Seitenbänder eine Trennung mittels einer Weichenanordnung vorgesehen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschluß impedanz für beide Seitenbänder gemeinsam ist und an den Ausgang des Reaktanzmodulators angeschaltet ist, jedoch unter Zwischenschaltung eines für das andere Seitenband selektiven Transformationsgliedes.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die beiden Seitenbänder eine Trennung mittels einer Brückenschaltung vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

& 009 588/281 8.60