DE1094313B

DE1094313B - Parametrischer Wanderfeldverstaerker

Info

Publication number: DE1094313B
Application number: DEW23385A
Authority: DE
Inventors: Harry Suhl; Ping King Tien
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1957-06-06
Filing date: 1958-05-22
Publication date: 1960-12-08
Also published as: GB893082A; BE572020A; GB850707A; BE567285A; FR1208249A; NL232219A; CH391799A; DE1099007B; NL237429A; GB850036A; NL228439A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen parametrischen Wanderfeldverstärker, dessen Aufbau auf Grund seiner Abmessungen die Existenz von mindestens drei Wanderwellen mit den Frequenzen f_p, f_t und f₂ und den Phasenkonstanten ß„, ß_± und ß₂ gestattet, mit längs des Aufbaus verteilt angeordneten, energieabhängig veränderbaren Wellenkoppeleinrichtungen, die einen Energieaustausch zwischen den Wellen ermöglichen, bei welchem an einem Ende des Aufbaus eine Pumpwelle der Frequenz f_p mit relativ hohem Energiegehalt eingekoppelt wird, wodurch eine die Kopplung zwischen den Wellen ändernde Wanderwelle der Frequenz f_p und der Phasenkonstanten ß_p von einem Ende des Aufbaus zum anderen läuft und bei welchem eine Signalwelle der Frequenz f₁ an einem Ende eingekoppelt wird, während am anderen Ende eine Ausgangswelle der Frequenz f_t oder /₂ auskoppelbar ist.

Eine hauptsächlich bekannte Ausführungsform einer Wanderf eldverstärkerröhre enthält zwei langgestreckte, eng miteinander gekoppelte Übertragungswege. Auf dem einen der beiden Übertragungswege wird eine Signalwelle übertragen, während über den anderen ein Elektronenstrahl fließt, der aus einer geheizten Kathode kommt. Eine solche Röhre ist normalerweise so aufgebaut, daß das mit der Signalwelle verbundene elektrische Feld vom Elektronenstrahl in Richtung des wandernden Feldes durchlaufen wird, wobei der Aufbau normalerweise so dimensioniert ist, daß die Wanderungsgeschwindigkeiten des Feldes und des Elektronenstrahls ungefähr gleich groß sind. Unter diesen Bedingungen wirkt das elektrische Feld auf den Elektronenstrahl ein, so daß sich in dem Elektronenstrahl eine ungleichförmige Ladungsdichte ergibt, d. h., es ergibt sich eine sogenannte Dichtemodulation. Der Elektronenstrahl wirkt seinerseits auf das elekirische Feld in der Weise ein, daß die Amplitude der in gleicher Richtung wie der Elektronenstrahl längs einer Übertragungsleitung wandernden Welle, d. h. der Vorwärtswelle, mit der durchlaufenen Strecke wächst, während jede Welle, die etwa gegen den Elektronenstrahl läuft und als Rückwärtswelle bezeichnet wird, durch die Elektronen in dem Elektronenstrahl wenig beeinflußt wird. Die Vorrichtung wirkt daher für die Welle, die in der gleichen Richtung wie der Elektronenstrahl fortschreitet, als Verstärker.

Für solche Wanderfeldröhren ist es kennzeichnend, daß sie über ein verhältnismäßig breites Frequenzband mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden können. Solche Röhren sind jedoch für ein Arbeiten bei sehr hohen Frequenzen im Mikrowellengebiet nicht geeignet. Die Herstellung der Röhre erfordert hohe Präzision und sehr kleine Toleranzen, daher ist die Röhre teuer und zerbrechlich. Zu ihrem Betrieb sind hohe Spannungen erforderlich. Daher müssen Sicherheitsmaß-

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. K. Boehmert

und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte,

Bremen 1, Feldstr. 24

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. Juni 1957

Harry Suhl, Millington, N. J.,

und Ping King Tien, Chatham, N. J. (V. St. Α.),

sind als Erfinder genannt worden

nahmen ergriffen werden, um die mit solchen Röhren arbeitenden Menschen zu schützen. Der Ausgangspunkt des Elektronenstrahles ist eine geheizte Kathode, die eine unvermeidbare Quelle für Rauschstörungen ist, die bei der Verstärkung in der Röhre als Begleiterscheinung auftreten.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt, die Konstruktion einer solchen Röhre zu vereinfachen, die Schwierigkeiten beim Aufbau von Wanderfeldverstärkern und die Kosten zu verringern sowie auch das den Röhren eigene Rauschen herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird bei einem parametrischen Wanderfeldverstärker der obengenannten Art, dessen Aufbau auf Grund seiner Abmessungen die Existenz von mindestens drei Wanderwellen mit den Frequenzen f_p, Z₁ und f₂ und den Phasenkonstanten ß_p, ß_t und ß₂ gestattet, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Frequenzen dieser Wellen die Beziehung f_p = f_i-⁵r f₂ befriedigen, daß durch entsprechende Abmessungen des Aufbaus die Beziehung ß_p — ß₁+ß₂ befriedigt wird und daß die sich längs des Aufbaus erstreckenden Wellenkoppeleinrichtungen in ihrer Reaktanz veränderbar sind und dadurch der Pumpwelle Energie entziehen, um einen Teil der entzogenen Energie an die Signalwelle abzugeben, wodurch eine Leerlaufwelle mit der Frequenz f₂ erzeugt wird, und um außerdem einen Teil dieser entzogenen Energie an die Leerlaufwelle abzugeben, dergestalt, daß der Energieentzug und die Energieabgabe über die Längsausdehnung des Aufbaus vor sich gehen und dabei die Amplitude der vom einen zum anderen Ende des Aufbaus laufenden

009 677/34Φ

Signalwelle und die Amplitude der Leerlaufwelle zunehmen.

Bekanntlich wird ein einzelner Schwingkreis, der bei einer Frequenz f₀ auf Resonanz abgestimmt ist, und der ein veränderbares Reaktanzelement aufweist, dann, wenn ihm durch Änderung dieses Elementes mit einer Frequenz 2/₀ und mit einem Betrag unterhalb des Schwellwertes für Schwingungsanfachung Energie zugeführt wird, zu einem Verstärker mit negativem Widerstand für Signale der Frequenz f₀. Der gleiche· Fall liegt bei einem aus zwei Schwingkreisen bestehenden Stromkreis vor, dessen gemeinsamer Zweig eine veränderbare Reaktanz ist und bei dem die Resonanzfrequenzen der einzelnen Kreise Z₁ und f₂ sind. Wird Energie in beide Schwingkreise dadurch eingeführt, daß man das gemeinsame Reaktanzelement mit der Frequenz

fp = fi + f, (1)

mit einem Betrag unterhalb des Schwellwertes für Schwingungsanfachung ändert, dann wird jeder Schwingkreis zu einem Verstärker mit negativem Widerstand für Signale, deren Frequenz etwa angenähert seiner Resonanzfrequenz entspricht. Eine mit sehr hohen Frequenzen arbeitende Vorrichtung dieser Art weist einen Hohlraumresonator auf, in dem stehende Wellen zwei oder mehrerer verschiedener Wellenarten existent sein können, deren Frequenzen die Beziehung (1) befriedigen. Der Hohlraumresonator tritt an die Stelle der verschiedenen Schwingkreise der vorhin erwähnten Art, und die verschiedenen Wellentypen der stehenden Wellen treten an die Stelle der Resonanzströme sowie an die Stelle des Stromes der Energie zuführenden Quelle. Die Kopplung zwischen den Wellentypen der Stehwellen wird bei dieser Vorrichtung durch eine Präzession der Magnetisierung bewirkt, die innerhalb einer oder mehrerer ferromagnetischer Körper auftritt, die innerhalb des Hohlraumresonators angeordnet sind, wenn diese Körper dem Einfluß eines in bestimmter Weise angelegten magnetischen Feldes ausgesetzt sind.

Der dem ferromagnetisehen Körper eigene innere Mechanismus, durch den dieser Körper die erforderliche Kopplung zwischen den verschiedenen Wellentypen vermittelt, liegt in bestimmten anomalen ferromagnetischen Resonanzeigenschaften, die in Materialien, wie z. B. Ferriten, festgestellt wurden, die starken Hochfrequenzfeldern ausgesetzt waren. Diese anomalen Erscheinungen sind in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben worden. Sie sind außerdem erläutert und erklärt worden als Augenblicke einer subharmonischen Resonanz, und zwar durch H. Suhl in »Physical Review«, 15. Februar 1956, Bd. 101, S. 1437. Dieser Bericht erwähnt auch, den dem Ferrit eigenen Mechanismus, der für eine derartige subharmonische Resonanz und damit auch für die Kopplung verantwortlich ist, die ein solcher Ferrit zwischen Schwingungen eines Wellentyps mit einer Frequenz Z₁ (oder /₂) und einer zugeführten Energie eines anderen Wellentyps mit der Frequenz 2/₀ bietet. Dieser innere Kopplungsmechanismus wird ferner in einem Artikel von H. Suhl, »Proceedings of the Institute of Radio Engineers«, Oktober 1956, Bd. 44, S. 1270, mathematisch näher erläutert.

Die vorliegende Erfindung macht nun Gebrauch von dem Prinzip der Kopplung zwischen den Schwingkreisen und der Kopplung zwischen den Wellentypen, in dem diese Prinzipien für den Aufbau eines Wanderfeldverstärkers verwendet werden. Zu diesem Zweck wird ein erster Wellenübertragungsstromkreis, beispielsweise eine Übertragungsleitung oder ein Wellenleiter bzw. Hohlleiter, der hier mit Signalleitung bezeichnet wird, sowie ein zweiter Übertragungsweg, beispielsweise eine zweite Leitung oder ein zweiter Hohlleiter oder Wellenleiter, der hier mit Koppelleitung oder Leerlaufleitung bezeichnet wird, verwendet, der sich in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem ersten Leiter erstreckt. Diese beiden Leitungen sind eng miteinander gekoppelt, und zwar entweder an diskreten Punkten oder fortlaufend über ihre gesamte Länge, und zwar mittels einer Anzahl veränderbarer Reaktanzelemente oder durch ein Medium mit veränderbarer Reaktanz. Jede dieser Leitungen ist mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen, um Reflexionen zu vermeiden, so daß im Gegensatz zu einer stehenden Welle Wanderwellen auftreten können. Ein Signal mit einer Frequenz Z₁ wird der Signalleitung zugeführt, und die Reaktanzelemente oder das mit Reaktanz behaftete Medium wird mit einer Frequenz f_p und mit einer solchen Phasenbeziehung verändert, daß die Reaktanzänderung selbst eine Wanderwelle darstellt. Geeignete Mittel zum Sicherstellen einer solchen wandernden Welle einer Reaktanzänderung bestehen offenbar darin, daß man eine dritte, eine Wellenausbreitung ermöglichende Übertragungseinrichtung, beispielsweise eine dritte Übertragungsleitung oder einen dritten Hohlleiter oder Wellenleiter vorsieht, der die Welle der Reaktanzänderung den aufeinanderfolgenden variablen Elementen zuführt, oder aber den aufeinanderfolgenden Teilen des Reaktanzmediums, und zwar je nachdem für jedes Element oder nur für einen Teil dieser Elemente. Die Phasenkonstanten der ersten beiden Leitungen sollen ß_x bzw. ß₂ sein, während die Phasenkonstante der Reaktanzänderungswelle ß_p sein soll. Dann ergeben sich optimale Ergebnisse vom Standpunkt der Verstärkerbandbreite aus gesehen,

und wenn

A + Ä =

da>\

Mit einer solchen Anordnung, bei der die Signalwelle von den Eingangsklemmen der Signalleitung nach ihrem Ausgangsabschluß läuft, wird eine Koppelwelle oder Leerlaufwelle mit der Frequenz /₂ in der Koppelleitung oder Leerlaufleitung erzeugt, und diese Koppelwelle oder Leerlaufwelle wandert in gleicher Weise von den Eingangsklemmen nach dem Ausgangsabschluß. Von größerer Bedeutung ist es jedoch, daß die Amplitude der Signalwelle beim Durchlaufen der Signalleitung wächst, so daß die Ausgangslast ein Signal führt, das ein verstärktes Abbild des Eingangssignals ist. Das gleiche trifft auch für die Koppelwelle oder Leerlaufwelle zu, so daß, falls es erwünscht ist, das Ausgangssignal auch von der Leerlaufleitung mit einer Frequenzänderung von ^₁ nach f₂ abgenommen werden könnte.

Um zu erreichen, daß die Amplitude der Signalwelle während des Durchlaufens der Signalleitung zunimmt, muß der Welle von Punkt zu Punkt längs ihrer Bahn Energie zugeführt werden. Diese Energie wird durch den Generator geliefert, der auch die Welle der Reaktanzänderung erzeugt. Daher wird dieser Generator auch als Pumpgenerator bezeichnet, und die Reaktanzänderungswelle kann daher als Pumpwelle angesehen werden. Wie bereits oben erwähnt, läuft die Pumpwelle längs ihrer Übertragungs-

leitung oder längs ihres Wellenleiters von dem Generator nach dem fernen Ende. Um sicherzustellen, daß keine rückwärts laufende Pumpwelle auftritt, muß der Übertragungsweg für die Pumpwelle mit einer Impedanz abgeschlossen werden, die an dem Wellenwiderstand der Pumpleitung angepaßt ist. Diese Impedanz kann an sich eine gewöhnliche Last sein, doch wird in diesem Fall die Pumpleistung in dieser Last verbraucht. Solch ein Leistungsverbrauch hat zwischen den Leitern kann durch Ferritmaterial ausgefüllt sein, das sich auch noch etwas über die Leiter hinaus erstrecken kann. Die Steuerleitung kann dann ein runder Hohlleiter sein, der die Leiter und den Koppelferrit umgibt. In einer anderen Ausführungsform können Signal- und Leerlauf wellen gemeinsam als elektromagnetische Felder gekreuzter Wellentypen in einem Hohlleiter von rechteckigem Querschnitt bestehen, an dem ein anderer Hohlleiter von rechteckigem

jedoch keinen Sinn und sollte daher aus wirtschaft- 10 Querschnitt über einen beiden Hohlleitern gemeinlichen Gründen, wenn möglich, vermieden werden. samen Längsschlitz angekoppelt ist, der sich in einer

Gemäß einer Ausbildung der Erfindung wird die am Ende der Pumpleitung auftretende Pumpleistung nach den Eingangsklemmen der Pumpleitung zurückgeführt, und die Ausgangsklemmen der Pumpleitung sehen eine angepaßte Impedanz an den Eingangsklemmen der Pumpleitung.

Es wurde bemerkt, daß bei Wanderfeldröhren der Art, bei denen eine Wechselwirkung zwischen vorbeiden Hohlleitern gemeinsamen Wand befindet. Die Kopplung zwischen den Wellentypen kann dabei durch einen Stab aus Ferritmaterial bewirkt werden, der diesen Schlitz ausfüllt und von einem Ende zum anderen Ende des Schlitzes sich erstreckt. In jedem Fall muß ein magnetisches Gleichfeld an den Ferritstab angelegt werden, beispielsweise durch einen außen angelegten Magneten. Die Stärke dieses Feldes muß dabei be-

wärts laufender elektromagnetischer Welle und einem 20 kanntlich so eingestellt werden, daß die anomale

Elektronenstrahl auftritt, das Auftreten einer Rückwärtswelle harmlos ist, da sie mit dem Elektronenstrahl nicht in Wechselwirkung steht. Dies ist auch im Fall der vorliegenden Erfindung zutreffend. Nimmt man an, daß die Signalwelle und die Leerlaufwelle nur vorwärts gerichtete Komponenten aufweisen, dann kann die Pumpwelle rückwärts laufende Komponenten merklicher Amplitude aufweisen, ohne daß sich dadurch eine schädliche Wechselwirkung mit der Signalwelle oder der Leerlauf welle ergibt. Weist die Pumpwelle Vorwärts- und Rückwärtskomponenten von im wesentlichen gleicher Größe oder Amplitude auf, dann wird sie zu einer stehenden Welle. Die Erfindung umfaßt daher auch den Fall, daß die Pumpenergie wandernden Signal- und Leerlaufwellen von einer stehenden Pumpwelle aus zugeführt werden kann. Dieser Zustand läßt sich dadurch verwirklichen, daß reflektierende Abschlüsse an jedem Ende der Pumpwellenleitung angebracht werden. Diese Anordnung dient, wie auch die obenerwähnte Rückkopplungsleitung, dazu, Pumpenergie einzusparen.

In einer Ausführungsform zur Verwendung bei niedrigen Frequenzen, d. h. bei Frequenzen im Bereich zwischen 60 Hz und 1 MHz, kann eine solche Anord-Resonanzerscheinung auftritt, die die Grundlage für eine Kopplung zwischen verschiedenen Wellentypen in einem gewünschten Teil des Frequenzbereiches ergibt. Jede dieser Konstruktionen und auch beliebige Variationen dieser Konstruktionen befriedigen die folgenden Koppelbedingungen:

1. Der magnetische Vektor einer der beiden niederfrequenteren Wellen (Z₁ oder f₂) hat eine Komponente, die parallel zum magnetischen Gleichfeld verläuft;

2. der magnetische Vektor der anderen der beiden niederfrequenteren Wellen (/₂ oder /_x) hat eine Komponente, die senkrecht auf dem magnetischen Gleichfeld steht, und

3. der magnetische Vektor der Pumpwelle hat eine Komponente, die senkrecht zum magnetischen Gleichfeld verläuft.

Das Koppelmaterial kann ein solches Material sein, das das notwendige Resonanzverhalten zeigt, wie beispielsweise ein Manganferrit mit hohem spezifischem Widerstand. Je schmaler die ferromagnetische Resonanzabsorptionslinie des Materials ist, um so besser nung, längs der jede der Wellen läuft, eine Anzahl 45 arbeitet ein solcher Ferrit in einem Wanderfeldvervon gleichen diskreten Schaltungsabschnitten mit je stärker, insbesondere vom Standpunkt einer wirteiner punktförmig angeordneten Induktivität und einer schaftlichen Ausnutzung der Pumpleistung. Demkonzentrierten Kapazität aufweisen, wobei die sich gemäß werden wegen ihrer außerordentlich schmalen ändernden Parameter, die die Kopplung zwischen den Resonanzlinien die Yttrium-Eisen-Granate und die einzelnen Übertragungswegen liefern, kapazitiv oder 50 Eisengranate der seltenen Erden bevorzugt.

induktiv sein können. Ein veränderbarer Kondensator kann beispielsweise durch eine Reaktanzröhrenschaltung dargestellt werden und eine veränderbare Induktivität durch eine Spule, die auf einen sättigbaren Kern gewickelt ist. Für Frequenzen in dem Bereich, in dem solche konzentrierten Schaltelemente nicht mehr brauchbar sind, lassen sich die Signalwellenleitung und die Leerlauf wellenleitung aus zwei offenen Übertragungsleitungen aus zwei Lecherleitungen aufbauen oder aber durch zwei verschiedene Wellentypen in einem oder mehreren Wellenleitern darstellen, wobei die Kopplung durch einen Stab oder Kern aus Ferritmaterial erzielt wird, der in geeigneter Weise angeordnet ist. Daher können beispielsweise die beiden Leiter der ersten oder Signalleitung in einer horizontalen Ebene angeordnet sein, während die beiden Leiter der zweiten oder Leerlaufleitung in einer vertikalen Ebene zwischen den beiden ersten Leitern angeordnet sein können, so daß die vier Leiter an den vier Im Prinzip läßt sich natürlich die Erfindung auch ohne besondere Leitung oder Übertragungsleitung für die Leerlaufwelle durchführen. In einem solchen Fall läuft die Leerlauf welle längs der Signalleitung zusammen mit der Signalwelle. Dies macht es jedoch erforderlich, daß ihre Frequenz im wesentlichen gleich der Signalfrequenz ist, d. h., daß

/2 ~ f\

(4)

ist. In diesem Fall reduziert sich die Frequenzbeziehung der Gleichung (1) zu

/π j-t Π^ ja /1* \ /

Der Verstärker wird dadurch ein subharmonischer Verstärker. In der Praxis ist es jedoch unmöglich, die Signalfrequenz und die Steuerfrequenz so einzustellen, daß die eine mit mathematischer Genauigkeit exakt die Hälfte der anderen ist. Eine bestimmte kleine Ab-

Ecken eines Vierecks liegen. Der Zwischenraum 70 weichung δ, die beliebig klein sein kann, ist in der

Praxis unvermeidbar. Wird daher für eine beliebige gegebene Signalfrequenz

der Pumpgenerator eingestellt, um eine Frequenz f_p abzugeben, so stellt sich unvermeidlich heraus, daß die Frequenz der erzeugten Leerlaufwelle von dem Nennwert in der entgegengesetzten Richtung von der Abweichung der Signal frequenz abweicht, d. h. also

(Ic)

IO

Wird keine Leerlaufleitung verwendet, so wandern zwei Wellen mit den Frequenzen J₁ + δ und f_t — δ gemeinsam längs der Signalleitung und ergeben so unerwünschte Schwebungen in der Last. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß eine besondere Leerlaufleitung vorgesehen ist, die die Leerlaufwelle überträgt, während die Signalleitung lediglich die Signalwelle überträgt, die sich dadurch nicht mit der Leerlaufwelle mischt. Mit einer solchen Anordnung werden kleinere Abweichungen der Signalfrequenz von ihrem Nennwert vollkommen absorbiert, wenn Abweichungen von der Leerlauffrequenz kompensiert werden. Tatsächlich kann die Signalfrequenz stark von irgendeinem Nennwert, der ihr zugeteilt ist, abweichen, ohne daß sich dabei schädliche Einflüsse auf die Wirkungsweise der Vorrichtung ergeben. Daher zeigt der Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung eine sehr »breitbandiges« Verhalten.

In einem mit stehenden Wellen arbeitenden ferromagnetischen Verstärker einer anderen bereits bekannten Art wird eine Konstruktion verwendet, bei der Frequenzen verschiedener Wellentypen von stehenden Wellen harmonisch miteinander in Beziehung stehen. Dieses gilt jedoch für den Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung nicht. Im Gegenteil brauchen die drei hier verwendeten Frequenzen in keinem bestimmten Verhältnis zueinander zu stehen. Dieses Merkmal ergibt den Vorteil, daß irgendwelche Harmonische irgendeiner Welle, welche beispielsweise durch unerwünschte quadratische Effekte erzeugt werden könnte, nicht mit der gewünschten Signalwelle verwechselt werden kann.

Außerdem ist es beim Arbeiten mit ferromagnetischen Verstärkern unter Verwendung von stehenden Wellen erforderlich, daß zum Erzielen einer Verstärkung die Steuerleistung klein, d. h., unter einem bestimmten Unstabilitätsschwellwert gehalten werden muß. Wird diese Bedingung nicht erfüllt, dann könnte die Vorrichtung von selbst zu schwingen anfangen, wodurch das zu verstärkende Signal durch die Schwingungsenergie überdeckt werden würde. Es ist eine Eigenart der vorliegenden Erfindung, daß eine solche Schwelle der Unstabilität nicht existiert, so daß die Vorrichtung oder der Verstärker nicht dazu neigt, selbst ins Schwingen zu geraten. Dies ist eine Folge davon, daß die Energie die Eigenschaft einer Wanderwelle hat. Es wird daher ein kleiner Zuwachs an Wellenenergie, der an einem Punkt des Systems entsteht und der, würde er an diesem Punkt bleiben, eine Selbsterregung einleiten könnte, unmittelbar als Wanderwelle nach einem anderen Punkt des Systems abgeleitet. Mit anderen Worten, die Signalwelle wächst in der Dimension Raum, wächst jedoch nicht in der Dimension Zeit. Daher ist die Vorrichtung durch einen hohen Grad von Stabilität gekennzeichnet.

Eine andere Eigenart der Erfindung besteht darin, daß sie ohne geheizte Kathode arbeitet und ohne den Transport von Ladungsträgern durch einen Halbleiter. Daher gibt es keine Quellen für Schrotrauschen. Das einzige hierbei im Signal im Verlauf seiner Verstärkung eingeführte Rauschen ist das sogenannte »Johnson«-Rauschen, das sich aus der Tatsache ergibt, daß sich die Schaltelemente und insbesondere die Last bei erhöhten Temperaturen im Vergleich mit dem absoluten Nullpunkt der Temperatur befinden.

Diese eine merkliche Rauschquelle kann jedoch wesentlich dadurch herabgesetzt werden, daß der Verstärker unterkühlt wird. Noch besser aber ist es, da der Hauptursprung für ein solches Rauschen die Last ist, nur die Last allein zu unterkühlen, wobei die Last mit der Verstärkerschaltung über einen Übertrager gekoppelt sein kann.

Die Erfindung wird besser verständlich aus der folgenden Einzelbeschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, die an Hand der Figuren erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltdiagramm eines Wanderfeldverstärkers mit konzentrierten Schaltelementen einschließlich der Übertragungswege, die mittels veränderbarer Induktivitäten miteinander gekoppelt sind,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Fig. 1, bei der die Kopplung zwischen den Übertragungswegen durch veränderbare Kondensatoren durchgeführt wird,

Fig. 3 eine schematische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Wanderfeldverstärkers mit verteilten Schaltelementen, der aus zwei Leiterpaaren besteht, die innerhalb eines Hohlleiters mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet sind und miteinander über ein ferromagnetisches Material gekoppelt sind,

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung nach Fig. 3 mit einer Darstellung der magnetischen Felder in der Anordnung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, zum Teil im Schnitt, einer weiteren Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 3,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, eines Wanderfeldverstärkers mit verteilten Schaltelementen, der zwei miteinander gekoppelte Hohlleiter von rechteckigem Querschnitt aufweist.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt einen Wanderfeldverstärker mit drei Wellenübertragungsleitungen, die jeweils aus einer Übertragungsleitung bestehen, die so ausgelegt ist, daß eine Wanderwelle geeigneter Frequenz über diese Leitung übertragen werden kann. Die erste Leitung 1 enthält eine Gruppe gleichartiger Filterabschnitte mit je einer Induktivität L₁ und einer Kapazität C₁, die hintereinandergeschaltet sind. Diese Leitung wird durch einen Generator 5 gespeist, der mit den Eingangsklemmen verbunden ist, während die Ausgangsklemmen der Leitung an eine angepaßte Lastimpedanz 6 angeschlossen sind. Die zweite Leitung 2, die hier als Koppelleitung oder Leerlaufleitung bezeichnet ist, ist von ähnlicher Struktur, wobei die Induktivitäten jedes Abschnittes die Größe L₂ und die Kapazitäten jedes Abschnittes die Größe C₂ aufweisen. Die Eingangsklemmen der Leerlaufleitung 2 sind offen, und an den Ausgangsklemmen liegt eine angepaßte Lastimpedanz 7. Jeder Abschnitt der Signalleitung ist mit einem entsprechenden Abschnitt der Leerlaufleitung über einen Übertrager 8 gekoppelt, der aus einem ferromagnetischen Kern mit drei Wicklungen besteht. Die untere Wicklung ist in Reihe mit einer der Induktivitäten L₁ der Signalleitung 1 und die obere Wicklung in gleicher Weise in Reihe mit einer der Induktivitäten L₂ der Leerlauf leitung 2 verbunden. Jeder dieser Übertrager 8 hat eine dritte oder Steuerwicklung, und diese dritten Wicklungen sind ihrerseits

in Reihe mit Induktivitäten L₃ einer dritten Leitung 3 verbunden. Diese dritte Leitung, die hier als Pumpleitung bezeichnet wird, wird an ihren Eingangsklemmen durch einen Pumpgenerator 9 mit der Frequenz /„ über die Puffer- oder Trennverstärker 10 und 11 gespeist. Die Ausgangsklemmen dieser Pumpleitung sind über eine Rückkopplungsleitung 12 und einen Pufferverstärker 13 mit den Eingangsklemmen verbunden. Daher sehen die Ausgangsklemmen dieser Pumpleitung 3 die Impedanz der Eingangsklemmen derselben Leitung, die für diese Ausgangsklemmen eine angepaßte Impedanz darstellen. Dies dient dazu, um die Energieverluste des Pumpgenerators in einer Wirkwiderstandslast zu vermeiden und doch eine Impedanzanpassung aufrechtzuerhalten, so daß die dritte Leitung wie die ersten beiden Leitungen Wanderwellen führen kann.

Im Betrieb wird der Leitung 3 vom Pumpgenerator 9 Energie mit der Frequenz /„ zugeführt, die als Welle längs dieser Leitung läuft und durch teilweise Sättigung der aufeinanderfolgenden Kerne der Übertrager 8 dahin wirkt, daß die Koppelinduktivitäten, die die verschiedenen Abschnitte der Signalleitung 1 mit den entsprechenden Abschnitten der Leerlaufleitung koppeln, verändert werden. Dadurch ergibt sich eine fortschreitende Welle einer Induktivitätsänderung, die sowohl längs der Signalleitung als auch längs der Leerlaufleitung mit der Wanderungsgeschwindigkeit der Pumpleitung läuft, die von den Größen ihrer Induktivitätselemente L₃ und ihrer kapazitiven EIemente C₃ abhängt. Wenn unter diesen Bedingungen ein kleines Signal der Frequenz Z₁ aus dem Signalgenerator 5 den Eingangsklemmen der Signalleitung 1 zugeführt wird, dann läuft eine Signalwelle von den Eingangsklemmen längs dieser Leitung nach den Ausgangsklemmen und nimmt in ihrer Amplitude laufend zu, da zu dieser Welle in jedem Leitungsabschnitt Energie hinzuaddiert wird, die von dem Pumpgenerator 9 abgeleitet und ihr über die Übertrager 8 zugeführt wird. Somit ist das an der Last 6 auftretende Signal wesentlich verstärkt im Vergleich zu dem gleichen Signal, das der Generator 5 geliefert hat.

Zur gleichen Zeit wird durch diesen Vorgang Energie mit der Frequenz f₂ in jeden Abschnitt der Leerlaufleitung 2 eingeführt. Dadurch wird eine Wanderwelle der Frequenz /₂ in der Leerlaufleitung aufgebaut und wandert von den Eingangsklemmen dieser Leitung, die leer laufen, und damit eine vollständige Reflexion bewirken, nach den Ausgangsklemmen dieser Leitung, wo sie in der angepaßten Impedanz der Belastung 7 verbraucht wird. Daher ist das an dieser Last auftretende Signal ein verstärktes Abbild des Signals des Generators 5, jedoch mit einer von f_t auf /₂ geänderten Frequenz. Wird also zusätzlich zur Verstärkung eine Frequenzänderung gewünscht, dann kann das Signal in der Last der Leerlaufleitung verwendet werden an Stelle des Signals in der Last der Signalleitung. Es gibt keinerlei Beschränkung bezüglich der relativen Größen der Frequenzen f_t und /₂. Daher kann die Frequenzänderung sowohl nach oben als auch nach unten erfolgen, lediglich abhängig davon, ob f_p größer oder kleiner ist als 2/₂.

Eine weitere Ausführungsform eines Wanderfeldverstärkers ist in Fig. 2 gezeigt, wobei die Signalleitung 1 und die Leerlaufleitung 2 in gleicher Weise aufgebaut sein können wie die entsprechenden Leitungen der Fig. 1. Jeder Abschnitt jeder dieser Leitungen ist mit einem in gleicher Weise bezifferten benachbarten Abschnitt der anderen Leitung über eine veränderbare Kapazität 8 a verbunden, die wohl am besten als elektronisch veränderbare Kapazität, d. h. als sogenannte Reaktanzröhrenschaltung aufgebaut ist. Die wirksame Kapazität dieses Netzwerkes wird durch einen Übertrager Sb nach der Signalleitung und durch einen Übertrager 8 c nach der Leerlauf leitung übertragen. Die Eingangsklemmen des elektronisch veränderbaren Kondensatorelements 8a sind für jeden Leitungsabschnitt mit einem Induktivitätselement L₃ eines benachbarten Abschnitts einer dritten Leitung 3 verbunden, die hier wiederum als Pumpleitung bezeichnet ist. Die Ausgangsklemmen der Pumpleitung sind über eine Rückkopplungsleitung 12 mit Pufferverstärkern 11 und 13 mit den Eingangsklemmen der gleichen Leitung verbunden. Daher sehen, wie im Fall der Fig. 1, die Ausgangsklemmen der Pumpleitung eine angepaßte Impedanz der Eingangsklemme der gleichen Leitung.

Im Betrieb arbeitet die Vorrichtung nach Fig. 2 in gleicher Weise wie die Vorrichtung nach Fig. 1, jedoch mit einem kleinen Unterschied. Wird insbesondere Energie mit der Frequenz f_p aus dem Pumpgenerator der Leitung 3 zugeführt, dann wandert eine Wanderwelle einer Kapazitätsänderung längs der Signalleitung 1 und längs der Leerlaufleitung 2 mit der Wanderungsgeschwindigkeit der Pumpleitung 3, die von den Größen ihrer Induktivitätselemente je Abschnitt L₃ und ihrer Kapazitäten je Abschnitt C₃ abhängt. Wird nunmehr ein Signal mit der Frequenz Z₁ aus der Signalquelle 5 der Signalleitung 1 zugeführt, dann wird dieses Signal von den Eingangsklemmen der Signalleitung 1 nach ihren Ausgangsklemmen als Wanderwelle übertragen und die Kapazitätsänderungswelle ergibt, daß die Amplitude der wandernden Signalwelle von Abschnitt zu Abschnitt zunimmt, wenn sie von der Quelle 5 nach der Last 6 läuft. Daher tritt ein verstärktes Abbild des Eingangssignals in der Last 6 auf. Außerdem, wie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 erklärt wurde, wird in der Leerlaufleitung 2 eine Leerlaufwelle mit der Frequenz /₂ erzeugt und erscheint mit wesentlicher Amplitude in der Last 7. Wird außer einer Verstärkung auch noch eine Frequenzänderung von f_t nach /_a gewünscht, dann kann das Signal an der Last der Leerlaufleitung an Stelle des Signals der Last in der Signalleitung verwendet werden.

Es ist dabei interessant festzustellen, daß man durch analytische Untersuchungen die Tatsache bekräftigen kann, daß die fortschreitende Signalwelle exponentiell in ihrer Amplitude zunimmt, da der Welle im Verlauf ihrer Wanderung Energie zugeführt wird, die aus einem Pumpgenerator stammt.

Eine Analyse zeigt, daß für den allgemeinen Fall, bei dem

P — Pi'Pz'vp (A ^)

ist, die Verstärkung des Systems sich verringert, wenn δ β von Null verschieden ist. Die Bedingungen für die Verstärkung können daher wie folgt zusammengefaßt werden:

1. ω = OJ₁ +

2. β= ί

3.

Iß)Γ

\dßk

(notwendig)
(erwünscht)

(erwünscht)

In den bisher besprochenen und in den noch zu besprechenden Ausführungsformen ist die Bedingung 1 immer erfüllt. Bedingung 2 kann leicht dadurch erfüllt werden, daß geeignete Abmessungen für die

009 677044

U 12

Ausführungsform gewählt werden. Bedingung 3 stellt Ferritvolumen 25 einem quergerichteten, magnetischen

sicher, daß die Bedingung 2 für ein ganzes Frequenz- Gleichfeld H aus, das vorzugsweise in einer Ebene

band gilt. Bedingung 3 zeigt an, daß die Gruppen- parallel zur Ebene der Leiter der Leerlaufleitung 22

geschwindigkeiten der beiden Leitungen in dem liegt, wie dargestellt, oder aber in einer Ebene parallel

Frequenzband der Verstärkung gleich sind. 5 zu der Ebene der Leiter 21 der Signalleitung, die auf

In Fig. 3 ist das Gegenstück zu der Vorrichtung der vorhergenannten Ebene senkrecht steht. Mit dieser nach Fig. 1 und 2 dargestellt, welches für Betrieb bei Anordnung werden die drei Bedingungen, die weiter Frequenzen im Mikrowellenbereich bestimmt ist. Hier oben für eine Kopplung zwischen den einzelnen besteht der Übertragungsstromkreis der Signalwelle Wellenarten aufgestellt wurden, dadurch erfüllt, daß lediglich aus zwei geraden, langgestreckten Leitern io sich eine Bewegung der Magnetisierung des ferro- oder Drähten 21 ο und 21 b, die in einer vertikalen magnetischen Resonanzmaterials ergibt.
Ebene angeordnet sind, während der Übertragungs- Die Größe des von außen angelegten magnetischen Stromkreis für die Leerlaufwelle aus einem gleich- Gleichfeldes des Magneten wird gemäß bekannten Verartigen Paar von Leitern 22 ο und 22 b besteht, die in fahren und Prinzipien eingestellt, und zwar auf eine einer horizontalen Ebene angeordnet sind. Wie in 15 solche Stärke, daß das Ferritmaterial eine starke und Fig. 1 und 2 ist eine Signalquelle 5 mit der Frequenz scharf selektive Absorption bei einer geeigneten Fre-Z₁ mit den Eingangsklemmen der Signalleitung 21 quenz, beispielsweise bei 9 GHz zeigt. Wird die Freverbunden, während die Eingangsklemmen der Leer- quenz des Pumpgenerators 9 in dieser Weise gewählt, laufleitung leerlaufen. Die Ausgangsklemmen jeder dann kann die Frequenz des Signalgenerators 5 irgendwo dieser Leitungen sind mit einer angepaßten Last 6 ao unterhalb 9 GHz liegen. In der Praxis wird man je- bzw. 7 verbunden. doch zu dem Zweck, daß die Signalwelle und die

Der Übertragungsstromkreis für die Pumpenergie Leerlaufwelle ungefähr mit gleichen Geschwindigwird durch einen Hohlleiter 23 mit kreisförmigem keiten über gleichartige Leitergebilde laufen können, Querschnitt gebildet, der die beiden Paralleldraht- vorzugsweise deren Frequenzen so wählen, daß sie leitungen 21 und 22 umgibt. Dieser Hohlleiter kann 35 im wesentlichen von der gleichen Größenordnung sind. durch einen Pumpgenerator geeigneter Konstruktion Daher nimmt man beispielsweise eine Signalfrequenz erregt werden. Dieser Generator ist in der Figur zur von 3 GHz und eine Leerlauffrequenz von 6 GHz. Es Erläuterung als Generator 9 dargestellt, der mit den gibt selbstverständlich keinerlei Einschränkung dahinoberen und unteren Punkten des eingangsseitigen gehend, daß dies harmonische Frequenzbeziehungen Endes des Hohlleiters verbunden sind, während eine 30 sein müssen. Daher kann beispielsweise die Signalangepaßte Impedanzlast 24 mit dem ausgangsseitigen frequenz 3,5 GHz und die Leerlauffrequenz 5,5 GHz Ende des Hohlleiters 23 verbunden sein kann. Zur betragen oder umgekehrt. Die in Fig. 3 in der Last 24 Erläuterung ist die Ankopplung als ein Paar Aus- vernichtete Pumpleistung stellt eine reine Verschwengangsklemmen dargestellt, die mit kongruenten Punk- dung dar. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es daher ten des ausgangsseitigen Endes des Hohlleiters 23 35 vorzuziehen, daß ein möglichst großer Teil der verbunden sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung Leistung des Pumpgenerators in die Signalwelle und ist das gesamte innere Volumen des Hohlleiters mit in die Leerlaufwelle überführt wird, ohne irgendwie Ausnahme des Teils, der durch die Leiter der Signal- sonst absorbiert zu werden.

leitung und der Leerlaufleitung ausgefüllt ist, mit Wie bereits oben angedeutet, kann die Pumpwelle einem Körper 25 aus einem geeigneten Ferritmaterial 40 unter der Voraussetzung, daß die Signalwelle und die ausgefüllt, das dann, wenn es einem magnetischen Leerlaufwelle ausschließlich von den eingangsseitigen Gleichfeld geeigneter Amplitude ausgesetzt ist, eine Enden ihrer entsprechenden Leitergebilde nach den gyromagnetische Resonanzabsorption innerhalb des Ausgangsenden laufen (und dies wird leicht dadurch gewünschten Frequenzbereiches zeigt. Dieser Bereich, erreicht, daß man die Ausgangsklemmen jeder dieser bei dem es besonders von Bedeutung ist, daß dieses 45 Leitungen mit einer angepaßten Impedanzlast verbin-Material vorhanden ist, ist der Bereich, der durch die det), selbst zusätzlich zu ihrer nützlichen Vorwärtsvier Leiter der Signalleitung und der Leerlaufleitung Wellenkomponente eine merkliche Rückwärtswellenbegrenzt ist. Der Einschluß dieses Materials im komponente aufweisen, die mit der Signalwelle nicht äußeren Teil des Querschnittes des Hohlleiters 23, in Wecheslwirkung steht. Eine Vorwärtskomponente d. h. innerhalb des Hohlleiters, jedoch außerhalb der 50 und eine Rückwärtskomponente gleicher Größe oder Paralleldrahtleitungen, verstärkt etwas die Kopplung Amplitude ergeben zusammen eine stehende Welle zwischen den einzelnen Wellentypen, neigt jedoch für die Pumpfrequenz. Daher ist eine solche stehende auch dazu, die Verluste oder die Dämpfung etwas zu Welle der Pumpfrequenz sehr geeignet für einen Beerhöhen. Ob nun die Vorteile die Nachteile überwiegen trieb mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, und ob es nun vorteilhaft ist oder nicht, dieses Ferrit- 55 Eine solche stehende Welle kann beispielsweise in material außerhalb der Zweidrahtleitungen anzubrin- einem Hohlleiter von kreisförmigem Querschnitt, wie gen, hängt von den Eigenschaften des zur Verfügung er in Fig. 5 gezeigt ist, aufgebaut werden. Diese Anstehenden Materials und den Einzelheiten des Aufbaus Ordnung, die sonst wie die Anordnung in Fig. 3 aufdes Verstärkers ab. gebaut ist, unterscheidet sich von dieser Anordnung

Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht der Konstruk- 60 dadurch, daß der Hohlleiter 23 durch eine leitende

tion nach Fig. 3, in welcher die magnetische Feldver- Platte oder einen leitenden Stopfen 26 verschlossen

teilung auf Grund eines Signals auf der Signalleitung ist, der für den Strom einen Stromknoten in den

und auf der Leerlaufleitung angegeben ist. Man sieht, Hohlleiterwandungen bildet und damit auch für die

daß sich diese Felder überall schneiden. Die Vektor- magnetischen Vektoren innerhalb des Hohlleiters. Mit

schleifen des magnetischen Feldes, das auf Grund der 65 dieser Konstruktion ergibt sich ein magnetischer

Steuerwelle erzeugt wird, liegen in Ebenen parallel Antiknoten und daher ein elektrischer Knotenpunkt

zu der Ebene der Leiter 22, die die Leerlaufleitung an jedem der Punkte längs des Hohlleiters, welche,

bilden. Die gesamte Anordnung liegt zwischen den von jedem Ende des Hohlleiters aus gerechnet, eine

Polen eines Magneten, dessen Enden mit N bzw. 5¹ ungerade Zahl von Vietelwellenlängen der Pumpbezeichnet sind. Dieser Magnet setzt das gesamte 70 frequenz entfernt sind. An jedem solchen Punkt kann

Pumpenergie in den Hohlleiter 23 dadurch eingeführt werden, daß ein übliches Koppelelement in den Leiter eingeführt wird, das die Verlängerung des Innenleiters einer koaxialen Leitung 27 darstellt, über die die Energie aus dem Pumpgenerator 29 zugeführt wird.

Die eingangsseitigen Enden der Signalleitung 21 müssen für einen Anschluß des Signalgenerators 5 zugänglich sein. Die Eingangsklemmen dieser Signalleitung lassen sich einfach über ein Leitungsstück mit ständig abnehmendem Abstand zwischen den Leitern anschließen, wobei sich diese Leiter durch eine schmale öffnung in der vorderen Endwand 26 des Hohlleiters 23 erstrecken. In gleicher Weise können die Ausgangsklemmen der Signalleitung 21, an denen die Last 6 angeschlossen ist, über einen anderen, sich verjüngenden Leitungsabschnitt durch eine öffnung in der hinteren Abschlußwand 26 des Hohlleiters 23 herausgeführt werden. Die Leerlaufleitung braucht jedoch an keinem ihrer Enden zugänglich zu sein und kann bequemerweise vollständig innerhalb des ge- ao schlossenen Hohlleiters untergebracht sein, wobei die offen laufenden Eingangsklemmen, die belasteten Ausgangsklemmen und die Last 7 vollständig in dem Ferritmaterial eingebettet sein können. Sollte man es vorziehen, so kann man sich auch noch einer Rückkopplung wie in den Fig. 1 und 2 bedienen. Es ist allgemein in der Mikrowellentechnik bekannt, daß Richtungskoppler als die hochfrequenten Äquivalente von Puffer- oder Trennstufen nach Fig. 1 und 2 verwendbar sind.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Fig. 3, in der der Signalübertragungsweg durch einen Wellentyp einer Wanderwelle innerhalb eines am Ende offenen Hohlleiters 31 mit rechteckigem Querschnitt dargestellt wird, während die Übertragungsleitung für die Leerlaufwelle durch einen anderen Wellentyp gebildet wird, der vorzugweise den ersten Wellentyp innerhalb des gleichen Hohlleiters seitlich kreuzt. Daher verlaufen die Schleifen der magnetischen Vektoren des einen dieser Wellentypen parallel zu den Breitseiten der Hohlleiterwände, die hier horizontal liegen, während die Schleifen der magnetischen Vektoren des anderen Wellentyps parallel zu den Schmalseiten des Hohlleiters liegen können, die hier senkrecht dargestellt sind. Der dritte Übertragungsweg, der die Pumpenergie führt, kann aus einem zweiten Hohlleiter 32 mit kleineren Abmessungen als der erste Hohlleiter 31 bestehen, welcher mit dem ersten Hohlleiter über einen Schlitz oder über eine öffnung verbunden ist, der sich von einem zum anderen Ende beider dieser Hohlleiter in der ihnen gemeinsamen Wand erstreckt. Die Kopplung zwischen den verschiedenen Wellentypen kann dabei durch einen Stab 33 aus Ferritmaterial bewirkt werden, der in dem Schlitz angebracht ist und den Schlitz von einem zum anderen Ende ausfüllt. Die notwendige magnetische Vorspannung, die die Resonanzabsorption des Materials dieses Ferritstabes in den richtigen Teil des Frequenzbereiches bringt, kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß, wie in Fig. 3 und S, ein quergerichtetes magnetisches Feld geeigneter Größe angelegt wird, das von einem Magneten N-S ausgeht, wobei die Enden dieser Pole dargestellt sind. Selbstverständlich ist die Ausbildung der drei magnetischen Felder in dem durch den Koppelstab 33 besetzten Volumen derart, daß die oben genannten Koppelbedingungen erfüllt sind.

Ein Signalgenerator 5 ist zur Erläuterung ungefähr in der Mitte der oberen und unteren Flächen des größeren Hohlleiters 31 an dessen eingangsseitigem Ende angeschlossen. Der Pumpgenerator 9 ist hier ebenfalls zur Erläuterung in gleicher Weise an den oberen und unteren Flächen des kleineren Hohlleiters 32 angeschlossen. Das ausgangsseitige Ende des größeren Hohlleiters ist für die Signalwelle mit einer angepaßten Lastimpedanz 6 abgeschlossen, in der das verstärkte Signal auftritt. Der Hohlleiter 31 ist außerdem noch mit der Last 7 für die Leerlaufwelle abgeschlossen. Das ausgangsseitige Ende des Pumpwellenhohlleiters 32 ist hier zur einfacheren Darstellung in gleicher Weise mit einer angepaßten Lastimpedanz abgeschlossen gezeigt. Aus wirtschaftlichen Gründen wird man in der Praxis die Vernichtung größerer Energiemengen der Pumpwelle in dieser Last 24 verhindern. Dies läßt sich beispielsweise leicht dadurch erreichen, daß ein allseitig geschlossener Pumpwellenhohlleiter, nämlich ein rechteckiger Hohlleiter verwendet wird, der genau so wie der kreisförmige Hohlleiter in Fig. 5 abgeschlossen ist und in welchem eine stehende Pumpwelle aufrechterhalten werden kann, oder aber dadurch, daß man eine Rückkopplung verwendet wie in Fig. 1 und 2.

Zahlreiche verschiedene Abwandlungen der hier dargestellten Ausführungsformen der Erfindung sind dem Fachmann nunmehr ohne weiteres geläufig. Dafür soll ein einzelnes Beispiel dienen. Es ist allgemein bekannt, daß man mit Hilfe von Ubertragungsleitungen eine Impedanztransformation von hohem Strom und kleiner Spannung auf kleinen Strom und hohe Spannung oder umgekehrt dadurch durchführen kann, daß man eine sich verjüngende oder eine sich erweiternde Übertragungsleitung verwendet. Es liegt ohne weiteres im Bereich der Erfindung, daß irgendwelche der hier besprochenen Übertragungsleitungen, ob sie nun mit konzentrierten Schaltelementen wie in Fig. 1 und 2 oder mit verteilten Schaltelementen wie in Fig. 3 oder 6 arbeiten, sich verjüngend oder sich erweiternd aufgebaut werden können, so daß sie die gewünschte Impedanztransformation gleichzeitig mit der hier besprochenen Leistungsverstärkung ergeben. In der Praxis der Erfindung ist es bei dieser Abwandlung wichtig, die Phasenkonstanten der drei Leitungen so miteinander zu korrelieren, daß die Bedingungen der Gleichungen (2) und (3) für jeden gemessenen Abstand längs der Leitungen erfüllt sind. Das stellt jedoch keine besondere Schwierigkeit dar, da dann, wenn in einer sich verjüngenden oder erweiternden Leitung die Induktivität je Längeneinheit und die Kapazität je Längeneinheit in einem umgekehrten Verhältnis sich ändern, die Phasenkonstante β der Leitung unabhängig vom längs der Leitung durchlaufenen Abstand bleibt.

Claims

Patentansprüche:

1. Parametrischer Wanderfeldverstärker, dessen Aufbau auf Grund seiner Abmessungen die Existenz von mindestens drei Wanderwellen mit den Frequenzen f_p, f_± und /₂ ^und den Phasenkonstanten ß_p, /J₁ und ß₂ gestattet, mit längs des Aufbaus verteilt angeordneten, energieabhängig veränderbaren Wellenkoppeleinrichtungen, die einen Energieaustausch zwischen den Wellen ermöglichen, bei welchem an einem Ende des Aufbaus eine Pumpwelle der Frequenz f„ mit relativ hohem Energiegehalt eingekoppelt wird, wodurch eine die Kopplung zwischen den Wellen ändernde Wanderwelle der Frequenz f_p und der Phasenkonstanten ßp von einem Ende des Aufbaus zum anderen läuft und bei welchem eine Signalwelle der Frequenz Z₁ an einem Ende eingekoppelt wird,

während am anderen Ende eine Ausgangswelle der Frequenz f₁ oder /₂ auskoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen dieser Wellen die Beziehung f_p = Z₁ + Z₂ befriedigen, daß durch entsprechende Abmessungen des Aufbaus die Beziehung ß_p = ß₁ + ß_t befriedigt wird und daß die sich längs des Aufbaus erstreckenden Wellenkoppeleinrichtungen in ihrer Reaktanz veränderbar sind und dadurch der Pumpwelle Energie entziehen, um einen Teil der entzogenen Energie an ■die Signalwelle abzugeben, wodurch eine Leerlaufwelle mit der Frequenz /₂ erzeugt wird, und um außerdem einen Teil dieser entzogenen Energie an die Leerlaufwelle abzugeben, dergestalt, daß der Energieentzug und die Energieabgabe über die Längsausdehnung des Aufbaus vor sich gehen und dabei die Amplitude der vom einen zum anderen Ende des Aufbaus laufenden Signalwelle und die Amplitude der Leerlaufwelle zunehmen.

2. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 1, da- ao durch gekennzeichnet, daß das veränderbare Reaktanzelement eine veränderbare Induktivität oder eine veränderbare Kapazität ist.

3. Wanderfeldverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau solche Abmesssungen hat, daß die Wellen der Frequenzen Z₁ und /₂ gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben.

4. Wanderfeldverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei verschiedene Übertragungswege für die Wellen vorgesehen sind.

5. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Übertragungsweg eine Anzahl Teilabschnitte aufweist, die miteinander in Reihe verbunden sind, wobei jeder Abschnitt eine konzentrierte Induktivität und eine konzentrierte Kapazität aufweist.

6. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Übertragungsweg eine durchlaufende Wellenleiterstruktur mit verteilter Reiheninduktivität und verteilter Querkapazität aufweist.

7. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Übertragungs-Stromkreis ein Paar paralleler ausgestreckter Leiter enthält.

8. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter eines ersten Paares von Leitungen in einer ersten Ebene liegen und die Leiter eines zweiten Paares von Leitungen in einer zweiten Ebene liegen, die auf der ersten Ebene senkrecht steht.

9. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede dieser Ebenen die andere Ebene in einer Geraden schneidet, die in der Mitte zwischen den Elementen jedes Leiterpaares liegt.

10. Wanderfeldverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen den beiden Übertragungswegen durch einen Körper aus ferromagnetischem Resonanzmaterial bewirkt wird, das in dem Bereich angeordnet ist, der durch die Leiter der Übertragungssysteme begrenzt wird.

11. Wanderfeldverstärker nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß magnetische Mittel ein im wesentlichen gleichförmiges magnetisches Feld in einer Richtung quer zu den Leitern des Wellenübertragungsstromkreises und senkrecht zur Ebene eines Paares von Leitern eines Übertragungsstromkreises aufbauen.

12. Wanderfeldverstärker nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein für Ultrahochfrequenzen bestimmter Hohlleiter beide Leiterpaare und den ferromagnetischen Resonanzkörper enthält und sich im wesentlichen von einem Ende bis zum anderen Ende des Verstärkers erstreckt.

13. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel vorgesehen sind, um eine Wanderwelle mit der Frequenz fp — Z₁ + Z₂ an einem Ende des Hohlleiters einzuspeisen und am anderen Ende des Hohlleiters wieder zu entnehmen, so daß eine fortschreitende Änderung der effektiven Reaktanz des Körpers erzielt wird.

14. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel vorgesehen sind, um innerhalb des Hohlleiters eine stehende Welle mit der Frequenz f_p aufzubauen, deren Vorwärtskomponente mit den Wanderwellen der Frequenzen Z₁ und f₂ in Wechselwirkung steht, während die Rückwärtskomponente mit diesen Wellen keine Wechselwirkung aufweist.

15. Wanderfeldverstärker nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei welchem der Ultrahochfrequenzhohlleiter einen rechteckigen Querschnitt aufweist, der wesentlich vom quadratischen Querschnitt abweicht, gekennzeichnet durch einen zweiten, für Ultrahochfrequenz geeigneten Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt, der so bemessen ist, daß eine Wanderwelle mit der Frequenz f_p und der Phasenkonstante ß_p aufrechterhalten werden kann, und der Wand an Wand mit dem ersten ultrahochfrequenten Hohlleiter angeordnet ist, und dadurch, daß an der Mittellinie der einander berührenden Breitseiten beider Hohlleiter ein gemeinsamer Schlitz vorgesehen ist, der sich von einem Ende zum anderen Ende beider Hohlleiter erstreckt, und daß ein langgestreckter Körper aus ferromagnetischem Resonanzmaterial in diesem beiden Hohlleitern gemeinsamen Schlitz angeordnet ist.

16. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Einspeisen einer Wanderwelle von der Frequenz Zp=Z₁-I-Z₂ an einem Ende des zweiten Hohlleiters vorgesehen sind und um diese Welle am anderen Ende des zweiten Hohlleiters abzunehmen, um damit eine fortschreitende Änderung der wirksamen Reaktanz des ferromagnetischen Resonanzkörpers zu erzielen.

17. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 1, in dem drei verschiedene Wellentypen existent sind, wobei der dritte Wellentypus die Frequenz f_p und die Phasenkonstante ß_p=ß_x-\-ß₂ aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Reaktanzelemente ändernden Schaltmittel durch den dritten Wellentyp gesteuert werden, um eine Reaktanzänderung darin zu erzeugen, die dann in unveränderlicher Phasenbeziehung mit der dritten Wellentype fortschreitet.

18. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingangsklemmen an einem Ende des Verstärkers Energie der dritten Wellentype dem Verstärker zugeführt wird und daß an Ausgangsklemmen am anderen Ende des Verstärkers die Welle der dritten Wellentype nach Durchlaufen des Verstärkers abgenommen wird.

19. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Last mit den Ausgangsklemmen für die dritte Wellentype verbunden ist.

20. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel mit dem Ausgang für die dritte Wellentype verbunden sind, um die dritte Welle durch den Verstärker hindurch nach den Eingangsklemmen für die dritte Welle zu reflektieren.

21. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein nur in einer Richtung wirkender Rückkopplungsstromkreis die Ausgangsklemmen für die dritte Welle und Eingangsklemmen für die dritte Welle miteinander verbindet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 701 256;
französische Patentschrift Nr. 890 345.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen