DE1095327B

DE1095327B - Parametric mixer amplifier with semiconductor diode

Info

Publication number: DE1095327B
Application number: DET16595A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Gerhard B Dipl-Phys
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1959-04-25
Filing date: 1959-04-25
Publication date: 1960-12-22

Description

Parametrischer Mischverstärker mit Halbleiterdiode Die Erfindung betrifft einen parametrischen Mischverstärker, der eine durchsteuerbare Reaktanz besitzt, die mit Hilfe einer Halbleiterdiode verwirklicht wird.Semiconductor diode parametric mixer amplifier The invention relates to a parametric mixer amplifier that has a controllable reactance, which is realized with the help of a semiconductor diode.

Es sind in der letzten Zeit neue Verstärker bekanntgeworden, die sich durch ein extrem kleines Rauschen auszeichnen. Hierbei ergibt sich die Verstärkung bei der Durchsteuerung einer nichtlinearen Reaktanz. Solche Anordnungen werden deshalb in der englischen Fachliteratur auch mit Mavar (mixer amplification by variable reactance) bezeichnet. Da sie keine Röhren enthalten mit einem »heißen« Elektronenstrahl, ist das (unerwünschte) Rauschen dieser Verstärker besonders gering. Diese Verstärker beruhen auf dem rein klassischen Prinzip, eine Reaktanz (Induktivität oder Kapazität) periodisch zu ändern. Wird hierzu eine nichtlineaxe Reaktanz benutzt, so geschieht diese Veränderung einfach durch eine periodisch variable Spannung (Kapazität) oder durch einen periodisch variablen Strom (Induktivität), der an das Element angelegt wird. Eine solche nichtlineare Induktivität läßt sich bei Mikrowellen durch einen Ferrit, eine nichtlineare Kapazität durch eine vorgespannte Halbleiterdiode verwirklichen.Recently, new amplifiers have become known that are characterized by an extremely small amount of noise. This results in the gain when driving through a non-linear reactance. Such arrangements are therefore in the English specialist literature also with Mavar (mixer amplification by variable reactance). Since they do not contain any tubes with a "hot" electron beam, the (unwanted) noise of these amplifiers is particularly low. These amplifiers are based on the purely classical principle, a reactance (inductance or capacitance) to change periodically. If a non-linear reactance is used for this purpose, it happens this change simply by a periodically variable voltage (capacitance) or by a periodically variable current (inductance) applied to the element will. Such a non-linear inductance can be achieved with microwaves by a Ferrite, realizing a non-linear capacitance through a biased semiconductor diode.

Bei einem parametrischen Verstärker, welcher einen Ferrit als nichtlineare Induktivität besitzt, ist es bereits bekannt, einen Schwingkreis für die Signalfrequenz und die sogenannte Hilfsfrequenz gemeinsam zu verwenden, so daß für die drei vorhandenen Frequenzen nur zwei Resonatoren benötigt werden.In the case of a parametric amplifier, which uses a ferrite as a non-linear Has inductance, it is already known to have a resonant circuit for the signal frequency and to use the so-called auxiliary frequency together, so that the three available Frequencies only two resonators are needed.

Ferner ist es bekannt, bei einem parametrischen Mischverstärker mit einer durchsteuerbaren Diode als nichtlineare Kapazität die relativ niedrige Signal- oder Eingangsfrequenz der Diode koaxial zuzuführen, während für die Pumpfrequenz und die verstärkte Eingangsfrequenz Hohlleiteranordnungen vorgesehen sind. Die Pumpfrequenz wird dabei über ein Hohlleiterfilter eingespeist, während von dem entstehenden Mischprodukt lediglich das untere Seitenband ausgesiebt wird mit Hilfe eines Hohlleiterfilters.It is also known to use in a parametric mixer amplifier a controllable diode as a non-linear capacitance the relatively low signal or feed the input frequency of the diode coaxially, while for the pump frequency and the amplified input frequency waveguide arrangements are provided. The pumping frequency is fed in via a waveguide filter, while the resulting mixed product only the lower sideband is screened out with the aid of a waveguide filter.

Die Erfindung befaßt sich nun mit dem Aufbau eines sogenannten parametrischen Mischverstärkers mit Halbleiterdiode, der als Resonatorverstärker ausgebildet ist. Beim parametrischen Mischverstärker haben das zu verstärkende und das abgenommene verstärkte Signal verschiedene Frequenz. Mit der Verstärkung wird zugleich eine Frequenzumsetzung nach oben oder unten erzielt. Bei den Resonatorverstärkern muß ein für die Eingangs-und Ausgangsfrequenz und für die sogenannte Pumpfrequenz resonanzfähiges Gebilde vorliegen, und zwar so, daß beim Kapazitanzverstärker die nichtlineare Kapazität die elektrischen Felder der Resonanzmoduln miteinander verkoppelt. Wird die Kapazität mit der Pumpfrequenz aop variiert, so gilt (OP = col + a)2, wobei die Eingangsfrequenz mit a)1 und die Ausgangsfrequenz mit c>, bezeichnet ist. Die Eingangsfrequenz co, wird mit der Pumpfrequenz gemischt, und es entsteht eine Schwingung der Frequenz c), Diese wird wieder mit cop gemischt und damit die ursprünglich vorhandene Schwingung verstärkt. Koppelt man die Schwingung co, aus, so erhält man ein verstärktes, in der Frequenz transponiertes Signal.The invention is now concerned with the construction of a so-called parametric mixer amplifier with a semiconductor diode, which is designed as a resonator amplifier. In the parametric mixer amplifier, the signal to be amplified and the amplified signal that is picked up have different frequencies. With the amplification, a frequency conversion upwards or downwards is achieved at the same time. The resonator amplifiers must have a structure capable of resonance for the input and output frequency and for the so-called pump frequency, namely in such a way that the non-linear capacitance couples the electric fields of the resonance modules to one another in the capacitance amplifier. If the capacitance is varied with the pump frequency aop, then (OP = col + a) 2 applies, the input frequency being denoted by a) 1 and the output frequency by c>. The input frequency co, is mixed with the pump frequency, and an oscillation of frequency c) is created. This is mixed again with cop and thus the originally existing oscillation is amplified. If the oscillation co, is coupled out, an amplified signal transposed in frequency is obtained.

Ziel-der Erfindung ist es, einen parametrischen Mischverstärker der obenerwähnten Art so aufzubauen, daß jede der drei Ein- bzw. Ausgänge der Frequenzen cop, col und c02 möglichst völlig voneinander entkoppelt sind, wobei die nichtlineare Kapazität so angeordnet ist, daß sich die günstigste Wirkung ergibt.The aim of the invention is to provide a parametric mixer amplifier above-mentioned type so that each of the three inputs and outputs of the frequencies cop, col and c02 are as completely decoupled from each other as possible, the nonlinear Capacity is arranged so that the most beneficial effect is obtained.

Bei einem parametrischen Mischverstärker mit einer Halbleiterdiode, bei dem für die relativ niedrige Eingangsfrequenz ein getrennter Resonator vorhanden ist und gemeinsam für die Ausgangsfrequenz und die hierzu benachbart liegende Pumpfrequenz ein weiterer Resonatorvorgesehen ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, für die Eingangsfrequenz (c),) einen koaxialen Resonator zu verwenden, der mit einem weiteren Resonator, gebildet aus einem entsprechenden Stück eines Rechteckhohlleiters, gekoppelt ist. Dieser Rechteckresonator ist für die Pumpfrequenz (cop) und für die Ausgangsfrequenz (c02) in verschiedenen Schwingungsmoduln angeregt. Hierbei sind die Schwingungsmoduln so gewählt, daß an der Ankoppelstelle des koaxialen Resonators an den Rechteckhohlleiter die in den Zug des koaxialen Innenleiters eingebaute Halbleiterdiode parallel zu den in gleicher Richtung stehenden elektrischen Feldvektoren der drei Schwingungen (co, a)2, cop) im Bereich maximaler Feldstärke liegt.In the case of a parametric mixer amplifier with a semiconductor diode, in which there is a separate resonator for the relatively low input frequency is and common to the output frequency and the pumping frequency adjacent thereto another resonator is provided, is proposed according to the invention for Input frequency (c),) to use a coaxial resonator with another Resonator, formed from a corresponding piece of a rectangular waveguide, coupled is. This square resonator is for the pump frequency (cop) and for the output frequency (c02) excited in different vibration modules. Here are the vibration modules chosen so that at the coupling point of the coaxial resonator to the rectangular waveguide the semiconductor diode built into the train of the coaxial inner conductor parallel to the electric field vectors of the three oscillations standing in the same direction (co, a) 2, cop) is in the range of maximum field strength.

An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail using an exemplary embodiment will.

In der Zeichnung ist ein gemäß der Erfindung aufgebauter parametrischer Mischverstärker dargestellt. In den koaxialen Resonator R, wird durch das Kabel 1 die Eingangsspannung der Frequenz co, eingespeist. Die Ankopplung an den Innenleiter 2 des Resonators R, erfolgt kapazitiv. R2 ist ein weiterer Resonator, der aus einem entsprechenden Stück eines Rechteckhohlleiters besteht. R, ist mit R2 gekoppelt. Der Außenleiter 3 von R, ist dabei mit der Breitseite des Rechteckhohlleiters verbunden, während sein Innenleiter 2 zur Ankopplung in den Rechteckhohlleiter hineinragt. In den Zug des Innenleiters 2 ist die Halbleiterdiode D eingebaut. Durch eine Kapazität 4 ist das eine Ende der Diode D für Hochfrequenz kurzgeschlossen, so daß von außen her eine Gleichvorspannung 5 angelegt werden kann. Im Anschluß an den Rechteckhohlleiter R2 befindet sich im Ausführungsbeispiel ein magisches T.In the drawing is a parametric constructed in accordance with the invention Mixer amplifier shown. In the coaxial resonator R becomes the input voltage of the frequency co fed through the cable 1. The coupling to the inner conductor 2 of the resonator R takes place capacitively. R2 is another resonator, which consists of a corresponding piece of a rectangular waveguide. R, is with R2 coupled. The outer conductor 3 of R is with the broad side of the rectangular waveguide connected, while its inner conductor 2 protrudes for coupling into the rectangular waveguide. The semiconductor diode D is built into the train of the inner conductor 2. By a capacity 4, one end of the diode D is short-circuited for high frequency, so that from the outside a DC bias voltage 5 can be applied. Following the rectangular waveguide R2 is a magic T.

Die drei notwendigen Resonanzmoduln sind bei der Anordnung auf die beiden Resonatoren verteilt. R, wird durch die Eingangsspannung in co, erregt, während der Resonator R2 für die Ausgangsfrequenz co, und die Pumpfrequenz cop in zwei verschiedenen Moduln gleichzeitig schwingt. Wesentlich für die beschriebene Ausführungsform ist, daß a), << au, ist. Dabei sollen co, und cop benachbarte Frequenzen sein. Im Ausführungsbeispiel war (o, = 900 MHz, co, = 7100 MHz und cop = 8000 MHz.The three necessary resonance modules are distributed over the two resonators in the arrangement. R, is excited by the input voltage in co, while the resonator R2 for the output frequency co and the pump frequency cop oscillates in two different modules at the same time. It is essential for the embodiment described that a), << au, is. Here, co and cop should be adjacent frequencies. In the exemplary embodiment, (o, = 900 MHz, co, = 7100 MHz and cop = 8000 MHz.

Die Halbleiterdiode D muß sich an einer solchen Stelle befinden, an der alle drei Resonanzmoduln ein starkes, räumlich in gleicher Richtung (in Längsrichtung der Diode) liegendes elektrisches Feld besitzen. Außerdem sollen die drei Aus- bzw. Eingänge voneinander entkoppelt sein. >;m dies zu erreichen, wird der Resonator R2 so ausgelegt, daß er zwei Moduln besitzt. Diese haben an mindestens einer Stelle ein starkes, bei beiden in gleicher Richtung liegendes elektrisches Feld. An einer weiteren Stelle besitzt der eine Modul maximales E-Feld, der andere Modul maximales H-Feld. Außerdem besitzen die gewählten Moduln Resonanzfrequenzen, die gerade gleich den beiden benachbarten relativ hohen Frequenzen to, und cop sind. Dies läßt sich durch entsprechende Wahl der Hohlleiterbreite und -länge erzielen. Im Ausführungsbeispiel wurde für die durch die E-Verzweigung des magischen T eingespeiste Frequenz cop der Pumpspannung der H",-Modul gewählt. Die Auskopplung der verstärkten Frequenz co2 erfolgt durch die H-Verzweigung von T, die durch den zweiten Modul HI., angeregt wird. Der cop Eingang ist somit vom co,-Ausgang entkoppelt. Die beiden Verzweigungen brauchen nicht, wie dies in der Figur dargestellt ist, an der gleichen Stelle angeordnet sein bezüglich der Hohlleiter-Längsachse. Die erforderliche elektrische Länge des Resonators R2 wird in bekannter Weise durch Kurzschlußschieber eingestellt. Durch eine kapazitiv wirkende Schraube in der Mitte des Resonators kann die Frequenz des H" Moduls, durch kapazitive Schrauben in A/4 Abstand (bezogen auf den H"3 -Modul) beiderseits der Mitte die Frequenz des H,,-Moduls jeweils unabhängig vom anderen :Modul nachgestimmt werden. Etwa von der Mitte von R2 entfernt haben beide Moduln ein großes, in gleicher Richtung verlaufendes elektrisches Feld. An dieser Stelle ist die Diode D, die gleichzeitig die Verlängerung des hier angeschlossenen Innenleiters des Resonators R, ist, angeschlossen.The semiconductor diode D must be located at such a point where all three resonance modules have a strong electrical field that is spatially in the same direction (in the longitudinal direction of the diode). In addition, the three outputs and inputs should be decoupled from one another. >; To achieve this, the resonator R2 is designed so that it has two modules. These have a strong electric field in at least one point, both in the same direction. At another point, one module has a maximum E-field, the other module a maximum H-field. In addition, the selected modules have resonance frequencies that are exactly the same as the two adjacent relatively high frequencies to, and cop. This can be achieved by appropriate selection of the waveguide width and length. In the exemplary embodiment, the H ", module was selected for the frequency cop of the pump voltage fed in through the E-branch of the magic T. The decoupling of the amplified frequency co2 occurs through the H-branch of T, which is stimulated by the second module HI The cop input is thus decoupled from the co, output. The two branches need not, as shown in the figure, be arranged at the same point with respect to the waveguide longitudinal axis. The required electrical length of the resonator R2 is known in FIG With a capacitive screw in the center of the resonator, the frequency of the H "module can be adjusted, with capacitive screws at A / 4 distance (based on the H" 3 module) on both sides of the center the frequency of the H " -Module independently of the other: Module can be readjusted away from the center of R2, both modules have a large electric field running in the same direction. The diode D, which is at the same time the extension of the inner conductor of the resonator R connected here, is connected at this point.

Der koaxiale Resonator R, besteht aus einem etwa .l/4 langen Schwingkreis, der durch einen verschiebbaren Kurzschlußschieber abgeschlossen und für die Eingangsfrequenz.w, in Resonanz gebracht ist. Der Resonator R, wird von dem Resonator R2 durch einen Tiefpaß entkoppelt. Im Ausführungsbeispiel wird er im wesentlichen durch eine Verdickung des Innenleiters 2 an der Stelle 6 verwirklicht. Die dadurch zwischen Innenleiter und Außenleiter des Resonators R, wirksame Kapazität ist dabei so gewählt, daß sie für die relativ hohen Frequenzen cal und cop einen Kurzsehluß darstellt, die Frequenz co, aber fast ungeschwächt zur Diode passieren läßt. Der Koaxresonator und damit der Modul für co, kann also unabhängig von den anderen Moduln abgestimmt werden. Das Eingangssignal wird kapazitiv oberhalb der Verdickung des Innenleiters in den Koaxresonator eingekoppelt, so daß auch diese Einkopplung von den anderen Ein- und Ausgängen wirkungsvoll entkoppelt ist.The coaxial resonator R consists of an approximately 1/4 long resonant circuit, which is terminated by a sliding short-circuit slide and for the input frequency w, is brought into resonance. The resonator R, is of the resonator R2 through a Decoupled low pass. In the exemplary embodiment, it is essentially thickened of the inner conductor 2 is realized at the point 6. The result between the inner conductor and outer conductor of the resonator R, effective capacitance is chosen so that it for the relatively high frequencies cal and cop represents a short-circuit, the frequency co, but lets pass to the diode almost without weakening. The coax resonator and with it the module for co can therefore be coordinated independently of the other modules. The input signal becomes capacitive above the thickening of the inner conductor in the Coax resonator coupled in, so that this coupling from the other inputs and Outputs is effectively decoupled.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Parametric mixer amplifier with a semiconductor diode, in which there is a separate resonator for the relatively low input frequency is and common to the output frequency and the pumping frequency adjacent thereto another resonator is provided, characterized in that for the input frequency (co,) a coaxial resonator is used, which is formed with another resonator is coupled from a corresponding piece of a rectangular waveguide, which for the pump frequency (co,) and the output frequency (a) 2) in different vibration modules is excited, which are chosen so that at the coupling point of the coaxial resonator the semiconductor diode built into the train of the coaxial inner conductor on the rectangular waveguide parallel to the electric field vectors of the three standing in the same direction Vibrations (co ,, a) 2 and cvp) is in the range of maximum field strength.

2. Amplifier according to claim 1, characterized in that at the entrance of the coaxial resonator a low-pass filter for the input frequency (a),) is provided in the rectangular waveguide is.

3. Amplifier according to claim 2, characterized in that the low-pass filter is substantially by a thickening of the inner conductor of the coaxial resonator before its entry is formed in the rectangular planar conductor, so that the between the inner conductor and Outer conductor formed capacitance for the neighboring relatively high frequencies (to " cop) represents a short circuit, while the relatively low input frequency (o),) reaches the semiconductor diode almost without being weakened.

4. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that an E or H branch is used to decouple the output from the pump frequency.

5. Amplifier according to claim 4, characterized in that a magic T is used for the two branches. Documents considered: German Patent No. 860 504; German Auslegeschrift No. 1 004 745; Proc. IRE, 46 (1958), 6 (June), p. 1301; 47 (1959), (April), p. 586; IRE Trans. ED-6 (1959), 2 (April), p. 223.