DE1096432B

DE1096432B - Parametric amplifier

Info

Publication number: DE1096432B
Application number: DEE19170A
Authority: DE
Inventors: Brian Jackson Ashness
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1959-04-16
Filing date: 1960-04-08
Publication date: 1961-01-05
Also published as: GB945875A

Description

D ie Erfindung befaßt sich mit einem parametrischen Verstärker, Umsetzer oder Oszillator.The invention is concerned with a parametric amplifier, converter or oscillator.

Bei einem solchen Verstärker wird eine nichtlineare Reaktanz benutzt, um ein angelegtes Signal in der Frequenz umzusetzen oder bei einer gewünschten Frequenz eine Schwingung zu erzeugen. Die erforderliche Energie für den Kreis wird von einer oder mehreren Wechselstromquellen geliefert. Diese werden als Pumpquellen bezeichnet. Die nichtlineare Reaktanz, welche eine nichtlineare Kapazität, Induktivität oder Gegeninduktivität sein kann, ist so angeordnet, daß sie den Signalkreis, den Pumpkreis und einen dritten Kreis miteinander verkoppelt. Dieser dritte Kreis wird gewöhnlich als »Idler«- oder Hilfskreis bezeichnet. Die einzelnen Kreise sind abgestimmt auf die Signalfrequenz, die Pumpfrequenz bzw. auf die Frequenz des Intermodulationsproduktes, welches in der Anordnung erzeugt wird. Im Betrieb wirkt der im Hilfskreis fließende Strom auf den Signalkreis zurück und erzeugt entweder eine Dämpfung oder eine Verstärkung des angelegten Signals entsprechend den Parametern der Schaltung. Wird die nichtlineare Reaktanz durch eine Kapazität dargestellt, so kann man dies durch eine vorgespannte Siliziumflächendiode verwirklichen, deren Kapazität von der angelegten Spannung abhängig ist. Diese Kapazität soll möglichst widerstandsarm und nicht induktiv sein. Da die zur Zeit technisch herstellbaren Flächendioden jedoch nur sehr niederohmig sind, besitzen sie ]eider eine ausgeprägte Zuleitungsinduktivität, welche in der Größenordnung von 20 nH liegt. Diese schädliche Induktivität ist für manche Anwendungszwecke sehr nachteilig, da die Theorie der parametrischen Verstärker voraussetzt, daß die Impedanz des Signalkreises, des Hilfskreises sowie des Pumpkreises derart ist, daß lediglich der Strom der entsprechenden Frequenz durch die entsprechenden Kreise fließt. In der Praxis läßt sich diese Bedingung jedoch nur schwierig erfüllen. In such an amplifier, a non-linear reactance is used to translate an applied signal into the To convert frequency or to generate an oscillation at a desired frequency. The required Power for the circuit is provided by one or more AC sources. These are called Called pump sources. The nonlinear reactance, which is a nonlinear capacitance, or inductance Mutual inductance can be, is arranged so that it has the signal circuit, the pump circuit and a third Circle coupled together. This third circle is commonly referred to as the "idler" or auxiliary circle. The individual circles are matched to the signal frequency, the pump frequency or the frequency of the intermodulation product which is generated in the arrangement. During operation, the one acts in the auxiliary circuit flowing back to the signal circuit and generates either an attenuation or an amplification of the applied signal according to the parameters of the circuit. Will the nonlinear reactance represented by a capacitance, this can be achieved by a biased silicon area diode, whose capacity depends on the applied voltage. This capacity should if possible be low resistance and not inductive. However, since the planar diodes that can currently be technically produced are only are very low resistance, they also have a pronounced lead inductance, which is of the order of magnitude of 20 nH. This harmful inductance is very disadvantageous for some applications, since the theory of parametric amplifiers assumes that the impedance of the signal circuit, the Auxiliary circuit and the pump circuit is such that only the current of the corresponding frequency flows through the appropriate circles. In practice, however, this condition can only be met with difficulty.

Ziel der Erfindung ist es deshalb, diese Nachteile zu beseitigen.The aim of the invention is therefore to eliminate these disadvantages.

Bei einem parametrischen Verstärker, Umsetzer oder Oszillator mit einer vorgespannten Flächendiode, deren durchstimmbare, nichtlineare kapazitive Reaktanz dem Pump- und Signalkreis gemeinsam ist, wobei die Signalfrequenz vorzugsweise doppelt so groß gewählt ist wie die Pumpfrequenz, wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Entkopplung von Pump- und Signalkreis die durch die Zuleitungen der Dioden bedingte induktive Reaktanz durch eine zusätzliche kapazitive Reaktanz ergänzt ist.In the case of a parametric amplifier, converter or oscillator with a biased flat diode, whose tunable, nonlinear capacitive reactance is common to the pump and signal circuit, where the signal frequency is preferably chosen to be twice as large as the pump frequency, is therefore according to the invention suggested that to decouple the pump and signal circuit through the supply lines the inductive reactance caused by the diodes is supplemented by an additional capacitive reactance.

Die Erfindung ist somit besonders geeignet für Schaltungen, bei denen die verwendete Reaktanz durch die Flächenkapazität einer negativen vorgespannten Parametrischer VerstärkerThe invention is thus particularly suitable for circuits in which the reactance used by the areal capacity of a negative biased parametric amplifier

Anmelder:Applicant:

Electric & Musical Industries Ltd.,
Hayes, Middlesex (Großbritannien)Electric & Musical Industries Ltd.,
Hayes, Middlesex (Great Britain)

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
ίο Hannover, Göttinger Chaussee 76Representative: Dr.-Ing. B. Johannesson, patent attorney,
ίο Hanover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 16. April 1959 und 1. April 1960Claimed priority:
Great Britain April 16, 1959 and April 1, 1960

Brian Jackson Ashness, Wells, SomersetBrian Jackson Ashness, Wells, Somerset

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden(Great Britain),
has been named as the inventor

Siliziumflächendiode verwirklicht wird, wobei deren schädliche Induktivität zur Erhöhung der gewünsch-Silicon area diode is realized, its harmful inductance to increase the desired

a5 ten Entkopplung verwendet wird. Vorzugsweise werden die Frequenzen so gewählt, daß ω_ε — ω_ρ — co_s = ¹/₂ω_ρ ist. Hierbei bedeutet <x>_s die Signalkreisfrequenz und ojp die Pumpkreisfrequenz. Unter dieser Voraussetzung erübrigt sich ein getrennter Hilfskreis da der Strom des Hilfskreises im Signalkreis fließen kann.a5th decoupling is used. Preferably the frequencies are chosen so that _ω ε - _ω ρ - co _s = ¹ / _{ρ ω} is _{the second} Here, <x> _{s means} the signal angular frequency and ojp the pump angular frequency. With this prerequisite, a separate auxiliary circuit is not necessary since the current of the auxiliary circuit can flow in the signal circuit.

An Hand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Die nichtlineare Kapazität ist in der Figur mit 1 bezeichnet; Die Siliziumdiode ist negativ vorgespannt über die Drossel 2. Mit 3 ist die Pumpquelle bezeichnet, und mit 4 die Signalquelle. 5 stellt den Widerstand der Pumpquelle dar, die Widerstände 6, 7 und 8 im Signalkreis sind der Widerstand der Signal quelle, der Lastwiderstand bzw. der Signalkreiswiderstand. Mit 9 ist die schädliche Zuleitungsinduktivität der Diode bezeichnet. 10 ist eine Abstimmkapazität und 11 eine Verblockungskapazität. Beim Ausführungsbeispiel besteht der Pumpkreis aus einem λ/2-Leitungskreis bezüglich der Pumpfrequenz ω_ρ. Er ist an einem Ende kurzgeschlossen und an seinem anderen Ende durch die Serienschaltung der Kapazitäten 1 und 11 mit der Verbindung der Induktivität 9 abgeschlossen. Die Schaltelemente 1, 9 und 11 sind so dimensioniert, daß sie z. B. bei der Pumpfrequenz in Serienresonanz sind und somit eine sehr niederohmige Impedanz darstellen, so daß nur ein geringer Teil der Pumpenergie in den Signalkreis fließen kann. Auch der Signalkreis ist beim Ausführungsbeispiel durch einen λ/2-Lei-The invention will be explained in more detail using the exemplary embodiment shown in the figure. The non-linear capacitance is denoted by 1 in the figure; The silicon diode is negatively biased via the choke 2. 3 denotes the pump source and 4 denotes the signal source. 5 represents the resistance of the pump source, the resistors 6, 7 and 8 in the signal circuit are the resistance of the signal source, the load resistance and the signal circuit resistance, respectively. With 9 the harmful lead inductance of the diode is referred to. 10 is a tuning capacity and 11 is a blocking capacity. In the exemplary embodiment, the pump circuit consists of a λ / 2 line circuit with respect to the pump frequency ω _ρ . It is short-circuited at one end and terminated at its other end by the series connection of the capacitors 1 and 11 with the connection of the inductance 9. The switching elements 1, 9 and 11 are dimensioned so that they can, for. B. are in series resonance at the pump frequency and thus represent a very low impedance, so that only a small part of the pump energy can flow into the signal circuit. In the exemplary embodiment, the signal circuit is also made up of a λ / 2 line.

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tungskreis verwirklicht, welcher mit Hilfe des Trimr mers 10 abstimmbar ist. Mit dieser Kapazität 10 wird somit die physikalische Länge dieses Kreises verkürzt. Wie bereits erwähnt, ist dieser Kreis auf die halbe Pumpfrequenz abgestimmt. Damit ist der Pumpkreis, welcher bei der Pumpfrequenz elektrisch λ/2 lang ist, bei der Signalfrequenz ein λ/4-Kreis und stellt somit, vom Signalkreis aus gesehen, eine sehr hohe Imprdanz dar. Im Pumpkreis fließt deshalb nur ein vernachlässigbarer Anteil des Signalstromes, und eine Abstimmung des Signalkreises beeinflußt den Pumpkreis nur unwesentlich und umgekehrt. Signalkreis, Pumpkreis und Last sind in üblicher Weise angekoppelt.implementation circle, which with the help of the Trimr mers 10 is tunable. With this capacitance 10, the physical length of this circle is thus shortened. As already mentioned, this circle is tuned to half the pump frequency. The pumping circuit is thus which is electrically λ / 2 long at the pump frequency, a λ / 4 circle at the signal frequency and thus represents a very high impedance seen from the signal circuit. Therefore only flows in the pump circuit a negligible proportion of the signal current, and tuning of the signal circuit affects the Pump circuit only insignificant and vice versa. Signal circuit, pumping circuit and load are in the usual way coupled.

Beim Ausführungsbeispiel ist das Verstärkungsbandbreitenprodukt nahezu konstant für einen Verstärkungsüberschuß von ungefähr 10 db und hat eine Bandbreite von 1 MHz bei einer Verstärkung von 30 db und einen Geräuschfaktor von ungefähr 4 db. Die Signalfrequenz beträgt hierbei 400 Mz und die aufzubringende Pumpleistung ungefähr 100 mW. Die Hälfte der Ausgangsleistung wird in den Signalkreis zurückgekoppelt, doch kann durch Verwendung eines Richtungsisolators eine weitere Verbesserung des Rauschfaktors erreicht werden. Wird ein sogenannter Hilfskreis in die beschriebene Schaltung eingefügt, so ist es zweckmäßig, das Ausgangssignal nicht aus dem Signalkreis, sondern aus diesem Hilfskreis auszukoppeln.In the exemplary embodiment, the gain bandwidth product is almost constant for a gain excess of approximately 10 db and has a bandwidth of 1 MHz with a gain of 30 db and a noise factor of approximately 4 db. The signal frequency here is 400 Mz and the pump power to be applied is approximately 100 mW. the Half of the output power is fed back into the signal circuit, but by using a Directional isolator a further improvement in the noise factor can be achieved. Is a so-called auxiliary circle in the described Circuit inserted, so it is useful not to take the output signal from the signal circuit, but from it to decouple this auxiliary circle.

Claims

Patent claims:

1. Parametric amplifier, converter or oscillator with a biased flat diode, whose tunable nonlinear capacitive reactance is common to the pump and signal circuit is, the signal frequency is preferably chosen to be twice as large as the pump frequency, characterized in that for decoupling the pump and signal circuit through the supply lines The inductive reactance (9) caused by the diode is supplemented by an additional capacitive reactance (11) is.

2. Parametric amplifier according to claim 1, characterized in that the two opposite Reactances (9, 11) a series resonance circuit form for the pump or signal frequency.

3. Parametric amplifier according to claim 2, characterized in that the circles for the Pump and signal frequency are λ / 2-line circles.

1 sheet of drawings