DE1099007B - Parametrischer Wanderfeldverstaerker - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf die Signal verstärkung allgemein und insbesondere auf die Verstärkung einer fortschreitenden Signalwelle dadurch, daß in der Bahn der Welle an verschiedenen Punkten längs dieser Bahn Energie zugeführt wird, die von einer äußeren Signalquelle abgeleitet ist.

Die Hauptpatentanmeldung W 23385 VIII a/21 a« trifft einen parametrischen Wanderfeldverstärker neuartiger Konstruktion mit einer Betriebsweise. Dieser Wanderfeldverstärker ist bezüglich seiner Längsausdehnung und Abmessungen so aufgebaut, daß Bahnen für die Fortpflanzung von Wanderwellen mit drei verschiedenen Frequenzen gebildet werden, die jeweils als Signalwelle mit der Frequenz Z₁ und der Phasenkonstante/^ als Leerlauf oder Koppelwelle mit der Frequenz f_z und der Phasenkonstante ß₂ und als Pumpwelle mit der Frequenz f_p und der Phasenkonstante ß_p bezeichnet werden. Der Aufbau des Verstärkers enthält veränderbare Reaktanzelemente, die entweder an diskreten Punkten längs der Bahn der Wellen oder kontinuierlich über die gesamte Länge des Aufbaus angebracht sind.

Die Pumpfrequenz f_p ist um einen Faktor höher als die Signalfrequenz f_v welcher zwischen 1,5 und 5 liegt. Im Betrieb ändert die Pumpwedle die Reaktanzen fortschreitend nach Art einer Welle mit der Frequenz f_p. Dadurch wird eine Leerlauf- oder Koppelwelle mit der Frequenz f₂ und der Phasenkonstante ß₂ erzeugt, die automatisch die Beziehung

(1)

befriedigt, vorausgesetzt, daß die Phasenkonstanten der drei Wellen irgendeine von mehreren Beziehungen befriedigen, von denen die einfachste und beste der Frequenzbeziehung (1) entspricht, d. h.

Parametris eher Wanderfeldverstärker

Zusatz zur Patentanmeldung W 23385 VIII a/21 a*
(Auslegeschrift 1094 313)

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 30. Oktober 1957

Ping King Tien, Chatham Township, N. J. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

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äquivalenten Form werden optimale Ergebnisse für ein breites Frequenzband erreicht, wenn

dßh \dßj₂

ßi+ßs=ßr

(2)

Auf diese Weise bietet sich der Signalquelle ein negativer Widerstand dar, und die Amplitude der Signal welle wächst an, während die Welle längs ihrer Bahn fortschreitet.

Die selbsterzeugte Koppel- oder Leerlaufwelle nimmt ebenfalls in ihrer Amplitude zu, wenn sie längs ihrer Bahn läuft. Die Phasenbeziehungen, die zwischen den drei Wellen an allen Punkten der Bahn gelten, sind immer derart, daß durch die Veränderungen der Reaktanzelemente der Pumpwelle Energie entzogen wird, die der Signalwelle bzw. der Koppeloder Leerlaufwelle zugeführt wird.

Zusätzlich zu den Bedingungen der Gleichungen (1) und (2) oder einer dieser beiden Gleichungen ist. Eine mögliche Lösung der Gleichungen (2) und (3), obwohl nicht die einzige, ergibt, daß die Phasengeschwindigkeiten aller drei Wellen gleich sind.

Zur Verwirklichung dieser Prinzipien ist in der Hauptpatentanmeldung vorgeschlagen worden, drei verschiedene Übertragungsleitungen oder Wellenleiter zu verwenden. Dabei dient der erste Wellenleiter der Übertragung der Signalwelle mit der Frequenz f_v der zweite der Übertragung der Koppel- oder Leerlaufwelle mit der Frequenz ^₂ und der dritte der Übertragung der Pumpwelle mit der Frequenz f_p. Die ersten beiden Leitungen der Hohlleiter sind miteinander durch eine Anzahl von veränderbaren Reaktanzelementen gekoppelt, die den beiden ersten Leitungen gemeinsam sind, oder durch ein kontinuierliches, veränderbares Reaktanzmedium, das in gleicher Weise den beiden Leitungen gemeinsam ist, während die Pumpwelle, die durch die dritte Leitung übertragen wird, bewirkt, daß diese gemeinsamen Reaktanzelemente geändert werden. Für tiefe oder mäßig hohe Frequenzen können die gemeinsamen Impedanz- oder Reaktanzelemente aus sättigbaren Spulen oder elek-

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ironisch veränderbaren Kapazitäten bestehen. Für enthält, dessen Dielektrizitätskonstante von 'dem an höhere Frequenzen macht man von der ferromägne- dem Kondensator angelegten Potential abhängt,
tischen Resonanz in einem Material Gebrauch, z. B. Materialien, die als Ferroelektrika bekannt sind,

in einem Manganferrit mit hohem spezifischem Wider- haben diese Eigenschaften. Bestimmte Halbleitervorstand oder einem Yttrium-Eisen-Granat, zusammen mit 5 richtungen, wie z.B. Siliziumschichtdioden, zeigen einem äußeren magnetischen Gleichfeld von entspre- ein ähnliches Verhalten, obwohl dies von der Oberchender Richtung, um die erforderliche Kopplung zwi- flächenladung abhängt, die sich deutlich von einer sehen den verschiedenen Wellen zu erreichen. Polarisation des gesamten Volumens unterscheidet.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkennt- Bei sehr hohen Frequenzen kann man die gyromagnenis, daß die drei getrennten Übertragungsleitungen io tischen Resonanz eigenschaften ferromagnetischer oder Wellenleiter, die zur Verwirklichung der Prin- Materialien, wie z. B. eines Manganferrits mit hohem zipien der Erfindung in der Hauptpatentanmeldung spezifischem Widerstand oder eines Yttrium-Eisenangegeben sind, tatsächlich nicht erforderlich sind Granats oder eines Granats der seltenen Erden, ver- und daß eine einzige Übertragungsleitung oder ein wenden. Wird ein Körper aus solchem Material dem Wellenleiter vorgesehen werden kann, vorausgesetzt, 15 Einfluß von in bestimmter Art und Weise angelegten daß dieser eine auereichend hohe Bandbreite aufweist magnetischen P"eldern ausgesetzt, dann erfährt die und alle drei Wellen gleichzeitig miteinander auf- Magnetisierung innerhalb des Körpers eine Präzesrechterhalten und übertragen kann. Der Grund dafür sionsveränderung, die die notwendige Kopplung liegt darin, daß die drei Wellen vom gleichen Wellen- zwischen den drei Wellen bewirkt. Dieses Verhalten typ sein können und diese oft auch sind. Anstatt nun 20 wird durch Unterstützung eines äußeren magnetischen das variable Reaktanzelement, das der Sdgnalleitung Feldes geeigneter Richtung und Stärke sichergestellt, und der Koppel- oder Leerlaufleitung gemeinsam ist, Die Stärke des magnetischen Vorspannungsfeldes ist wegzulassen, werden diese Elemente in einfacher nicht kritisch. Sie sollte jedoch so groß sein, daß Form als Bauelemente der nunmehr einzigen Über- innerhalb des Materials eine gyromagnetische tragungsleitung oder des Wellenleiters gemäß der 25 Resonanz auftritt. Die Richtung des Vorspannungsvorliegenden Erfindung verwendet. Vorausgesetzt, feldes wird durch die folgenden räumlichen Erforderdaß nur die Energie der Pumpwelle wesentlich größer nisse bestimmt, die zur gegenseitigen Kopplung ist als die der Signalwelle, übernimmt die Pumpwelle zwischen verschiedenen Wellen notwendigerweise die Steuerung der Reaktanzänderungen und bewirkt, ■ erfüllt werden müssen, nämlich:
daß die verschiedenen Reaktanzen nacheinander mit 30 _{L Der magneüsche} Vektor der einen der beiden der Frequenz f_p verändert werden so daß jeder Teil niedrigeren Frequenzen (Z₁ oder f₂) hat eine

der Sagnalwelle einen negativen Widerstand antafft. Komponente, die parallel zu dem magnetischen

Daher wachst die Amplitude der Signalwelle Gleichfeld verläuft·

während ihrer Übertragung längs der Übertragung- _{2 der ffiagnetische} Vektor der anderen der beiden

leitung oder des Wellenleiters auf Kosten der 35 _tieferen Frequenzen (Z₁ oder f₂) hat eine Kompo-

Amplitude der Pumpwelle an. Eine verstärkte Dar- _nente,die senkrecht auf dem magnetischen Gleichstellung des Signals kann dann von den Ausgangs- ^j _si^ _und

klemmen der Leitung oder des Wellenleiters abge- 3 _{der magn}'_et._{ische Vektor der} p_umpwelle hat eine

nommen werden. DUrCh₁ die Wirkung eines gewohn- Komponente, die auf dem magnetischen Gleich-

lichen Filters, das im Prinzip ein Bandpaß ist, obwohl 40 j_eld ^ι^^ _st_eht

in manchen praktischen Fällen auch ein Tiefpaß genügt, kann das gewünschte Signal ausgesiebt werden, Das gemeinsame Auftreten aller drei Wellen in der während die unerwünschte, ebenfalls verstärkte gleichen Übertragungsleitung oder dm gleichen Koppel- oder Leerlaufwelle zusammen mit den Resten Wellenleiter hat eine Einschränkung zur Folge, die der Pumpwelle gesperrt wird. Die Pumpwelle, die im 45 zusammen mit den vorgenannten drei räumlichen BeVerlauf ihres Fortschreitens längs der Leitung oder ■ dingungen leicht dadurch erfüllt werden kann, daß des Wellenleiters gedämpft wird, hat normalerweise das angelegte magnetische Gleichvorspannungsfeld in an den Ausgangsklemmen der Leitung nach Ende einem Winkel von etwa 45° ausgerichtet ist, entweder dieses fortschreitenden Vorganges immer noch eine bezüglich der Breitenausdehnung der Übertragungs-Amplitude, die größer ist als die der Signalwelle. 50 leitung oder des Wellenleiters, in bezug auf die Länge

Im Prinzip enthalten natürlich, da alle drei Wellen oder in bezug auf die Dimensionen,
jedes veränderbare Reaktanzelement beeinflussen, die Die Frequenzbeziehung der Gleichung (1) zwischen

Änderungen dieser Reaktanzelemente Komponenten Signalfrequenz f_t und der Koppel- oder Leerlaufmit den Frequenzen Z₁ und /₂. Wenn jedoch, wie oben frequenz f₂ ist keinen Einschränkungen unterworfen, angegeben, die Pumpleistung wesentlich größer ist 55 mit Ausnahme der in Gleichung (1) angegebenen als die Signalleistung, dann stellen diese Verände- Bedingung. Daher können als ein besonderer Fall (die rungen kleinere Störantaile dar, die der mit der Leerlauf- oder Koppelfrequenz und die Signal-Pumpfrequenz erfolgenden Hauptäniderung überlagert frequenz gleich sein, in welchem Fall sich die sind. Ihre Wirkungen können daher vernachlässigt Gleichung (1) vereinfacht zu
werden. 60 χ _jx =2f =f (la)

Bei tiefen oder mäßig hohen Frequenzen besteht '12 1 ρ

ein veränderbares Induktanzelement gewöhnlich aus so daß der Verstärker ein subharmonischer Verstärker einer Wicklung, die auf einem ferrotnagnetischen wird. Ein solcher Betrieb des Verstärkers wird für Kern aufgebracht ist, der eine nichtldneare Abhängig- die vorliegende Erfindung jedoch nicht empfohlen, keit zwischen dem Magnetisierungsstrom und der 65 und zwar aus folgenden Gründen: Es ist unmöglich, Magnetisierung aufweist. Eine veränderbare Kapazi- die Signalfrequenz und die Pumpfrequenz so genau tat kann beispielsweise in der für die Frequenzmodu- aufeinander einzustellen, daß 'die eine mit mathemalation bekannten Art aufgebaut sein. Andererseits, tischer Genauigkeit genau die Hälfte der anderen ist. was wesentlich einfacher ist, kann diese Kapazität Eine geringfügige Abweichung δ ist in der Praxis, aus einem Kondensator bestehen, der ein Dielektrikum 70 so klein sie auch sein mag, nicht vermeidbar. Wenn

ι uyy uu /

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daher für eine bestimmte Signalfrequenz Z₁ der Pump- eingeführte Rauschen ist das sogenannte Johnsongenerator so eingestellt ist, daß er eine Welle mit der Rauschen, das durch die Schaltelemente und insbe-Pumpfrequenz /_p Meiert, die exakt zweimal so groß sondere die Last hervorgerufen wird, die auf erhöhten ist, so kommt es unausweichlich dahin, daß die Fre- Temperaturen liegt, verglichen mit dem absoluten quenz der selbsterzeugten Koppel- oder Leerlaufwelk 5 Nullpunkt der Temperatur. Diese eine merkliche von ihrem Nennwert in der entgegengesetzten Rieh- Rauschquelle kann dadurch weitgehend ausgeschaltet tung von der Abweichung der Signalfrequenz ab- werden, daß der Verstärker gekühlt wird. Da für weicht. Daher wird dieses Rauschen im wesentlichen die Last verantwort-JT ι s ι χ _ t_y: ^₁J₃-) Hch äst, ist es noch besser, wenn die Last allein ge-¹ * ^p' ίο kühlt wird, wobei die Last mit der Verstärkerschaltung

Ist nun keine gesonderte Leitung für die Koppel- über einen Übertrager gekoppelt ist.

welle vorhanden, dann laufen zwei Wellen mit den Die Erfindung und ihre wesentlichen Vorteile

Frequenzen f_±+d und f₁ — d zusammen gleichzeitig werden besser verständlich an Hand der nachfolgen-

über die Übertragungsleitung oder den Wellenleiter, den Einzelbeschreibung von bevorzugten Ausfüh-

so daß sich an der Last unerwünschte Schwebungs- 15 rungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren,

frequenzen ergeben. Da die beiden Frequenzen so Dabei zeigt

dicht beieinander liegen, ist es außerordentlich Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Wanderschwierig, die eine von der andern durch Filter zu feldverstärkers mit konzentrierten Schaltelementen, trennen. Es wird daher vorgezogen, den Pumpgene- die aus veränderbaren Reiheninduktivitätselementen rator derart zu wählen, daß sowohl seine Frequenz 20 und veränderbaren Ouerkapazitäten bestehen,
als auch die sich ergebende Frequenz der Koppel- Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines Wanderoder Leerlaufwelle wesentlich von der Signalfrequenz feldverstärkers für hochfrequente Schwingungen mit abweichen, so daß eine Aus-siebung der einen und eine verteilter, veränderbarer Kapazität,
Unterdrückung der anderen mit üblichen Verfahren Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schaltleicht erreichbar ist. Ein Frequenzabstand von etwa 25 bildes eines Hochfrequenzwanderfeldverstärkers mit einer Oktave zwischen der Signalfrequenz und der verteilter, veränderbarer Induktivität,
Leerlauf frequenz ist mehr als ausreichend. Bei diesem Fig. 3 A eine schematische Darstellung der Art, wie Abstand ist die Koppel- oder Leerlauffrequenz das Gleichfeld der magnetischen Vorspannung an den doppelt so groß wie die Signalfrequenz, und die Verstärker nach Fig. 3 angelegt wird,
Pumpfrequenz ist dreimal so groß wie die Signal- 30 Fig. 4 ein Schaltbild einer Anordnung, teilweise in frequenz. Exakte ganzzahlige Werte sind jedoch nicht perspektivischer Darstellung, mit einem Koaxialerforderlich. Tatsächlich ist es von Vorteil, wenn die leitungs-Wanderfeldverstärker mit einer veränderdrei hier verwendeten Frequenzen in keinem einfachen baren Induktivität,

Verhältnis zueinander stehen. Ein solches Verhältnis Fig. 5 ein schematisches Schaltbild eines wendelhat dann den Vorteil, daß irgendeine Harmonische 35 förmigen Wander feldverstärkers mit einem veränder- oder Sufoharmonische einer der Wellen, die durch baren induktiven Blindwiderstand,
unerwünschte Effekte zweiter Ordnung erzeugt Fig. 5 A eine schematische Darstellung zur Erläutewerden könnten, nicht mit der gewünschten Signal- rung der Art, in der ein Vorspannungsfeld angelegt welle verwechselt werden kann. . wird,

Verstärker, die nach diesem Prinzip arbeiten, sind 40 Fig. 6 ein schematisches Schaltbild einer abge-

als »parametrische Verstärker« bekanntgeworden. wandelten Ausführungsform der Fig. 5, in der ein

Beim Betrieb eines »parametrischen Verstärkers« dielektrischer Wellenleiter ferromagnetisch mit einer

mit stehender Welle ist es notwendig, daß die Pump- einen wendeiförmigen Leiter aufweisenden Übertra-

leistung unter einer bestimmten Instabilitätsschwelle gungsleitung gekoppelt ist,

gehalten wird. Sonst könnte die Apparatur zu Eigen- 45 Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Wanderschwingungen angestoßen werden, so daß das zu ver- feldverstärkers mit einem Hohlleiter und veränderstärkende Signal durch die Energie der Eigenschwin- barer induktiver Reaktanz,

gungen überdeckt werden könnte. Ein Merkmal der Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Abwand-

mit Wanderwellen arbeitenden parametrischen Ver- lung der Fig. 6, in der ein dielektrischer Wellenleiter

stärker gemäß der vorliegenden Erfindung besteht 50 ferromagnetisch an einen Hohlleiter angekoppelt ist,

darin, daß es keine Instabilitätsschwelle gibt, so daß und

demnach der Verstärker auch keine Schwingneigung Fig. 8 A eine schematische Darstellung zur Erläutezeigt. Dies ist eine Folge davon, daß die Energie in rung der Art, in der das Vorspannungsfeld an den Form einer Wanderwelle vorliegt. Daher wird bei- Verstärker nach Fig. 7 oder 8 angelegt wird,
spielsweise ein geringer Energiezuwachs, der an 55 In Fig. 1 ist ein Wanderfeldverstärker dargestellt, irgendeinem Punkt des Systems auftreten kann und der aus einer Kette gleichartiger Filterabschnitte mit der, wenn er an diesem Punkt verbleibt, Selbst- je einer Reiheninduktivität L und einer Querkapazität erregung zur Folge haben könnte, unmittelbar als C besteht. Dieser Verstärker wird durch einen Gene-Wanderwelle nach einem anderen Punkt des Systems rator 1 mit der Signalfrequenz f_x gespeist, der an den abgeführt. Mit anderen Worten, die Signalwelle 60 Eingangsklemmen angeschlossen ist, sowie durch wächst in bezug auf die Dimension Raum, wächst einen Pumpgenerator 2 mit der Frequenz f_p, der an jedoch nicht in bezug auf die Dimension Zeit. Daher den gleichen Eingangsklemmen angeschlossen ist. zeichnet sich der Verstärker gemäß der Erfindung Eine unmittelbare Wechselwirkung zwischen diesen durch einen hohen Grad von Stabilität aus. beiden Generatoren kann in an sich bekannter Weise

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Wanderfeld- 65 dadurch verhindert werden, daß in Reihe mit jedem Röhrenverstärkern arbeitet der neue Verstärker ohne Generator ein Filter, ein Zirkulator, eine Pufferstufe, geheizte Kathode oder ohne den Transport von ein Richtungskoppler oder eine ähnliche Stufe einge-Ladungsträgern durch einen Halbleiter. Daher gibt schaltet ist, die hier der Einfachheit halber als Serienes hier auch keine Quellen für Schrotrauschen. Das widerstand 3 bzw. 4 dargestellt ist. Die Ausgangseinzige in das Signal im Verlauf der Verstärkung 70 klemmen dieser Leitungen sind über ein Filter 6, das

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die Signalfrequenz durchlassen und die Koppel- oder anderen Wellentypen, d. h. mit der transversalen elek-

Leerlauffrequenz sowie die Pumpfrequenz sperren traschen oder TE-Wellle und mit der transversalen

soll, mit einer Last 5 verbunden. magnetischen oder TM-Welle, betrieben. Die dazu

Wie durch die Pfeile angegeben, sollen entweder äquivalente Schaltung mit konzentrierten Schaltele-

die Querkapaziitätselemente oder die Serieninduktivii- 5 menten besteht aus Serienindufctivitäten und in den

täten verändert werden, oder es können, vorausgesetzt, Querzweigen liegenden Reihenresonanzkreisen, wäh-

daß auf diese Phasenbeziehungen Rücksicht ge- rend die letztgenannte Leitung in Reihe liegende

nommen wind, wie oben angegeben, auch beide Parallelresonanzkreise und Querkapazitäten aufweist.

Elemente gleichzeitig verändert werden. Außerdem Eine Analyse zeigt auch, daß die Erfindung in gleicher

werden diese Veränderungen hauptsächlich durch den to Weise auf diese abgewandelten Leitungen anwendbar

Pumpgenerator 2 gesteuert. Dies ist dann der Fall, ist und daß eine Signalwelle, die an einem Ende eines

wenn die Energie des Pumpgenerators 2 leistungs- Hohlleiters oder Wellenleiters eingespeist wird, der

mäßig größer ist als die des Signallgenerators 1. mit einem dieser anderen Wellentypen arbeitet, eben-

Fig. 2 zeigt eine ununterbrochene Hochfrequenz- so von einem Ende zum anderen Ende laufend auf übertragungsleitung, bei der der kapazitive Quer- 15 Kosten der Energie der Pumpwelle anwächst,
blindwiderstand verändert werden soll. Die Leitung Fig 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, besteht aus zwei flachen Metallstreifen 11 und 12, in der der induktive Blindwiderstand verändert zwischen denen ein flacher Streifen 13 aus einem werden soll. Die Übertragungsleitung besteht aus Material liegt, das eine veränderbare spannungsab- zwei ausgestreckten metallischen Leiterstreifen 15., 16, hängige Dielektrizitätskonstante aufweist, wie z. B. 20 zwischen denen ein dünner Streifen 17 eines Materials ferroelektrisches Material. An den Eingangsblemmen liegt, wie z. B. ein Manganferrit oder Yttrium-Eis ender Leitung sind der Signalgenerator 1 und der Granat mit hohem spezifischem Widerstand, der eine Steuergenerator 2, wie in Fig. 1, angeschlossen, und gyromagnetische Resonanz aufweist. Zusätzlich zu die Ausgangsklemmen der Leitung sind ebenso wie in den ferromagnetischen Eigenschaften 'dieser Materi-Eig. 1 über ein Filter 6 mit der Laet 5 verbunden. 25 alien sind diese auch noch dadurch gekennzeichnet, Ferner ist eine Batterie 8 vorgesehen, die in Reihe daß sie eine Dielektrizitätskonstante aufweisen, die mit den Generatoren 1 und 2 liegt, um «inen Gleich- wesentlich über der von Luft liegt, beispielsweise eine Spannungspotentialunterschied zwischen den beiden Dielektrizitätskonstante iin der Größenordnung von Leiternil und 12 der Bandleitung zu liefern, wo- 10. Ein Signalwellengenerator 1.mit der Frequenz f_t durch sich eine Vorspannung für das ferroelektrische 30 und ein Pumpwellengenerator 2 mit 'der Frequenz /„ Material ergibt, so daß die Leitung eine vorbestimmte sind wie vorher mit den Bingangsklemmen der mittlere, feste Kapazität je Längeneinheit aufweist, Leitung an einem Ende der beiden Metallstreifen 15 die bei einer Kapazitätsänderung nach oben und nach und 16 der Bandleitung angeschlossen, während eine unten überschritten wird. Last 5 an den Ausgangsklemmen an den anderen

Eine Analyse zeigt, daß die Verstärkung einer 35 Enden der Streifen über ein Filter 6 angeschlossen ist. Signalwelle dadurch erreicht werden kann, daß man Die Leitung erstreckt sich in Längsrichtung von die Signalwelle und eine Pumpwelle zusammen in ihren Eingangsklemmen nach ihren Ausgangseine Übertragungsleitung mit Querkapazdtäten ein- klemmen, und ihre kurze Abmessung erstreckt sich in speist, die, gesteuert durch die Pumpwelle, verändert einer Richtung senkrecht zu den Streifen und dem werden, genauer gesagt aber mit einer Kapazität, die 40 dazwischenliegenden ferromagnetischen Plättchen, sich mit dem an das kapazitive Element angelegten Die Zwischenabmessung oder Breite erstreckt sich Potential ändert, vorausgesetzt, daß ein Vorspan- seitlich über jeden Streifen. Um die obengenannten nungspotential angelegt ist, um negative Potentiale geometrischen Bedingungen für eine Wechselwirkung zu vermeiden, und außerdem vorausgesetzt, daß die zu erfüllen, kann die Leitung in einem Luftspalt 20 Frequenzänderungen der Pumpfrequenz die Frequenz- 45 zwischen den Polen 21 und 22 eines Magneten angeänderungen der Signalfrequenz leistungsmäßig über- ordnet sein, vorausgesetzt, daß in diesem Luftspalt decken. Eine ähnliche Analyse zeigt, daß dann, wenn ein magnetisches Gleichvorspannungsfeld H existiert, statt einer Kapazitätsveränderung in Abhängigkeit wobei die Breitseite der Leitung um 45° gegen die von einem Potential die Leitung Induktivitätselemente Richtung des Gleichf eldes H geneigt ist. Diese Anordenthält, die in Abhängigkeit von einem durch die 50 nung ist in Fig. 3 A gezeigt. Bei dieser Lage kann Elemente fließenden Strom verändert wenden, wie jedes der hochfrequenten magnetischen Felder h_v h₂ dies durch die Pfeile bei den Induktivitätselementen und h„, die der Signalquelle der Koppelwelle bzw. der der Fig. 1 angezeigt ist, sich ein ähnliches Resultat Pumpwelle zugeordnet sind, so angesehen werden, als ergibt. Eine noch etwas eingehendere Analyse zeigt ob sie aus zwei Komponenten bestehen, die im wesentaußerdem, vorausgesetzt, die Phasenbeziehungen 55 liehen gleich groß sind, wobei sich die eine dieser wenden richtig aufrechterhalten, daß ein noch Komponenten in der gleichen Richtung wie das Vorschnelleres Anwachsen der Signalwelle mit wachsen- Spannungsgleichfeld H erstreckt, während die andere dem Abstand erreicht werden kann, wenn die Kapa- Komponente sich jeweils in einer Richtung senkrecht zität und die Induktivität gleichzeitig geändert zu H erstreckt. Die für die Übertragung von Energie werden. Die erforderliche Phasenbeziehung besteht 60 von der Pumpwelle nach der Signalwelle und der darin, daß die Veränderungen der Reiheninduktivi- Koppelwelle erforderliche Wechselwirkung findet tätselemente mit entgegengesetzter Phasenlage erfolgt dann auf die folgende Weise statt: Aus der dritten wie die Änderungen der Querkapazitätselemente. geometrischen Bedingung ergibt sich, daß die Nutz-

Fig. 1 mit ihren Reiheninduktivitäten und Quer- komponente der Pumpwelle diejenige ist, die senkkapazitäten, die oben untersucht wunden, stellt das 65 recht auf dem Vorspannungsfeld H steht. Die aus konzentrierten Schaltelementen aufgebaute Äqui- Wechselwirkung mit dieser Komponente findet dann valent einer gewöhnlichen Übertragungsleitung dar, sowohl zwischen der Parallelkomponente der Signalfür die der einzige Wellentyp die transversale elektro- welle als auch mit der senkrechten Komponente der magnetische Welle oder die TEM-Welle ist. Wellen- Koppelwelle statt und außerdem zwischen der senkleiter oder Hohlleiter werden dagegen meist mit 70 rechten Komponente der Signalwelle und der Parallel-

ι υ»» υυ/ 9 10

komponente der Koppelwelle. Diese Doppelwirkung Wellenleiter arbeitet. Der Querschnitt des Stabes ist trägt viel dazu bei, den schlechten Wirkungsgrad dabei vorzugsweise elliptisch, und die Signalquelle 1 auszugleichen, der sich sonst daraus ergeben könnte, ist an entgegengesetzten Enden 'der kleinen Achse der daß die Parallelkomponente der Pumpwelle zu dieser Ellipse des Querschnittes des Ferritstabes 31 an desWechselwirkung nicht beiträgt. 5 sen eingangsseitigen Enden selbst angeschlossen, wäh-

Fig. 4 zeigt eine Anwendung der Erfindung auf rend der Pumpgenerator 2 allein mit .dem eingangseine koaxiale Übertragungsleitung, die einen Innen- seitigen Ende des Wendelleiters 30 verbunden ist. Die leiter 25, einen Außenleiter 26 und einen Raum 27 für sich bei dieser Konstruktion ergebenden magnetidas Feld zwischen diesen Leitern aufweist. Wie vor- sehen Felder sind in allen wesentlichen Punkten in her sind ein Signalgenerator 1 und ein Pumpgenera- io gleicher Weise ausgebildet wie die, die sich bei der tor 2 mit den Eingangsklemmen der Leitung verbun- Konstruktion nach Fig. 5 ergeben, und die Wechseiden, und eine Last 5 ist an den Ausgangsklemmen wirkung zwischen diesen Feldern kann wie vorher daiiber ein Filter 6 angeschlossen. Um eine Wechsel- durch sichergestellt werden, daß man die Leitung mit wirkung gemäß der Erfindung zu erzielen, wird ein ihrem Ferritkern 31 in einem Luftspalt 20 zwischen Stab 28 aus gyromagnetischem Material zwischen 15 den Polen 21 und 22 eines Magneten anbringt, wobei dem Innenleiter 25 und dem Außenleiter 26 ange- die Längsausidehnung und die Hauptsache der Ellipse bracht. Vorzugsweise kann eine Anzahl solcher Stäbe des Querschnittes um 45° gegen das magnetische verwendet werden, die ebenfalls vorzugsweise symnie- Gleichfeld H geneigt sind. Irgendeine erwünschte Betrisch zur Achse der Leitung angeordnet werden. ziehung zwischen den Phasengeschwindigkeiten der Eine Wechselwirkung zwischen den drei Wellen ge- 20 verschiedenen Wellen, beispielsweise gleiche Gemäß dem Prinzip der Erfindung kann dadurch sicher- schwindigkeit der Wellen, kann dadurch sichergestellt gestellt werden, daß diese Leitung in einem Luftspalt werden, daß die Steigung der Wendelleitung 30 entzwischen den Polen 21 und 22 eines Magneten ange- sprechend gewählt wird.

ordnet wird, der in seinem Luftspalt und daher auch Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der

in dem gyromagnetischen Material ein magnetisches 25 Konstruktion nach Fig. 6, bei der der wendeiförmige Gleichfeld erzeugt. Für beste Ergebnisse sollte die Leiter durch einen gewöhnlichen Rechteck-Hohlleiter Leitung so ausgerichtet sein, daß der gyromagnetische 35 ersetzt ist, in dessen Achse ein Stab 36 aus einem Körper in einer Ebene liegt, die durch den Innenleiter geeigneten Material, wie z. B. Ferrit, angeordnet ist 25 verläuft und um 45° gegen die Richtung des Vor- und sich von einem Ende zum anderen des Hohlleiters Spannungsfeldes H geneigt ist. Zwei oder vier solcher 30 35 erstreckt. Der Querschnitt des Ferritstabes 36 ist Körper lassen sich leicht in einer oder zwei solcher ohne Bedeutung. Eine Signalquelle 1 und eine Pump-Ebenen anbringen. quelle 2, die über Entkoppelelemente 3 und 4 zusam-

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, mengeschaltet sind, sind an den Mittelpunkten der bei der die aus zwei Leitern bestehenden Übertra- eingangsseitigen Enden der Längsseiten des Hohlgungsleitungen der vorher beschriebenen Ausfüh- 35 leiters 35 angeschlossen. Die Abmessungen des Hohlrungsformen durch einen wendeiförmigen Leiter 30 leiters sollten dabei derart sein, daß 'die untere Grenz- und einen Kern 31 aus einem Material mit ferro- frequenz des Bereiches unter der niedrigsten Fremagnetischer Resonanz ersetzt sind, welcher in der quenz liegt, die übertragen werden soll, was gewöhn-Achse der Wendel angeordnet ist. Der Kern kann lieh die Signalfrequenz ist. Der Ferritstab 36 dient kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt haben. Es 40 als Koppeleinrichtung zwischen den elektromagneist allgemein bekannt, daß, während eine solche Wen- tischen Feldern der verschiedenen Wanderwellen, so del für Frequenzen unterhalb einer bestimmten Grenz- daß diese beim Fortschreiten von den Eingangskiemfrequenz, die von der geometrischen Form der Wen- men des Hohlleiters nach dessen Ausgangsklemmen del abhängt, eine hohe Dispersion aufweist, die Energie aus der Pumpwelle entnehmen und der Si-Phasengeschwindigkeit einer längs dieser Wendel 45 gnalwelle und der Koppelwelle zuführen, die automalaufenden Welle oberhalb dieser Grenzfrequenz im tisch erzeugt wird. Ein Streifen aus gewöhnlichem wesentlichen von der Frequenz unabhängig ist. Daher dielektrischem Material 37 kann in dem Hohlleiter 35 kann eine Wendel, die oberhalb dieser Grenzfrequenz vorhanden sein, um die Phasengeschwindigkeit der betrieben wird, leicht jede erforderliche Beziehung Pumpwelle in eine erwünschte Beziehung, z. B. Gleichzwischen den Phasenkonstanten der verschiedenen 50 heit mit den Phasengeschwindigkeiten der Signal-Wellen befriedigen, d. h. die der Gleichung (2). Eine welle und der Koppel- oder Leerlauf welle, zu bringen. Wechselwirkung zwischen diesen Wellen kann da- Am Ende der Bahn werden die Wellen von den Ausdurch erreicht wenden, daß die Wendelleitung mit gangsklemmen abgenommen, die an den Mittelpunkihrem gyromagnetischen Kern im Luftspalt 20 zwi- ten der Breitseiten des Hohlleiters 35 angebracht sehen den Polen 21 und 22 eines Magneten angebracht 55 sind. Bei den so abgenommenen Wellen sind die Siwird, der ein magnetisches Gleichfeld innerhalb dieses gnalwelle und die Koppelwelle verstärkt, während die Luftspaltes liefert. Wegen der Ausbildung der Felder Energie der Pumpwelle verringert ist. Das gein einer wendeiförmigen Übertragungsleitung muß wünschte verstärkte Signal kann über ein Filter 6 der die Leitung im Luftspalt 20 des Vorspannungs- Last 5 zugeführt werden, wobei das Filter 6 so ausmagneten so angeordnet sein, daß die Längsausdeh- 60 gelegt ist, daß es die unerwünschten Koppel- und nung um 45° gegen die Richtung des Vorspannungs- Pumpwellen sperrt. Die Wechselwirkung zwischen feldes H geneigt ist. den verschiedenen Feldern innerhalb des Hohlleiters

Wie bereits bemerkt, kann die Dielektrizitätskon- wird, wie in Fig. 8 A gezeigt ist, dadurch erreicht, stante eines Materials mit ferromagnetischer Reso- daß die gesamte Konstruktion im Luftspalt 20 zwinanz, z. B. die eines Ferrites, in der Größenordnung 65 sehen den Polen 21 und 22 eines Magneten angebracht von 10 liegen. Daher kann ein Stab aus einem solchen ist, wobei die Längsabmessung des Verstärkers um Material auch als dielektrischer Wellenleiter arbeiten. 45° gegen die Richtung des magnetischen Gleichfel-Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der Konstruktion nach des H geneigt ist.

Fig. 5, die diese Eigenschaft in der Weise benutzt, Wie im Fall der Apparate nach Fig. 5 und 6 ist der

daß der axiale Ferritstab 31 sel'bst als dielektrischer 70 Ferritstab 36 der Fig. 7 normalerweise dadurch ge-

kennzeichnet, daß er ebenfalls eine Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 10 aufweist. Somit kann ein Stab aus einem solchen Material auch als dielektrischer Wellenleiter arbeiten. Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform »der Konstruktion nach Fig. 7, wobei der Ferritstab 36 in dieser Weise arbeitet. Zu diesem Zweck sollte der Ferritstab 36 vorzugsweise elliptischen Querschnitt aufweisen. Zur Erläuterung sei angenommen, daß der Ferritstab 36 dazu dient, die Signalwelle und die Koppelwelle zu übertragen, während der metallische Hohlleiter 35 nur die Pumpwelle zu übertragen hat. Der metallische Hohlleiter kann daher in seinen Abmessungen so gewählt sein, daß seine unterste Grenzfrequenz unterhalb der Pumpfrequenz liegt, jedoch nicht notwendigerweise unterhalb der anderen hier verwendeten Frequenzen. Daher ist der Signalgenerator 1 mit den oberen und unteren Enden der kleinen Achse der Ellipse des Querschnittes des Stabes 36 in der Nähe von dessen eingangsseitigen Enden verbunden, während der Pumpgenerator 2 wie vorher an den Mittelpunkten der längeren Seitenwände des Hohlleiters 35 angeschlossen ist. Wie vorher kann ein Streifen 37 eines gewöhnlichen dielektrischen Materials in dem Hohlleiter 35 enthalten sein, um optimale Phasenbeziehungen zwischen den Phasengeschwindigkeiten der verschiedenen Wellen sicherzustellen. Wie vorher wird die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Feldern, wie in Fig. 8 A gezeigt, dadurch sichergestellt, daß die gesamte Konstruktion in einem Luftspalt 20 zwischen den Polen 21 und 22 eines Magneten angebracht wird, wobei die Längsabmessung des Verstärkers und die Hauptachsen der Ellipse des Querschnittes des Stabes 36 beide um 45° gegen die Richtung des magnetischen Feldes H geneigt sind.

Ein Merkmal dieser Ausführungsformen der Erfindung, die gyromagnetisch.es Material für die Kopplung zwischen den verschiedenen Wellen verwenden, ist, daß durch geeignete Wahl der Abmessungen und Vorspannungen die Wellenübertragungseigenschaften des Körpers in an sich bekannter Weise nicht reziprok werden. Dies verhindert, daß Wellen etwa an der Last oder an dem Filter reflektiert werden, in rückwärtiger Richtung laufen und die vorwärts laufenden Wellen beeinflussen. Daher wird die Bedeutung einer Impedanzanpassung zwischen der Bahn der fortschreitenden Wellen und der Last vermindert.

Eine weitere Eigenschaft 'dieser Materialien besteht darin, daß sie Spin-Wellen über ein breites Frequenzband übertragen können. Daher kann ein parametrischer Wanderfeldverstärker in einer magnetostatischen Betriebsart betrieben werden, die mit der Arbeitsweise von Körpern aus solchen Materialien in der magnetostatischen Betriebsart eines parametrischen Verstärkers mit stehenden Wellen verwandt ist.

Der Mechanismus im Inneren des ferromagnetischen Körpers, auf Grund dessen dieser Körper die erforderliche Kopplung zwischen den Wellentypen bewirkt, wenn dieser magnetostatisch betrieben wird, besteht in bestimmten anomalen ferromagnetischen Resonanzerscheinungen, die in Materialien, wie z. B. in Ferriten, festgestellt wurden, sobald diese starken Hochfrequenzfeldern ausgesetzt werden. Über diese anomalen Erscheinungen ist bereits in der wissenschaftlichen Literatur berichtet worden. Diese Erscheinungen wurden in einem Aufsatz von H. Suhl diskutiert und als Augenblicke einer subharmonischen Resonanz erläutert. Dieser Artikel erschien in »Physical Review« am 15. Februar 1956, Bd. 101, auf S. 1437. Dieser Artikel stellt auch Vermutungen über den innerhalb des Ferrites stattfindenden Mechanismus an, der für eine solche subharmonische Resonanz verantwortlich ist und daher auch für die Kopplung, die der Ferrit zwischen Schwingungen eines Wellentyps mit einer Frequenz Z₁ (ader Z₂) und einer Pumpenergie mit einem anderen Wellentyp mit einer Frequenz 2/₀ liefert. Dieser innere Koppelmechanismus ist weiter eingehend mathematisch in einer Abhandlung von H. Suhl dargelegt, die in den »Proceedings IRE« im Oktober 1956, Bd. 44, auf S. 1270 veröffentlicht wurde.

Auf Grund dieser Darlegungen sind dem Fachmann ohne weiteres die verschiedensten möglichen Abwandlungen der hier zur Ausführung der Erfindung erläuterten Konstruktionen ohne weiteres klar. Um nur ein einziges Beispiel zu nennen, ist es in der Übertragungsleitungstechnik allgemein bekannt, daß man eine Impedanztransformation von hohem Strom und niedriger Spannung auf niedrigen Strom und hohe Spannung oder umgekehrt dadurch erreichen kann, daß man eine sich langsam verjüngende Übertragungsleitung verwendet. Es liegt selbstverständlich innerhalb des Bereiches der Erfindung, daß irgendeine der vorher besprochenen Übertragungsleitungen, ob sie nun mit konzentrierten Schaltelementen wie in Fig. 1 oder mit verteilten Induktivitäten und Kapazitäten wie in den Fig. 2 bis 7 ausgeführt sind, auch mit abnehmenden Querschnitten ausgeführt sein können, wodurch sich die erwünschte Impedanztransformation zusammen mit der weiter oben besprochenen Leitungsverstärkung ergibt. In der Praxis der vorliegenden Erfindung ist es im Zusammenhang mit dieser Verfeinerung wichtig, die Phasenkonstanten der drei Wellen so miteinander in Beziehung zu setzen oder zu korrelieren, daß die Forderungen der Gleichungen (2) und (3) für jeden Abstand Z längs der Übertragungsbahn erfüllt werden. Das stellt keine besondere Schwierigkeit dar, weil bei solch einer in ihren Abmessungen abnehmenden Leitung die Induktivität je Längeneinheit und die Kapazität je Längeneinheit sich im umgekehrten Verhältnis ändern, wodurch die Phasenkonstante β der Leitung unabhängig vom Abstand längs der Leitung bleibt.

Claims (11)

PaTENTANSPKÜCHE:

1. Parametrischer Wanderfeldverstärker nach Patentanmeldung W 23385 VIII a/21 a* mit einem ausgedehnten Wellenleiteraufbau, der so bemessen ist, daß mindestens drei Wanderwellen mit den Frequenzen f_v Z₂ und f_p und den Phasenkonstanten ß_v ß₂ und ß_p auftreten können, bei welchem am eingangsseitigen Ende des Wellenleiteraufbaus Energie mit der Frequenz Zp⁼Zi+/2 ^nm^ einem hohen Energiepegel eingespeist wind, bei welchem ferner Anschlüsse vorgesehen sind, um eine Signalwelle mit der Frequenz f_x am eingangsseitigen Ende einzuspeisen, so daß eine Koppeloder Leerlaufwelle mit der Frequenz Z₂=Zp-Z₁ erzeugt wird, und bei welchem außerdem die Signalwelle und die Leerlaufwelle von diesem Ende des Wellenleiteraufbaus nach dessen anderem Ende laufen und dabei fortschreitend in ,ihrer Amplitude zunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiteraufbau eine einzige Übertragungsleitung bildet, deren Bandbreite so groß ist, daß Wellen aller hier in Betracht kommenden Frequenzen übertragen werden können und daß durch entsprechende Abmessungen der Übertragungsleitung die Beziehung ß_p=ßi +/?2 befriedigt wind.

2. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung so ausgelegt ist, daß sich für alle drei Wanderwellen gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeiten ergeben.

3. Wanderfeldverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung aus einem Paar paralleler Leitungen (11, 12; 15, 16) gleicher Länge und einem gleich langen Körper (13; 17) aus dielektrischem Material mit veränderbarem Blindwiderstand besteht, der zwischen diesen beiden Leitungen liegt.

4. Wanderfeldverstärker nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitung einen ersten, außenliegenden hohlen Leiter (26) und einen zweiten, innenliegenden Leiter (25), der koaxial zu dem ersten Leiter angeordnet ist, und mindestens einen Körper (28) aus dielektrischem Material mit veränderbarem Blindwiderstand enthält, der innerhalb des äußeren Leiters liegt und sich längs des inneren Leiters (25) im wesentlichen von einem Ende zum anderen Ende der Übertragungsleitung erstreckt.

5. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektische Körper (13) aus ferroelektrischem Material besteht und daß ein gleichförmiges elektrisches Potential (8) zwischen den Leitern (11, 12) angelegt ist, um das ferroelektrische Material vorzuspannen.

6. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein gyromagnetisches Material (17) ist und daß durch magnetische Vorrichtungen (21, 22) zur Vorspannung ein magnetisches Gleichfeld an die Übertragungsleitung in einer Richtung senkrecht zur Längsausdehnung der Leitung und in einem Winkel von 45° zu einer Axialebene angelegt ist, die durch die beiden Leiter und den Körper verläuft.

7. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertra-

gungsleitung ein wendeiförmiger Leiter (30) ist und daß die Schaltmittel veränderbaren Blindwiderstandes aus einem Stab aus gyromagnetischem Material (31) bestehen, dessen Dielektrizitätskonstante wesentlich größer ist als 1, der innerhalb der Wendel angeordnet ist und der sich von einem Ende der Wendel zum anderen erstreckt.

8. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen einschließlich eines Magneten (21, 22) vorgesehen sind, die zur Vorspannung ein magnetisches Gleichfeld in einer Richtung anlegen, die im wesentlichen um 45° gegen die Achse des Stabes geneigt ist.

9. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 1, bei dem die Übertragungsleitung aus einem Höchstfrequenzwellenleiter besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (35) aus einem hohlen metallischen Zylinder von rechteckigem Querschnitt mit einem wesentlich von 1 abweichenden Verhältnis der Seitenabmessungen besteht und daß der veränderliche Blindwiderstand ein Stab (36) aus gyromagnetischem Material mit einer Dielektrizitätskonstante wesentlich größer als 1 ist, der innerhalb des Hohlleiters und in der Achse des Hohlleiters angeordnet ist und sich von einem Ende des Hohlleiters zum anderen erstreckt.

10. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen einschließlich eines Magneten (21, 22) zur magnetischen Vorspannung ein magnetisches Gleichfeld in einer Richtung senkrecht zur Achse des Hohlleiters (35) und im wesentlichen mit einer Neigung von 45° zu der Ebene einer Wand des Hohlleiters anlegen.

11. Wanderfeldverstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Stabes (36) elliptisch ist und daß der Stab sich mit der Hauptachse seines ellipsenförmigen Querschnittes parallel zu einer der längeren Seitenwände des Hohlleiterquerschnittes erstreckt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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