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Frequenzvervielfacher, insbesondere zur Erzeugung sehr kurzer elektromagnetischer
Wellen Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzvervielfacher, insbesondere
zur Erzeugung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, bei dem einer nichtlinearen
Reaktanz die in der Frequenz zu vervielfachende, vorzugsweise hochfrequenzkonstante
Hochfrequenzspannung zugeführt und aus dem die Reaktanz enthaltenden Stromkreis
die in der Frequenz vervielfachte Hochfrequenzspannung entnommen wird.
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Die Vervielfachung einer Frequenz an einer nichtlinearen Reaktanz
beruht, ebenso wie die Frequenzvervielfachung in Elektronenröhren, darauf, daß durch
die Nichtlinearität der übertragungseigenschaften der Reaktanz Energieanteile entstehen,
deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenzen sind. Als nichtlineare
Reaktanzen kommen z. B. Induktivitäten in Frage. Für den vorliegenden Zweck ist
jedoch vor allem an nichtlineare Kapazitäten gedacht, wie sie beispielsweise in
Form der Sperrschichtkapazität einer Kristalldiode zur Verfügung stehen. An Frequenzvervielfachern
dieser Art ist es nachteilig, daß die erzielte Ausgangsleistung mit der Frequenz
der gewünschten Harmonischen nur ein kleiner Bruchteil der Leistung ist, die bei
der Grundfrequenz aufgewendet wird. Der Wirkungsgrad der gesamten Anordnung ist
also relativ gering, auch wenn für die Zwecke der Vervielfachung besonders günstige
Kennlinien der nichtlinearen Reaktanz vorliegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis der Energie
mit der gewünschten harmonischen Frequenz zu der Energie mit der Grundfrequenz günstiger
zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Frequenzvervielfacher, insbesondere
zur Erzeugung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, bei dem einer nichtlinearen
Reaktanz die in der Frequenz zu vervielfachende, vorzugsweise hochfrequenzkonstante
Hochfrequenzspannung zugeführt und aus dem die Reaktanz enthaltenden Stromkreis
die in der Frequenz vervielfachte Hochfrequenzspannung entnommen wird, gemäß der
Erfindung in der Weise gelöst, daß zusätzlich ein Oszillator auf einer höheren Frequenz
als der der gewünschten Harmonischen vorgesehen ist, der Energie in den Stromkreis
der nichtlinearen Reaktanz einspeist, und daß dieser Stromkreis weiterhin durch
Einfügung eines Idler-Kreises zu einem parametrischen Verstärker für die Hochfrequenzspannung
der gewünschten Harmonischen ergänzt ist. Parametrische Verstärker sind an sich
bekannt, z. B. durch die Zeitschrift »Proceedings of the IRE«, Vol. 46, Mai 1958,
S. 850, so daß es sich erübrigt, die Ausdrücke »Idler-Kreis« und »parametrischer
Verstärker« näher zu erläutern.
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Zweckmäßig wird die Frequenz des zusätzlichen Oszillators gemäß der
Ungleichung f o t (n -h m) - f , mit m = 0, 1,
2, 3 ...
gewählt, worin f1 die Frequenz der Hochfrequenzspannung ist, aus
der die gewünschte n-te Harmonische gewonnen wird.
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Weiterhin empfiehlt es sich, die Frequenz des zusätzlichen Oszillators
etwa in der Frequenzmitte zwischen den Frequenzen zweier benachbarter Harmonischer
von f1 liegend zu wählen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird erreicht, daß durch Vermittlung
des Idler-Kreises Hochfrequenzenergie des zusätzlichen Oszillators in den Ausgangskreis
für die Harmonische n - f1 übergeht, wobei deren Frequenzkonstanz ausschließlich
durch die Grundfrequenz f1 bestimmt ist. Diese kann aber mit relativ geringer Leistung
zugeführt werden, weil der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung wesentlich gegenüber
den übrigen Anordnungen erhöht ist, und läßt sich deshalb auch besonders leicht
stabilisieren, beispielsweise durch Ableitung von einem elektromechanischen Schwinger,
wie einem piezoelektrischen Quarz oder durch Frequenzvergleich mit einer in der
Frequenz hochkonstanten Schwingung. Für die Schwingung des zusätzlichen Oszillators
genügt meistens eine Konstanz in der Größenordnung von (10-l - f,)/(n + m
+ 1/2), wenn die Oszillatorfrequenz, wie oben angegeben, in der Frequenzmitte
zweier Harmonischer gewählt ist.
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Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die
Zeichnung zeigt einen Frequenzvervielfacher, dem die Hochfrequenzenergie mit der
Grundfrequenz f1, z. B. von 100 MHz, über eine untersetzte Ankopplung 1 zugeführt
wird. Die untersetzte Ankopplung besteht aus einem Parallelresonanzkreis mit der
Spule 2 und der als Resonanzdrossel für die Mikrowellen ausgebildeten Kapazität
3. Dieser Parallelresonanzkreis ist auf die Frequenz f 1 abgestimmt, und zwar unter
Berücksichtigung auch der aus der weiteren Schaltung sich ergebenden Blindkomponenten,
vor allem der Diode 4, die für f1 wegen des für diese Frequenz praktisch einen Kurzschluß
bildenden Koppelorgans 5 parallel zu dem Parallelresonanzkreis liegt. Das Koppelorgan
5 ist in dem zylindrischen Hohlraumresonator 6 wirksam, der auf zwei bestimmten
Frequenzen resonant ist, nämlich der Frequenz n f l der gewünschten Harmonischen,
z. B. 4000 MHz, und der Frequenz fi, auf die der Idler-Kreis des parametrischen
Verstärkers abgestimmt werden soll.
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Das beim Ausführungsbeispiel vorzugsweise als Schleife ausgebildete
Koppelorgan 5 ist derart bemessen und im Resonator 6 angeordnet, daß es für beide
Frequenzen (n - f1; fi) voll wirksam ist. Der Resonator ist ein Zweimoderesonator,
dessen eine Resonanz für die Eorö Schwingungsart und dessen andere Resonanz für
die Hlli Schwingungsart gegeben ist. Weiterhin ist der Resonator 6 mit einer Auskoppelvorrichtung
7, ebenfalls vorzugsweise einer Koppelschleife, versehen, die nur für die eine der
beiden Schwingungsarten wirksam ist.
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Die Energie des zusätzlichen Oszillators, der auch als Pumpgenerator
bezeichnet wird und der z. B. auf einer Frequenz fo von 7750 MHz schwingt, wird
über die Hohlleitung 8 dem Diodenstromkreis zugeführt. Die Hohlleitung umfaßt hierzu
die als Innenleiter einer Koaxialleitung wirksame Zuführung zur Diode 4. Der Abstand
der Diode 4 von dieser Einkopplung und von dem Koppelorgan 5 sowie die Wellenwiderstände
dieser beiden Leitungsabschnitte sind derart gewählt, daß ein Maximum an Pumpenergie
in der Diode 4 umgesetezt wird und daß für die Frequenz n - f l Leistungsanpassung
gegeben ist und für die Idler-Frequenz fi = (fo-n - f1) (unter Zugrundelegung
der vorbezeichneten Zahlenbeispiele ist f i = 3750 MHz) der geforderte Verlustwirkleitwert
in den Diodenkreis transformiert wird. Der Resonator kann hierfür nämlich aus zwei
Resonanzkreisen bestehend aufgefaßt werden, von denen der eine zur Auskopplung von
n - f l und der andere als Idler-Kreis dient. Wie bereits erwähnt, koppelt
das Organ 5 auf beide Kreise, während das Organ 7 nur auf einen derselben koppelt.
Wird für die Resonanz bei n - f1 die Ei. -Schwingungsart benutzt, so bildet die
Resonanz bei der Hlll-Schwingungsart den Idler-Kreis. Das Organ 7 ist dann gegen
die Hlli Schwingungsart zu entkoppeln, beispielsweise bei Schleifenausbildung des
Organs durch eine 90°-Versetzung gegenüber dem Organ 5 unter Kopplung mit der zirkularen
Komponente Hl, des magnetischen Wechselfeldes der Eolö Schwingungsart, wobei Hp
für die H"j-Schwingungsart an dieser Stelle Null ist. Entsprechende Verhältnisse
ergeben sich, wenn für n - f1 die HM Schwingungsart ausgenutzt wird, wobei eine
90°-Drehung der Schleife 7 anzuwenden ist. Zur Vermeidung eines unerwünschten Abfließens
von Energie der Frequenzen (n - f l) und (f o - n -
f l)
in Richtung zum Pumpgenerator ist die Hohlleitung 8 als Hochpaß mit
einer oberhalb dieser Frequenzen gelegenen Grenzfrequenz ausgebildet. Beim Ausführungsbeispiel
ist die Idler-Frequenz fi = (f0-n - f1) gewählt. Als Idler-Frequenz
kann aber auch fi = (2 - f"-n - f1) gewählt werden.
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Durch Vermittlung des Idler-Kreises geht Energie des zusätzlichen
Oszillators in den Ausgangskreis für die Harmonische n f1, wodurch der Gesamtwirkungsgrad
wesentlich erhöht wird, ohne daß die Frequenz des zusätzlichen Oszillators einer
hohen Frequenzkonstanz bedarf. Die Frequenzkonstanz von n - f 1 ist praktisch ausschließlich
durch die Frequenz f 1 bestimmt, die mit relativ geringer Leistung zugeführt werden
kann, wobei zusätzlich auch sehr hohe Vervielfachungsfaktoren in dem Frequenzvervielfacher
Anwendung finden können, beispielsweise ein Vervielfachungsfaktor von 50 und darüber.
Hinsichtlich der Art der zur Anwendung kommenden nichtlinearen Reaktanz gelten im
wesentlichen die gleichen Überlegungen, wie bei parametrischen Verstärkern, d. h.
bis in das Zentimeterwellengebiet hinein empfehlen sich nichtlineare Kapazitäten,
wie die Sperrschichtkapazität einer Kristalldiode, während vor allem bei hohen Leistungen
und im Gebiet der Millimeterwellen derzeit nichtlineare Induktivitäten manchmal
vorteilhaft sind.