DE1189160B - In beiden Richtungen fuer Signale verschiedener Frequenzbereiche wirkender parametrischer Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

int. u.:

Deutsche Kl.: 21 a4-29/50

Nummer: 1189 160

Aktenzeichen: St 17041IX d/21 a4

Anmeldetag: 24. Oktober 1960

Auslegetag: 18. März 1965

Die Erfindung bezieht sich auf einen parametrischen Verstärker mit bilateraler Charakteristik, d. h. auf einen parametrischen Verstärker, der in beiden Richtungen für Signale verschiedener Frequenzbereiche wirkt.

Ziel der Erfindung ist es, einen solchen bilateralen parametrischen Verstärker mit einem niedrigen Störabstand und großer Bandbreite zu schaffen, der sich z. B. für die Anwendung in einem Zweiwege-Zeichen-Übertragungssystem, welches ein einziges Kabel benutzt, eignet.

Gemäß der Erfindung ist ein in beiden Richtungen für Signale verschiedener Frequenzbereiche wirkender parametrischer Verstärker mit zwei nichtlinearen Reaktanzelementen in der Weise ausgebildet, daß die Übertragungsleitungen an auf die mittlere Signalfrequenz abgestimmte Schwingkreise unsymmetrisch angekoppelt sind und beide Schwingkreise über die Reihenschaltung der Reaktanzelemente und einer in der Mitte an Masse gelegten Wicklung verbunden sind, an die sowohl die Pumpfrequenzquelle als auch ein auf die Summe der mittleren Signalfrequenz und der Pumpfrequenz abgestimmter Schwingkreis angekoppelt sind.

Als nichtlineare Reaktanzen finden zweckmäßigerweise Halbleiterelemente mit kapazitiver Reaktanz Verwendung. Die Reaktanzelemente können Dioden sein, deren Arbeitspunkte durch über die Eingangsschwingkreise zugeführte Ruheströme in den Sperrbereich gelegt sind.

Zweckmäßigerweise sind die Eingangsschwingkreise mittels Durchführungskondensatoren abgestimmt, und die Ruhestromquellen können mittels anderer Durchführungskondensatoren entkoppelt sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Zeichnungen. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild mit dem erfindungsgemäßen bilateralen parametrischen Verstärker,

Fig. 2 eine graphische Darstellung, welche die Veränderung der Kapazität der Reaktanz als Funktion der anliegenden Spannung darstellt.

Der bilaterale parametrische Verstärker 10 weist zwei im wesentlichen identische Kreise auf, die entgegengesetzte Enden einer mittelangezapften Koppelspule 12 speisen, deren Mittelanzapfung 13 geerdet ist. Der an das linke Ende der Koppelspule 12 angeschaltete Kreis weist eine veränderbare Reaktanz in Form einer Halbleiterdiode 14 auf, deren eine Klemme an das linke Ende der Koppelspule 12 und In beiden Richtungen für Signale verschiedener
Frequenzbereiche wirkender parametrischer
Verstärker

Anmelder:

Standard Kollsman Industries, Inc.,
Melrose Park, JIl. (V. St. A.)

ίο Vertreter:

Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:

George W. Reynolds, Corona Del Mar, Calif.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 23. Oktober 1959
(848 280)

deren anderes Ende über den Durchführungskondensator 20 an das obere Ende einer Induktivität 16 angeschlossen ist, deren unteres Ende über den Durchführungskondensator 21 mit einem Leiter 17 verbunden ist. Der Leiter 17 ist mit einer Klemme eines Milliamperemeters 18 verbunden, dessen andere Klemme mit der negativen Klemme einer zur Vorspannung dienenden Spannungsquelle 19 verbunden ist. Die positive Klemme der Spannungsquelle 19 ist geerdet.

Den Leitern 15 bzw. 17 sind Durchführungskondensatoren 20 bzw. 21 zugeordnet. Der Kondensator 21 ist dabei so bemessen, daß er für die Hochfrequenz eine Brücke bildet zwischen dem unteren Ende der Spule 16 und dem Erdpotential. Der Kondensator 20 ist beträchtlich kleiner als der Kondensator 21 und bildet zusammen mit der Induktivität 16 einen Schwingungskreis, der auf die Frequenz des zu verstärkenden Signals abgestimmt ist. Dieses Signal wird zwischen Abgriff 22 der Induktivität 16 und Erde zugeführt.

Das zu verstärkende Signal wird von dem Schwingungskreis 16, 20 über die Diode 14 und die Koppelspule 12 dem Übertragungskreis 23 zugeführt, der eine Induktivität 24 und einen Kondensator 25 aufweist. Der Übertragungskreis 23 ist auf eine Frequenz abgestimmt, welche die Summe der Signal-

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frequenz und der Frequenz des Oszillators 26 darstellt, dessen Energie über die Induktivität 27 und die Koppelspule 12 dem Übertragungskreis 23 zugeführt wird.

Der gemäß Fig. 1 mit dem rechten Ende der Koppelspule 12 verbundene Kreis entspricht im wesentlichen dem links an die Koppelspule 12 angeschalteten Kreis und weist ebenfalls eine veränderbare Reaktanz in Form einer Halbleiterdiode 30 auf. Eine Klemme der Diode 30 ist mit dem rechten Ende der Koppelspule 12 verbunden und die andere Klemme mit einem Leiter 31. Der Leiter 31 ist durch einen Durchführungskondensator 32 geführt und an einem Ende einer Induktivität 33 angeschlossen, deren anderes Ende über den Durchführungskondensator 34 mit einem Leiter 35 verbunden ist. Der Leiter 35 ist an eine Klemme eines Milliamperemeters

36 angeschlossen, dessen andere Klemme mit der positiven Klemme einer Spannungsquelle 37 verbunden ist Die negative Klemme der Spannungsquelle

37 ist geerdet.

Ebenso wie der Durchführungskondensator 21 ist auch der Kondensator 34 ein Hochfrequenzüberbrückungskondensator. Der Kondensator 32 bildet mit der Induktivität 33 einen Schwingungskreis 32, 33, der im wesentlichen auf die gleiche Frequenz' abgestimmt ist wie der Schwingungskreis 16, 20. Die Durchführungskondensatoren 20 und 32 dienen nicht nur als Abstimmelemente für die Eingangs- und Ausgangskreise, sondern sie wirken auch als Kurzschluß für die Oszillatorsignale. Für die in die Spule 12 eingekoppelten Oszillatorsignale bestehen demgemäß zwei Reihenkreise, welche durch die Dioden 14 bzw. 30 und die ihnen zugeordneten Durchführungskondensatoren 20 bzw. 32 gebildet werden.

Das Summenfrequenzsignal aus Oszillatorfrequenz und Signalfrequenz, das in dem abgestimmten Übertragungskreis 23 auftritt, wird über die Koppelspule 12 übertragen und tritt an der Diode 30 auf, wo es mit einem Signal gemischt wird, das von dem Oszillator 26 herrührt.

Das durch diese Mischung erzeugte Differenzfrequenzsignal tritt als verstärktes Eingangssignal auf und wird zwischen Abgriff 38 der Induktivität 33 und Erde abgenommen.

Die Dioden 14 und 30 sind insbesondere für parametrische Verstärker ausgebildet. Jede der Dioden hat eine derartige Charakteristik, daß sie sich bei Vorspannung in Gegenrichtung als Kondensator verhält, wobei der Kapazitätswert eine Funktion der an der Diode liegenden Spannung ist. Die Dioden sind ferner dadurch gekennzeichnet, daß sie einen niedrigen Streuwiderstand und einen verhältnismäßig kleinen Kapazitätswert bei Vorspannung in Durchlaßrichtung aufweisen.

Die Dioden 14 und 30 sind in Reihe geschaltet. Die Spannungen der Vorspannungsquellen 19 und 37 sind so eingestellt, daß die durch die Dioden 14 und 30 fließenden Ruhegleichströme in der Größenordnung von 5 bis 10 Mikroampere liegen. Bei dieser Größe des Gleichstromflusses arbeiten die Dioden 14, 30 im wesentlichen in der Mitte der in F i g. 2 dargestellten nichtlinearen Spannungs-Kapazitäts-Kurve. Die Kapazität der Dioden 14, 30 wird mit der Frequenz des von dem Oszillator 26 erzeugten Signals geändert. Es muß Vorsorge dafür getroffen werden, daß die Summe der Spannungen des Oszillators und des zu verstärkenden Signals bei den Dioden 14, 30 nicht dazu führt, daß diese in Vorwärtsrichtung leitend werden oder ein Zenerdurchbruch erfolgt.

Die Änderung der Diodenkapazität als Funktion der Spannung kann am besten unter Bezugnahme auf die graphische Darstellung der F i g. 2 erklärt werden. Die Vorspannungsquellen 19 und 37 sind so eingestellt, daß die durch die Dioden 14 und 30 fließenden Ruhegleichströme auf der Kurve B den Punkte als Arbeitspunkt bilden, um welchen sich der Kapazitätswert ändert. Die durch den Oszillator 26 erzeugte Signalspannung F bewirkt eine Änderung des Kapazitätswertes der Dioden 14 und 30 um einen Betrag Δ c und den Arbeitspunkt A als Mittelpunkt.

Aus der Schaltung 10 ist ersichtlich, daß eine im wesentlichen vollständige Symmetrie vorhanden ist. Experimentelle Ergebnisse zeigen, daß, wenn ein Signal zwischen der Klemme 22 und Erde angelegt wird, ein verstärktes Abbild dieses Signals zwischen Klemme 38 und Erde auftritt. Bekanntlich ist die Verstärkung einer derartigen Anordnung annähernd gleich dem Verhältnis von Summe der Oszillatorfrequenz plus der Signalfrequenz dividiert durch die Signalfrequenz.

Bei einem Versuch betrug die Signalfrequenz 85 MHz und die Oszillatorfrequenz 1000 MHz. Mit diesen Werten ergibt sich die theoretische Verstärkung am Kreis 23 von 1085 : 85. Dies gibt annähernd 13. Es ist jedoch ein bestimmter Anteil parametrischer Verstärkung dabei, so daß die Verstärkung an diesem Punkt tatsächlich größer als die berechnete Verstärkung ist. Die Aufgabe der Diode 30 bei einer Signalverstärkung von 22 nach 38 besteht in erster Linie darin, die Differenz zu bilden aus dem oberen Seitenband (gegeben durch die Summe aus Oszillatorfrequenz und Signalfrequenz) und der Oszillatorfrequenz. Der Teil der Schaltung rechts des Übertragungskreises 23 sollte eine Abschwächung der Signale bewirken, die annähernd gleich der Verstärkung ist, die in der Schaltung links von dem Übertragungskreis 23 auftritt. Die Tatsache, daß in der Gesamtschaltung dennoch eine Verstärkung auftritt, ist eine Folge davon, daß ein unteres Seitenband (d. i. Oszillatorfrequenz minus Signalfrequenz) vorhanden ist. Hierdurch wird eine parametrische Verstärkung bewirkt, und es tritt eine größere Verstärkung zwischen dem Eingang 22 und dem Übertragungskreis 23 auf, als theoretisch vorausberechnet wird. Die Gesamtverstärkung, die sich bei Messungen im Laboratorium für die beschriebene Gesamtschaltung ergab, lag in der Größenordnung von 2 entsprechend einer Spannungsverstärkung von annähernd 6 db.

Soweit es sich um kritische Frequenzen in dem bilateralen parametrischen Verstärker handelt, können die den beiden Eingangsklemmen 22 und 38 zugeführten Frequenzen nicht identisch sein. Der Abstand der beiden Frequenzen wird durch die Selektivität der Einrichtungen bestimmt, die an den beiden Ausgangsklemmen benutzt werden, um die Signale auszusondern. Wenn ein 83-MHz-Signal von 3 MHz Bandbreite der Klemme 22 zugeführt wird, erscheint dieses an der Klemme 38 in einer verstärkten Form, und wenn an der Klemme 38 ein Signal von 87 MHz vorhanden ist, erscheint an der Klemme 22 dieses Signal in verstärkter Form, und an jeder Klemme muß eine Einrichtung vorgesehen werden, welche eine genügende Selektivität aufweist, um die beiden Seitenbänder zu trennen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. In beiden Richtungen für Signale verschiedener Frequenzbereiche wirkender parametrischer Verstärker mit zwei nichtlinearen Reaktanzelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen (22, 38) an auf die mittlere Signalfrequenz abgestimmte Schwingkreise (16, 20 bzw. 33, 32) unsymmetrisch angekoppelt sind und beide Schwingkreise über die Reihenschaltung der Reaktanzelemente (14, 30) und einer in der Mitte an Masse gelegten Wicklung (12) verbunden sind, an die sowohl die Pumpfrequenzquelle (26) als auch ein auf die Summe der mittleren Signalfrequenz und der Pumpfrequenz abgestimmter Schwingkreis (23) angekoppelt sind.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtlineare Reaktanzen Halbleiterelemente mit kapazitiver Reaktanz verwendet sind.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanzelemente Dioden sind, deren Arbeitspunkte durch über die Eingangsschwingkreise zugeführte Ruheströme in den Sperrbereich gelegt sind.

4. Verstärker nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschwingkreise mittels Durchführungskondensatoren (20, 32) abgestimmt sind.

5. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruhestromquellen (19, 37) mittels Durchführungskondensatoren (21, 34) entkoppelt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Bell Lab. Record«, 10/1959, S. 373 bis 379.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen