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Reaktanzverstärker mit einer nichtlinearen Induktivität Die Erfindung
bezieht sich auf einen Reaktanzverstärker, bei dem einer nichtlinearen Induktivität
aus dünnen Schichten von magnetisierbarem Material, insbesondere einer Legierung
von 79 % Nickel und etwa 21% Eisen, außer einer insbesondere im Bereich der Ultrakurz-
und der noch kürzeren Wellen gelegenen Signalfrequenzenergie noch die Energie eines
Pumposzillators zugeführt wird.
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Unter einem Reaktanzverstärker wird bekanntlich ein Verstärker verstanden,
bei dem eine nichtlineare Reaktanz in einen Signalstromkreis eingefügt wird und
diese nichtlineare Reaktanz im Wert einer vorzugsweise höhenfrequenten Pumpfrequenz
im Impedanzwert variiert wird. Für die Erzielung einer Verstärkung ist es dabei
erforderlich, für die sogenannte Idlingfrequenzenergie, das ist die Energie von
Differenzfrequenz aus Pumpfrequenz und Signalfrequenz, einen bestimmten Wirkwiderstand
in der Schaltung vorzusehen. Es tritt dann eine Entdämpfung im Signalfrequenzeingang
auf, so daß man von einem negativen Widerstand sprechen kann. Ähnliche Verhältnisse
ergeben sich auch, wenn derartige parametrische Verstärker als Frequenzumsetzer
zur Frequenztransponierung der Signalfrequenz in einen höheren oder tieferen Frequenzbereich
- bezogen auf die Signalfrequenz - verwendet werden. Gegebenenfalls kann man durch
Hinzufügen eines Wirkwiderstandes für die Summenfrequenz aus Signalfrequenz und
Pumpfrequenz noch die Bandbreite, innerhalb der eine bestimmte Verstärkung erzielbar
ist, erhöhen.
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Als nichtlineare Reaktanz werden für derartige Verstärker meist Kapazitätsdioden
verwendet, deren Sperrschichtkapazität in einem hinreichend großen Bereich durch
eine Pumpfrequenzspannung veränderbar ist. Abgesehen davon, daß es relativ schwierig
ist, derartige Dioden genügend verlustarm zu gestalten, ist bei derartigen Verstärkern
insofern eine Schwierigkeit vorhanden, als mit den derzeit verfügbaren Kapazitätsdioden
gewisse Ausgangsleistungswerte praktisch nicht überschritten werden können. Eine
derartige Beschränkung vor allem hinsichtlich der Ausgangsleistung des parametrischen
Verstärkers ist dann nicht vorhanden, wenn, wie an sich bekannt, für den parametrischen
Verstärker eine nichtlineare Induktivität zur Anwendung kommt. Für niedrige Frequenzen
sind hierfür beispielsweise übertragen mit Eisenkern verwendbar, und für höhere
Frequenzen ist die Verwendung einer dünnen Schicht aus magnetisierbarem Material
bekannt. Nachteilig an diesen bekannten Reaktanzverstärkern mit nichtlinearen Induktivitäten
ist jedoch, daß eine obere Frequenzgrenze existiert, oberhalb deren der Wirkungsgrad
des Verstärkers, bezogen auf die zugeführte Pumpenergie, sehr rasch abnimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese derzeit im Frequenzbereich
von einigen 100 MHz gelegene Frequenzgrenze zu überwinden und einen parametrischen
Verstärker zu realisieren, der auch im Bereich von Signalfrequenzen, die oberhalb
1 GHz liegen, noch zufriedenstellend, also mit brauchbarem Wirkungsgrad, bezogen
auf die zugeführte Pumpenergie, arbeitet.
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Es ist an sich bereits vorgeschlagen worden, den Wirkungsgrad bei
für derartige Zwecke bestimmten nichtlinearen Induktivitäten dadurch zu erhöhen,
daß mehrere dünne Schichten aus magnetisierbarem Material unter Zwischenlage von
nicht magnetisierbaren Schichten aufeinandergefügt werden und durch Zwischenfügung
von leitenden Schichten eine besondere räumliche Ausgestaltung in der Weise erhalten
wird, daß eine Erhöhung des Füllfaktors in den zur Anwendung kommenden Magnetisierungsvorrichtungen
für die dünnen Schichten erzielt wird. Mit diesen Anordnungen wird der Wirkungsgrad
nenenswert gesteigert. Diese Einrichtung erfordert jedoch durch die besondere Spulenbildung
eine vom üblichen wesentlich abweichende Ausbildung der Vormagnetisierungsvorrichtungen.
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Erfindungsgemäß wird, ausgehend von einem Reaktanzverstärker, bei
dem einer nichtlinearen Induktivität aus dünnen Schichten von magnetisierbarem Material,
insbesondere einer Legierung von 79',1/a Nickel und etwa 21'0/m Eisen, außer einer
insbesondere im Bereich der Ultrakurzwellen und der noch kürzeren Wellen gelegenen
Signalfrequenzenergie noch die Energie eines Pumposzillators zugeführt wird, die
vorstehend erwähnte Aufgabe in der Weise gelöst, daß die nichtlineare Induktivität
aus
einem plattenförmigen Körper von mehreren extrem dünnen Schichten des magnetisierbaren
Materials besteht, die gegeneinander durch vorzugsweise ebenfalls extrem dünne Isolierschichten
getrennt sind und die außer, von den magnetischen Wechselfeldern der Magnetisierungsvorrichtungen
für die Signalenergie und die Pumpenergie von einem im Vergleich zu den Frequenzen
der Signalenergie bzw. Pumpenergie praktisch statischen Magnetfeld vormagnetisiert
sind, dessen Feldrichtung in der durch die einzelnen parallelen Schichten aus magnetisierbarem
Material bestimmten Ebene liegt.
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Es ist damit möglich, die üblichen Magnetisierungsvorrichtungen zur
Anwendung zu bringen. Beispielsweise bestehen diese für die praktisch statische
Vormagnetisierung entweder aus einem Helmholtz-Spulenpaar und für das Magnetfeld
bei der Signalfrequenz und der Pumpfrequenz aus sich kreuzenden, feldmäßig gegenseitig
entkoppelten Bandleitungen, die im überkreuzungsbereich den plattenförmigen Körper
aus magnetisierbarem Material einschließen. Der Anschluß der Pumpenergiequelle,
der Signalenergiequelle und des Widerstandes für die Differenzfrequenz (Idlingfrequenz)
kann demzufolge wie für derartige Ausführungen üblich erfolgen. Auch ist es möglich,
einen Zirkulator (Richtungsgabel) in die Signalzuführungsleitung einzuschalten,
um in an sich bekannter Weise die dem Verstärker zugeführte Energie von der vom
Verstärker abgegebenen Energie leitungsmäßig zu trennen.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
für den plattenförmigen Körper aus magnetisierbarem Material näher erläutert. In
der Zeichnung ist hierzu auf einem dünnen Träger 1 aus dielektrischem Material,
beispielsweise aus Glas, der plattenförmige Körper in Form von beispielsweise drei
extrem dünnen Schichten 2, 3, 4 aus magnetisierbarem Material und zwei isolierenden
Zwischenschichten 5, 6, die aus nichtleitendem und nicht magnetisierbarem
Material bestehen, dargestellt. Die Stärke der drei magnetisierbaren Schichten 2,
3, 4 liegt jeweils in der Größenordnung von 100 A. Die Stärke der isolierenden
Zwischenschichten 5, 6 kann in der gleichen Größenordnung oder auch etwas stärker
gewählt werden. Es ist hierbei vor allem an eine Isolierschichtdicke zwischen etwa
100 und 1000 A gedacht. Der Träger hat eine Stärke in der Größenordnung von z. B.
0,1 mm. Die Aufbringung kann mittels an sich für derartige Zwecke bekannter Verfahren
erfolgen, vor allem also durch Aufdampfung im Vakuum. Die einzelnen Schichten bilden
zusammen einen in sich festen Körper.
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An Stelle von zwei oder drei Schichten aus magnetisierbarem Material
können in dem plattenförmigen Körper auch mehrere solche Schichten vorgesehen werden,
wodurch sich die Menge des magnetisierbaren Materials bei vorgegebenen Flächenabmessungen
der einzelnen Schichten erhöhen läßt. Das ist vor allem deshalb von Bedeutung, weil
der Induktivitätshub, der durch die Pumpfrequenzenergie erreichbar ist, von der
Menge des magnetisierbaren Materials abhängt und beim erfindungsgemäßen Körper größere
Mengen zulässig sind als bei den bekannten Anordnungen, wenn beispielsweise eine
bestimmte Frequenz und die hierbei erreichbare Minderung der Verluste als Vergleichsbasis
zugrunde gelegt werden.
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Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben,
scheint ein Zusammenhang zwischen der Spindämpfungskonstante der dünnen Schicht
aus magnetisierbarem Material und der für einen geforderten Induktivitätshub erforderlichen
Pumpleistung zu bestehen. So zeigt es sich, daß die für den Betrieb eines parametrischen
Verstärkers mit dünner magnetischer Schicht erforderliche Pumpleistung mit dem Quadrat
der Spindämpfungskonstante zunimmt und daß es durch die Verwendung mehrerer gegenseitig
elektrisch isolierter extrem dünner Schichten aus dem magnetisierbarem Material
in überraschend einfacher Weise möglich ist, die für eine bestimmte Ausgangsleistung
des Verstärkers aufzubringende Pumpleistung um einen ganz beträchtlichen Wert gegenüber
den sonst erforderlichen Pumpleistungen herabzusetzen. Besonders tritt dies dan
in Erscheinung, wenn als magnetisierbares Material eine Legierung aus etwa 79% Nickel
und etwa 21% Eisen verwendet wird, in welchem Fall der Absolutwert der Reduzierung
der erforderlichen Pumpleistung für einen bestimmten Wert an Ausgangsleistung besonders
hoch ist.