DE1239369B - Anordnung zur parametrischen Wanderwellenverstaerkung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a4-29/50

Nummer: 1239 369

Aktenzeichen: S 78395IX d/21 a4

Anmeldetag: 8. März 1962

Auslegetag: 27. April 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur parametrischen Wanderwellenverstärkung, bestehend aus einem der Fortleitung der zu verstärkenden Signalenergie dienenden Wellenleiter, in dessen Innerem längs der Achse in äquidistanten Abständen aus Kapazitätsdioden gebildete Querkapazitäten vorgesehen sind.

Anordnungen dieser Art eignen sich insbesondere für die Verstärkung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen. Ihre Verstärkungs eigenschaften beruhen auf der Tatsache, daß eine von einer Wechselspannung geeigneter Frequenz, der sogenannten Pumpspannung, durchgesteuerte nichtlineare Reaktanz für die ihr gleichzeitig zugeführte Signalspannung unter bestimmten Voraussetzungen einen negativen Widerstand darstellt. Damit die Signalwelle verstärkt werden kann, muß die Anordnung für das an der nichtlinearen Reaktanz entstehende Mischprodukt mit der Differenzfrequenz aus der Frequenz der Pumpspannung und der Frequenz der Signalspannung eine Wirkkomponente aufweisen. Aus diesem Grunde besteht jeder parametrischer Verstärker aus drei Stromkreisen, nämlich dem Signalstromkreis, dem die Differenzfrequenz führenden Stromkreis und dem Pumpstromkreis.

Anordnungen, die abgestimmte Stromkreise verwenden, sind mehr oder weniger selektiv. Die Bandbreite läßt sich jedoch erheblich vergrößern, wenn zwei und mehr nichtlineare Reaktanzen hintereinander in einer nicht abgestimmten Ubertragungsleitung angeordnet werden und die Reaktanzmodulation der als Wanderwelle fortlaufenden Signalwelle dadurch erfolgt, daß die Reaktanzen mit der Pumpfrequenz in einer der jeweiligen Phasenlage der Signalwelle angepaßten Phase durchgesteuert werden.

Die Durchführung der parametrischen Wanderwellenverstärkung, wie sie beispielsweise aus der Zeitschrift »IRE Transactions«, Vol. MTT-8 1960, S. 351 bis 361, beschrieben ist, kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann die gegenseitige Entkopplung zwischen der Signal- und der Differenzfrequenzwelle einerseits und der Pumpspannungswelle andererseits dadurch herbeigeführt werden, daß letztere im gemeinsamen Wellenleiter in einem anderen Wellentyp fortschreitet. Eine andere Möglichkeit sieht für die Pumpspannungswelle einen eigenen Wellenleiter vor, der an geeigneten Stellen zur Kapazitätssteuerung mit dem die Signal- und die Differenzfrequenzwelle führenden Wellenleiter gekoppelt ist. Hierbei ist Voraussetzung, daß die Frequenz der Pumpspannungswelle in einen Sperrbereich des die Signal- und die Differenzfrequenzwelle führenden Anordnung zur parametrischen
Wanderwellenverstärkung

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr. Walter Heinlein, München

Wellenleiters fällt, da sonst die nötige Entkopplung nicht gewährleistet ist. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, die Kapazitätsdioden durch getrennt zugeführte Pumpspannungen gleicher Frequenz, aber unterschiedlicher, geeignet gewählter Phasezu steuern. Auch hier muß die Anordnung so bemessen sein, daß die Pumpfrequenz in einem Sperrbereich des die Signal- und die Differenzfrequenzwelle führenden Wellenleiters liegt.

Bei all den geschilderten Ausführungsformen parametrischer Wanderwellenverstärker muß die Frequenz der Signalspannung etwa gleich der halben Frequenz der Pumpspannung sein. Bei der verschiedene Wellentypen verwendenden Anordnung hat dies seinen Grund in der relativ großen Frequenzabhängigkeit der Phasenlaufzeit des dort verwendeten Wellenleitersystems. Bei den beiden anderen Anordnungen hingegen ist die Wahl der Frequenz der Pumpspannung insbesondere durch die Forderung eingeschränkt, daß sie in einem Sperrbereich des die Signal- und die Differenzfrequenzwelle führenden Wellenleiters liegen muß. Diese Tatsache bedeutet einen erheblichen Nachteil, weil dadurch auch die Differenzfrequenzschwingung in unmittelbarer Nähe der Signalspannung zu liegen kommt. Wie die Theorie der parametrischen Verstärker zeigt, lassen sich minimale Rauschzahlen nur dann erzielen, wenn die Differenzschwingung einen angemessenen Frequenzabstand von der Signalspannung aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei einem parametrischen Wanderwellenverstärker der einleitend beschriebenen Art auftretenden Schwierigkeiten mit einfachen Mitteln zu beseitigen.

Ausgehend von einer Anordnung zur parametrischen Wanderwellenverstärkung, bestehend aus einem der Fortleitung der zu verstärkenden Signalenergie dienenden Wellenleiter, in dessen Innerem längs der Achse in äquidistanten Abständen aus Kapazitäts-

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dioden gebildete Querkapazitäten vorgesehen sind, Pumpspannung P mit der Frequenz fp an ihren äuße-

von denen jede durch eine über je eine Leitung in ren Enden offene, ebenfalls λ s/4 lange Stichleitungen

der zur Erzielung einer Verstärkungswirkung erfor- L 2 vorgesehen.

deriichen Phasenlage zugeführte Pumpspannung Der Wellenleiter W wie auch die Stichleitungen

durchgesteuert wird, wird diese Aufgabe gemäß der 5 Ll, Ll, die Zuleitungen Z und die Stufentransfor-

Erfindung dadurch gelöst, daß die Frequenz der matoren T sind in Koaxialleitungstechnik ausgeführt.

Pumpspannung und die mittlere Frequenz der Signal- Der Wellenleiter W dient der Fortleitung sowohl der

spannung um einen Faktor unterschiedlich sind, der Signal- als auch der Differenzfrequenzwelle,

größer als zwei und geradzahlig ist, daß in den Si- Die Signalenergie S mit der Mittenfrequenz fs tritt

gnalwellenleiter an den Orten der Kapazitätsdioden io von links über den Stufentransformator T mit der

außer den Pumpspannungszuleitungen jeweils eine Stufenbreite λ s/4- in den Wellenleiter W ein und nach

die Pumpspannung für den Signalwellenleiter kurz- entsprechenderVerstärkungandenvonderPumpspan-

schließende Stichleitung einmündet und daß in jede nung P durchgesteuerten Kapazitätsdioden K als ver-

Pumpspannungszuleitung unmittelbar vor ihrer Ein- stärkte Signalenergie S' zusammen mit der Energie D

mündung in den Signalwellenleiter eine die Signal- 15 des Differenzfrequenzbandes (Mittenfrequenz fet) über

spannung und die Differenzfrequenzspannung für den an diesem Ende des Wellenleiters W vorgesehe-

diese Zuleitung kurzschließende Stichleitung ein- nen Stufentransformator T aus. Die Phasenlage der

mündet. über die Zuleitungen Z jeweils zugeführten Pump-

Die erfindungsgemäße Verwendung von Stichleitun- spannung P ist so gewählt, daß ihr gegenseitiger gen ermöglicht eine Entkopplung der Pumpspannung ao Phasenunterschied der Phasendrehung, die die sich von dem die Signal- und die Differenzfrequenzwelle im Wellenleiter ausbreitende Signalwelle jeweils zwiführenden Wellenleiter, so daß die Frequenz der sehen den Kapazitätsdioden erfährt, angepaßt ist.
Pumpspannung nicht mehr in einem Sperrbereich Die Frequenz fp der Pumpspannung P, die vordieses Wellenleiters zu liegen braucht. Die Wahl der zugsweise wesentlich höher gewählt ist als die dop-Pumpfrequenz ist also bei der erfindungsgemäßen 35 pelte mittlere Frequenz fs des Signalbandes, steht zu Anordnung nicht mehr durch die vorerwähnte For- fs in einem geradzahligen Verhältnis. Dadurch ist derung eingeschränkt, und diese Frequenz kann des- gewährleistet, daß die Stichleitungen L1 sowohl für halb in vorteilhafter Weise wesentlich höher sein als die Signalwelle als auch für die durch Mischung der die zweifache Frequenz der Signalspannung. Das Signalwelle und der Pumpwelle an den Kapazitäts-Verhältnis der Frequenz der Pumpspannung zur 30 dioden K entstehende Differenzfrequenzwelle mit der mittleren Frequenz der Signalspannung muß dabei Mittenfrequenz fd nach der Beziehung
stets geradzahlig sein. Nur unter dieser Vorausset-

zung ist nämlich gewährleistet, daß sich die Stichlei- H = fp — fs

tungen hinsichtlich der Signal- und der Differenzfre- hochohmig sind, während sie für die Pumpspan-

quenzwelle gleich verhalten. 35 nung P einen Kurzschluß darstellen. Entsprechend

Gleiche Phasenlaufzeiten für Signal- und Diffe- bewirken die Stichleitungen L 2 für fs und fg einen

renzfrequenzwellen lassen sich mit der erfindungs- Kurzschluß, während sie für fp hochohmig sind. Da

gemäßen Anordnung in einfacher Weise dadurch das Verhältnis der Frequenz der Pumpspannung zur

erreichen, daß den Kapazitätsdioden im Wellenleiter mittleren Frequenz der Signalspannung

aus Stichleitungen gebildete Reaktanzen parallel ge- 40

schaltet sind, die sowohl im Signalfrequenzband als >Pl>^{s =} S
auch im Differenzfrequenzband induktive Wider- beträgt, wobei g eine gerade Zahl ist, ergibt sich zustände darstellen und derart bemessen sind, daß die sammen mit der vorher angegebenen Beziehung für mittlere Kapazität der Kapazitätsdioden bei der die mittlere Frequenz fd des Differenzfrequenzbandes Bandmitte sowohl des Signal- als auch des Diffe- 45 die weitere Beziehung
renzfrequenzbandes wenigstens annähernd kompen- ,,,,
siertist HIfS = B-I.

Da das Verhältnis der Frequenz der Pumpspan- Das Verhältnis der mittleren Differenzfrequenz zur

nung zur mittleren Frequenz der Signalspannung mittleren Signalfrequenz ist also eine ungerade Zahl,

eine gerade Zahl ist, kann der Wellenleiter an die 50 Aus diesem Grunde sind die Stufentransformatoren T

Einrichtungen auf der Sende- und auf der Empfangs- in gleicher Weise für das Signalband wie auch für

seite in außerordentlich vorteilhafter Weise über das Differenzfrequenzband geeignet. An Stelle eines

2/4-Stufentransformatoren angepaßt werden. 2s/4-Stufentransformators sieht die Differenzfre-

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten quenzwelle einen (g— 1) · Αώ/4-Stufentransformator

Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgen- 55 vor.

den näher erläutert. Um gleiche Phasenlaufzeiten für Signal- und Diffe-

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung ein renzfrequenzwelle im Wellenleiter zu erreichen, ist es Ausführungsbeispiel eines parametrischen Wander- zweckmäßig, den Kapazitätsdioden K Reaktanzen wellenverstärkers nach der Erfindung mit zwei Ka- parallel zu schalten, die in vorteilhafter Weise aus an

pazitätsdioden K. Die Anordnung besteht aus einem 60 ihren äußeren Enden kapazitiv belasteten Stichleitun-

Wellenleiter W, der zu beiden Seiten in einen gen bestehen. Diese weiteren Stichleitungen können As/4-StufentransformatorT ausmündet. In Höhe der beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene am WeI-

etwa im Abstand eines Viertels der mittleren Signal- lenleiter W angeordnet werden. Sie sind vorzugswellenlängeis voneinander im Wellenleiter W ange- weise so zu bemessen, daß sie einen induktiven Wi-

ordneten Kapazitätsdioden K ist jeweils eine an 65 derstand von solcher Größe abgeben, daß die mittlere ihrem äußeren Ende kurzgeschlossene Stichleitung Kapazität der Kapazitätsdioden bei der Bandmitte

Ll von der Länge λ s/4 vorgesehen. In gleicher Weise sowohl des Signal- als auch des Differenzfreqenzsind an den Einmündungen der Zuleitungen Z für die bandes wenigstens annähernd kompensiert ist. Hier-

Claims (4)

durch ergibt sich für die genannten Frequenzbänder auch ein besonders günstiger Wellenwiderstandsverlust. Patentansprüche:

1. Anordnung zur parametrischer! Wanderwellenverstärkung, bestehend aus einem der Fortleitung der zu verstärkenden Signalenergie dienenden Wellenleiter, in dessen Innerem längs der Achse in äquidistanten Abständen aus Kapazitätsdioden gebildete Querkapazitäten vorgesehen sind, von denen jede durch eine über je eine Leitung in der zur Erzielung einer Verstärkungswirkung erforderlichen Phasenlage zugeführte Pumpspannung durchgesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Pumpspannung und die mittlere Frequenz der Signalspannung um einen Faktor unterschiedlich sind, der größer als zwei und geradzahlig ist, daß in den Signalwellenleiter an den Orten der Kapazitätsdioden außer den Pumpspannungszuleitungen jeweils eine die Pumpspannung für den Signalwellenleiter kurzschließende Stichleitung einmündet und daß in jede Pumpspannungszuleitung unmittelbar vor ihrer Einmündung in den Signalwellenleiter eine die Signalspannung und die DiSerenzfrequenzspannung für diese Zuleitung kurzschließende Stichleitung einmündet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Kapazitätsdioden aus weiteren Stichleitungen gebildete Reaktanzen parallel geschaltet sind, die sowohl im Signalfrequenzband als auch im Differenzfrequenzband induktive Widerstände darstellen und hinsichtlich ihrer Größe für annähernd gleiche Phasenlaufzeiten von Signal- und Differenzfrequenzwellen im Signalwellenleiter bemessen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanzen darstellenden Stichleitungen an ihrem äußeren Ende kapazitiv belastet sind und einen solchen induktiven Widerstand abgeben, daß die mittlere Kapazität der Kapazitätsdioden bei der Bandmitte sowohl des Signal- als auch des Differenzfrequenzbandes wenigstens annähernd kompensiert ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter an die Einrichtungen auf der Sende- und der Empfangsseite über λ/4-Stufentransformatoren angepaßt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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