DE1246829B - Parametrischer Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a4-29/50

Nummer: 1 246 829

Aktenzeichen: W 29962IX d/21 a4

Anmeldetag: 10. Mai 1961

Auslegetag: 10. August 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen parametrischen Verstärker mit einer aus ferromagnetischem Material bestehenden variablen Induktanz.

Mit dem zunehmenden Interesse und der zunehmenden Forschung auf dem Gebiet der Raum- und Satelliten-Nachrichtenverbindungen ist gleichzeitig ein Bedarf für verbesserte Verstärkerarten entstanden, die bei Mikrowellenfrequenzen äußerst geringes Rauschen und hohe Verstärkung aufweisen. Um diesen Bedarf zu befriedigen, sind Einrichtungen ent- ίο wickelt worden, die als parametrische Verstärker oder als Verstärker mit veränderbarer Reaktanz bekannt sind und die den obigen Forderungen mehr oder weniger gut genügen. Als veränderbare Reaktanzen werden meist nichtlineare Kapazitäten oder Induktivitäten verwendet.

Bei mit kapazitiven Reaktanzen arbeitenden Verstärkern werden Halbleiterdioden (sogenannte Varaktoren) als veränderliche Kapazitäten benutzt. Diese Verstärker haben ausreichend gute Verstärkung sowie niedriges Rauschen und weisen zusätzlich den Vorteil auf, daß sie in bekannter Weise mit dem Ziel gekühlt werden können, die Rauschspannung weiter zu verringern. Auch bei Verstärkern mit Ferritmaterial als ferromagnetische, nichtlineare induktive Reaktanz läßt sich durch Abkühlung eine Verminderung der Rauschspannung erzielen, jedoch auf Kosten der Verstärkungseigenschaften, so daß je nach den gestellten Anforderungen eine Grenze besteht, bei der eine weitere Herabsetzung der Temperatur keinen Nutzen mehr bringt.

Dieser Mangel läßt sich erfindungsgemäß dadurch beheben, daß der Verstärker bei einer Temperatur betrieben wird, bei der sich das als variable Induktanz wirkende Material im Zustand der Supraleitfähigkeit befindet, und daß ein in diesem Zustand ferromagnetisches Material einer der nachstehend genannten Zusammensetzungen verwendet wird:

a) Legierungen aus CeRu₂ und GdRu₂ im Bereich von (Ce₀₉₀Gd_0-10)Ru₂bis(Ce_0>97Gd₀₀₃)Ru₂,

b) Legierungen aus YOs₂ und GdOs₂ im Bereich von (Y₀.₉₀ Gd₀₁₁₀)Os₂ bis (Y₀,₉₇Gd_0>03)Os₂ und

c) Legierungen aus ThRu₂ und GdRu₂ innerhalb eines schmalen, die Zusammensetzung +5 (Th_0-925Gd₀₀₇₅)Ru₂ umfassenden Bereichs.

Der Erfindung liegt daher der Gedanke zugrunde, eine Verstärkung bei supraleitenden Temperaturen — also eine höchst rauscharme Verstärkung — durch eine entsprechend gesteuerte Änderung der Magnetfeld-Eindringtiefe in den als Induktanz wirk-Parametrischer Verstärker

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

John Stone Cook, New Providence, N. Y.;

William Henry Louisell,

Summit, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 27. Juni 1960 (39 118) -■

samen Supraleiter zu erzeugen. Diese Eindringtiefe nimmt, wie gezeigt werden kann, mit zunehmender Magnetfeldstärke zu. Ferner ist die innere Induktivität des Supraleiters proportional zum Produkt aus dessen Permeabilität und der Magnetfeld-Eindringtiefe. Man erhält also durch entsprechende Magnetfeldänderungen die für den Verstärkungsmechanismus des parametrischen Verstärkers erforderliche Induktivitätsänderungen. Zur Erzielung einer möglichst hohen Verstärkung müssen diese Induktivitätsänderungen entsprechend groß sein. Diese Forderung ist bei den erfindungsgemäß für den Supraleiter zu verwendenden Materialien weitgehend erfüllt, die auch bei supraleitenden Temperaturen — im Gegensatz zu den bisher verwendeten Ferromagnetika — ferromagnetisch sind und eine hohe Permeabilität besitzen. Diese Materialien haben außerdem noch den Vorteil, daß bei ihnen die sogenannte kritische Magnetfeldstärke, oberhalb derer der Zustand der Supraleitung wieder verschwindet, sehr hoch liegt.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand dreier in den Zeichnungen dargestellter Ausführangsbeispiele näher beschrieben.

Der Verstärker 11 nach F i g. 1 weist einen koaxialen Hohlraumresonator 12 auf, der durch eine zylindrische Außenwand 13 und durch Endplatten 14 und 16 begrenzt ist. Die Teile 13,14 und 16 bestehen aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material. Der Mittelleiter 17 des Resonators ist aus supra-

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leitendem Material hergestellt, dessen Eigenschaften gungsformen verwendet werden, die zu beträchtspäter geschildert werden. Eine Gleichspannungs- liehen Verlusten an der Resonatoraußenwand fühquelle 18 ist mit den beiden Enden des Supraleiters ren, empfiehlt es sich, den gesamten Resonator aus 17 über Leiter 19 und 21 verbunden, so daß im supraleitendem Material herzustellen, um die VerSupraleiter 17 ein Gleichstrom fließt. Die Energie 5 luste an der Außenwand wie auch am Mittelleiter der Signalquelle 22 wird über den Zirkulator 23, die vollständig beseitigen zu können,
koaxiale Einführung 24 und die Sonde 26 in den Im vorangegangenen wurde gesagt, daß sich die Resonator eingekoppelt und erregt TEM-Schwin- Induktivität des Hohlraums mit der Pumpfrequenz gungen. Ein weiterer Anschluß des Zirkulators 23, verändert. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn der gegenüber dem Eingangsschluß entkoppelt ist, io ein Supraleiter einem elektromagnetischen Feld ausist mit dem Verbraucher 27 verbunden. Der Zirku- gesetzt wird, dringt das magnetische Feld in den lator ist in bekannter Weise ausgebildet. Supraleiter bis zu einer Tiefe λ ein. Es kann gezeigt

Eine Pumpenergiequelle 28 ist mit dem Innern werden, daß die Induktivität des Supraleiters selbst,

des Resonators 12 über eine koaxiale Einführung 29 die innere Induktivität L₁-, dem Produkt aus Permea-

und eine Schleife 31 gekoppelt. Sie liefert dem Reso- 15 bilität μ des Supraleiters und dieser Eindringtiefe 1

nator 12 Pumpenergie in Form resonant angeregter proportional ist; es gilt also

TEM-Pumpschwingungen. Vorzugsweise, jedoch L ~ A (D

nicht notwendigerweise, beträgt die Pumpfrequenz '

das Doppelte der der Signalfrequenz. Gleichgültig, Es kann gezeigt werden, daß die Eindringtiefe

welche Frequenzbeziehung besteht, ist der Resona- 20 der Beziehung

tor 12 so bemessen, daß er sich sowohl bei Pump- λ— (λ —λ)(HIH₁W + λ (2)
frequenz als auch bei Signalfrequenz in Resonanz

befindet. Der Resonator 12 ist in einer Kühleinrich- genügt, wobei H das herrschende Magnetfeld bedeu-

tung 32 untergebracht, die in irgendeiner bekannten tet; ferner H_c die kritische Magnetfeldstärke, die

Form ausgeführt sein kann, z. B. als geregelte Kälte- 25 vom Material des Supraleiters abhängt und denjeni-

kammer, die den Resonator bei supraleitenden Tem- gen Wert des herrschenden Magnetfelds angibt, bei

peraturen halten kann. welchem die Einrichtung aufhört, supraleitend zu

Im Betrieb erzeugt der Gleichstrom, der durch sein; A₁ die Eindringtiefe bei dieser kritischen FeId-

den Supraleiter 17 fließt, ein Magnetfeld. Dieses stärke und A₀ die Eindringtiefe bei der Feldstärke 0.

Magnetfeld umgibt den Supraleiter, wie es durch 30 Aus (2) ist ersichtlich, daß bei einer Änderung des

den ausgezogenen Pfeil in F i g. la angedeutet ist. Felds H die Eindringtiefe in gleicher Weise geändert

Die TEM-Pumpschwingung innerhalb des Reso- wird, so daß wegen (1) die innere Induktivität des*

nators 12 erzeugt ein kreisförmiges Magnetfeld um Supraleiters geändert wird.

den Supraleiter 17 (s. in Fig. la die gestrichelt ge- Beim Verstärkern der Fig. 1 besteht das Mazeichneten Feldlinien). Hierdurch wird das magne- 35 gnetfeld, dem der Supraleiter 17 ausgesetzt ist, aus tische Gleichfeld im Takt der Pumpfrequenz perio- einer Gleichstromkomponente, die von dem durch disch verstärkt und geschwächt. Unter diesen Um- den Supraleiter fließenden Gleichstrom herrührt, und ständen ändert sich, wie noch erläutert wird, die aus einer Wechselkomponente, die von der in Form Induktivität des Hohlraums mit der Pumpfrequenz, von TEM-Schwingungen zugeführten Pumpenergie so daß die Signalenergie innerhalb des Resonators 12 40 herrührt. Da sich dieses Magnetfeld mit der Pumpauf eine sich ändernde Induktivität trifft und ent- frequenz ändert, ändert sich auch A mit der Pumpsprechend dem bekannten Prinzip der parametri- frequenz, ebenso die innere Induktivität des Supraschen Verstärkung verstärkt wird. Das verstärkte leiters 17. Da die innere Induktivität des SupraSignal wird über die Sonde 26 abgenommen und leiters 17 einen Teil der Gesamtinduktivität des über den Zirkulator 23 zur Belastung 27 ausge- '45 Resonators 12 bildet, ändert sich auch diese mit der koppelt. Pumpfrequenz, so daß in bekannter Weise die Bedin-

Zwar ist der Resonator nach F i g. 1 bisher so gung für die parametrische Verstärkung erfüllt ist. beschrieben worden, daß er einen supraleitenden Aus (1) ist ersichtlich, daß die innere Induktivität Mittelleiter 17 und einen normalleitenden Außen- von der Eindringtiefe und von der Permeabilität leiter 13 aufweist, aber es ist zur Vermeidung von 50 abhängt. Da aber die erfindungsgemäß verwendeten Verlusten auch möglich, die übrigen Teile des Reso- Materialien im Zustand der Supraleitung ebenfalls nators, insbesondere die beiden Endteile 14 und 16, eine hohe Permeabilität haben, äußert sich die Wiraus supraleitendem Material herzustellen: Wenn nur kung einer Änderung der Eindringtiefe auf die Inder Mittelleiter 17 ein Supraleiter ist, nicht aber die duktivität stark vergrößert. Die erfindungsgemäß zu anderen Resonatorteile 13,14,16, dann bilden im 55 verwendenden Materialien, welche eine hohe Per-Supraleitungsfall die beiden Enden des Mittelleiters meabilität im supraleitenden Zustand zeigen, sind
17 zusammen mit den übrigen Resonatorteilen noch _{a) Legierungen aus Ce}Ru₂ und GdRu₂ im Bereich keinen idealen Kurzschluß. Es ist deshalb im Hin- _vn„ _(r ° _CrA \π.. L _(r. _rJ \_Pll
blick auf die HF-Stromverteilung bei TEM-Schwin- °ⁿ ^ °·^{90 U 0}^ ² ^ °·^{97 ÜÜ}°f^{; KUa}'
gungen im Resonator vorteilhaft, zumindest die End- 60 b) Legierungen aus YOs₂ und GdOs₂ im Bereich platten 14 und 16 aus supraleitendem Material her- ^von (Y₀,90 Gd_0il0) Os₂ bis (Y₀₉₇Gd₀₀₃)Os₂ und zustellen. Bei TEM-Schwingungen befindet sich _c) Legierungen aus ThRu₂ und GdRu₂ innerhalb nämlich die größte HF-Magnetfeldstärke am Mittel- _ei_nes schmalen, die Zusammensetzung
leiter, während am Außenleiter ein sehr geringes (Th₀₉₂₅Gd₀₀₇₅)Ru, umfassenden Bereichs.
Feld und damit eine geringe Dämpfung vorhanden 65 "

ist, so daß dort Kupfer oder andere normale Leiter Solche Materialien sind nicht nur im supraleiten-

ohne nennenswerte Nachteile benutzt werden kön- den Zustand ferromagnetisch, sie weisen auch Werte

nen. Wenn aber andere Resonator- oder Schwin- der kritischen Magnetfeldstärke auf, welche große

Claims (1)

1. Eindringtiefen ermöglichen (s. Gleichung 2). Da das verwendete Material supraleitend ist, sind Verluste und Widerstandsrauschen praktisch beseitigt, so daß eine außerordentlich rauscharme Verstärkung der Signalenergie bei hohen Frequenzen erzielt wird.

   In F i g. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Einrichtung nach F i g. 2 ist ein Verstärker 41 mit einem Hohlraumresonator 42. Letzterer befindet sich sowohl bei Signalfrequenz als auch bei Pumpfrequenz in Resonanz. Im Resonanztor 42 ist axial ein Teil 43 aus supraleitendem Material angeordnet. Das Teil 43 befindet sich zwischen zwei dielektrischen Stäben 44 und 46, die an den Enden des Resonators befestigt sind. Die Stäbe 44 und 46 können irgendeine geeignete Form haben. Die hier dargestellte dient nur zur Erläuterung. Ein Permanent- oder Elektromagnet, von dem nur die Polschuhe 47 und 48 dargestellt sind, erzeugt innerhalb des Resonators 42 ein axial verlaufendes Magnetfeld. Eine HF-Pumpenergiequelle 49 ist an dem Resonator 42 über eine koaxiale Einführung 51 und eine Schleife 52 angekoppelt, die im Resonator 42 TE₀₁₁-Pumpschwingungen anregt. Eine Signalenergiequelle 53 ist an den Resonator 42 über einen Zirkulator 54, eine koaxiale Einführung 56 und eine Sonde 57 angekoppelt, die im Resonator koaxiale TEM-Signalschwingungen anregt. Ein Zweig des Zirkulators 54 ist mit dem Verbraucher 58 verbunden. Der Resonator 42 ist in einer nur schematisch angedeuteten Kühleinrichtung 59 untergebracht. Letztere ist in irgendeiner bekannten Weise so ausgeführt, daß sie den Resonator 42 und das Teil 43 auf supraleitenden Temperaturen hält.

   Die TE₀₁₁-Pumpschwingungen haben eine Magnetfeldform, wie diese in Fig. 2a dargestellt ist. Das anstehende magnetische Gleichfeld wird also mit der Pumpfrequenz verstärkt und geschwächt. Wie bei der Einrichtung nach F i g. 1 führt die Änderung des am Supraleiter 43 herrschenden Magnetfelds zu einer Änderung seiner Eindringtiefe in der oben erläuterten Weise und damit zu einer Änderung der Induktivität des Resonators mit der Pumpfrequenz. Das eingespeiste Signal ist deshalb einer veränderlichen Reaktanz ausgesetzt und wird entsprechend dem Prinzip der parametrischen Verstärkung verstärkt. Das verstärkte Signal wird über die Sonde 57, das Koaxialkabel 56 und den Zikulator 54 zum Verbraucher 58 ausgekoppelt.

   In Fig.3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, dessen Arbeitsweise derjenigen der Einrichtung nach F i g. 1 grundsätzlich gleicht, bei dem aber an Stelle eines koaxialen Hohlraumresonators ein Doppelkegelresonator benutzt wird. Entsprechende Teile sind mit entsprechenden Bezugsziffern versehen. Die Einrichtung nach F i g. 3 ist ein Verstärker 61 mit einem Doppelkegel-Hohlraumresonator 62, dessen Doppelkegelkörper 63, 64 aus supraleitendem Material und dessen Außenwand 66 aus Kupfer oder irgendeinem anderen leitenden Material besteht. Eine Gleichspannungsquelle 18 ist mit dem Doppelkegelkörper 63, 64 über Leiter 19 und 21 verbunden. Der Gleichstrom fließt durch den Doppelkegel in der angegebenen Pfeilrichtung. Eine hochfrequente Pumpenergiequelle 28 ist an. den Resonator 62 über eine koaxiale Einführung 29 und eine Schleife 31 angekoppelt, die im Resonator 62 radiale TEM-Pumpschwingungen anregt. Eine Quelle 22 für die zu verstärkenden Signale ist an den Resonator 62 über einen Zirkulator 23, eine

   ίο koaxiale Einführung 24 und eine Sonde 26 angekoppelt, die im Resonator radiale TEM-Signalschwingungen anregt. Der Verbraucher 27 ist mit einem Zweig des Zirkulators gekoppelt. Der Resonator ist in einer Kühleinrichtung 32 untergebracht, die die Einrichtung auf supraleitenden Temperaturen hält. Die Arbeitsweise des Verstärkers 61 gleicht im wesentlichen derjenigen der Einrichtung nach Fig. 1. Der durch den Doppelkegel 63, 64 fließende Gleichstrom erzeugt ein kreisförmiges Magnetfeld, das den Scheitel des Doppelkegels umgibt, wie es durch die Kreise mit Kreuz und Punkt angedeutet ist. Die radialen TEM-Pumpschwingungen erzeugen gleichfalls ein kreisförmiges Magnetfeld, das den Scheitel des Doppelkegels 63, 64 umgibt und das magnetische Gleichfeld mit der Pumpfrequenz verstärkt und schwächt. Unter diesen Bedingungen wird, wie bereits erläutert, die Induktivität des Hohlraums mit der Pumpfrequenz verändert, und die Signalenergie im Hohlraum wird entsprechend verstärkt. Die verstärkte Signalenergie wird über die Sonde 26, das Kabel 24 und den Zirkulator 23 zum Verbraucher 27 ausgekoppelt.

   Patentanspruch:

   Parametrischer Verstärker mit einer aus ferromagnetischem Material bestehenden variablen Induktanz, dadurch gekennzeichnet, daß er bei einer Temperatur betrieben wird, bei der sich das als variable Induktanz wirkende Material im Zustand der Supraleitfähigkeit befindet, und daß ein in diesem Zustand ferromagnetisches Material einer der nachstehend genannten Zusammensetzungen verwendet wird:

   a) Legierungen aus CeRu₂ und GdRu₂ im Bereich von (Ce_0i90 Gd₀₄₀)Ru₂ bis(Ce_0>97Gd_0i03)Ru₂,

   b) Legierungen aus YOs₂ und GdOs₂ im Bereich

   von (Y₀,₉₀Gdo,io)^0s2 ^bis (^Yo,97 ⁰^o₃) ^Os2 und

   c) Legierungen aus ThRu₂ und GdRu₂ innerhalb eines schmalen, die Zusammensetzung (Th₀₈₂₅Gd₀₀₇₅) Ru₂ umfassenden Bereichs.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 206 022; »Proc. of the IRE«, April 1959, S. 584; »Fernmelde-Praxis«, Ausgabe vom 15. 3. 1960, S. 201 bis 228.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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