DE1282102C2 - Einrichtung zur Verarbeitung elektrischer Signalenergie fuer Frequenzen bis einschliesslich des Millimeter- und Submillimeterwellen-laengengebietes - Google Patents

Description

Deutsche Kl.: 21 a4 - 6/01 Aktenzeichen: P 12 82 102.2-35 (R 39124) Auslegetag: 7. November 1968

Ausgabetag: 3. Juli 1969 Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung betrifft eine für Frequenzen bis einschließlich des Millimeter- und SubmillimeterweIlenlängengebietes geeignete Einrichtung zur Verarbeitung von elektrischer Signalenergie mit einem Resonator, einer Anordnung zur Erregung des Resonators und/oder Auskopplung von Energie aus diesem Resonator und mindestens einem nichtlinearen Element, das mit dem elektromagnetischen Feld des Resonators gekoppelt ist.

Der Begriff »nichtlineares Element« soll hier jedes aktive Material, das ein nichtlineares Verhalten bezüglich Widerstand und/oder Kapazität und/oder Induktivität zeigt; umfassen, gleichgültig, ob es sich um dünne Schichten, kompaktere Körper oder Übergänge, insbesondere pn-Übergänge, handelt.

Zur Oberwellenerzeugung, Verstärkung und Durchführung anderer Funktionen im UHF- und Mikrowellenbereich sind bereits die verschiedensten Arten von Einrichtungen bekannt, die mit nichtlinearen Elementen arbeiten, z. B. veränderlichen Kapazitäten, Halbleiterflächendioden und Tunneldioden. Im allgemeinen werden diese Elemente zusammen mit metallischen Wellen- oder Hohlleitern oder koaxialen Resonanzhohlräumen verwendet, die entsprechend dem gewünschten Betrieb auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt sind. Infolge der nichtlinearen Eigenschaften solcher Bauelemente ist bei richtigem Betrieb ein nahezu verlustfreies Arbeiten möglich.

Versuche, nichtlineare Elemente enthaltende Einrichtungen für Frequenzen entsprechend dem Millimeterbereich und noch kürzeren Wellenlängen zu verwenden, wurden jedoch bisher durch hohe Kreisverluste und schlechte Betriebseigenschaften erschwert, die ihre Ursache in der bei diesen Frequenzen auftretenden Belastung der Wellenleiter oder koaxialen Resonanzhohlräume durch die nichtlinearen Elemente haben. Wenn z. B. eine Kapazitätsvariations-Halbleiterflächendiode in einem abgestimmten Wellenleiterhohlraum betrieben wird, verstimmt die Parallelkapazität der Diode im Effekt den Resonanzhohlraum. Da die Kapazität eines solchen Wellenleiterhohlraumes nicht groß gegenüber der Diodenkapazität ist, geht die zur Kapazität des Hohlraumes hinzukommende Diodenkapazität stark in die Gesamtkapazität des die Diode und den Hohlraum umfassenden Kreises ein, und es resultiert eine entsprechende Änderung der Betriebsfrequenz. Man. kann zwar bei der Herstellung solcher Dioden darauf achten, die Kapazität so klein zu halten, wie es für einen gegebenen Anwendungszweck möglich ist. Aber auch dann ist es äußerst schwierig, Frequenzinstabili-

Einrichtung zur Verarbeitung elektrischer Signalenergie für Frequenzen bis einschließlich des Millimeter- und SubmillimeterwelIenlängengebietes

Patentiert für:

Radio Corporation of America, New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt, 8000 München 23, Dunantstr. 6

Als Erfinder benannt: Kern Ko Nan Chang, Princeton, Ν. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 30. Oktober 1963 (320092)

täten und eine Herabsetzung der Kreisgüte zu verhindern.

Es ist ferner bekannt, daß verlustarme Isoliermaterialien hoher Dielektrizitätskonstante bei hohen Frequenzen mit gutem Wirkungsgrad als Resonanzkreiselemente verwendet werden können. Ein Beispiel eines solchen Materials, das als Resonator betrieben werden kann, ist Titandioxyd (TiO₂) oder Rutil (vgl. z. B. die Veröffentlichung von A. Okaya, »The Ru tile, Microwave Resonator« Proceedings IRE, No vember 1960, S. 1921). Ein Rutilresonator hat eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 90 und einen niedrigen Verlustfaktor. Bei geeigneter Erregung sind zahlreiche Schwingungstypen möglich, und die Feld verteilung ist bei verschiedenen Schwingungstypen ähnlich wie in konventionellen Wellenleiter- und Koaxialhohlraumresonatoren .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die z. B. als Oberwellengenerator, Verstärker, Misch- oder Überlagerungsstufe, Oszillator u. a. m. ausgelegt sein kann, anzugeben, die die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine einfache Herstellung und einen Be- trieb mit hohem Wirkungsgrad bis hinauf zu Frequenzen einschließlich des Millimeter- und Submillimetergebietes ermöglicht.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Resonator ein Material hoher Dielektrizitätskonstante enthält und in einen ein Medium niedrigerer Dielektrizitätskonstante enthaltenden Innenraum eines Hohlleiters eintaucht und daß das nichtlineare Element auf dem Resonator an der Grenzfläche zwischen dem Material hoher Dielektrizitätskonstante und dem Medium niedrigerer Dielektrizitätskonstante angeordnet ist.

Es wurde nämlich gefunden, daß an der Oberfläche eines Resonators aus einem Material hoher Dielektrizitätskonstante, z. B. aus Rutil, wegen der hohen Dielektrizitätskonstante und des niedrigen Verlustfaktors ein elektrisches Feld hoher Intensität herrscht, das Stelle des in den Fig. 1 mit 3 dargestellten Rutilresonators verwendet werden,

Fig. 7a und 7b eine Seiten- und eine Endansicht einer anderen Ausführungsform eines Rutilresonators für die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Anordnung,

F i g. 8 einen teilweise perspektivisch, teilweise als Blockschaltbild dargestellten parametrischen Verstärker entsprechend einer weiteren Ausführungsform ίο der Erfindung,

F i g. 9 ein schematisches Schaltbild, das zeigt, wie die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung als Mischstufe betrieben werden kann, F i g. 10 einen teilweise perspektivisch, teilweise als

überwiegend tangential gerichtet ist, um die Grenz- i₅ Blockschaltbild dargestellten Tiinneldiodenverstärker,

bedingungen zu erfüllen. Wegen der hohen Dielektrizitätskonstante des Resonators ist eine Belastung durch irgendwelche anderen äußeren dielektrischen Materialien, deren Dielektrizitätskonstante vergleichsweise klein ist, gering. Als nichtlineares Element kann daher z. B. eine nichtlineare Halbleiterflächendiode einfach integriert auf der Oberfläche des Resonators angeordnet werden, ohne das Feld des Resonators nennenswert zu belasten. Wenn beispielsweise eine Kapazitätsvariations-Halbleiterflächendiode verwendet wird, ist die durch die Diode gebildete Kapazität klein im Vergleich zur Gesamtkapazität des den Resonator und die Diode enthaltenden Kreises, so daß man eine hochwertige Diode herstellen kann, ohne den räumlichen und elektrischen Begrenzungen unterworfen zu sein, die bei Verwendung konventioneller metallischer Wellenleiter oder Hohlraumresonatoren zu berücksichtigen sind.

Da der Resonator ein kleines kompaktes Bau

entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 11 einen teilweise perspektivisch, teilweise als Blockschartbild dargestellten Tunneldiodenoszillator, ao entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und

F i g. 12 eine Dioden-Resonatoranordnung, die bei den Einrichtungen der Fig. 1, 8, 9, 10 und 11 verwendet werden kann.

Der Beschreibung des in F i g. 1 dargestellten Oberwellengenerators wird der Einfachheit halber ein spezielles Ausführungsbeispiel zugrunde gelegt, das als Verdreifacher ausgelegt ist. Die für dieses Beispiel angegebenen Frequenzwerte und Kreisparameter sind selbstverständlich nicht einschränkend auszulegen.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung ist mit einer Hochfrequenzquelle 10 verbunden, die beispielsweise bei Verwendung des Oberwellengeneratbrs in einer Hochfrequenzoszillatoranordnung ein Klystron

element darstellt, ergeben sich Einrichtungen, die so- 35 od. dgl. enthalten kann. Wenn der Oberwellen

wohl im Aufbau als auch im Betrieb einfach sind und trotzdem einen wesentlich besseren Wirkungsgrad aufweisen als die bekannten Einrichtungen dieser Art.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Eriindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

Fig. 1 eine teilweise perspektivisch, teilweise als Blockschaltbild dargestellte nichtlineare Einrichtung gemäß der Erfindung, die einen Oberwellengenerator darstellt,

F i g. 2 und 3 eine genauere Vorder- bzw. Seitenansicht der Dioden-Rutilresonatoranordnung des Oberwellengenerators der Fig. 1,

F i g. 4 a eine Darstellung der Verteilung des elektrischen Feldes in einem Rutilresonator, wenn dieser in dem Oberwellengenerator der F i g. 1 betrieben wird, und im Vergleich dazu

Fig. 4b die Verteilung des elektrischen Feldes in einer gewöhnlichen Hohllciteranordnung,

F i g. 5 a die Verteilung des magnetischen Feldes in einem in Seitenansicht dargestellten Rutilresonator, wenn dieser in einem Oberwellengenerator gemäß F i g. 1 betrieben wird, und im Vergleich hierzu

F i g. 5 b die Verteilung des Magnetfeldes in einer gewöhnlichen in Draufsich dargestellten Hohlleiteranordnung,

Fig. 6a und 6b eine Seiten- bzw. Stirnansicht einer Flächendiode, die an einem TEM-KoaxiaI-Rutilresonator montiert ist; diese Anordnung kann an

generator zur Änderung der Frequenz eines modulierten Informationssignals dient, stellt die Quelle 10 irgendeinen Übertragungskanal od. dgl. dar, der ein zu verarbeitendes Signal liefert. Es soll angenommen werden, daß die Frequenz des von der Quelle 10 gelieferten Signals 8 GHz und der Leistungspegel etwa SO mW betragen. DerAusgang der Quelle 10 ist über eine nur schematisch dargestellte Koaxialleitung 11 od. dgl. mit einem Anschluß 13 eines Rechteckhohlleiterabschnittes 12 verbunden; der Anschluß 13 befindet sich dabei an der einen breiten Wand in der Nähe eines geschlossenen Endes 50 des Hohlleiters 12.

Der Rechteckhohlleiter 12 kann aus Messing bestehen und innen mit Silber plattiert sein. Bei der angenommenen Eingangssignalfrequenz von 8 GHz kann der Hohlleiter für das X-Band ausgelegt und etwa 25 mm breit sowie 12,5 mm hoch sein. Die von der Quelle 10 in den Hohlleiter 12 eingekoppelte Signalenergie wird zuerst durch einen Richtungskoppler als Isolator 14 geleitet, der beispielsweise wie üblich aus Ferrit bestehen kann und eine Reflexion von Signaleriergie aus dem Hohlleiter 12 zurück in die Signalquelle 10 verhindert. Die Signalenergie läuft dann durch den Hohlleiter 12 zu einer Anordnung 15, die eine mit einem Rutilresonator verbundene Kapazitätsvariations-Halbleiterflächendiode enthält.

Ein Abstimmglied 16 dient zur Vermeidung von Reflexionen infolge der Unstetigkeiten, die durch die Rutilresonatoranordnung 15 im Hohlleiter 12 verursacht werden. Das Abstimmglied (Tuner) 16 ist in üblicher Weise aufgebaut und kann einen nicht dargestellten Stab od. dgl. enthalten, der im Hohlleiter

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12 parallel zu den elektrischen Feldlinien angeordnet ist. Durch das Abstimmglied können zusätzliche Reflexionen erzeugt werden, die auf gleiche Amplitude, jedoch entgegengesetzte Phase wie die durch die Anordnung 15 verursachten Reflexionen eingestellt werden, so daß eine Kompensation der durch die Unstetigkeit verursachten Reflexionen eintritt. Das Abstimmglied kann eine in einem Schlitz 18 montierte Welle 17 enthalten, die innerhalb der Grenzen des Schlitzes in Longitudinalrichtung 19 einstellbar ist und ferner in Richtung des Pfeiles 20 gedreht werden kann, um die Lage des Kompensationsstabes im Hohlleiter bzw. seine Höhe einstellen zu können. Im wesentlichen läßt sich die Phase der durch das Abstimmglied erzeugten zusätzlichen Reflexion durch Längsverschiebung der Welle in Richtung des Pfeiles 19 und der Betrag dieser Reflexion durch Drehen der Welle und dementsprechend durch die Höhenlage des innerhalb des Wellenleiters angeordneten Kompensationsstabes einstellen.

Der Hohlleiter 12 ist zum Teil aufgeschnitten dargestellt, um den in ihm angeordneten Teil der Rutilresonatoranordnung 15 zu zeigen. Die dargestellte Anordnung 15 enthält einen kristallischen Titandioxydkörper, der die Form einer zylindrischen Scheibe 21 hat und im folgenden als Rutilresonator bezeichnet wird. Der Rutilresonator 21 kann monokristallin oder polykristallin sein. Das Volumen und damit die Größe des scheibenförmigen Rutilresonators 21 werden für ein spezielles Anwendungsgebiet so gewählt, daß sie etwa gleich dem durch (γ ε)³ geteilten Volumen eines mechanischen Hohlraumes für dieselbe Frequenz sind, wobei ε gleich der relativen Dielektrizitätskonstante des Rutilresonators ist. Bei dem beispielsweise dargestellten Frequenzverdreifacher gemäß Fig. 1 wurde als Rutilresonator21 ein Einkristall verwendet, dessen Durchmesser etwa 2,3 mm und dessen Dicke etwa 1 mm betrugen.

Der Rutilresonator 21 ist in einem Sitz 22 gelagert, der durch einen Ausschnitt in einem Ende eines Stabes 22 gebildet wird. Der Rutilresonator 21 ist mit einer seiner Endflächen mittels eines geeigneten, verlustarmen Klebstoffes, z.B. einem Epoxykleber, am Sitz 22 des Stabes 23 befestigt. Die Befestigung kann auch auf andere Weise erfolgen. Der Stab 23 besteht vorzugsweise aus Berylliumoxyd oder einem anderen relativ gut wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Material und dient zur Wärmeableitung vom Rutilresonator 21. Wenn keine Wärmeableitung erforderlich ist, kann der Stab 23 aus einem Acrylharz oder ähnljchen Isolierwerkstoffen bestehen.

Der Stab 23, der so lang ist, daß der Rutilresonator 21 wenigstens annähernd in der Mitte des Hohlleiters 12 gelagert wird, um eine maximale Kopplung zwischen dem Hohlleiter 12 und dem Rutilresonator 21 zu gewährleisten, führt zuerst durch eine nicht dargestellte öffnung in der Wand des Hohlleiters 12 und ist dann an einem zylindrischen Metallteil 24 befestigt. Die Halterung der Anordnung 15 am Hohlleiter 12 kann auf irgendeine geeignete Weise erfolgen. Die Anordnung 15 kann beispielsweise in eine entsprechende Fassung am Wellenleiter 12 eingeschraubt sein. Wie an Hand der F i g. 2 und 3 noch näher erläutert wird, ist das obere Stück des Metallteiles 24 in eine zylindrische Kappe aus einem Kunststoff oder einer anderen Vergußmasse eingebettet.

Am Rand der frei liegenden ebenen Fläche des Rutilresonators 21 ist eine nach dem Legierungsverfah-

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ren hergestellte Kapazitätsvariations-Flächendiode angebracht, die einen Hauptkörper 26 und eine Legierungspille 27 enthält. Die vorgefertigte Diode ist an der Oberfläche des Rutilresonators 21 mittels eines verlustarmen Epoxyklebers oder eines anderen geeigneten Materials befestigt. Die Diode kann jedoch ^auch direkt auf der Oberfläche des Rntilresonators 21 gebildet werden, indem das die Zone 27 und den Körper 26 bildende Halbleitermaterial derart aufgebracht wird, daß eine vollständige Legierungsflächendiode entsteht. Der Körper 26 und die Pille 27 bestehen wie üblich aus Materialien verschiedenen Leitungstyps und können beispielsweise n- bzw. p-leitend sein. Die aus dem Körper 26 und der Pille 27 gebildete Diode ist so orientiert, daß eine durch den Körper 26 und die Zone 27 führende Gerade tangential zum gekrümmten Rand des Rutilresonators 21 verläuft, um eine optimale Kopplung von Signalenergie zwischen einem tangentialen und azimutalen elek-

ao frischen Feld an den äußeren Grenzen der Oberfläche des Rutilresonators 21 und der Diode zu erreichen. Bei dem beispielsweise dargestellten Verdreifacher wurde eine legierte Galliumarsenid-pn-Flächendiode verwendet. Der Körper 26 der Diode war etwa

as 0,5 mm lang und 0,25 mm breit, und die Größe der Pille betrug 0,075 mm. Die durch den Körper 26 und die Pille 27 gebildete Diode hatte eine Kapazität von etwa 1,0 pF und einen Reihenwiderstand von etwa 2 Ohm. Der Rutilresonator 21, der Stab 23, der Körper 26 und die Pille 27 der Flächendiode sind nicht maßstabsgerecht gezeichnet, sondern der Deutlichkeit halber vergrößert dargestellt.

Wenn eine Flächendiode des bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 verwendeten Typs in der Sperr- richtung vorgespannt wird, werden die im Halbleitermaterial vorhandenen beweglichen Ladungsträger vom Übergang abgezogen, und in einem Bereich in der Nähe des Überganges verbleiben unkompensierte unbewegliche Ladungen. Die Breite und damit die elektrische Ladung der auf diese Weise entstehenden Raumladungsschicht hängt von der angelegten Spannung ab und bestimmt die Übergangskapazität. Die Übergangskapazität der Flächendiode ist umgekehrt proportional der effektiven Breite des Überganges, und da diese effektive Breite spannungsabhängig ist, hängt auch die durch die Flächendiode gebildete Kapazität von der angelegten Spannung ab. Mit anderen Worten gesagt stellt ein in Sperrichtung vorgespannter Übergang mit einem Halbleitermaterial eine Kapazitat dar, deren Größe mittels der Vorspannung steuerbar ist.

Zur Einstellung der durch die Diode. 26, 27 gebildeten Kapazität ist mit dem Körper 26 der Diode eine Leitung 28 verbunden, die durch eine nicht dargestellte öffnung in der Hohlleiterwand, die auch den Stab 23 durchtreten läßt, nach außen geführt. Das andere Ende der Leitung 28 ist mit einer an der Kappe 25 angebrachten Klemme 30 verbunden. Eine von der Leitung 28 isolierte zweite Leitung 29 verbindet die Pille 27 der Diode mit einer ebenfalls an der Kappe 25 angebrachten zweiten Klemme 31. Die Klemmen 30, 31 sind mit einer Gleichspannungsquelle 32 verbunden, die so gepolt und bemessen ist, daß sie an die Diode 26, 27 eine in Sperrichtung gepolte Spannung solcher Größe (z. B. 1 bis 2 Volt) liefert, daß sich der gewünschte Kapazitätswert ergibt. Die Leitungen 28, 29 können durch Löcher im Stab 23 geführt sein, so daß sie bequem aus dem Hohl-

leiter herausgeführt werden können, selbstverständlich können auch irgendwelche anderen Durchführungen verwendet werden.

In der Kappe 25 sind zwei gestrichelt dargestellte Hochfrequenz-Überbrückungskondensatoren 33, 34 angeordnet, die in Reihe zwischen die Klemmen 31, 33 geschaltet sind. Der Verbindungspunkt der Kondensatoren 33, 34 ist mit einer an der Kappe 25 angebrachten Klemme 35 verbunden, welche an einen Bezugspotentialpunkt, wie Masse, angeschlossen ist, so daß die Gleichspannungsquelie 32 für die Hochfrequenz kurzgeschlossen ist.

Um die Verluste an Hochfrequenzenergie über die Leitungen 28, 29 möglichst gering zu halten, kann die Länge dieser Leitungen etwa gleich einer viertel Wellenlänge der Arbeitsgrundfrequenz der Dioden-Resonatoranordnung 15 bemessen werden. Die über die Kondensatoren 33, 34 mit Masse verbundenen Leitungen 28, 29 wirken dadurch für 8 und 24 GHz als Sperre, so daß Hochfrequenzverluste vermieden werden. Das Abfließen von Hochfrequenzenergie über die Leitungen 28,29 kann selbstverständlich auch auf andere Weise verhindert werden. So kann beispielsweise in die Leitungen 28, 29 nahe der Diode 26, 27 eine Hochfrequenzdrossel eingeschaltet werden, und/ as oder die Leitungen 28, 29 können aus Widerstandsdraht bestehen.

Die Dioden-Rutilresonatoranordnung 15 erzeugt aus der zugeführten 8-GHz-Eingangssignalenergie im ' Hohlleiter 12 Signalenergie einer Frequenz von 24 GHz, wie noch erläutert wird. Die 24-GHz-Energie wird aus dem Hohlleiter 12 über einen verlaufenden Wellenleiterabschnitt 36 in einen für das K-Band bemessenen Hohlleiterabschnitt 38 gekoppelt. Die Verbindung des als Übergangsstück dienenden, verlaufenden Hohlleiterabschnittes 36 mit dem Hohlleiter 12 einerseits ünd dem Hohlleiter 38 andererseits erfolgt mittels üblicher Flanschanordnungen 37 bzw. 39. Das Übergangsstück 36 wird vorzugsweise fünf bis zehn Wellenlängen der Grundfrequenz von 8 GHz gemacht, um möglichst wenig Signalenergie dieser Frequenz in den Hohlleiter 38 zu koppeln. Sowohl das verlaufende Hohlleiterübergangsstück 36 als auch der K-Band-Hohlleiter 38 können aus innen mit Silber plattiertem Messing bestehen, um eine geringe Dämp- ♦s hing der Hochfrequenz zu gewährleisten. Der Hohlleiter 38 ist für 24 GHz ausgelegt und kann beispielsweise 12,7 mm breit und 6,35 mm tief sein.

Nahe dem geschlossenen äußeren Ende 51 des Hohlleiters 38 ist ein Anschluß 41 für eine nur sehematisch dargestellte Leitung 40, z.B. eine Koaxialleitung, angeordnet, durch die das" 24-GHz-Signal einem Verbraucher 42 zugeführt wird. Zur Anpassung der Impedanz des Verbrauchers 42 an den Hohlleiter 38 ist dieser mit zwei E-H-Abstimmgliedern 43, 44 versehen, die in üblicher Weise ausgebildet sind und jeweils aus einem Hohlleiterabschnitt bestehen, dessen Volumen über nicht dargestellte bewegliche Kurzschlußplatten an Knöpfen 45 bzw. 46 einstellbar ist.

Die Signalquelle 10. die aus den drei Hohlleiterabschnitten 12, 36, 38 bestehende Hohlleiteranordnung, der Verbraucher und die Klemme 35 sind alle mit Masse verbunden dargestellt. In der Praxis kann diese Masseverbindung aus einer metallischen Erdungsschiene od. dgl. bestehen. Wenn für die Leitungen 11. 40 Koaxialleitungen verwendet werden, die gleichzeitig als RUckleitung dienen und die Klemme

35 mit einer Wand der Hohlleiteranordnung verbunden ist, kann die Hohlleiteranordnung selbst als Masserückleitung dienen.

Die Dioden-Rutilresonatoranordnung 15 ist in den F i g. 2 und 3 in vergrößertem Maßstab dargestellt. F i g. 2 ist eine Vorderansicht der Anordnung 15 mit Blick direkt auf die frei liegende große Häuptfläche des Rutilresonators 21, während die Seitenansicht der F i g. 3 deutlicher erkennen läßt, wie der Rutilresonator 21 an dem im Stab 23 gebildeten Sitz 22 befestigt ist. In den Fig. 1, 2 und 3 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet worden. Der zylindrische Metallteil 24 ist hohl und am einen Ende geschlossen, so daß eine Fläche 47 zur Befestigung des Stabes 23 zur Verfügung steht. Das obere Stück und das offene Ende des Metallteiles 24 werden durch die Kunststoffkappe 25 bedeckt, um die Anordnung 15 zu schützen und ihre Handhabung zu erleichtern. Die mit der Klemme 30 verbundene Leitung 28 führt vom Körper 26 der Diode zu einem halbzylinderförmigen Metallteil 48, der aus Kupfer oder einem anderen gut leitenden Metall bestehen kann. Die an die Klemme 31 angeschlossene Leitung 29 verbindet die Pille 27 der Diode mit einem zweiten halbzylinderförmigen Metallteil 49, der im Aufbau dem Metallteil 48 entspricht. Die beiden Metallteile 48, 49 sind im Abstand voneinander so innerhalb des hohlzylinderförmigen Metallteiles 24 angeordnet, daß sich die gekrümmten Flächen der Teile 48, 49 in nahem Abstand von der Innenwand des Metallteiles 24 befinden, diese jedoch nicht berühren. Der verbleibende Raum im Teil 24 ist mit einem Isoliermaterial gefüllt, z. B. Polytetrafluoräthylen. Der hohlzylinderförmige Teil 24 ist über die Klemme 35 mit Masse verbunden.

Die halbzylinderförmigen Metallteile 48, 49 bilden jeweils mit dem hohlzylinderförmigen Metallteil 24 einen Hochfrequenz-Ableitkondensator zwischen der Klemme 30 bzw. 31 und Masse. Diese Kondensatoren entsprechen den in F i g. 1 gestrichelt eingezeichneten Kondensatoren 33, 34 und. verhindern, daß Hochfrequenzenergie in die Gleichspannungsquelle 32 gelangt. Mit der Anordnung 15 kann der Rutilresonator 21 mit der auf ihm gebildeten Flächendiode innerhalb des Hohlleiters 12 genau eingestellt werden.

Der scheibenförmige Rutilresonator 21 wird so im Hohlleiter 12 angeordnet, daß die große Stirnfläche des Rutilresonators 21 mit der darauf befindlichen Flächendiode parallel zu den schmalen Seitenwänden und senkrecht zu den breiten Wänden des Hohlleiters 12 verläuft. Von den beiden Längsenden des Hohlleiters 12 ist dann der Rand, d. h. die gekrümmte zylindrische Fläche des Rutilresonators 21, zu sehen. Der Grund für diese Anordnung des Rutilresonators 21 läßt sich bei Betrachtung der in den Fi g. 4 und 5 dargestellten Feldverteilungen verstehen. Fig. 4a zeigt das elektrische Feld im Rutilresonator 21 (Fig. 1). wenn dieser mit 8 GHz erregt wird. An der Oberfläche des Rutilresonators 21 verlaufen die elektrischen Feldlinien dabei kreisförmig. Die Intensität des elektrischen Feldes ist in der Nähe des Außenrandes des Rutilresonators 21 am stärksten, also im Bereich der gestrichelten Linie 55, und die Feldstärke nimmt dann zur Mitte des Rutilresonators 21 hin ab (gestrichelte Linie56). Fig.4b zeigt die elektrische Feldverteilung eines üblichen metallischen Hohlleiters, wie des Hohlleiters 12 der Fig. 1, wenn die-

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ser im TE₀₁-Schwingungszustaud erregt ist. Die elektrischen Feldlinien sind gerade und verlaufen parallel ' zu den Schmalseiten des Hohlleiters 12.

F i g. 5 a zeigt die Verteilung des magnetischen Feldes des Rutilresonators 21, wenn dieser mit 8 GHz erregt ist. Fig. S a ist in Richtung auf den Rand, also die gekrümmte, zylindrische Seitenfläche des Rutilresonators 21, gesehen. Die magnetischen Feldlinien sind um den Rand des Rutilresonators 21 verteilt. Wie die

oben angegebenen Kreisparametern wurde für das 24-GHz-Signal eine Umsetzungsdämpfung von 9 db gemessen.

Man kann die beschriebene Anordnung so betrachten, als ob der Resonator 21 in das Medium innerhalb des Hohlleiters 12 eingetaucht ist. Der Resonator 21 ist also in das den Hohlleiter bildende Rohr eingetaucht. Das nichtlineare Element, in diesem Fall die Diode 26, 27, befindet sich an der Grenzfläche

in F i g. 5 b dargestellte Draufsicht zeigt, verläuft das 10 zwischen dem Resonator 21 und dem Medium nied

magnetische Feld im Hohlleiter 12 parallel zu den breiten Wänden. Vergleicht man die in den Fig-Sa und 5 b dargestellten magnetischen Feldverteilungen, so sieht man, daß die in F i g. 5 a dargestellte magnetische Feldverteilung des Rutilresonators 21 in derselben Ebene liegt und praktisch die gleiche Verteilung hat wie das magnetische Feld im Hohlleiter 12, wenn der scheibenförmige Rutilresonator 21 mit seinen ebenen Stirnflächen parallel zu den schmalen ι Seitenwänden des Hohlleiters 12 angeordnet ist. Hierdurch ist eine gute Kopplung der 8-GHz-Signalenergie zwischen dem Rutilresonator 21 und dem Hohlleiter 12 gewährleistet.

Wenn der Rutilresonator 21 mit seinen ebenen

riger Dielektrizitätskonstante im Hohlleiter. Die elektromagnetischen Feldlinien sind an dieser Grenzfläche am dichtesten. Man erhält daher eine starke Kopplung des Elementes 26, 27 zwischen dem Hohlleiter 12 und dem Resonator 21, indem man es an dieser Grenzfläche anordnet.

Der Hohlleiterabschnitt 12 bildet keinen Resonanzhohlraum, d.h., er ist nicht auf eine oder mehrere bestimmte Frequenzen abgestimmt. Der Hohlleiter 12 ao ist üblich aufgebaut und für den interessierenden Frequenzbereich bemessen. Der Rutilresonator 21 stellt den Resonanzkreis für die Flächendiode dar und erzeugt mit dieser die gewünschte Oberwelle. Der Hohlleiter 12 koppelt dabei die Grundwelle auf den Rutil-Stirnflächen parallel zu den breiten Wänden oder »5 resonator 21 und die bei der Umsetzung entstehende¹ senkrecht zu den breiten und schmalen Wänden des Oberwelle vom Rutilresonator 21 aus. Hohlleiters 12 angeordnet wird, verlaufen die Linien Da der Resonator aus einem Material hoher Dides sich um den Rutilresonator 21 ausbildenden ma- elektrizitätskonstante besteht, ist die durch die gnetischen Feldes im rechten Winkel zu den magne- Flächendiode gebildete Kapazität klein gegenüber tischen Feldlinien im Hohlleiter 12, und die Kopp- 30 der des Resonators. Die Gesamtkapazität wird also lung zwischen dem Rutilresonator 21 und demJlohl- überwiegend vom Resonator bestimmt. Das Vorhandensein der durch die Flächendiode dargebotenen nichtlinearen Kapazität schließt das an den Resonator angelegte Feld nicht nennenswert kurz und 35 belastet auch den Resonator nicht in anderer Weise so stark, daß das Funktionieren im Millimeterwellenlängenbereich und darunter beeinträchtigt würde.

Bei den bisher üblichen Anordnungen, bei denen 8-GHz-Signal in den Hohlleiter 12 eingekoppelt und 40 eine Flächendiode in einem metallischen Resonanzbreitet sich längs des Höhlleiters zu der Dioden-Rutil- hohlraum im Millimeterwellenlängenbereich betrieresonatoranordnung 15 aus. Die im Hohlleiter 12 ben wurde, war dagegen die durch die Flächendiode auftretende und magnetisch auf den Rutilresonator gebildete zusätzliche Kapazität groß im Vergleich zur 21 gekoppelte Signalenergie erregt den Rutilresonator Kapazität des Hohlraumes. Wenn man annimmt, daß 21 zu Schwingungen. Dadurch, daß die Flächendiode 45 dieselbe Diode einmal mit einem Rutilresonator und

leiter 12 ist stark herabgesetzt. Durch die in F i g. 1 dargestellte Anordnung des Rutilresonators, bei der seine ebenen Flächen parallel zu den schmalen Wänden des Hohlleiters 12 verlaufen, wird also der Rutilresonator durch die Kopplung mit dem Hohlleiter 12 maximal erregt.

Im Betrieb des in F i g. 1 dargestellten Oberwellengenerators wird das von der Signalquelle 10 gelieferte

26, 27 infolge ihrer Lage mit den stärksten elektrischen Feldlinien im Rutilresonator 21, die in Fig.4a durch die gestrichelte Linie55 dargestellt sind, gekoppelt ist, addiert sich durch die Einstellung der von der Vorspannungsquelle 32 gelieferten Sperrspannung bestimmte Kapazität der Diode effektiv zu der des Rutilresonators 21. Zusammen mit der Kapazität der Flächendiode ist der Rutilresonator 21 so bemessen, daß brauchbare Schwingungszustände so

das andere Mal mit einem üblichen Hohlleiter oder Hohlraumresonator verwendet wird, so ist die Kapazität der Diode im Vergleich zur Kapazität des Hohlraumresonators wesentlich größer als im Vergleich so zur Kapazität des Rutilresönators. Bei Verwendung eines konventionellen Hohlraumresonators schließt die Eigenkapazität der Diode einen beträchtlichen Anteil des anliegenden Feldes kurz und verhindert häufig überhaupt ein Funktionieren des Hohlraumwohl für die Grundfrequenz von 8 GHz als auch die 55 resonators. Da der Rutilresonator nicht nur eine hohe gewünschte Oberwelle von 24 GHz existieren. Dielektrizitätskonstante hat, sondern auch im Mikro-

In diesem speziellen Fall kann die Kombination wellen- und Millimeterwellenbereich fast verlustfrei aus Rutilresonator 21 und Flächendiode 26, 27 im ist, kann er mit kleinem Volumen hergestellt werden Betrieb beispielsweise einer _ViertelwellenIängen- und trotzdem eine starke Konzentration des elektroleitung gleichgesetzt werden, die auf eine bestimmte 60 magnetischen Feldes bewirken. Es ist daher möglich, Grundfrequenz und eine gewünschte ungerade Ober- eine Umsetzereinrichtung hohen Wirkungsgrades für welle dieser Grundfrequenz abgestimmt ist. Die den Millimeterwellenlängenbereich und darunter her-24-GHz-Oberwelle wird aus dem Rutilresonator 21 zustellen.

in den. Hohlleiter 12 gekoppelt und von diesem dann In F i g. 1 ist eine getrennte Vorspannungsquelle 32 über den verlaufenden Hohlleiterabschnitt 36 in den 63 dargestellt, die die für ein einwandfreies Arbeiten Hohlleiter 38, von dem das 24-GHz-Signal ausge- der Flächendiode 26, 27 erforderliche, in Sperrichkoppelt und dem Verbraucher 42 zugeführt wird. Bei tung gepolte Vorspannung liefert. Der Aufbau der dem verdreifachenden Oberwellengenerator mit den Dioden-Rutilresonatoranordnung 15 kann durch eine

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automatische Erzeugung der Vorspannung für die Diode vereinfacht werden, wobei dann die Leitungen 28, 29 und die Vorspannungsquelle 32 entfallen können. Zur automatischen Vorspannungserzeugung kann beispielsweise ein zwischen die Pille 27 und den S Körper 26 der Diode geschalteter Widerstand geeigneter Größe oder irgendeine andere bekannte Anordnung verwendet werden.

Bei der Beschreibung des in F i g. 1 dargestellten Rutilresonators 21 war angenommen worden, daß dieser aus einem Kristallkörper besteht. Der Rutilresonator wird empirisch oder unter Verwendung exakterer mathematischer Methoden in Verbindung mit der zusätzlichen Kapazität der Flächendiode für die gewählte Grundfrequenz und Oberwelle bemessen. Ein Oberwellengenerator mit einer auf einem Rutilresonator montierten Diode entsprechend der Anordnung 15 kann auf diese Weise so aufgebaut werden, daß er irgendeine Oberwelle aus einem weiten Bereich liefert. Er kann beispielsweise die zweite, *> vierte, fünfte, sechste oder höhere Oberwellen erzeugen. Der Konstrukteur kann die Anordnung 15 jeweils so auslegen, daß eine gewünschte Oberwelle entsteht.

Man kann zwar einen speziellen Rutilresonator so «5 herstellen, daß er bei einer bestimmten Oberwelle schwingt, es ist jedoch unter Umständen nicht möglich, Resonanzfrequenzen bei gewünschten Oberwellenverhältnissen im Rutilresonator zu finden. In anderen Fällen kann es unmöglich oder unzweckmäßig sein, die Flächendiode auf dem Rutilresonator so anzuordnen, daß sie mit dem elektrischen Hauptfeld sowohl der Grundwelle als auch der gewünschten Oberwelle in Wechselwirkung tritt. Das Rutilelement kann auch beispielsweise bei einer Oberwelle, z.B. der dritten, schwingen, nicht jedoch bei einer anderen gewünschten Oberwelle, beispielsweise der zweiten.

Um eine größere Freizügigkeit hinsichtlich der Betriebsfrequenz zu erreichen, kann ein TEM-Rutil-Koaxialresonator verwendet werden. F i g. 6 a ist eine *o Seitenansicht, die die gekrümmte Fläche eines solchen Rutilresonators 21' zeigt, während in Fig. 6b die ebene Stirnfläche dieses Resonators zu sehen ist. Auf der Stirnfläche des Resonators 21' ist nahe dem Rand eine Halbleiterflächendiode 26' veränderlicher Kapazität angeordnet. Eine öffnung 59 erstreckt sich in Längsrichtung durch den Resonator 21', das Verhältnis der Radien des Resonators 21' und der öffnung 59 kann etwa 2: 1 betragen. Ein koaxialer Rutilresonator 21', wie er in F i g. 6 dargestellt ist, kann für eine größere Anzahl von Oberwellen einer bestimmten Grundfrequenz bemessen werden. Alle Oberwellen schwingen außerdem in derselben TEM-Schwingungsform. Ein Oberwellengenerator der in F i g. 1 dargestellten Art kann mit einer geeigneten Anordnung zur Kopplung des Rutilresonators mit dem Hohlleiter so aufgebaut werden, daß eine bestimmte der möglichen Oberwellen durch geeignete Wahl der Belastung einstellbar ist.

Eine weitere Abwandlung der Rutilresonatoranordnung ist in den Fig.7a und 7b dargestellt. Diese Anordnung enthält zwei massive zylindrische Rutilkörper 21 a, 21 b, zwischen denen eine Flächendiode 26" montiert ist. F i g. 7 a ist eine Stirnansicht der Anordnung, während die Seitenansicht der Fi g. 7b die gekrümmten Flächen der Körper 21 β, 216 zeigt. Die Diode 26" ist so angeordnet, daß sie mit den elektrischen Hauptfeldern beider Resonatoren

21a, Hb gekoppelt ist. Für die Arbeitsweise einer solchen Rutilresonatoranordnung ist es besonders vorteilhaft, wenn man den einen zylindrischen Resonator, z. B. den größeren Körper 21a, so bemißt, daß er in einem bestimmten Schwingungszustand bei der Grundfrequenz schwingt, während der kleinere Resonator 21 b so bemessen ist, daß er in einem entsprechenden Schwingungszustand bei der gewünschten Oberwelle schwingt, wenn die Anordnung durch über die Diode 26" eingekoppelte Signalenergie erregt wird. Der kleinere Resonator 21 b dient dabei also dazu, die Erzeugung des Oberwellensignals an der Diode zu fördern und verringert gleichzeitig die Anforderungen, die sonst hinsichtlich der Schwingungsfrequenzen an den Resonator 21a zu stellen wären. Man kann auf diese Weise sowohl die Grundwelle als auch die gewünschte Oberwelle mit gutem Wirkungsgrad an der Diode 26" erzeugen, ohne daß man dabei auf einen einzigen Rutilresonator für die beiden interessierenden Frequenzen angewiesen ist.

An Hand der F i g, 1 war eine spezielle nichtlineare Einrichtung in Form eines Oberwellengenerators beschrieben worden. F i g. 8 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen parametrischen Verstärker, der teilweise perspektivisch, teilweise als Blockschaltbild dargestellt ist. Ein zu verstärkendes Trägersignal wird über eine nur schematisch angedeutete Leitung 101 einem Anschluß eines Richtungskopplers mit vier Anschlüssen, z.B. eines Ferritzirkulators 71, zugeführt. Der Zirkulator 71 ist eine Einrichtung mit nichtreziproker Übertragungscharakteristik und überträgt Schwingungsenergie, die einem Anschluß zugeführt wird, nur zu dem in Richtung des Pfeiles 72 nächstfolgenden Anschluß. Ein dem Anschluß 70 zugeführtes Signal wird also beispielsweise nur zum zweiten Anschluß 73 übertragen. Schwingungsenergie, die dem zweiten Anschluß 73 von einer äußeren Einrichtung zugeführt wird, gelangt dementsprechend nur zum dritten Anschluß 74. In entsprechender Weise wird Schwingungsenergie, die dem dritten Anschluß 74 von außen zugeführt wird, nur zum vierten Anschluß 75, an den ein angepaßter Abschlußwiderstand 76 angeschlossen ist, geleitet. Der angepaßte Abschlußwiderstand 76 verhindert, daß Signalenergie zurück zum ersten Anschluß 70 reflektiert wird. Daß die Schwingungsenergie nur zum nächsten Anschluß weitergegeben wird, kann durch magnetisierte Ferrite erreicht werden. Nichtreziproke Einrichtungen sind bekannt, so daß sich eine weitere Beschreibung erübrigt (s. zum Beispiel »The Elements of Nonreciprocal Microwave Devices«, Proceedings of the IRE, Oktober 1956, S. 1345).

Das in den ersten Anschluß 70 des Zirkulators 71 eingespeiste Trägersignal, dessen Frequenz beispielsweise 8 GHz betrage, wird vom zweiten Anschluß 73 über eine beispielsweise koaxiale Leitung 78 und ein Kopplungsglied 79 in ein Ende eines metallischen Rechteckhohlleiterabschnittes 12 eingekoppelt. Signalenergie einer Pumpfrequenz, beispielsweise 25 GHz, wird von einer Pumpsignalquelle 80 über eine beispielsweise koaxiale Leitung 82 und ein Kopplungsglied 83, die nur schematisch angedeutet sind, in einen Hohlleiterabschnitt 81 eingespeist. An das eine Ende des Hohlleiterabschnittes 81 ist über eine Flanschanordnung 85 ein verlaufendes Übergangsstück 84 angeschlossen, dessen anderes Ende über eine entsprechende, jedoch größere Flanschanordnung 86 mit dem Hohlleiterabschnitt 12 verbunden

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ist, so daß die Pumpenergie in den Hohlleiterabschnitt 12 eingekoppelt wird. Das Ubergangsstück 84 ist so bemessen, daß möglichst wenig Signalenergie der Trägerfrequenz vom Hohlleiterabschnitt 12 in den Hohlleiterabschnitt 81 gelangt.

Am Hohlleiterabschnitt 12 ist eine Anordnung 15 montiert, die einen Rutilresonator 21 und eine auf diesem befindliche Halbleiterflächendiode 26' veränderlicher Kapazität umfaßt. Der Rutilresonator 21 mit der Kapazitätsvariationsdiode 26' ist durch eine nicht dargestellte Halterung in der Mitte des Hohlleiterabschnittes 12 angeordnet. Die Anordnung aus dem Rutilresonator 21 und der Diode 26' sowie die zugehörige Halterung kann entsprechend den F i g. 1 mit 3 ausgebildet sein, sie sind in Fig. 8 zur Vereinfachung der Zeichnung nur schematisch gestrichelt dargestellt. Auch der übrige Teil der Anordnung 15 einschließlich eines zylindrischen Metallteiles 24 und einer Kunststoffkappe 25 können der an Hand der F i g. 1 mit 3 beschriebenen Anordnung entsprechen. Eine Klemme der Diode 26' ist über eine Leitung 28 mit einer an der Kappe 25 befindlichen Klemme 30 verbunden, während der andere Anschluß der Diode 26' über eine Leitung 29 mit einer zweiten Klemme 31 an der Kappe 25 verbunden ist. Zwischen die Klemmen 30, 31 sind in Reihe zwei Hochfrequenz-Ableitkondensatoren 33, 34 geschaltet, die nur gestrichelt angedeutet sind, und der Verbindungspunkt der Kondensatoren 33, 34 ist über eine an der Kappe 25 angeordnete dritte Klemme 35 mit Masse verbunden. An die Klemmen 30, 31 ist eine Gleichspannungsquelle 32 angeschlossen, die eine in Sperrichtung gepolte Vorspannung gewünschter Größe für die Diode 26' liefert.

Im Betrieb des in F i g. 8 dargestellten parametrischen Verstärkers breiten sich die Signalenergien der Trägerfrequenz und der Pumpfrequenz längs des Hohlleiterabschnittes 12 aus und werden magnetisch auf den Rutilresonator 21 gekoppelt. Der Rutilresonator 21 ist unter Berücksichtigung der durch die Diode 26' gebildeten zusätzlichen Kapazität so bemessen, daß er sowohl bei der Trägerfrequenz als auch bei der Pumpfrequenz Resonanzstellen aufweist. Durch die nichtlineare Wechselwirkung zwischen der Pumpfrequenz und der Trägerfrequenz an der Diode 26' entsteht Signalenergie einer dritten Frequenz (Idlerfrequenz), die gleich der Differenz zwischen der Pump- und Trägerfrequenz ist und bei dem vorliegenden Beispiel 13 GHz beträgt. Die durch die Diode 26' gebildete veränderliche Kapazität wird mit der Summe von Träger- und Idlerfrequenz ausgesteuert, wobei Energie von der Pumpfrequenz auf die Trägerfrequenz übergeht. Die Wirkungsweise ist ähnlich wie bei einem gegengekoppelten parametrischen Verstärker. Die resultierende verstärkte Signalenergie der Trägerfrequenz von 8 GHz gelangt zurück zum zweiten Anschluß 73 des Zirkulators 71 und von dort zum dritten Anschluß 74, von wo sie über eine nur schematisch angedeutete Leitung 100 einem nicht dargestellten Ausgangskreis oder Verbraucher zugeführt werden kann. Die nur schematisch angedeutete Leitung 100 enthält die üblichen Filteranordnungen, um das Nutzsignal der Trägerfrequenz von anderen unerwünschten Signalen zu trennen, die am dritten Anschluß 74 des Zirkulator 71 auftreten können. Signalenergie, die etwa von der Leitung 100 zurück zum Anschluß 74 reflektiert wird, gelangt zum vierten Anschluß 75 und wird in

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dem an diesen angeschlossenen Widerstand 76 vernichtet, ff:

Im Idealfall ist der Rutilresonator 21 so bemessen, daß er bei den interessierenden Träger-; Pump- und S Idlerfrequenzen schwingt.' In der Praxis bereitet es keine Schwierigkeiten, einen RutUresonator herzustellen, der bei zweien der interessierenden Frequenzen einwandfrei schwingt Die Forderung, daß der RutUresonator bei allen drei interessierenden Freie quenzen einwandfrei schwingen soll, ist jedoch nicht immer ohne weiteres zu erreichen, insbesondere, da die Frequenzen nicht notwendigerweise in einem harmonischen Verhältnis zueinander stehen und sehr verschieden sein können. Es gibt verschiedene Mögts lichkeiten, diese Schwierigkeiten zu verringern. An der Wand des HohUeiterabschnittesll kann nahe der Dioden-Rutilresonatoranordnung 15 ein abstimmbarer Wellenleiterhohlraum angeordnet werden. Durch Abstimmen des zusätzlichen Hohlraumes auf eine μ der drei interessierenden Frequenzen, z. B. die Pumpfrequenz, kann der Rutilresonator 21 zum Schwingen auf dieser Frequenz angeregt werden, auch wenn er sonst bei dieser Frequenz nicht schwingen würde. Der Rutilresonator 21 führt dann also alle drei Frequenzen an der Diode 88, die in der gewünschten Weise parametrisch arbeitet

Der in Fig. 8 dargestellte RutUresonator 21 kann entsprechend Fig. 7 aufgebaut sein. In diesem Falle ist der größere Rutilkörper 21a für zwei der interessierenden Frequenzen, z. B. die Trägerfrequenz und die Idlerfrequenz, bemessen, während der kleinere Rutilkörper 216 für die höhere oder Pumpfrequenz ausgelegt ist Die in F i g. 8 dargestellte Diode 26" ist so angeordnet daß sie mit den elektrischen Feldern der interessierenden Frequenzen in den beiden Resonatoren gekoppelt ist, so daß diese Frequenzen in der Diode 26" in Wechselwirkung treten und die gewünschte parametrische Verstärkung eintritt.

F i g. 9 zeigt in einem vereinfachten Schaltbild wie die. Anordnung der F i g. 1 zu einer Mischstufe abgewandelt werden kann. Der Block 15 in F i g. 9 stellt eine Kapazitätsvariationsdiode, die auf einem Rutilresonator montiert ist, dar. Die Anordnung 15 kann wie die AnordnunglS der Fig. 1 aufgebaut sein. Eine Gleichspannungsquelle 32 entspricht der Gleichspannungsquelle 32 in F i g. 1 und liefert die erforderliche, in Sperrichtung gepolte Vorspannung für die Flächendiode der Anordnung 15. In den Gleich- Stromkreis zwischen der Anordnung 15 und der Stromquelle 32 ist eine Eingangsschaltung geschaltet, die eine Induktivität 107 und zwei Eingangsklemmen 108, 109 umfaßt. Die Stromquelle 32 ist für Hochfrequenz durch einen KondensatorllO überbrückt.

Ein Eingangssignal einer ersten Frequenz wird über die Klemmen 108, 109 an die Induktivität 107 gelegt, so daß die Sperrspannung und damit die Kapazität der in der Anordnung 15 enthaltenen Flächendiode entsprechend der Frequenz, des zugeführten Eingangs signals schwanken. Das Eingangssignal der ersten Frequenz tritt dann an der Diode mit einem Signal einer zweiten Frequenz in Wechselwirkung, das vom Wellenleiter 12 (Fig. 1) magnetisch auf den Rutilresonator der Anordnung 15' gekoppelt wird. Der Rutilresonator ist in der oben beschriebenen Weise so bemessen, daß er bei der ersten und der zweiten Frequenz und der Summen- oder Differenzfrequenz, die bei der Wechselwirkung der ersten und zweiten

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Frequenz an der Diode entstehen, schwingt. Zur Auskopplung der gewünschten Summen- oder Differenzfrequenz kann ein verlaufendes Wellenleiterübergangsstück wie in F i g. 1 oder irgendeine andere geeignete Anordnung verwendet werden.

Fig. 10 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht einen Tunneldiodenverstärker. An einem Hohlleiter 12 ist eine Anordnung 15" ans einem Rutilresonator, auf dem sich eine Tunneldiode 113 befindet, angebracht. Der Aufbau der Dioden-Rutilresonatoranordnung und ihrer Halterung im Hohlleiter 12 kann den oben beschriebenen Beispielen entsprechen, die Anordnung ist daher nur schematisch gestrichelt dargestellt. Die Tunneldiode 113 ist derart an der Oberfläche des Rutilresonators 21 angebracht, daß sie mit dem an der Oberfläche des Rutilresonators herrschenden elektrischen Hauptfeld der interessierenden Frequenz gekoppelt ist. Der Tunneldiode 113 wird von einer Gleichspannungsquelle 32 eine in Flußrichtung gepolte Vorspannung von beispielsweise etwa 100 Millivolt über Klemmen 30, 31 und Leitungen 28, 29 zugeführt. Die Anordnung 15" enthält wie das in den F i g. 1, 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei Hochfrequenz-ÜberbrUckungskondensatoren 33, 34, die zwischen eine mit Masse verbundene Klemme 35 und die Klemmen 30 geschaltet sind.

Ein zu verstärkendes Signal einer gegebenen Frequenz wird einem ersten Anschluß 70 eines Ferritzirkulators 71 zugeführt. Der Zirkulator 71 kann hinsichtlich Aufbau und Arbeitsweise dem Zirkulator 71 der F i g. 8 entsprechen. Das dem ersten Anschluß 70 zugeführte Signal wird vom zweiten Anschluß .73 des Zirkulators über eine Koaxialleitung 78 und ein Kopplungsglied 79 in den Hohlleiter 12 eingekoppelt. Vom Hohlleiter 12 wird das Signal magnetisch auf den Rutilresonator 21 gekoppelt, welcher so bemessen ist, daß er bei der gegebenen Frequenz schwingt. Um eine optimale Kopplung zwischen dem Hohlleiter 12 und dem Rutilresonator 21 zu gewährleisten, ist ein verstellbarer Kurzschlußschieber 131 vorgesehen. Die mit dem resultierenden elektrischen Feld auf der Oberfläche des Rutilresonators 21 ge-• koppelte Tunneldiode 113 bildet entsprechend dem Wert der angelegten Flußvorspannung einen negativen Widerstand und verstärkt daher das Signal. Das magnetisch vom Rutilresonator auf den Hohlleiter 12 gekoppelte Signal gelangt zurück zum zweiten Anschluß 73 des Zirkulators 71 und von dort über einen dritten Anschluß 74 zu einem Ausgangskreis, der über eine nur schematisch angedeutete Leitung 100, die die üblichen Filter enthält, mit dem Anschluß 74 verbunden ist. Signale, die etwa von der Leitung 100 zum dritten Anschluß 74 reflektiert werden, gelangen über einen vierten Anschluß 75 des Zirkulators 71 zu einem Abschlußwiderstand 76. in dem sie absorbiert werden, so daß am ersten Anschluß 70 keine reflektierten Signale auftreten können.

Fig. 11 zeigt, wie die in Fig. 10 dargestellte Anordnung zu einem Tunneldiodenoszillator abgewandelt werden kann. In den Fig. 10 und 11 sind entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die der Tunneldiode 113 von der Vorspannungsquelle 32 zugeführte Flußspannung wird so bemessen, daß die Tunneldiode 113 in Kombination mit dem Rutilresonator 21 schwingt. Der Rutilresonator 21 ist so bemessen, daß die Tunneldiode 113 102

mit einem elektrischen Hauptfeld der gewünschten Schwingungsfrequenz auf der Oberfläche des Rutilresonators 21 gekoppelt ist. Die entstehende Schwingungsenergie wird magnetisch auf den Hohlleiter 12 gekoppelt, das Optimum der Kopplung kann durch den Abstimmschieber 131 eingestellt werden. Ein Auskopplungsglied 79 und eine Koaxialleitung 78 oder irgendeine andere wirkungsgleiche Anordnung dienen zur Auskopplung der Schwingungsenergie aus to dem Hohlleiter 12. Für eine Tunneldiodenmischstufe kann eine F i g. 8 ähnliche Anordnung verwendet werden. Die Diode 26' wird dann durch eine Tunneldiode ersetzt, und das Ausgangssignal kann an den Klemmen 30, 31 abgenommen werden. »5 Titandioxyd oder Rutil wird als Werkstoff für den Resonator bevorzugt, da sich dieses Material besonders gut eignet. Selbstverständlich können für den Resonator auch andere Werkstoffe mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden. Jedes verlustarme *o dielektrische Material mit hoher Dielektrizitätskonstante kann in Verbindung mit dem nichtlinearen Element verwendet werden. Der Resonator muß nicht notwendigerweise zylindrisch oder scheibenförmig sein. Die Form des Resonators hängt von den »5 Erfordernissen des speziellen Anwendungsgebietes ab. Zylindrische Scheiben und zylindrische Scheiben mit Mittelloch sind jedoch besonders geeignet, da gewünschte Schwingungsformen unterhalten, unerwünschte Schwingungsformen jedoch unterdrückt werden.

Bisher wurde nur immer von einer einzigen Flächendiode oder einem einzigen nichtlinearen Element am Resonator gesprochen. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. F i g. 12 zeigt beispielsweise eine Scheibe 134 aus Rutil, die im wesentlichen dem in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Resonator21 entspricht. Auf der einen ebenen Stirnfläche in der Nähe des Randes der Scheibe 134 befinden sich drei im Abstand voneinander angeordnete Halbleiter flächendiode!! 135, 136, 137. Die Vorspannung für die Dioden kann von außen zugeführt oder automatisch erzeugt werden. Wenn man mehr als eine Diode vorsieht, nimmt der Grad der bei einer gegebenen Anordnung möglichen nichtlinearen Wechselwirkung bei der Signalumsetzung zu.' Wenn man beispielsweise bei dem in F i g. 8 dargestellten parametrischen Verstärker auf dem Resonator 21 mehr als eine Diode anbringt, nimmt die nichtlineare Wechselwirkung zwischen Pump-, Idler- und Trägerfrequenz entsprechend der Anzahl der verwendeten Dioden zu, und es ergibt sich, selbstverständlich in Grenzen, ein entsprechend höherer Verstärkungsgrad. An Stelle der in Fig. 12 dargestellten drei Flächendioden kann selbstverständlich entsprechend den Erforder nissen eines speziellen Anwendungsgebietes eine be liebige Anzahl von Flächendioden oder nichtlinearen Elementen verwendet werden.

An Stelle der nichtlinearen Flächendioden, die bei den beschriebenen Ausführungsformen als aktives Element verwendet wurde, können auch andere nichtlineare Materialien in Form eines Körpers oder einer dünnen Schicht in Verbindung mit einem Rutilresonator zur Verstärkung, Schwingungserzeugung, Modulation, Oberwellenerzeugung usw. verwendet wer- den. Die Flächendioden der verschiedenen Ausführungsbeispiele können beispielsweise durch ein nichtlineares Element in Form eines Körpers oder einer dünnen Schicht aus Ferrit ersetzt werden.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Für Frequenzen bis einschließlich des Millimeter- und SubmiUimeterwellenlängengebietes geeignete Einrichtung zur Verarbeitung von S elektrischer Signalenergie mit einem Resonator, einer Anordnung zur Erregung des Resonators und/oder Auskopplung von Energie aus diesem Resonator und mindestens einem nichtlinearen Element, das mit dem elektromagnetischen Feld des Resonators gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (21) ein Material hoher DielektrizitiLtskonstante enthält und in einen ein Medium niedrigerer Dielektrizitätskonstante enthaltenen Innenraum eines Hohl- Ieiters (12) eintaucht und daß das nichtlineare Element auf dem Resonator an der Grenzfläche zwischen dem Material hoher Dielektrizitätskonstante und dem Medium niedrigerer Dielektrizitätskonstante angeordnet ist. ao

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus einem massiven, isolierenden Körper besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus einer »5 dünnen isolierenden Schicht besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator die Form einer kreis- oder ringförmigen Scheibe (134) hat, bei der die Hauptkomponente des elektrischen Feldes tangential und azimutal beim gekrümmten Rand, der Scheibe verläuft, und daß das oder die nichtlinearen Elemente (135, 136, 137) nahe des Randes derart montiert sind, daß eine maximale Kopplung zwischen der elektrischen Feldkomponente und den nichtlinearen Elementen gewährleistet ist (F i g. 12).

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (21') die Form eines Hohlzylinders mit flachen Enden hat und einen TEM-Koaxial-Resonator bildet, bei dem das elektrische Feld hauptsächlich als tangentiale und azimutale Feldkomponente in der Nähe des gekrümmten Randes des Zylinders auftritt, und daß mindestens ein nichtlineares Element (26') in der Nähe des Randes des Resonators so montiert ist, daß eine maximale Kopplung von elektrischer Energie zwischen der elektrischen Feldkomponente und dem oder den Elementen auftritt.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Element eine in Sperrrichtung vorgespannte Kapazitätsvariationsdiode ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-

lineare Element eine in Flußrichtung. vorgespannte Tunneldiode ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tunneldiode so Vorgespannt ist, daß der Resonator bei einer gewünschten Frequenz schwingt

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator so bemessen ist, daß er bei zwei verschiedenen Frequenzen zu schwingen vermag.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator zwei massive zylindrische Körper (21 a, 216) enthält, , die so bemessen sind, daß sie bei einer ersten bzw. bei einer zweiten hohen Frequenz schwingen, daß mindestens ein nicfatlineares Element (26") zwischen den Körpern derart montiert ist, daß es mit der Hauptkomponente des elektrischen Feldes der ersten Frequenz des ersten Körpers gekoppelt ist, daß vom Hohlleiter (12) elektrische Energie der ersten Frequenz auf den ersten Körper gekoppelt ist und daß elektrische Energie der zweiten Frequenz aus dem zweiten Körper ausgekoppelt wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (21) so bemessen ist, daß er bei einer der Idlerfrequenz entsprechenden dritten Hochfrequenz schwingt, daß mindestens eine Halbleiterdiode (260 ds nichtlineares Element auf dem Resonator montiert ist und mit den am Resonator bei der Pump-, Träger- und Idlerfrequenz auftretenden elektrischen Feldern derart gekoppelt ist, daß die Diode oder Dioden eine nichtlineare Wechselwirkung der Pump- und Trägerfrequenz bewirken und den Resonator bei der Idlerfrequenz schwingen lassen, daß der Hohlleiter (12) für die Trägerund Pumpfrequenz magnetisch mit dem Resonator gekoppelt ist, und daß eine magnetische Kopplung mit dem Resonator vorgesehen ist, um verstärkte Signalenergie der Trägerfrequenz aus dem Resonator auszukoppeln.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste zylindrische TeU (21 β) des Resonators so bemessen ist, daß es bei der Träger- und der Idlerfrequenz schwingt, daß der zweite zylindrische TeU (21b) so bemessen ist, daß es bei der Pumpfrequenz schwingt, und daß zwischen diesen Teilen mindestens eine Diode (26") derart montiert ist, daß sie mit den bei der Träger- und Idlerfrequenz auftretenden elektrischen Feldern des ersten TeUes und mit dem bei der Pumpfrequenz auftretenden elektrischen Feld des zweiten Teiles des Resonators gekoppelt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen