DE1591346A1 - Parametrischer Mikrowellenverstaerker - Google Patents

Description

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N 5o4

North American Rockwell Corporation 17oo East Imperial Highway,

El Segundo, California, U.S.A.

"Parametrischer Mikrowellenverstärker"

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiteraufbau und dessen Verwendung in einem breitbandigen parametrischen Mikrowellenverstärker.

Der Hauptumstand, der die Empfindlichkeit von Mikrowellenempfängern begrenzt, ist das Rauschen, das der zur Verstärkung solcher Signale vor der Demodulation verwendeten Anlage anhaftet. Während Verstärkung mit niedrigem Rauschanteil durch Verwendung von Maserverstärkern erreicht werden kann, sind diese Anlagen im Betrieb auf die natürlichen Frequenzen des Masermaterials eingeschränkt und müssen gewöhnlich in einer supraleitenden Umgebung betrieben werden. Eine bessere

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Lösung ist die Verwendung eines parametrischen Verstärkers, bei dem Energie von einer starken Pumpschwingung mittels eines eine nichtlineare Reaktanz aufweisenden Bauteils auf das Signal gekoppelt wird. Die parametrische Verstärkung ermöglicht einen Betrieb mit extrem niedrigem Rauschanteil, ohne die Notwendigkeit des Kühlens.

Typische bekannte parametrische Verstärker für Mikrowellen verwenden einen Aufbau mit zwei benachbarten Wellenleiterhohlräumen, von denen der eine auf die Signalfrequenz und der zweite auf die Pumpfrequenz abgestimmt ist. Eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode mit nichtlinearer Kapazität ist in einer öffnung in einer gemeinsamen Wand zwischen den zwei Hohlräumen befestigt und zur gegenseitigen Beeinflussung mit der Energie in dem Pump- und Signalhohlraum gekoppelt.

Ein anderer typischer parametrischer Verstärkeraufbau hat einen rechteckigen Wellenleiter, der die Pumpenergie enthält. Eine Varaktordiode, die koaxial in einem kreisförmigen Wellenleiter befestigt ist, schneidet eine Wand des rechteckigen Wellenleiters und dient als erforderliche nichtlineare Kapazität. Das Signal kann in den kreisförmigen Wellenleiter eingeführt und Energie kann entweder mit der Signalfrequenz über den kreisförmigen Wellenleiter oder mit der Nebenfrequenz (idler frequency) über den recht-

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eckigen Wellenleiter herausgeführt werden.

Während die oben beschriebenen parametrischen Verstärker über einen begrenzten Frequenzbereich abgestimmt werden können, sind sie im wesentlichen Schmalbandverstärkervorrichtungen. Bekannte breitbandige parametrische Verstärker erforderten die Verwendung umfangreicher mechanischer Bauteile. Typischerweise verwenden diese Anordnungen eine Reihe induktiv gekoppelter Mikrowellenhohlräume, von denen jeder individuelle Signal-, Neben- und Pumpresonanzkammern und jeweils eine Varaktordiode enthält. Die Hohlräume sind in Kaskade geschaltet, und die Pumpenergie ist mit passender Phasenbeziehung an die Dioden gelegt, um parametrische Verstärkung mit Wanderwellen zu ermöglichen. Während Breitbandigkeit erreicht werden kann, ist das System mechanisch schwerfällig und erfordert eine Vielzahl von Hohlräumen und beachtliche Sorgfalt, um die richtige Phase der Pumpenergie an/jeder Diode aufrechtzuerhalten.

Der Wellenleiteraufbau nach der vorliegenden Erfindung hat einen Pseudohohlraumbereich, der das Aufrechterhalten der Pump- und Nebenfrequenz in einem kleinen Abschnitt des Wellenleiters ermöglicht. Der Aufbau erlaubt eine wirksame parametrische Wechselwirkung zwischen dem in dem Wellenleiter vorhandenen Signal relativ niedriger Frequenz und einer Pumpfrequenz, die beachtlich höher liegt. Der Aufbau ist mechanisch einfach, und

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bei Verwendung in einem parametrischen Verstärker erfordert er nur ein rückwirkendes Element und ermöglicht Verstärkung mit einem hohen Prozentanteil Bandbreite.

Die Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, die Darstellungszwecken dient.

Fig. 1 ist ein auseinandergebrochener Aufriß des Mikrowellenleiterauf baus nach der Erfindung mit Kanälen, die einen Pseudohohlraumbereich in dem Wellenleiter begrenzen;

Fig. 2 ist ein Aufriß, der die Innenfläche des in Fig. 1 dargestellten Wellenleiteraufbaus zeigt;

Fig. 3 ist ein Diagramm der möglichen elektrischen Feldverteilung innerhalb der Kanäle des Pseudohohlraumes, gesehen in einer Ebene längs der Linie 3-3 der Fig. 2;

Fig. 4 ist ein Diagramm einer möglichen elektrischen Feldverteilung innerhalb eines Abschnittes des Pseudohohlraumes, gesehen in einer Ebene längs der Linie 4-4 der Fig. 1;

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die das Spektrum des erfindungsgemässen breitband igen parametrischen Ver-209811/0407

stärkers zeigt;

Fig« 6 ist ein Blockschaltbild des breitbandigen parametrischenFerstärkers nach der Erfindung, in dem der Wellenleiteraufbau nach Fig. 1 und 2 verwendet ist.

Der parametrische Breitband-Mikrowellenverstärker, der das Wesentliche dieser Anmeldung bildet, enthält den neuen Wellenleiteraufbau, der in Fig. 1 dargestellt ist. Der Wellenleiteraufbau umfaßt vier Hauptabschnitte loa, lob, loc und Iod, die zu einem einheitlichen Aufbau zusammengefügt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform kann jeder der Abschnitte loa, lob, loc und Iod aus einem festen Metallblock, wie Kupfer mit hoher Leitfähigkeit, gefräst werden. Zur Sicherung der genauen Ausrichtung der zusammengebauten Abschnitte können Dübelstifte (in denFiguren nicht dargestellt) verwendet werden. Nach einer anderen Möglichkeit kann der Aufbau aus einem einzigen Block, beispielsweise durch Giessen, hergestellt werden. Die Innenfläche des zusammengefügten V,^rellenleiteraufbaus wird in Fig. 2 dargestellt.

V/ie in den Fi^. 1 und 2 dargestellt, imfaßt der Wellenleiteraufbau einen Wellenleiterabscl>i;itt 2o, der sich durch die Ab-

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schnitte loa, lob und loc erstreckt und an der Kurzschlußebene oder Wand 24 des Abschnittes Iod endet. Ein zweiter Wellenleiter 4o, der eine Breite a¹ und eine Höhe b^f hat, erstreckt sich ebenfalls von der Wand 24 aus und endet in der Öffnung 45. Das Ende des Wellenleiterabschnitts 2o gegenüber der Wand 24 ist offen und bildet eine Öffnung 25. Der Wellenleiterabschnitt 2o hat eine Breite a und eine Höhe b, wobei letztere zwischen dem oberen Ende 21 und dem Boden 22 des Wellenleiterabschnitts 2o gemessen ist. Wie dem Fachmann bekannt ist, hat die niedrigste Frequenz des Signals, das sich in dem Wellenleiterabschnitt 2o fortpflanzen kann, eine Wellenlänge im freien Raun ^^e gleich 2a ist. Der Wellenleiterabschnitt 4q dessen Breite a' beträchtlich schmäler ist als a, hat daher eine niedrigste Fortpflanzungsfrequenz, die beträchtlich höher ist als die des Wellenleiterabschnitts 2o. Die Wand 24 und der Wellenleiter 4o erscheinen daher für ein sich in dem Wellenleiterabschnitt 2o beim Betrieb mit niedrigster Frequenz fortpflanzendes Signal als Kurzschlußkreis .

Vom oberen Ende 21 und vom Boden 22 des Wellenleiterabschnittes 2o aus erstrecken sich jeweils im wesentlichen U-förmige Kanäle 3oa und 3ob. Diese Kanäle, die gegen die Wand 24 enden können, begrenzen einen Pseudohohlraumbereich 35 des Wellenleiterabschnittes 2o. Die Kanäle 3oa und 3ob umfassen jeweils Iindabschnitte 31a und 31b, erste Seitennutabschnitte 32a uid

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32b und zweite Seitennutabschnitte 33a und 33b. Die Endabschnitte 31a und 31b können durch Fräsen einer rechteckigen Öffnung 31 im Abschnitt lob gebildet werden, wie aus Fig, I ersichtlich. Die Nutabschnitte 32 und 33 können durch Fräsen geeigneter Schlitze durch den Abschnitt loc gebildet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der Kanäle 3oa und 3ob gleich t, d.h. die Endabschnitte 31a und 31b und die Seitennutabschnitte 32 und 33 haben dieselbe Dicke t. Die Länge und die Breite des Pseudohohlraumabschnittes 35 sind entsprechend durch 1 und w gegeben, wie in Fig« I dargestellt ist. Die Kanäle 3oa und 3ob erstrecken sich bis zu einer Tiefe d über und unter dem oberen Ende 21 und dem Boden 22 des Wellenleiters. Die Kriterien für die Wahl der verschiedenen Dimensionen t, 1, w und d sind unten im einzelnen im Zusammenhang mit der liirkungsbeschreibung des Pseudohohlraumbereiches 35 beschrieben.

In dem Pseudohohlraumbereich 35 ist eine Varaktordiode 12 angeordnet, die über einen durch das Loch 16b im Block loc eingeführten Draht mit einer Gleichstromvorspannung gespeist sein kann (vgl. Fig. 1). Eine zweite Verbindung zu der Varaktordiode 12 ist durch einen Punktkontakt 14 (in Fig. 2 nicht dirgestellt) vorgesehen, der sich vom Boden 22 des Wellenleiterabschnittes 2o aus erstreckt. Der Punktkontakt 14 kann durch das Ende eines Metallstabes gebildet und in ein Loch 16a im

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Abschnitt lob eingesetzt sein.

Die Wirkungsweise des Pseudohohlraumbereiches 35, der im wesentlichen durch U-förmige Kanalteile 3oa und 3ob begrenzt ist, kann am besten im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 verstanden werden, die entsprechend nach den Linien 3-3 der Fig. 2 und 4-4 der Fig. 1 dargestellt sind. Im besonderen zeigen die Fig. und 4 typische elektrische Felder, die in den Kanälen 3oa und 3ob induziert werden, wenn diese Kanäle die bevorzugten Dimensionen haben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Tiefe d der Kanäle 3oa und 3ob im wesentlichen gleich einem Viertel der Wellenlänge der Energie, die innerhalb des Pseudohohlraumbereiches 35 zu erzwingen gewünscht wird. Bei in geeigneter Weise eingeführter Energie wird dadurch sichergestellt, daß das elektrische Feld (dargestellt durch Pfeile 15 in Fig. 3 und 4) in den Ebenen der oberen Fläche und der Bodenfläche und 22 des Wellenleiterabschnittes 2o ein Maximum hat. Auf diese Weise trifft eine in den Pseudohohlraumbereich 35 eingeführte Welle (z.B. über den Wellenleiterabschnitt 4o) an der Peripherie des durch die Kanäle 3o begrenzten Pseudohohlraumbereiches 35 auf eine sehr hohe Impedanz,

Es ist zu bemerken, daß die Energie in dem Pseudohohlraumbe-

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reich 35 erzwungen wird und sich nicht über den durch die im wesentlichen U-förmigen Kanäle 3oa und 3ob begrenzten Bereich in dem Wellenleiterabschnitt Zo erstreckt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Breite w des Pseudohohlraumbereichs 35 im wesentlichen gleich einer Integralzahl von einer halben Hohlleiterwellenlänge. In ähnlicher Weise ist die bevorzugte Länge 1 des Pseudohohlraumbereiches 35 gleich einer Integral zahl einer halben Hohlleiterwellenlänge plus einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge« Diese bevorzugten Werte sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt, die die elektrische Feldverteilung der in den Pseudohohlraumbereich 35 eingeführten Energie vom Wellentyp TE, , (Transversal-elektrischer Typ oder H-Welie) zeigen.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 und 4 kann die Varaktordiode 12 eine Dreiviertelwellenlänge von der Wand 24 und in der Mitte zwischen den Nutabschnitten 32a und 32b angeordnet sein. Wie dargestellt, ergibt dies für Energie vom Wellentyp TE, ,, die in den Pseudohohlraumbereich 35 eingeführt wird, an der Stelle der Varaktordiode 12 ein elektrisches Feldmaximum.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sollte die Dicke t der Nutabschnitte der Kanäle 3oa und 3ob weniger als die Hälfte der Tiefe d der Nutabschnitte 22 und 23 sein. Ein optimaler Wert der Dicke t liegt bei einem Zehntel der Ilohlleiterwellen-

, Eine prossere Diele t l.ann Störwell.en in den Kanälen 3oa 209Ö11/OAOV

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-lo-

und 3ob ergeben, was eine wesentliche Beeinträchtigung für das Erzwingen der Energie in dem Pseudohohlraumbereich 35 mit sich bringt. Da die Dicke t wesentlich geringer ist als die Breite des Wellenleiterabschnittes 2o erfährt eine relativ niedrige in den Wellenleiterabschnitt 2o eingeführte Frequenz wegen des Vorhandenseins der Kanäle 3oa und 3ob nur eine sehr kleine induktive Störung. Auf diese Weise kann ein Signal mit einer ersten relativ niedrigen Frequenz (eingeführt durch die Öffnung 25) durch den ganzen Wellenleiterabschnitt 2o zu derselben Zeit vorhanden sein wie eine Welle mit einer zweiten sehr viel höheren Frequenz (eingeführt durch die Öffnung 45 und den Wellenleiter 4o) nur in dem Pseudohohlraumbereich 35 des Wellenleiterabschnittes 2o vorhanden ist,

Signale mit einer Viertel-Hohlleiterwellenlänge (/[g/4), die etwas kleiner oder grosser als d ist, werden auch etwas durch die Kanäle 3oa und 3ob in dem Pseudohohlraumbereich 35 erzwungen. Jedoch wird ihre Stärke gegenüber dem Optimalwert etwas verringert, der erhalten wird, wenn die Tiefe d der Kanäle genau gleich /Ig/4 ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Pseudohohlraumbereich 35 zum Erzwingen von Energie mit verschiedenen nahe beieinanderliegenden Frequenzen zu verwenden.

Bei einer anderen Ausführungsform des Iv'ellenleiteraufbaus nach der Erfindung (nicht dargestellt) kann sich ein zweites

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Paar Kanäle vom oberen Ende zum Boden des Wellenleiters 2o erstrecken, um einen zweiten Pseudohohlraumbereich zu bilden, der den ersten Pseudohohlraumbereich umgibt. Dieser zweite Bereich kann dann zum Aufrechterhalten der Restenergie dienen, die nicht vollständig in dem ersten kleineren Pseudohohlraumbereich enthalten ist. Bei noch einer anderen Ausführungsform können zwei benachbarte Pseudohohlraumbereiche in demselben Wellenleiter gebildet sein. Wenn entsprechende Sorgfalt aufgewendet wird, um das Auftreten von Störwellen zu verhindern, können die Seitennutabschnitte eines Pseudοhohlräumes gleichzeitig als Seitennutabschnitte des benachbarten Kanals verwendet werden, auch wenn die zwei benachbarten Bereiche verschiedene Grosse haben.

Weiterhin ist es klar, daß innerhalb des Erfindungsgedankens verschiedene andere Abänderungen des Wellenleiteraufbaues 2o durchgeführt werden können. Beispielsweise ist es nicht notwendig, daß die Kanäle 3oa und 3ob gegen die Wand 24 grenzen, obwohl dies in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die Kanäle 3oa und 3ob können auch durch einen Abstand von der Wand 24 getrennt sein und andere Nutabschnitte zur Bildung von im wesentlichen rechteckigen Kanälen haben. Diese Kanäle begrenzen dann einen rechteckigen Pseudohohlraumbereich innerhalb des Hauptwellenleiters 2o, in welchen Bereich Energie eingeführt werden kann, beispielsweise durch einen Koaxialwellenleiter, der durch das obere Ende 21 und den Boden 22 eingeführt wird. Nach einer

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anderen Möglichkeit kann ein Pseudohohlraumbereich 35 mit nur einem Kanal verwendet werden, der sich entweder vom oberen Ende 21 oder vom Boden 22 aus erstreckt. Eine solche Ausführungsform würde etwas weniger Energie enthalten als die darges teilten Ausführungsformen, könnte jedoch für verschiedene Anwendungen vorteilhaft sein, wenn es unpraktisch ist, Nutabschnitte in einer Wellenleiterwand zu fertigen.

Die oben beschriebenen Charakteristiken zeigen, daß der Wellenleiteraufbau, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, gut für die Anwendung in einem parametrischen Mikrowellenverstärker geeignet ist, der für Breitbandbetrieb ohne Rückkopplung verwendbar ist.

Die Theorie der parametrischen Verstärkung ist im Schrifttum ausführlich beschrieben, wie beispielsweise in dem Lehrbuch "Coupled Mode and Parametric Electronics" von William H. Louiseil, veröffentlicht im Jahre 196o von John Wiley und Sons, New York. Grundsätzlich umfaßt die parametrische Verstärkung das Mischen eines Signals bei einer Frequenz U)$ - Ο/ΙΓ mit einer starken Energiequelle, Pumpe genannt, die eine Frequenz Ci)phat. (In der folgenden Diskussion wird der Ausdruck "Frequenz" zur Bezeichnung der Kreisfrequenz^KX^ ·^ verwendet, wobei f die interessierende Frequenz ist).B£im Kombinieren in Gegenwart einer nichtlinearen Reaktanz (z.B. einer Varaktordiode) wird Energie zwischen die Pumpe und das Signal gekoppelt*

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Die gegenseitige Beeinflussung ergibt Energie mit zwei zusätzlichen FrequenzenGO-i.^rU.Uty-U^NfiundiU}^-kV*k'^ » diese werden Nebenfrequenzen genannt. Parametrische Verstärkung ohne Rückkopplung tritt auf, wennG3p nicht g

Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die ein Spektrum der parametrischen Verstärkung zeigt. Der parametrische Breitbandverstärker nach der Erfindung kann in entsprechender Weise betrieben werden. Wie in Fig. 5 angegeben ist, bedeutet die volle Linie 51 die bei der Signalfrequenz OJs, der Mittenfrequenz des Verstärkungsbandes, vorhandene Energie. In ähnlicher Weise bedeutet die Linie 52 die Energie der Pumpfrequenz (jjp, . Die Linien 53 und 54 bedeuten Energie der Nebenfrequenz entcK. \ und U-U-^L bei gegenseitiger parametrischer Beeinflussung. ·

Für eine optimale parametrische Breitbandverstärkung mit nahezu gleichem Gewinn über das interessierende Band ist es erwünscht, ein Eingangsbandpaßfilter zu verwenden, um die Bandbreite des zu verstärkenden Signals zu bestimmen. Weiterhin ist es erwünscht, eine extreme Trennung zwischen den Frequenzen i-wS und ωρ zu haben. Die theoretischen Erwägungen, auf denen diese Faktoren beruhen, sind in einem Artikel von George Matthaei beschrieben, der den Titel "A Study of the Optimum Design of Wide-band Parametric amplifiers

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and Up-converters" hat und in IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Band MTT-9» Nr. I₁ Januar 1961, Seiten 23-28 veröffentlich ist.

In Fig. 5 bedeutet die gestrichelte Linie 56 die bevorzugte Durchlaßcharakteristik des Eingangsbandpaßfilters, das als Bestandteil des breitbandigen parametrischen Verstärkers nach der Erfindung verwendet werden kann. Es ist zu bemerken, daß der Durchlaßbereich um die Frequenz IjOc, als Mittellinie liegt und daß die Breite des Durchlaßbereiches die Bandbreite des Verstärkers bestimmt. Weiterhin ist festzustellen, daß die Frequenz djf-gemäß Fig. 5 weit von der FrequenzGJs getrennt ist. Beispielsweise wird ifu^bei 9 GHz ausgewählt und die Kurve des Bandfilters wird so gewählt, dass sie sich von 8 GHz bis 10 GHz erstreckt. COv» kann dann mit einer Frequenz von 94GHz gewählt werden. In diesem Beispiel sind die Nebenfrequenzen OiU aSSL₁Hl-I1tifeund6:U.*40GcNHii.AÜrti. . (Selbstverständlich sind diese Frequenzen nur beispielsweise angegeben und der hier beschriebene parametrische Verstärker kann auch bei anderen Frequenzen betrieben werden).

Ein Blockschaltbild des breitbandigen parametrischen Verstärkers 6o mit dem erfindungsgemässen Wellenleiteraufbau ist in Fig. 6 dargestellt. Die parametrische Beeinflussung tritt in

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dem Pseudohohlraumbereich 35 auf, in dem die Varaktordiode 12 angeordnet ist. Die Charakteristiken des Wellenleiteraufbaues wurden oben im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Tiefe d der Kanäle 3oa und 3ob mit einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge bei der unteren Nebenfrequenz ClU Λ ausgewählt. Da die Pumpfrequenz und die obere Nebenfrequenz (6Jf undWC¹J nicht weit von der unteren NebenfrequenzU;(/entfernt sind, wird auch Energie dieser Frequenzen in dem Pseudohohlraumbereich 35 aufrechterhalten, jedoch in etwas geringerem Grade. Dies ist durch die Kurve 57 in Fig. 5 dargestellt, die die "Bandbreite" des Pseudohohlraumbereiches 35 wiedergibt. Es ist zu bemerken, daß der Pseudohohlraumbereich 35 bei den Frequenzen uNp und ύ_\Χ,χ., vom Wellenleiter 4o aus'gesehen, eine leichte Blindbelastung ergibt. Das zu verstärkende Signal wird in den parametrischen Verstärker 6o durch die Signaleingangsöffnung 61 in dem Mikrowellenzirkulator 62 eingeführt. Der Mikrowellenzirkulator 62 ist von bekannter Bauart und ermöglicht einem durch die Eingangsöffnung 61 eingeführten Signal durch die gemeinsame öffnung 63 auszutreten, während er sicherstellt, daß ein über die Öffnung 63 eintretendes Signal den Zirkulator 62 durch die Auspangsöffnung 64 verläßt.

Das zu verstärkende Signal tritt in das Bandpaßfilter 65 von der gemeinsamen Öffnung 63 des Zirkulators ein. Das Signalbandpaßfilter 65, das von bekannter Bauart ist, kann von der beispiels-

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weise in Kapitel 9 des Buches "Microwave Filters, Impedance Matching Networks, and Coupling Structures" von George Matthaei, et all, McGraw-Hill Book Company, 1964 beschriebenen Ausführungsform fein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Signalbandpaßfilter 65 die durch die Kurve 56 in Fig. 5 allgemein beschriebene Dämpfungscharakteristik auf. D.h., das Filter 65 hat eine minimale Dämpfung innerhalb der gewünschten Bandbreite und eine hohe Dämpfung bei allen anderen Frequenzen.

Das Signal aus dem Bandpaßfilter 65 passiert als nächstes ein Impedanzanpassungsnetzwerk 66, das das Eingangssignal der kleinen induktiven Störkomponente anpaftt, die es in dem Wellenleiter 2o infolge des Vorhandenseins des Rs eudohohlraumbereiches 35 vorfindet. Das Impedanzanpassungsnetzwerk 66 dient auch dazu, das Signal in dem Wellenleiter mit einem bestimmten Wellentyp einzuführen, d.h. mit dem Wellentyp TE, , dem niedrigsten Wellentyp, der in dem Wellenleiteraufbau 2o auftreten kann. Der Aufbau des Impedanzanpassungsnetzwerkes 66 ist dem Fachmann bekannt und beispielsweise in Kapitel 6 des Buches "Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures", das oben zitiert ist, beschrieben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Wellenleiteraufbau 2o eine Breite (vgl. Fig. 1), die die Hälfte der Wellenlänge im freien Raum bei der niedrigsten Frequenz des Signalbandes ist. Dies ermöglicht, daß das Signal vom Wellentyp TE,_Q in den Wellenleiteraufbau 2o eingeführt

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Die Pumpenergie kann von der Pumpquelle 7o geliefert werden, d^-ie bei einer bevorzugten Ausführungsform einen Reflexklystronoszillator und einen Mikrowellenrichtleiter enthalten kann, die beide bei der Pumpfrequenz totarbeiten. Diese Bauteile sind der Fachwelt bekannt. Die Energie von der Pumpquelle 7o verläuft durch das Anpassungsnetzwerk 72, den oberen Abschluß 74 und den Wellenleiter 4o in dem Pseudohohlraumbereich 35. Die Funktion des Impedanzanpassungsnetzwerkes 72 besteht darin, die Pumpschwingung dem Blindwiderstand des Pseudohohlraumbereiches 35 bei der Pumpfrequenz anzupassen. Das Netzwerk 72 ermöglicht auch, daß Pumpenergie vom geeigneten Wellentyp (z.B, Wellentyp TE>3' wie in Fig. 3 und 4 dargestellt) in den Pseudohohlraumbereich 35 eingeführt wird, um sicherzustellen, daß das elektrische Feld der Pumpenergie an der Stelle der Varaktordiode 12 ein Maximum hat.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Breite a¹ des Wellenleiters 4o so ausgewählt, daß sich eine kritische Grenzfrequenz zwischen der unteren NebenfrequenzOJC^ und der Pumpfrequenz Cüt?ergibt. Weiterhin sollte der Wellenleiter 4o ausreichend lang sein, so daß das Impedanzanpassungsnetzwerk 72 nicht auf die Energie der unteren Nebenfrequenz&)AAeinwirkt. Bei einer typischen Ausführungsform ist die Länge des Wellenleiters 4o für befriedigenden Betrieb ausreichend, die eine Dämpfung der Nebenfrequenz-^V,\um 2odb sicherstellt. Diese Erwägungen lassen es zu, daß Pumpenergie von der Pumpquelle 7o

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über den Wellenleiter 4o in den Pseudohohlraumbereich 35 geführt wird, wobei jedoch verhindert wird, daß Energie der unteren Nebenfrequenz6J-L.^aus dem Pseudohohlraumbereich 35 über den Wellenleiter 4o austritt. Tatsächlich wird die Energie der unteren Nebenfrequenz6j<t,1vollständig innerhalb des Pseudohohlraumbereiches 3 5 aufrechterhalten. Der Abschluß 74 der oberen Nebenfrequenz ist eine Falle, die Energie der oberen Nebenfrequenz O)\SL(die durch den Wellenleiter 4o verläuft) in den Pseudohohlraumbereich 35 zurückreflektiert.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten parametrischen Verstärker tritt, wenn ein Signal und Pumpenergie in den Wellenleiter auf¹ ':«ο Io eingeführt wird, parametrische Verstärkung auf, und das verstärkte Signal kann über das Impedanzanpassungsnetzwerk 66, das Signalbandpaßfilter 65, die gemeinsame öffnung 63 des Zirkulators, den Zirkulator 62 und die Signalausgangsöffnung ausgekoppelt werden. Die Bandbreite des Verstärkers ist durch die Bandbreite des Signalbandpaßfilters 65 (vgl. Kurve 56 in Fig. 5) bestimmt.

Es ist offensichtlich, daßder erfindungsgemäs se Wellenleiteraufbau, der im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben ist, nicht auf die Verwendung in einem breitbandigen parametrischen Verstärker eingeschränkt ist und in verschiedenen Mikro-

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wellenanlagen verwendet werden kann. Weiterhin ist klar, daß die im einzelnen gegebene Beschreibung und Darstellung der Erfindung beispielsweise erfolgte und nicht als Einschränkung aufgefaßt werden kann.

Patertansprüche:

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Claims (1)

1. -2ο-

   Patentanspr üc he;

   1. Wellenleiteraufbau zum Erzwingen von Energie mit einer gegebenen Frequenz innerhalb eines Bereiches eines Wellenleiters, gekennzeichnet durch wenigstens einen Kanal, der sich von einer Wand des genannten Wellenleiters aus erstreckt, wobei der Kanal eine Tiefe von im wesentlichen einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge der genannten Frequenz hat.

   2. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal einen Pseudohohlraum bildet, der einen Wellentyp elektrischer Signale bei einer Frequenz aufrechterhalten kann, die von der Frequenz wenigstens eines anderen in dem Wellenleiter aufrechterhaltenen Wellentyps unterschieden ist.

   3. Aufbau nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Paar der genannten Kanäle, die sich gegenüberliegend vom oberen Ende und vom Boden des Wellenleiteraufbaus erstrecken, wobei die Kanäle eine Tiefe von im wesentlichen einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge einer zweiten Frequenz haben, die höher

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   ist als die niedrigste Fortpflanzungsfrequenz des genannten Wellenleiters und wobei die Kanäle Energie bei dieser zweiten Frequenz innerhalb des Pseudohohlraumbereiches des genannten Aufbaus erzwingen.

   4. Aufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der genannten Kanäle nicht grosser ist als deren Tiefe.

   5. Aufbau nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des genannten Pseudohohlraumbereiches eine Integralzahl von einer halben Hohlleiterwellenlänge der genannten zweiten Frequenz ist.

   6. Aufbau nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Wellenleiters kurzgeschlossen ist, wobei die Kanäle im wesentlichen U-förmig sind und wobei das kurzgeschlossene Ende des Wellenleiters eine Grenze des Pseudohohlraumbereiches ergibt.

   7. Aufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kanäle annähernd ein Zehntel der Hohlleiterwellen-

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   länge bei der genannten zweiten Frequenz ist.

   8. Aufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Pseudohohlraumbereich eine Breite von einer Hohlleiterwellenlänge bei der genannten zweiten Frequenz und eine Länge von Eineinviertel-Hohlleiterwellenlängen bei der genannten zweiten Frequenz hat.

   9. Aufbau nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch weitere Vorrichtungen syim Einführen von Energie in den Pseudohohlraumbereich, wobei die genannten Vorrichtungen einen zweiten Wellenleiter umfassen, der sich von einer Wand des genannten Wellenleiters aus erstreckt und eine kritische Grenzfrequenz hat, die höher ist als die niedrigste Fortpflanzungsfrequenz.

   Io, Parametrischer Mikrowellenverstärker mit einem Zirkulator, e iner Pumpquelle und einer Varaktordiode, gekennzeichnet durch den Aufbau nach Anspruch 9, wobei die genannte Varaktordiode in dem genannten Pseudohohlraumbereich angeordnet ist, wobei ein Signal über den Zirkulator bei der niedrigsten Fortpflanzungsfrequenz in den Wellenleiter eingeführt wird und" wobei Energie von der Pumpquelle in den Pseudo-

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   hohlraumbereich über den zweiten Wellenleiter eingeführt wird.

   11. Nicht rückgekoppelter parametrischer Mikrowellenverstärker zum Einkoppeln von Energie von einer Pumpe auf das Signal, mit einem Aufbau, der einen ersten rechteckigen Wellenleiter aufweist, dessen eines Ende in einem zweiten Wellenleiter endet, der eine kritische Grenzfrequenz hat, die höher ist als die kritische Grenzfrequenz des ersten Wellenleiters, mit einem Paar im wesentlichen U-förmiger Kanäle, die sich gegenüberliegend vom oberen Ende und vom Boden des ersten Wellenleiters aus erstrecken und deren Tiefe ein Viertel der Hohlleiterwellenlänge der Differenzfrequenz zwischen dem Signal und der Pumpfrequenz ist, wobei die Kanäle und das genannte Abschlußende einen Pseudohohlraumbereich innerhalb des ersten Wellenleiters begrenzen, mit einer Varaktordiode, die innerhalb des Pseudohohlraumbereiches angeordnet ist, mit einer ersten Vorrichtung zum Einführen des Signals in den ersten Wellenleiter und mit einer zweiten Vorrichtung, um das Pumpsignal in den Pseudohohlraumbereich über den genannten zweiten Wellenleiter einzuführen.

   12. Parametrischer Verstärker nach Anspruch 11, dadurch gekenn-

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   zeichnet, daß die erste Vorrichtung einen Zirkulator aufweist, der eine Eingangsöffnung, durch die ein Signal eingeführt werden kann, und eine Ausgangsöffnung hat, durch die dn verstärktes Signal abgezogen werden kann, und der eine gemeinsame öffnung aufweist, daß ein Bandpaßfilter die gemeinsame öffnung des Zirkulators und den ersten Wellenleiter verbindet, um Signalenergie, die innerhalb des Durchlaßbereichs des genannten Filters liegt, zwischen dem Zirkulator und dem genannten Aufbau passieren zu lassen.

   13. Verstärker nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Impedanzanpassungsvorrichtung, die das genannte Bandpaßfilter und den ersten Wellenleiter verbindet, um die Impedanz des Filters der Impedanz des Aufbaues anzupassen.

   14. Verstärker nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung eine Quelle für Pumpenergie umfaßt, daß die Impedanzanpassungsvorrichtung die genannte Quelle und den zweiten Wellenleiter verbindet, um Energie von der Quelle in den Pseudohohlraumbereich mit einem zur Ankopplung an die genannte Diode geeigneten Wellentyp einzuführen.

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   15. Verstärker nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Kanäle eine Dicke haben, die nicht grosser ist als ihre Tiefe, daß der Pseudohohlraumbereich eine Länge von einem Viertel der Hohlleiterwellenlänge bei der genannten Differenzfrequenz und eine Breite von einer Hohlleiterwellenlänge bei der genannten Differenzfrequenz hat und daß die kritische Grenzfrequenz des zweiten Wellenleiters höher als die Differenzfrequenz und niedriger als die Pumpfrequenz ist.

   16. Verstärker nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Diode Dreiviertel-Hohlleiterwellenlängen von dem genannten Abschlußende und eine halbe Hohlleiterwellenlänge von jeder Seite des genannten U-förmigen Kanals angeordnet ist.

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