DE2135612A1

DE2135612A1 - PARAMETRIC AMPLIFIER WITH A CAPACITY DIODE

Info

Publication number: DE2135612A1
Application number: DE19712135612
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Graf; Helmut Dipl Ing Zappe
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-07-16
Filing date: 1971-07-16
Publication date: 1973-01-25

Description

Parametrischer Verstärker mit einer Kapazitätsdiode Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem parametrischen Verstärker für sehr hohe Frequenzen mit einer Kapazitatsdiode, die im Verbindungspunkt eines die Pumpenergie zuführenden Ilohlieiters mit einer die Signalspannung zuführenden koaxialen Leitung angeordnet ist mit vergrösserter Bandbreite und kontaktfreien Abstimmelementen. Parametric amplifier with a varactor diode The present Invention is concerned with a parametric amplifier for very high frequencies with a capacitance diode, which supplies the pump energy in the connection point of a Ilohlieiters arranged with a signal voltage feeding coaxial line is with increased bandwidth and contact-free tuning elements.

Die verstärkende Wirkung einer solchen parametrischen Anordnung beruht auf der Durchsteuerung einer nicht linearen Reaktanz mit einer Spannung bei der sogenannten Pumpfrequenz. Als nichtlineare Reaktanz kann hierbei eine Kapazitgt oder eine Indtlktivitiit Verwen<Iung finden. Der erste Fall wird in Halbleiterdioden verwirklicht, die im Sperrgebiet betrieben werden tlllfl eine von der Vorspannung abhängige Kapazität darstellen.The reinforcing effect of such a parametric arrangement is based on the control of a non-linear reactance with a voltage at the so-called pump frequency. A capacitance can be used as the non-linear reactance or find an activity to use. The first case is in semiconductor diodes realized, which are operated in the restricted area tlllfl one of the bias dependent Represent capacity.

Füe den zweiten Fall benutzt man geeignete Ferrite, in denen mit lii Ife der Präzessionsbewegung des Elektronensp ins ei ii von der steuernden Spannung abhängige effektive Induktivität erzeugt wird. In beiden Fällen lässt sich ein Ersatzschaltbild angeben, in weichem die gepumpte nichtlineare Reaktanz mit ihrem Verlustwiderstand in Reihe als Kopplung zwischen den Schwingkreisen fiir die Eingangsfrequenz fs m t dem Signalgenerator und fiir die Hilfsfrequenz fi mit ihrer Last auftritt. Die spannung bei der Pumpfrequenz in der D@@-de steuert dabei die nichtlineare Reaktanz durch.For the second case, suitable ferrites are used, in which lii Ife the precession motion of the electron sp into ei ii from the controlling voltage dependent effective inductance is generated. An equivalent circuit diagram can be used in both cases indicate in which the pumped nonlinear reactance with its loss resistance in series as a coupling between the oscillating circuits for the input frequency fs m t the signal generator and fi occurs for the auxiliary frequency fi with its load. the voltage at the pump frequency in the D @@ - de controls the non-linear reactance by.

In einer parametrischen Anordnung, die als Verstärker geschaltet ist, muss diese Hilfsfrequenz fi ausbreitungsfähig sein. Sie ergibt sich aus der Differenz der Pumpfrequenz fp und der Signalfrequenz fs. I)er Verstärkungsvorgang lässt sich so auffassen, lass durch Mischvorgänge der Signalleistung, der Pumpleistung und der Leistung im Hilfskreis ein Teil der Pumpleistung zur Signal leistung phaseiirichtig addiert wird. In einem Ersatzschaltbild wird dieser Sachverhalt so ausgedrückt, dass der Signalkreis durch einen negativen Widerstand entdämpft wird. Die Signalleistung wird über einen Zirkulator zur Trennung des Ein- und Ausgangssignals dem parametrischen Verstärker zugefübrt.In a parametric arrangement connected as an amplifier, this auxiliary frequency fi must be capable of propagation. It results from the difference the pump frequency fp and the signal frequency fs. I) he amplification process can be So understand, let through mixing processes of the signal power, the pump power and the power in the auxiliary circuit a part of the pump power to the signal power in phase is added. In an equivalent circuit diagram, this fact is expressed as follows: that the signal circuit is undamped by a negative resistance. The signal power is connected to the parametric via a circulator to separate the input and output signals Amplifier added.

Der Hilfsresonanzkreis muss eine ohmsche Belastung haben, die e entweder nur aus den Dindenbahnwiderstand oder einer zuseitzlichen ohmschen Belastung l>esteiit . Um ein möglichst grosses Verstärkungsbandbreiteprodukt zu bekommen, muss der Hilf'skreis breitbandig ausgeführt seiii, da er im wesentlichen die Bandbreite bestimmt. Die Bandbreite des Hilfskreises kann durch folgende Massnahmen beeinflusst werden: a) Durch zusätzliche Resonanzkreise, die aus Leitungskreisen gebildet werden, wird eine Mehrfachabstimmung vorgenonmen, was zur Vergrösserung der Bandbreite führt Diese Lösung ist jedoch sehr aufwendig und erschwert die Abstimmung, da ja ntin mehrere Resonanzkreise abgestimmt werden müssen.The auxiliary resonant circuit must have an ohmic load, the e either only from the Dinden track resistance or an additional ohmic load l> esteiit. To get the largest possible gain bandwidth product, the auxiliary circuit must be broadband, since it essentially covers the bandwidth certainly. The range of the auxiliary group can be influenced by the following measures are: a) By additional resonance circuits, which are formed from line circuits, multiple voting is performed, which leads to an increase in the bandwidth However, this solution is very complex and complicates the coordination, since yes ntin several resonance circles have to be coordinated.

Darüber hinaus erfolgt die Abstimmung bei Leitungskreisen meist durch Abstimmelemente, die gleitende metallische Kontakte enthalten, was durch Wackelkontakte zu Resonanz-Sprüngen führt. In addition, coordination is usually carried out by management groups Tuning elements that contain sliding metallic contacts, which is caused by loose contacts leads to jumps in resonance.

b) Durch zusätzliche ohmsche Widerstände wird der Hilfsresonanzkreis belastet und damit seine Bandbreite vergrössert.b) The auxiliary resonance circuit is created by additional ohmic resistances burdened and thus increased its bandwidth.

Diese Massnahme wirkt sich ungünstig auf die Rauschzahl des Verstärkers aus, die durch diese ohmsche Last erhöht wird. This measure has an unfavorable effect on the noise figure of the amplifier which is increased by this resistive load.

c) Durch Verwendung einer minimalen Anzahl konzentrierter Schaltelemente kann man optimale Bandbreiten erzielen.c) By using a minimum number of concentrated switching elements you can achieve optimal bandwidths.

Jedes weitere Bauelement, das konzentrierten Charakter hat oder bei so hohen lrequenzen eine Leitung darstellt, verschlechtert die Baiidbreite, wenn diese Elemente nicht, wie unter a) genan1tt, in einer Bandfiltercharakteristik abgestimmt werden. Every further component that has a concentrated character or at If a line represents such high frequencies, the bay width deteriorates if these elements are not, as mentioned under a), matched in a band filter characteristic will.

Die vorliegende Erfindung hat s@ch die Aufgabe gestellt, einen breitbandigen parametrischen Verstärker zu schaffen, bei dem der Hilfskreis Bandfiltercharakter hat und durch nicht -gleitende Kontakte Frequenzsprünge vermeidet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in die koaxiale Leitung in vorhestimmten Abständen von der Kapazitätsdiode zwei Stichleitungen eingreifen und wirksam sind, deren Wellenwiderstände bei gleichbleibender elektrischer Länge variabel sind. Eine Weiterbildung des Grundgedankens der Erfindung besteht darin, dass der Kapazitätsdiode eine Induktivität vorgeschaltet ist und zwischen der der Kapaz@@atsdiode zugewandten Stichleitung und einem der Kapazitätsdiode vorgeschalteten Tiefpass ein k/4-langes Leitungsstück mit variablem Wellenwiderstand angeordnet ist, wobei die Wellenwiderstansänderung durch Variation des Aussenleiterdurchmessers erfolgt.The present invention has set the task of providing a broadband To create a parametric amplifier in which the auxiliary circuit is band-pass filter and avoids frequency jumps through non-sliding contacts. This task is achieved according to the invention in that in the coaxial line in predetermined At a distance from the capacitance diode, two stub lines intervene and are effective, whose wave resistances are variable with constant electrical length. One A further development of the basic idea of the invention consists in that the capacitance diode an inductance is connected upstream and between that of the Kapaz @@ atsdiode facing Branch line and a low-pass filter connected upstream of the capacitance diode a k / 4-long one Line piece with variable wave resistance is arranged, the wave resistance change takes place by varying the outer conductor diameter.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung an einem AusfLihrungsbeispiel näher beschrieben. Die Figur der Zeichnung zeigt die Anordnung der Stichleitungen im koaxialen Leitungsabschnitt des parametrischen Verstärkers und ist teils im Schnitt dargestellt.The invention is illustrated using an exemplary embodiment based on the drawing described in more detail. The figure of the drawing shows the arrangement of the stub lines in the coaxial line section of the parametric amplifier and is partly in section shown.

In der Zeichnung sitzt die Kapazitätsdiode 1 in dem Pumphohlleiter 2, der die Pumpfrequenz an die Kapazitätsdiode heranführt. Die Breite dieses ilohlleiters ist so reduziert, dass seine Grenzfrequenz zwischen der Pumpfrequenz und der Hilfsfrequenz liegt. Das elektromagnetische Feld dringt deshalb bei der Iii lfsfrequenz nur ein begrenztes Stiick von der Kapazitätsdiode 1 aus gesehen, in den Pumphohlleiter 2 ein.In the drawing, the capacitance diode 1 sits in the pump waveguide 2, which brings the pump frequency up to the capacitance diode. The width of this waveguide is reduced so that its cutoff frequency is between the pump frequency and the auxiliary frequency lies. The electromagnetic field therefore penetrates only a limited one at the auxiliary frequency As seen from the capacitance diode 1, a piece is inserted into the pump waveguide 2.

Ist die Hilfsfrequenz fi ca. 15 - 20% kleiner als die Grenzfrequenz, dann stellt der Pumphohlleiter 2 in einem Ersatzschaltbild parallel zur Kapazitätsdiode 1 eine relativ grosse Induktivität dar. Das Leitungsstück der Länge 1 wirkt dabei deshalb nicht mit seinem Leitungscharakter auf die Abstimmung des Hilfskreises ein. Die Wahl der Länge 1 ist also unkritisch und wird nur dadurch bestimmt, dass das elektrische Feld der Hilfsfrequenz fi am Kurzschluss genügend weit abgeklungen ist.If the auxiliary frequency fi is approx. 15 - 20% less than the limit frequency, then the pump waveguide 2 is in an equivalent circuit parallel to the capacitance diode 1 represents a relatively large inductance. The line piece of length 1 acts here therefore does not affect the coordination of the auxiliary group with its leadership character. The choice of length 1 is therefore not critical and is only determined by the fact that the electrical field of the auxiliary frequency fi has decayed sufficiently far at the short circuit.

Von der Signalspannung fs ist die Hilfsfrequenz fi durch den Tiefpass 3 weitgehend entkoppelt. Mit der au -langen, der Kapazitätsdiode 1 vorgeschalteten Induktivität 4 wird an die Diode annähernd ein Leerlauf transformiert.The auxiliary frequency fi of the signal voltage fs is through the low pass 3 largely decoupled. With the au -langen, the capacitance diode 1 upstream Inductance 4 is transformed to the diode approximately an open circuit.

In dieser Anordnung wird der Hilfsresonanzkreis nur durch die folgenden konzentrierten Elemente gebildet: - Die elektronische Kapazität Cj der Kapazitätsdiode 1 - Die Zuleitungsinduktivität 4 der Kapazitätsdiode 1 - Die Gehäusekapazität Cp <ler Kapazitcitstliode 1 Par.*lle1 zur Gehäusekapazitat Cp der Kapazitätsdiode 1 liegt eine Kapazität, die durch eine Platte 5 gebildet wird. Durch die Veränderung der Dicke und des Durchmessers dieser Platte 5 wird der Hilfsresonanzkreis grob abgestimmt. Die Feinabstimmung erfolgt durch @@@ Veränderung der (negat-iven) Vorspannung der Kapazitatsdiode 1 und der damit verbundenen Veränderung ihrer elektronischen Kapazität Cj. Für die Signalfrequenz wirkt die Kapazitätsdiode 1 in der Ebene der Plat te 5 kapazitiv. Es werden somit gleitende Kontakte bei der Abstimmung vollständig verrnieden.In this arrangement, the auxiliary resonance circuit is made up only by the following lumped elements formed: - The electronic capacitance Cj of the varactor diode 1 - The lead inductance 4 of the capacitance diode 1 - The housing capacitance Cp <ler Kapazitcitstliode 1 Par. * lle1 for the housing capacity Cp of the capacitance diode 1 is a capacitance which is formed by a plate 5. Through the change the thickness and diameter of this plate 5 becomes the auxiliary resonant circuit roughly matched. The fine-tuning is done by @@@ changing the (negative) Biasing the capacitance diode 1 and the associated change in its electronic Capacity Cj. For the signal frequency, the capacitance diode 1 acts in the plane of Plate 5 capacitive. Thus, sliding contacts become complete during the coordination avoid.

Um in der Mitte des Signalbandes die Anordnung reell zu erhalten, was maximaler Verstärkung des einfach abgestimmten Verstärkers entspricht, wird dieser kapazitive Anteil mit der Induktivität 4 kompensiert. Da die Länge dieses Leitungsstückes der Induktivität 4 4 ff41. beträgt, ist sie damit sehr klein gegen Wellenlänge des Signales s. Sie wirkt deshalb als quasikonzentrierte Induktivität für die Signalfrequenz fs. Die Grösse dieser Induktivität 4 wird von der Dicke des Leitungsstückes der Induktivität 4 bestimmt.In order to get the real arrangement in the middle of the signal band, what corresponds to the maximum gain of the simply tuned amplifier becomes this capacitive component is compensated with the inductance 4. As the length of this Line section of inductance 4 4 ff41. it is very small compared to Wavelength of the signal s. It therefore acts as a quasi-concentrated inductance for the signal frequency fs. The size of this inductance 4 depends on the thickness of the Line piece of inductance 4 is determined.

Zur Einstellung der Verstärkung muss der negative reelle Widerstand, der als Abschluss der Signalleitung entsteht, auf einen bestimmten Wert transformiert werden. Hierzu werden der dargestellte Tifpss 3, der so ausgelegt ist, dass er für die Signalfrequenz @s/4 lang ist, und ein variibler langer Transformator 6 herangezogen. Durch Veränderung des Aussendurchmessers dieses Pransformationsstückes 6 wird dessen Wellenwiderstand und damit das Transformationsverhältnis eingestellt. Grundsätzlich kdnri die e Verstärkung auch durch Variation der Pumpleistung eingestellt werden. Es ist jedoch für optimale Bandbreite und optimale Rauschzahl des Verstärkers von Bedeutung 1 dass <1 e Pumpleistung so gross ist, dass die Kapazitätsdiode 1 bis zu ihrem Kontaktpotential voll ausgesteuert wird. Damit entfallt dieser elektronische Parameter zur Einstellung der Verstarkung.To set the gain, the negative real resistance, which is created as the termination of the signal line is transformed to a certain value will. For this purpose, the illustrated Tifpss 3, which is designed so that it can be used for the signal frequency @ s / 4 is long, and a variable length transformer 6 is used. By changing the outer diameter of this Pransformationsstückes 6 is Characteristic impedance and thus the transformation ratio are set. Basically kdnri the e reinforcement also through Variation of the pump power set will. However, it is for optimal bandwidth and optimal noise figure of the amplifier of importance 1 that <1 e pump power is so great that the capacitance diode 1 is fully controlled up to its contact potential. This eliminates the need for electronic Parameter for setting the gain.

Die nach dem variablen Transformai i onsstück 6 entstehende, einkreisige Verstärkungskurve in Glockenform wird durch die im Abstand von #s/4 in die Signalleitung eingreifenden #s/2 -langen leerlaufenden Stichleitungen 7a und 7b breitbandig (3-kreisige Abstimmung) verformt, wodurch eine Übertragungskurve mit 3-kreisigem Filtercharakter entsteht. Entscheidend hierbei ist die Ausbildung der Stichleitungen 7a, 7b, die so konstruiert sind, , dass i ihre e Wellenwiderstände bei konstantbleibender elektrischer Länge verändern werden können. Mit solchen Stichleitungen 7a, 7ti können bei einer bestimmten Verstärkung eine gewiinschte Bandbreite bzw. eine zulässige Welligkeit der Verstärkungskui've iiber der Frequenz eingestellt werden.The single-circle that arises after the variable Transformai i onsstück 6 The bell-shaped amplification curve is inserted into the signal line at a distance of # s / 4 intervening # s / 2 -long idling stub lines 7a and 7b broadband (3-circuit Tuning), creating a transfer curve with a 3-circuit filter character arises. The decisive factor here is the formation of the stub lines 7a, 7b, the are constructed in such a way that i their wave resistances with constant electrical Length can be changed. With such stubs 7a, 7ti can with a certain gain a desired bandwidth or a permissible ripple the gain kui can be adjusted via the frequency.

Durch eine kapazitiv wirkende und zwischen den beiden Stichleitungen 7a und 7b angeordnete Abstimmschraube 8 wird der Wellenwiderstand des Signalstückes 9 verändert. Dies bewirkt eine zusätzliche Verstärkungseinstellung des Verstärkers.By a capacitive acting and between the two stub lines 7a and 7b arranged tuning screw 8 becomes the wave resistance of the signal piece 9 changed. This causes an additional gain setting of the amplifier.

Claims

P a t e n t a ii s p r ii c h e

1.) Parametric amplifier for very high frequencies with a Capacitance diode in the connection point of a hollow which supplies the pump energy conductor is arranged with a signal voltage feeding coaxial line with increased bandwidth and contact-free tuning elements, characterized in that that in the coaxial line (9) at predetermined distances from the capacitance diode (1) two stub lines (7) intervene and their wave resistances are effective are variable without contact while maintaining the same electrical length.

2. Parametric amplifier for very high frequencies with a capacitance diode, characterized in that the capacitance diode (i) is preceded by an inductance (4) is.

3. Parametric amplifier for very high frequencies with a capacitance diode, characterized in that between the stub line facing the capacitance diode (i) (7a) and a low-pass filter (3) connected upstream of the capacitance diode (1) is λ / 4-long Line piece (6) is arranged with variable wave resistance.

4. Parametric amplifier for very high frequencies with a capacitance diode according to claim 3, characterized in that 'the wave resistance change by Variation of the outer conductor diameter takes place.