DE2600031A1

DE2600031A1 - Reflexionswellenmaser

Info

Publication number: DE2600031A1
Application number: DE19762600031
Authority: DE
Inventors: Robert Curt Clauss
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1975-02-12
Filing date: 1976-01-02
Publication date: 1976-08-26
Also published as: GB1493765A; JPS5197996A; FR2301113A1; ES443922A1; US3978417A; IT1060709B

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Maserverstärker. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Reflexionswellen-" maser, der in einem ungleichförmigen Magnetfeld betriebene Verzögerungsstrukturen benutzt. ■ .

Die Verwendung von Maser als rauscharme Verstärker ist gut bekannt. Wanderwellenmaser mit- Verzögerungsstrukturen mit aktivem Masermaterial (das' die Verstärkung bewirkt)· und· mit Ferritmaterial (das die Richtleitung hervorruft) sind in · der Literatur und in vielen US-Patenten .beschrieben. Beispielsweise beschreiben die US-Patente 3 214.701, . · ' 3 296 541, 3 299 36^;4,.3 ^86 123 und 3- 676 787 die herkömmliche Masertechnologie. · . · - .

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Maserverstärker weisen herkömmlicherweise ,sehr geringe Rauschtemperaturen und geringe Bandbreite auf. Die augenblickliche Bandbreite eines Masers ist hauptsächlich durch die Resonänzlinienbreite des Masermaterials festgelegt. Für die Halbwertleistungs-Bandbreite (Af) eines in einem gleichförmigen Magnetfeld betriebenen Wanderwellenmasers (TWM) gilt: · ·

1/2 ·.

^GdB(f_o)"V

wobei A f_T die Bandbreite der magnetischen Resonanzlinie des aktiven·Masermaterials und G,_ß(f ) die Leistungsverstärkung in dB bei der magnetischen Resonanzfrequenz ist.

Die obige Gleichung (1) und eine .vollständige Erläuterung der herkömmlichen Technik für die Vergrößerung der TWM-Band- breite ist aus "Microwave Solid State Masers" (A.E.Siegman, McGraw-Hill, 1964, Seite 315, 326 bis 331) zu entnehmen.

Das Vergrößern der Bandbreite eines Wanderwellenmasers bewirkt ohne Rücksicht auf die angewandte Technik immer eine wesentliche Verringerung der Verstärkung. Da die Empfindlich-

keit (die äquivalente Eingangsrauschtemperatur) eines Wanderwellenmasers auf das Verhältnis des Verlustfaktors für die Verzögerungsstruktur zum Verstärkungsfaktor bezogen ist, kann die Empfindlichkeit oder die Rauschtemperatur eines Wanderwellenmasers durch Versuche, die Bandbreite zu vergrößern, stark herabgesetzt werden.

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Allgemein gesprochen weisen die herkömmlichen Wänderwellenmaser, die für die praktische Anwendung geeignete Leistungskennwerte -erzielen,'.folgende Eigenschaften, Erfordernisse und/oder Begrenzungen auf:

1) Wänderwellenmaser' müssen bei Tiefsttemperaturen betrie-

' ■ ben werden, üblicherweise ist ein Abkühlen auf 4 bis 5 K ausreichend; einige Maser müssen zur Erzielung zufriedenstellender Ergebnisse bei Temperaturen unterhalb 2 K betrieben werden. '

2) Ein. Magnetfeld ist'erforderlich. Das Feld muß bis auf - 2 mT (--20 Gauss) gleichmäßig sein und eine Intensität aufweisen, die durch die gewünschte Frequenz, das Masermaterial und die.Orientierung des Feldes in bezug zu d'en-Kristallachsen, des Masermaterials festgelegt ist. . . -

• ' 3) Eine oder mehrere Quellen für die Pumpenergie müssen verwendet werden, um eine Besetzungumkehr im Energieniveausystem des Masermaterials herzustellen. Typisch verwendete Quellen sind Klystrons, Rückwärtswellenoszillatoren, Gunn- und Impatt-Vorrichtungen.

4) Eine Verzögerungsstruktur bestimmter Art muß verwendet . werden, um eine genügend lange Wechselwirkungszeit

zwischen dem zu verstärkenden Signal und dem aktiven ■-..'■ Masermaterial zu. schaffen. Die Verstärkung nimmt in bezug zu der in einer Verzögerungsstruktur durchlaufe-

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*
.nen Länge.exponentiell zu.

5) Verzögerungsstrukturen mit großen Verlangsamungsfaktoren zur Erreichung ein'er hohen Verstärkung besitzen eine .geringe Bandbreite oder sind sehr lang in den . Ausmaßen. Der Verzogerungsstruktur-Bandpaß begrenzt den Durchstimmbereich des Masers, ist aber gewöhnlich·viel breiter als die .augenblickliche Bandbreite des Masers.

Die Leistung der herkömmlichen Maser ist in der Literatur beschrieben. Eine Zusammenfassung der wichtigen Merkmale der herkömmlichen Masersysteme ist in der Tabelle in Fig. 1 dar- · gestellt. Die Bezugsziffern unter der Spalte "REF" der Tabelle beziehen sich auf die folgenden Veröffentlichungen:

(I) E. L. Kollberg, "A Traveling-Wave Maser System for Radio Astronomy", Proceedings of the IEEE, Bd. 6l, Nr. 9,

• S. I323-I329, Sept. 1973.

(II) M. S. Reid, et. al, "Low Noise Microwave Receiving Systems in a Worldwide Network of Large.Antennas", Proceedings of the IEEE, Bd. 6l, Nr. 9, S. 1330 - 1335, Sept. 1973.

fall)W. J. Tabor, "A 100-Mc Broad-Band Ruby Traveling-Wave Maser at 5 Gc", Proceedings of the IEEE, Bd. 51, Nr. 8, S. 1143,. Aug. 1963.

(IV) V. I. Zagatin, et al, "Radiometer for Spectral Measurements in the 8-mm Range with a Quantum Paramagnetic Amplifier", Instruments and Experimental Techniques,

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S. .1137-1140, Sept.-Okt. 1968.

■-(V). F. R. Arams and B. J. Peyton, "Eight-Millimeter /' Traveling-Wave Maser and Maser-Radiometer System", Proceedings of-the IEEE, Bd. 53, Nr. i, S. 12-23, Jan.. 1965. . ' · '

Trotz'beträchtlicher Anstrengungen auf dem Gebiet des Masers ist bisher ein rauscharmer Maserverstärker mit großer augenblicklicher Bandbreite (einige hundert MHz) und- hoher Gesamtverstärkung nicht erreicht worden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Maser mit in zwei Richtungen reflektierter Welle zu schaffen, der eine höhere Gesamtverstärkung und eine größere augenblickliche Bandbreite zeigt als es mit herkömmlichen Wanderwellenmasern möglich ist, die die doppelte Länge des aktiven Masermaterials aufweisen.

Ferner soll die Erfindung einen Reflexionswellenmaser schaffen, der über eine außergewöhnlich große Bandbreite geringes Rausehen zeigt und in bezug auf dfls Rauschen mit der Leistungsfähigkeit der herkömmlichen schmalbandigen Maser vergleichbar ist.

Die Aufgabe faird erfindungsgemäß . . gelöst, indem eine Wanderwelle durch eine Verzögerungsstruktur zurückre'flektiert wird, wobei deren Länge effektiv verdoppelt wird, während die Verzögerungsstruktur in einem ungleichförmigen Magnetfeld beibehalten wird, so daß die

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Linienbreite des aktiven Masermaterials vergrößert wird. Zu verstärkende Signale werden' mittels eines Zirkulators zu der Reflexions-Verzögerungsstruktur gerichtet und nach der Verstärkung von -ihr weggeleitet. Ein Hintereinanderschalten dieser Reflexions-Verzögerungsstrukturen vergrößert die Gesamtyerstärkung. Riehtleiter werden zwischen den Zirkulatoren jeder Stufe verwendet, so daß verhindert wird, daß Signale von Ausgangsstufen zu der Eingangsstufe wandern und eine Rückkopplung bewirken. ' · ·

Die Erfindung wird im "folgenden anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Tabelle, die die Merlanale von verschiedenen herkömmlichen Masern zeigt.

Fig.. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen mehrstufigen Maserverstärkers.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer mehrstufigen Zirkulatorvorrichtung, die mit dem Maserverstärker dieser Erfindung bequem anwendbar ist.

Fig. 4 zeigt eine teilweise aufgeschnittene Schrägansicht eines Hohlleiters, der eine Maser-Verzögerungsstruktur enthält.

Fig. 5 "zeigt eine aufgeschnittene Seitenansicht des 609835/0647

. Maserverstärkers der Pig. 4'.

Pig.' 6" zeigt .ein Blockdiagramm, das den Mechanismus

. · ".zum Erzeugen eines ungleichförmigen Magnetfeldes ' . . -erläutert. . ' .

Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm, das einen anderen Mechä-■ . nismus zum Erzeugen eines ungleichförmigen Magnetfeldes erläutert. .

Fig.' 8 ■ ist ■ eine Darstellung, die die Frequenzabhängig-' keit■einer einzelnen Stufe des erfindungsgemäßen " Masers bei h,U K zeigt.

Fig. 9 ist eine. Darstellung, die die Frequenzabhängigkeit einer einzelnen Stufe des .erfindungsgemäßen · Masers bei 1,9 K zeigt.

Ein mehrstufiger Reflexionswellen-Maserverstärker 11 (Fig. 2), der eine große augenblickliche Bandbreite in der Größenordnung von 300 MHz mit einem Gesamtgewinn von etwa 45 dB aufweist, hat als Basisorgan eine Zwei-Richtungs-Verzögerungsstruktur.

Die erste Stufe des Maserverstärkers 11 besitzt einen Drei-Tor-Zirkulator 15, der an einen Hohlleiter 17 angeschlos-.sen ist,, der darin eine Verzögerungsstruktur 21 aufweist. Ein zu verstärkendes Mikrowellensignal 25 wird an das Eingangs-' 609835/0647

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tor 13 des ersten"Zirkulators 15 angelegt, der-das Eingangssignal in der durch einen Pfeil 27 gekennzeichneten Richtung in) j die Verzögerungsstruktur 21 leitet.. Die Verzögerungsstruktur 21 ist so dargestellt, als wäre sie ein Rubinkristall, der einen Teil des Hohlleiters 17 vollständig ausfüllt. Die. Verjüngung 19 des Rubinkristalls ist zur Anpassung der 'Impedanz des Hohlleiters 17 an die. Verzögerungsstruktur 21 eingestellt. Das Mikrowellensignal.durchläuft die Verzögerungsstruktur 21 und wird infolge der Maserwirkung verstärkt. ·

Am anderen Ende 23 der Verzogerungsstruktur 21 wird die fortschreitende Welle 29 reflektiert und wandert durch die Verzögerungsstruktur 21 zurück. Dieser zweite Durchlauf bewirkt, daß das Signal ein zweites Mal verstärkt wird. Um die Bedeutung der vorstehenden Aussage' besser zu verstehen, sei folgendes betrachtet. Die Leistung einer Welle,.die durch eine Verzögerungsstruktur in einem Maser läuft, vergrößert sich mit dem durchlaufenen Weg (Z) wie e , wobei ocm der Verstärkungskoeffizient ist. Reflexion der verstärkten Welle, so daß sie die Struktur ein zweites Kai durchläuft, vergrößert die Leistungsverstärkung wie e ^c'"^m ^ü. Die effektiv verdoppelte

•Strukturlänge (2Z) erscheint im Exponenten von je, woraus ί

„folgt, daß der (Leistungs-)Verstärkungsfaktor eines Reflexionswellenmasers im Vergleich zu einem herkömmlichen Wanderfeldmaser ins Quadrat erhoben ist. Die folgenden Beispiele sind angegeben, um die Verbesserung klarzustellen und hervorzuheben:

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—. Q: —

(1) Eine. Verzögeruftgss^ruktur '(fester Länge) verstärkt • - eine durch die Struktur ■ wandernde Welle mit einem ■"" Faktor 10.(1OdB). Reflexion dieser Welle bewirkt

einen zweiten Durchlauf, der die Welle ein zweites Mal .verstärkt und den ersten ¥erStärkungsfaktor von ^: . 10 mit· 10 multipliziert. Ein Gesamtverstärkungsfaktor ■ von 100 -(2OdB) wird erreicht. , · ■

'(2) Wenn zwei Stufen benutzt werden, wobei jede- einen JferstärkungsfaktOi'r von 10' bei einem einzelnen Durcii-

/lauf hat,. beträgt "der durch den Reflexionswellen-

■ ' .maser erreichte Gesamtgewinn 10 QOO (10 oder ¹IOdB). *

■ Reflexion der fortschreitenden Welle tritt wegen der Impedanzfehlanpassung- zwischen dem Ende 23 des Hohlleiters für die Pumpenergie für die erste Stufe und der Verzögerungs- struktur 21 auf. Dies ist eine Erscheinung» die in der Technik gut bekannt ist., Bas doppelt verstärkte Mikrowellensignal 31 gelangt in den ersten Zirkulator 15, wo es in den Ausgangshohlleiter 55 gelenkt wird. Dieser Ausgangshohlieiter ist an einen üiiidirektionalen Ricfrtieiter 37 angeschlossen, der beispielsweise ein Ferrit-Richtleiter sein kann. Dieser Richtleiter koppelt die" Äusgangsenergie vom ersten Zirkulator 15 in den Zirkulator M3 der zweiten Stufe.

Der zweite Zirkulator %3 empfängt das Eingangssignal *fl und leitet es in den Maser-Wellenleiter 45 in der durch einen Pfeil 55 gekennzeichneten Richtung. Die Energie durchläuft

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eine Verzögerungsstruktur 49, die mit der Verzögerungsstruktur 21 der ersten Stufe identisch sein kann. Eine Verjüngung

47 des in der .Verzögerungsstruktur verwendeten Rubins ist wieder für die Impedanzanpassung des Hohlleiters 45 an die Verzögerungsstruktur 49 vorgesehen. Die fortschreitende Welle wird, wenn sie das andere Ende 5i -der Verzögerungsstruktur 49 der zweiten Stufe erreicht, in einer durch den Pfeil 53 bezeichneten Richtung reflektiert. Polglich wandert sie durch die Ver zögerungs struktur 49 zurück und wird wieder verstärkt. Das" in den.zweiten Zirkulator 43 der zweiten Stufe eindringende Signal 57 ist"jetzt in bezug auf das von dem ersten Zirkulator 15 empfangene Eingangssignal 25 viermal verstärkt worden (Verstärkung eines Durchlaufs zur vierten Potenz erhoben). Der zweite Zirkulator 43 leitet dieses Signal zu seinem Ausgangshohlleiter 59, der mittels eines Riehtleiters (nicht dargestellt) mit einer nachfolgenden ähnlichen Stufe gekoppelt sein kann.

Die dritte Stufe des Maserverstärkers 11 soll mittels einer gestrichelten Linie 60 jede passende Anzahl von nachfolgenden Stufen veranschaulichen. Die Anzahl der verwendeten Stufen wird durch die gewünschte Verstärkungs-Bandbreite η-charakteristik für den gesamten Kaserverstärker 11 bestimmt. Die letzte Stufe empfängt ein Eingangssignal 6l an ihrem N-ten Zirkulator. 63. Dieses Signal wird in den Hohlleiter und die Verzögerungsstruktur 69 geleitet und verstärkt. Am anderen Ende 75 der Verzögerungsstruktur 69 wird das Signal 71 durch die Verzögerungsstruktur 69 und in den K-ten

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Zirkulators 63 zurückreflektiert. Das Signal 73, das in den· N-ten Zirkulator-63 gelangt, ist mit einem Paktor verstärkt worden-, der- gleich der doppelten Stuf.enzahl im gesamten Ver-• stärker- ist (Verstärkung eines Durchlaufs zur 2N-ten Potenz erhoben).-Der N-te Zirkulator 6'3 lenkt dieses Signal.zu seinem Ausgangshohlleiter 79, der an eine das Signal verwen-' dende Vorrichtung angeschlossen ist (nicht dargestellt).

Das. in den Verzögerungsstrukturen der Stufen des Maserverstärkers 11 verwendete Masermaterial kann ein Rubinkristall öder irgendein passendes Masermaterial sein. Im Falle der Verwendung eines Rubinmasermaterials, wird die Verzögerungs-' struktur jeder Stufe des Maserverstärkers. 11 auf etwa 4,5 Kelvin gekühlt.

Eine geeignete Quelle 8l für die Pumpenergie kann an die Stufen des Maserverstärkers 11 an dem Ende der entsprechenden Hohlleiter angeschlossen sein, die die Reflexion der fortschreitenden Energiewelle' durch die .Verzögerungs- . struktur bewirken. Dies ist keineswegs die-einzig wirksame Möglichkeit, Pumpenergie in einen Wanderfeldmaser-Mechanismus zu koppeln. · Es ist klar , daß nicht notwendigerweise eine einzelne Pumpenergiequelle benutzt werden muß. Jede Stufe des vielstufigen Maserverstärkers 11 kann eine eigene Quelle für die Pumpenergie haben. Oder es können sich mehrere Stufen eine einzelne Pumpenergiequelle teilen.

Ein supraleitender oder ein Alnico-Magnet, der einen

Nordpol 83 und einen Südpo]* 85 hat, die sich an entgegengesetzten Seiten des mehrstufigen Maserverstärkers 11 befinden, ' liefert" beispielsweise das Magnetfeld für den Maserverstärker. Die Polflächen-83 und 85-des Magnets sind-schräg zueinander dargestellt. Dies bewirkt, daß das Magnetfeld 87 bis¹89 quer über die Verzögerungsstrukturen 21, 49.und 69 der Stufen im Maserverstärker ungleichförmig ist. Das Ausmaß der Un- · gleichförmigkeit des Magnetfelds 87 bis .89 entlang-der Verzögerungsstruktur der unterschiedlichen Stufen hestimmt den Grad der augenblicklichen Bandbreite und der Verstärkung jeder Stufe.' ' ■· ' ·

Ein neuer cryogenkühlbarer Mehrfachanschluß-Breitbandzirkulator 91 (Fig. 3) ist neuerdings auf dem Markt erhältlich. Dieser besondere Zirkulator 91 ist für die Verwendung mit einem zweistufigen Reflexionswellen-Maserverstärker der in Fig. 2 dargestellten Art einzigartig anwendbar. Werden zwei solche Zirkulatoren verwendet, dann ist ein vierstufiger Maserverstärker möglich, usw. Der Zirkulator 91 ist einzigartig für die obige Verwendung geeignet, da er einen sehr geringen Eintrittsverlust aufweist, wenn er auf 4,5 K gekühlt wird. Breitbandiger Betrieb mit diesem Zirkulator ist möglich, ^fda über eine Bandbreite von 700 MHz eine hohe Richtleitung "erzielt wird.

Der Zirkulator 91 hat einen Eingangsflansch 93, der das zu verstärkende Signal von einer Vorrichtung, wie beispielsweise von einer Antenne, mittels des Eingangstors 97

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zu dem ersten Zirkulatorknofcenpunkt 98 koppelt. Die Pfeile ■ an diesem Knotenpunkt bezeichnen die verlustarme Signal-

.· richtung. Somit-würde ein am Tor 97 ankommendes. Signal zum Tor 99 "und mittels eines Flansches 119 zu der ersten Stufe des Maserverstärkers Umgeleitet werden. Das reflektierte Signal von der ersten-Verstärkerstufe gelangt am Tor 99 in den Zirkulatorkhotenpunkt 98 und wird zu dem Ausgangstor 101 gerichtet, das mit dem .zweiten Zirkülatorknotenpunkt 102'gekoppelt ist. Dieser .Zirkülatorknotenpunkt ist als Richtleiter angeordnet, indem ein Tor 103 durch ein Belastungselement 105 abgeschlossen ist. Das Signal am.Eingangstor 101 wird deshalb zum Ausgangstor 107-gelenkt, der mit dem dritten · Zirkülatorknotenpunkt 108 verbunden ist. Das Signal .am Ausgangstor 107 wird durch den Zirkülatorknotenpunkt IO8, das Ausgangstor 109 und den Flansch 121 zu der zweiten Stufe des Maserverstärkers 11 (Fig., 2) gerichtet. Das reflektierte .Signal vom Verstärker wird am Tor 109 empfangen und zum Äusgangst'or 111 geleitet, das mit dem vierten Zirkülatorknotenpunkt 112 gekoppelt ist.. Dieser Zirkülatorknotenpunkt ist wieder so angeordnet, daß er als Riehtleiter arbeitet, indem ein Tor 113- durch ein Lastelement 115 abgeschlossen ist. Das Signal am Eingangstor'111 wird zu einem Ausgangstor 117 _:und einem Ausgangsflansch 95 gerichtet, der mit einer das Signal verwendenden Vorrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Verzögerungsstruktur kann eine kammähnliche Verzögerungsstruktur ausgenutzt werden. Eine zweistufige kammähnliche Verzögerungsstruktur für einen Maserverstärker, der eine große Bandbreite und eine hohe Ver-

Stärkung zeigt, ist in Pig. »4 dargestellt. Ein Kohlleiter 123 ist entlang seiner Längsachse mittels einer Wand. .137 ■ aufgeteilt. Dies erleichtert die Anordnung von z.wei Verzögerungsstrukturen, innerhalb des Hohlleiters 123. Die erste Verstärkungsstufe besitzt eine Anzahl von metallischen Fingern 143 mit Platten aus Masermaterial 139 und l4l, die jeweils an einer Seite der metallischen Finger angebracht sind. Eine Federdruckvorrichtung 145 hält die Masermaterialplatten in Position gegenüber den metallischen Fingern und der unteren Fläche des Hohlleiters 123. Eine Seite l4l der metallischen Finger enthält keine Ferrit-Richtleiter, wie es bei herkömmlichen Ein-Richtungs-Masern üblich ist. Ein in den· Hohlleiter 123 eingekuppeltes Signal breitet sich entlang der Längsachse aus, wird am anderen Ende 146 durch eine Impedanzfehlanpassung reflektiert und läuft zu dem ersten Ende 125 zurück.

Der Zirkulator 191 nach Fig. 3 kann in Verbindung mit dem Maseraufbau nach Fig. 4 zur Schaffung eines mehrstufigen Verstärkers verwendet werden. Der Verbindungsflansch 119 (Fig. 3) würde mit der ersten Stufe des Hohlleiters 123 verbunden werden.. Der Kopplungsflansch 121 würde mit der zweiten Stufe des Hohlleiters 123 verbunden werden.

Die zweite Stufe des Maserverstärkers im Hohlleiter an der entgegengesetzten Seite der gemeinsamen Wand 137 hat ähnlich der ersten Stufe eine Anzahl von metallischen Fingern 131 mit Platten 127 und 129 aus Masermaterial auf jeder Seite dieser Finger. Eine Federdruckvorrichtung 135

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hält die Platten in enger Berührung mit den metallischen Fingern und mit der unteren Fläche des Hohlleiters 123. Es soll wieder erwähnt werden, daß die Seite 127 dieser zwe it en .Stufe, "keine Ferrit-Richtleiter anwendet ₃ wodurch sich das Eingangssignal„längs der Längsachse ausbreiten kann, an einer Impedanzfehlanpassung. am anderen Ende 146 reflektiert wird, sich nach rückwärts ausbreitet und die Verstärkerlänge effektiv verdoppelt. - . .

Der "pro Stufe- erreichbare elektronische Gewinn (dB) .'des Ref lexionsw.ellenau.fbaüs ■ ist durch den· Ausdruck

gegeben: . . ' . · .

.2 (27. 3 SNF)

Qm

mit: · ' G= Gewinn in dB

S =- Verlangsamungsfaktor

■ ' -N= Länge der Struktur in Vakuumwellenlängen

■ · ' F = Füllfaktor

Qm = magnetische Güte des Masermaterials.

Eine genaue'Erläuterung des Verlangsamungsfaktors und der Meßtechniken ist in dein genannten Buch von A.E. S'iegmann angegeben(S. 331 bis 341). Der Füllfaktor ist im gleichen Buch definiert und erläutert (S. 198, 254, 264 und 322).

Der elektronische Gewinn (dB) für einen herkömmlichen Maser mit einer Verstärkerrichtung ist gegeben durch:

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G = ' ^2Ί >³ ^3tJ Qm

Die Gesamtverstärkung 'für jede Stufe wird durch· die Verluste in der Verzögerungsstruktur verringert. Ein Hauptgrund für den Verlust in einem Ein-Richtungs-Maser ist die Ferr.it-Richtleiteranordnung in der Versögerungsstruktur. Da der Zwei-Richtungs-Kaser der Erfindung solche Ferrit-Richtleiter nicht verwendet j ist die Gesamtverstärkung pro Stufe viel größer. "

Um zu verhindern, daß.irgendeine Stufe ins Schwingen gerät, müssen der Eingangsanschluß und der Zirkulator 91 (Fig. 3) und die Verzögerungsstruktur gut angepaßt sein und die Verstärkung pro Stufe muß, wie oben erwähnt, durch das ungleichförmige Magnetfeld auf einem mäßigen Wert gehalten werden.

. ■ Statt der Verwendung des Hohlleiters 17 nach Fig. 2, der Signale in den Maser dieser Erfindung ein- und auskoppelt, können die Signale vom Zirkulator zu der Verzögerungsstruktur mittels Koaxialkabel gekoppelt werden. Ein Koaxialkabel, das ein Signal für die Verstärkung trägt, kann an der Seite des Hohlleiters 1^7 (Fig. 5) beispielsweise an Punkt 1^9 befestigt pein. Der Draht.151 innerhalb des Koaxialkabels ist dann dem 'ersten Finger der kammähnlichen Struktur 157 dicht benachbart als Schleife, ausgebildet und an die Grundplatte 153 dieser Struktur angelötet. Das Masermaterial 155 befindet sich auf beiden Seiten der kammähnlichen Struktur. Die Pumpenergie in dieser Anordnung kann an einem Ende des Hohlleiters in der

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durch den Pfeil 159"angezeigten Richtung augeführt werden*

■ Ein' anderes" Yerfaüren zur Schaffung eines ungleichförmigen Magnetfelds entlang der . Verzögerungsstruktur besteht darin,-"eine"Anzahl von ferromagnetic hen Katerialplatten Innerhalb der" PoIflachen des zur, Felderzeugung benutzten Magnets- anzubringen. .FIg. 6 zeigt ein Paar von Kord-Süd-Polen l6l bzw. I63, zwischen die ein ferromagnetisches Material (hohe Permeabilität) eingesetzt" Ist. Die von diesem ferromagnetischen Material entfernten Feldlinien 165 werden dadurch nicht beeinflußt . - - " \ . - - "

Die dem -ferromagnetische!! !Material..167 nahen Feldlinien 175 werden zu diesem hingezogen und konzentriert'. Die dem ferromagnetisehen Material 171 nahen Feldlinien l8l werden ähnlich -beeinflußt. Eine ähnliche Wirkung tritt mit den ferro-■raägnetischen Material 16"9 und 173 und den Feldlinien 179 und 1-33-auf. Eine In diesen Magnetfeld befindliche Verzögerungsstruktur wird eine Anzahl Unterschiedlicher Feldstärken entlang ihrer Länge von 165 bis 186 erfahren, wodurch "sie die Merkmale einer großen augenblicklichen"Bandbreite zeigt. " ■

Anstelle des Einsetzens von ferromagnetische!!! Material zwischen die Polflächen zur Erlangung eines ungleichförmigen Magnetfelds, kann ein besser einstellbares ungleichförmiges Magnetfeld dadurch erreicht werden," daß" Stroiaschleifen 191, 193" und 195 zwischen die Polflächen- (FIg. 7) eingesetzt werden.

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Der liordpol I87 und "der Südpol I89 besitzen Flächen, die parallel zueinander sind. Durch Verändern der Intensität und der Richtung, des Stromfiusses in den unterschiedlichen Stromschleifen 191·, .193 und 195, die dadurch das Magnetfeld zwischen den Polflächen-verstärken oder abschwächen, kann die-Gleichförmigkeit des Magnetfelds von 197 bis 199 entlang einer Verzögerungsstruktur nach Wunsch verändert- v/erden.

Ein Beispiel für die "Bandbreite und die VerStärkungscharakteristik einer einzelnen Stufe des Reflexionswellenmasers nach Pig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Der einstufige Käser wurde während des Versuchs auf einer Arbeitstemperatur von *l,4 K gehalten. Ein Rückwärtswellenoszillator lieferte 50 Ηΐΐ Pumpenergie, die von 51,7 bis 52,3 GHz verteilt war. ¥ie aus der Kurve 201 zu sehen ist, hatte der einstufige Maser bei 24,6 GBz über eine Bandbreite von 300 MEz eine Gesamtverstärkung-zwischen 6,5 und 7,5 dB.

Der gleiche Eiaserverstärker wurde auf eine Arbeitstemperatur von 1,9 K gehalten und erneut getestet. Wie aus der Kurve 203 (Fig. 9) zu sehen ist, hatte der Maser über eine Bandbreite von 235 KKz eine Gesamtverstärkung zwischen l6 ,und 17 dB (ein Verstärkungsfaktor zwischen hO und 50).

Kurz zusammengefaßt, es wurde ein Zwei-Richtungs-Reflexionswellenmaser beschrieben, der eine Gesamtverstärkungscharakteristik aufweist, die den herkömmlichen Wandertiellenmasern gleichwertig ist, die mehr als die doppelte. Länge aufweisen.

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Durch Hintereinanderschalte« von Stufen und Einbringen der Verzögerungsstruktur in ein ungleichförmiges Magnetfeld, •wird ein Reflexicnswellenmaserverstärker ermöglicht,. der eine außergewöhnlich große Bandbreite·besitzt, v/ährend er eine Verstärkung aufrechterhalten kann, die der. herkömmlichen Wanderwellenmäserverstärkern vergleichbar ist. Offensichtlich sind im Licht der obigen Lehre viele Abänderungen und Abweichungen möglich.

Eine Anzahl von Wanderwellen-Verzögerungsstrukturen., die · aktives· Masermaterial enthalten, jedoch nicht die typischen Ferrit-Richtleiter, werden in ein ungleichförmiges Magnetfeld gebracht, Das zu verstärkende Mikrowellensignal wird an einem Zirkulator eingeführt, der das Signal zu einer Verzögerungs-.struktur leitet.. Das Signal durchwandert die Verzögerungss.truktur und wird gemäß der zurückgelegten Entfernung verstärkt* Das Ende der Verzögerungsstruktur, das vom Zirkulator entfernt liegt, ist so angeordnet, daß es sine Stelle für eine maximale Reflexion aes durch die Verzögerungsstruktur laufenden Signals ist. Folglich durchquert das zu verstärkende ■Signal die Verzögerungsstruktur erneut in entgegengesetzter Richtung (zum Zirkulator .hin) und erfährt eine Verstärkung, die der- gleichwertig ist, die mittels eines herkömmlichen Wanderwellenmasers mit doppelter Länge erreichbar ist. Der Zirkulator leitet das verstärkte Signal zu nachfolgenden ähnlichen Verstärker stuf en. Richtleiter v/erden zwischen

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den' Stufen verwendet, um zu·verhindern, daß Signale in der falschen Richtung zwischen den Stufen laufen. 'Da Ferrit-Richtleiter nicht in der Verzögerungsstruktur verwendet werden, wird ein verringerter Signalverlust bei jeder Stufe erreicht. Die durch jede Verzögerungsstruktur erzielte hohe Verstärkung wird durch ein ungleichförmiges Magnetfeld, welches.auch die Linienbreite des Masermaterials vergrößert, auf einen mäßigen Wert verringert. Die entstehende Bandbreite kann außergewöhnlich'groß-sein.' Eine Anzahl solcher hintereinander geschalteten Stufen bewirkt eine hohe Verstärkung, außergewöhnlich große Bandbreite und eine sehr geringe Rauschtemperatur, ■ . ■ .

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Claims

■ * Patentansprüche

Λ ή Zwei-Richtungs-Wande^wellenmaser, gekennzeichnet durch eine-Hohlle-itereinrichtüng (17; 123; 1^7), die ein erstes Ende (19; 125)'und ein zweites Ende (23;.146) aufweist, wobei" das zweite Ende der Hohlleitereinrichtung die zu ihr hinwandernden. Wanderwellensignale reflektiert, durch eine in der · . Kohlleitereinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende befindliche Maser-Verzögerungsstruktur (21; 12-7, 129, 139', l4lj -155) und durch -eine Einrichtung (15; 91")>die Sig-¹ nale in -die -Hohlleitereinrichtung an dem ersten Ende einführt ·. und ein Signal 'aus der Hohlleitereinrichtung an dem ersten Ende abnimmt.

2. Maser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung' (3l) für die Zufuhr von Fumpenergie zu der Maser-Verzögerungsstruktur (21; 127, 129, 139, I²IIj 155)-durch das zweite Ende des Hohlleiters.

3. Maser nach -Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsstruktur ein Stück eines Rubinkristalls (2-1) besitzt, der den Hohlleiter (17) entlang eines Teilstücks seiner Länge zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (23) füllt. . - '

4. Maser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzöger'ungsstruktur eine kammartige Struktur (131, 143) aufweist/die zwischen zwei Platten (127, 129, 139, I²Il) aus

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Masermaterial angeordnet ist, wobei die Verzögerungsstruktur .die Wellenausbreitung in beiden Richtungen entlang des Hohlleiters (123·; 147) erlaubt.· \

5. Maser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß die Einrichtung zum Einführen und zum Entnehmen von Signalen in den bzw. aus .dem Hohlleiter einen mit dem ersten Ende des Hohlleiters (17; 123; 1^7) "gekoppelten Breitbandzirkulator (15; 91) besitzt. . . . '

6. Zwei-Richtungs-Reflexionswellenmaser,'gekennzeichnet durch eine Hohlleitereinrich.tung (17; 123; 1^7), die ein erstes Ende (125) und ein zweites Ende·(23; 1^6) aufweist, wobei das zweite Ende der Hohlleitex-einrichtung alle zu ihr hinwandernden Signale reflektiert, durch eine inder Hohlleitereinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende befindliche Maser-Verzögerungsstruktur (21; 127, 129, 139, l4l; 155)j durch eine Einrichtung (15; 9I)₃ um Signale in die Hohlleitereinrichtung an dem ersten Ende einzuführen und um Signale aus der Kohlleitereinrichtung an dem ersten Ende abzunehmen/und durch eine Einrichtung (83, 85; !öl, 163; l87, 189) für die Aufrechterhaltung eines ungleichförmigen Magnet-'felds (89; 197, 199; 165, I86) quer über die Maser-Verzögerung sstruktur.

7. Maser nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung"(8l) für die Zufuhr von Pumpenergie zu der Maser-Verzögerungsstruktur (21; 127, 129, 139, I¹H; 155) über das

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zweite Ende des Hohlleiters*. ' . - -

8. Maser-nach Anspruch .6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzogerungsstruktur .ein Stück eines Rubinkristalls . (21) besitzt, der den Hohlleiter (17) entlang eines Teilstücks seiner Länge zwischen dem ersten Ende (19) und dem zweiten Ende. (23)..füllt..

9; Maser nach Anspruch 6, .dadurch'gekennzeichnet, daß -. die Verzögerungsstruktur eine kammartige Struktur (131* aufweist, die zwischen zwei Platten aus Masermaterial (127, 129, 139, I¹H) angeordnet ist, wobei die Verzögerungsstruktur' die Wellenausbreitung in beiden Richtungen entlang des Hohlleiters (123, 147) erlaubt.

10. Maser nach.Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,.daß die Einrichtung zum Einführen und zum Entnehmen von Signalen in den bzw .aus dem Hohlleiter einen mit dem ersten Ende des Hohlleiters (17; 123; 1^7) gekoppelten Breitbandzirkulator (15; 91) besitzt. · .

"11. Maser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, .daß die ' Einrichtung zum Aufrechterhalten eines ungleichförmigen Magnetfelds (87,.89) ein Paar von Magnetpolen (83, 85) mit zueinander geneigten Polflächen besitzt, wobei auf jeder Seite der Verzögerungsstruktur (21; 127, 129, 139, l4l; 155) - sich jeweils ein Magnetpol befindet.

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■ 12. Maser nach Anspruch·6, dadurch gekennzeichnet, daßdie Einrichtung zum Aufrechterhalten eines ungleichförmigen Magnetfelds (165, 186) "ein Paar von Magnetpolen· (l6l-, l63) mit zueinander parallelen Polflächen " . ,," wobei auf . jeder Seite der Verzöger-ungsstruktur (21; 127, 129, 139, I¹U; 155) sich jeweils ein Magnetpol befindet, und ferromagnetisches Material (167/ Ϊ69, 171, 173) besitzt, das zwischen den Magnetpolen' angeordnet ist. " .

• 13.- Maser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß· die Einrichtung zum Aufrechterhalten eines ungleichförmigen Magnetfelds (197, 199) ein Paar von Magnetpolen -(187,189) mit zueinander parallelen Polflächen . , wobei auf jeder Seite der Verzögerungsstruktur (21; 127, 129, 139, I¹IIj 155) sich jeweils ein Magnetpol befindet, und eine stromführende Schleife (1^1, 193, 195) besitzt, die zwischen den Magnetpolen angeordnet ist.

I¹J. Reflexionswellenmaserverstärker mit hoher Verstärkung und großer Bandbreite, gekennzeichnet durch einen Zwei-Richtungs-Maser (15, 17, 21, 81, 87, 89; 91) in der ersten Stufe, der eine erste Hohlleitereinrichtung (17) besitzt., die ein erstes Ende (19) und ein zweites Ende (23) aufweist, wobei das zweite Ende der Hohlleitereinrichtung alle zu ihm hinwandernden Signale reflektiert, der eine erste Verzögerungsstruktur (21) besitzt, die sich in der Hohlleitereinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende befindet, und der eine erste Einrichtung (15; 98) zum Einführen und zum

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Entnehmen von Signalen in d^Le. bzw. aus. der ersten Hohllexfcerein.-*; . .richtung an dem ersten'Ende besitzt, durch einen Zwei-Richtungs- ·:'. "-Maser ("43,- 45, 49, 8l," 37, .39; 9D in der zweiten Stufe, der t eine-zweite Hohlleitereinrichtung (45) besitzt₃ die ein erstes.. Ende (47) und ein zweites Ende (53) aufweist, wobei das zweite Ende der Hohlle-itereinrichtung alle zu ihm hinwandern- '" den Signale reflektiert, der eine zweite Verzögerungsstruktur '': .-(49) besitzt, die sich in der Hohlleitereinrichtung zwischen ' . dem ersten und dem zweiten Ende befindet, und der. eine zweite Einrichtung (43;"108) zum Einführen und zum Entnehmen von" . , Signalen in die bzw. atis-.der zweiten Hohlleitereinrichtiing an dent ersten Ende besitzt, durch'eine Einrichtung (3T; 102, 103, 105), um den. ersten und den zweiten Zwei-Richtungs-Kaser in einer Richtung zu koppeln, und durch eine Einrichtung'(83, 85; l6l, ■ 163; 187,, 189) zum Aufrechterhalten eines ungleichförmigen Magnetfelds (8.7, 89; 165» I86; 197, 199) quer über die erste 'und die zweite Verzögerungssfcruktur (21, 49).

15· Maserverstärker nach Anspruch l4_}. gekennzeichnet durch eine Einrichtung (Sl) für die Zufuhr von Pumpenergie z-u der ersten und der zweiten Verzögerungsstruktur (21, 49) durch das zweite Ende (23> 51) der ersten und der zweiten ^f Hohlleitereinrichtung (17, 45).

. 16. Kaserverstärker nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß* die erste und die zweite Verzögerungsstruktur (17, ^5) jeweils ein Stück eines Rubinkristalls (21, 49) besitzen, die die entsprechenden.Hohlleiter (17, 45) für einen bestimm-

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ten Abstand über ihre Längen zwischen dem ersten Ende (19 ₃- 47)
.und dem zweiten Ende (23 j 51) ausfüllen.

17. Kaserverstärker nach Anspruch" 14,-dadurch gekennzeichnet, daß die.erste und die zweite Verzögerungsstruktur eine
kammartige Struktur (131,-143) aufweisen, die zwischen zwei
Platten aus Masermaterial (127, 129, 139, I¹Il) angeordnet . ι

- I

sind, wobei die Verzögerungsstruktur die Wellenausbreitung j in beiden Richtungen entlang der Hohlleiter (123,. 147) erlaubt. ·

Ιδ. Kaserverstärker nach Anspruch l4, dadurch gekennzeich-

net, daß die erste Einrichtung (15;-98) zum Einführen und zum ]

Entnehmen von Signalen in den bzw. aus dem ersten Hohlleiter (17; . 123; 147) einen mit dem ersten Ende (19; 125) des ersten Hohl- ! leiters (17; 123; l47) und der Kopplungseinrichtung .(37; 102) ! gekoppelten ersten Breitbandzirkulator (15; 98) besitzt, S und daß die zweite Einrichtung (43; 108) zum Einführen und j zum Entnehmen von Signalen in den bzw. aus dem zweiten Hohlleiter· (45; 123; 147} einen mit .dem ersten Ende des zweiten Hohllei- I ters und der Kopplungseinrichtung gekoppelten zweiten
Breitbandzirkulator (43; 108) besitzt.

' 19. Maserverstärker nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufrechterhalten eines ungleichförmigen Magnetfelds (87 , 89) ein Paar von Magnetpolen (83,
85) mit zueinander geneigten Polflächen besitzt, wobei auf
jeder Seite" der ersten und der zweiten Stufe (21, 49) sich
jeweils -ein Magnetpol befindet.

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• · 20. Maserverstärker nach Anspruch 14, dadurch gekentizeichnet, daß· die Einrichtung zum Aufrechterhalten eines, ungleichförmigen Magnetfelds.(165,186) ein Paar von Magnetpolen (161,163) mit zueinander parallelen PoIflachen besitzt, wobei auf jeder Seite der ersten und der zweiten Stufe (21,49) sich jeweils ein Magnetpol befindet, und ferromagnetisches Material (167> 169, 171, 173) besitzt, das zwischen den Magnetpolen angeordnet ist.

21. Maserverstärker nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Aufrechterhalten eines ungleichförmigen Magnetfelds (197, 199) ein Paar von Magnetpolen (187, 189) mit zueinander parallelen Polflächen, wobei auf jeder Seite der Verzögerungsstruktur (21; 127; 129, 139, 1-41; 155) sich jeweils ein Magnetpol befindet, und eine stromführende Schleife (191, 193, 195) besitzt, der zwischen den Magnetpolen angeordnet ist.

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