DE2727887C3 - Parametrische Verstärkerschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine parametrische Verstärkerschaltung, mit zwei symmetrischen, parametrischen Verstärkern, deren Eingänge für die Frequenz des zu verstärkenden Signals und für die Pumpfrequenz jeweils mit einem ersten und einem zweiten Koppler verbunden sind, die jeweils an die zwei parametrischen Verstärker ein Signal der gleichen Signalfrequenz, jedoch um π/2 phasenverschoben, und ein Pumpsignal der gleichen Pumpfrequenz, jedoch um π/2 phasenverschoben, liefern, und deren Ausgänge mit einem T-Glied verbunden sind. Eine derartige Verstärkerschaltung ist aus der US-PS 31 44 615 bekannt Bekanntlich umfaßt ein parametrischer Verstärker wenigstens eine Pumpresonanzschaltung, eine Komplementärfrequenz-Resonanzschaltung, sowie eine Signalresonanzschaltung in Verbindung mit einer Varaktordiode oder einer nichtlinearen Reaktanz und gfs. einem

ίο Zirkulator. Im Betrieb wird der Verstärker mit einem Signal mit der Pumpfrequenz gespeist, die sehr viel höher als die Frequenz des zu verstärkenden Signals ist. Die Wechselwirkung zwischen diesen Signalen in der nicht-linearen Reaktanz führt zu einem merklichen Fnergieaustausch und läßt Signale entstehen, deren Frequenz gleich der Summe aus der Signalfrequenz und der Pumpfrequenz ist, sowie Signale, deren Frequenz gleich der Differenz der Signalfrequenz und der Pumpfrequenz ist, auf welche Frequenzen auf Resonanz

abgestimmt ist Das von dem Verstärker gelieferte Ausgangssignal besteht wegen der Nichtlinearität der Reaktanz ebenfalls aus Signalen mit der Frequenz gleich der Differenz der Pumpfrequenz und der Signalfrequenz und aus Signalen mit der Frequenz gleich der

Summe aus der Pumpfrequenz und der Signalfrequenz. Der Verstärker arbeitet also gleichzeitig als Verstärker für das untere Seitenband für diejenigen Signale, deren Frequenz gleich der Differenz der Pumpfrequenz und der Signalfrequenz ist und als Verstärker für das obere Seitenband hinsichtlich der Signale, deren Frequenz gleich der Summe der Pumpfrequenz und der Signalfrequenz ist Die Umsetzungsverstärkung solcher Schaltungen ist somit proportional zum Verhältnis der Differenzfrequenz oder der Summenfrequenz zu der

Signalfrequenz, je nach betrachteter Betriebsart

Bei Empfängern, die mit derartigen Verstärkerschaltungen mit im Hochfrequenzbereich von beispielsweise 30 bis 200 MHz liegender Signalfrequenz arbeiten, ist es dann sehr schwierig, wenn die Pumpfrequenz sehr viel höher als die Signalfrequenz ist, die Seitenbänder entsprechend den zwei Verstärkungsarten (Verstärkung des oberen Seitenbandes und Verstärkung des unteren Seitenbandes) zu trennen. Demgegenüber bietet die eingangs genannte, bekannte Verstärkerschaltung mit

zwei symmetrischen, parametrischen Verstärkern den Vorteil, daß lediglich eines der beiden Seitenbänder verstärkt wird. Die bekannte Verstärkerschaltung arbeitet jedoch ausschließlich mit diskreten Bauelementen und hat demgemäß den Nachteil eines vergleichs-

weise großen Platzbedarfes sowie vor allem einer kostspieligen Herstellungstechnik, zu der vor allem auch ein zeitraubender elektrischer Abgleich gehört.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine parametrische Verstärkerschaltung der eingangs ge nannten Gattung zu schaffen, die besonders einfach, kompakt und kostengünstig herstellbar ist

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Verbindungslänge zwischen den Verstärkerausgängen und der Anschlußebene des T-Gliedes praktisch gleich Null ist, daß das T-Glied aus einer koplanaren Übertragungsleitung, der auf dem gleichen Substrat eine Schlitzleitung zugeordnet ist, besteht, daß die zwei parametrischen Verstärker in derselben Ebene quer zur Koplanarleitung oder Phasenebene des von dieser übertragenen h> Signals liegen, und daß die Pumpfrequenzeingänge der parametrischen Verstärker mit dem die um nl2 verschobenen Signale liefernden Koppler über die Schlitzleitung verbunden sind.

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Diese Verstärkerschaltung kann insbesondere als Fig.2 zeigt ein Phasendiagramm der verschiedenen

Zwischenfrequenzverstärker hinter Höchstfrequenzmi- Signale an den entsprechenden Punkten der in F i g. 1

schern betrieben werden und es ist daher möglich, das dargestellten Schaltung, wobei die Amplitude dieser

von dem Überlagerungsoszillator der Mischer gelieferte Signale willkürlich mit 1 angenommen ist. Es ergibt sich

Signal als Pumpsignal für die parametrische Verstärker- 5 aus F i g. 2, daß die Signale der Frequenz fp-fi sich in

schaltung gemäß der Erfindung zu benutzen. dem T-Glied 22 aufheben.

In der Zeichnung ist die parametrische Verstärker- Für den Fail, daß das Zwischenfrequenzsignal dem

schaltung anhand beispielsweise gewählter Ausfüh- Eingang 16 des Kopplers 21 zugeführt wird, haben

rungsformen in schematischer Vereinfachung darge- wegen des 3-dB-Hybridaufbaus des Kopplers die

stellt Es zeigt ' ° erhaltenen Signale die folgenden Phasenlagen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für den Betrieb der Die Signaleder Frequenz/7 haben jeweils eine Phase

Schaltang nach der Erfindung im oberen Seitenband, π/2 und Null in Höhe der Ausgänge 10 und 9 des

Fig. 2 und3 Phasendiagramme zu dem Prinzipschalt- Kopplers 21. Der Verstärker 1 wird mit einem Signal

bild der F i g. 1 und der Frequenz /7 und mit einem Pumpsignal der Frequenz

Fig.4 eine perspektivische Darstellung einer para- ι ^r> φ und der Phase Null gespeist; der Verstärker 2 wird

metrischen Verstärkerschaltung. mit einem Signal der Frequenz //und einem Pumpsignal

Gemäß dem Prinzipschaltbild der Fig. 1 umfaßt die der Frequenz fp versorgt, wobei dies« Signale in bezug

Schaltung nach der Erfindung zwei parametrische auf die den Verstärker 1 speisenden Signale jeweils um

Verstärker 1, 2, die symmetrisch sind und jeweils zwei n/2 phasenverschoben sind. In diesem FaJl wird eine

Eingänge 3, 5 bzw. 4, 6 und einen Ausgang 7 bzw. 8 20 Phasenverschiebung von η im Ber',^:ih der höchstfre-

besitzen. Die zwei parametrischer! Verstärker J bzw. 2 quenten Signale der Frequenz (fjp-rfi) erhalten, die

sind mit ihren Eingängen 3 bzw. 4 mit den Ausgängen 11 deren Auslöschung oder Aufhebung ermöglicht, wäh-

bzw. 12 eines ersten Kopplers 20 verbunden, dessen rend eine Phasenverschiebung von Null bei den

erster Eingang 13 ein Pumpsignal mit der Frequenz fp Signalen der Frequenz (Ip-Γι) auftritt Um nun wieder

erhält und dessen zweiter Eingang 14 wellenwider- 25 eine Summierung der Signale der Frequenz (fp+ fi) in

standsrichtig abgeschlosssen ist Die Eingänge 5 bzw. 6 dem T-Glied 22 zu erreichen, genügt es, die Signale der

der Verstärker 1 bzw. 2 sind mit den Ausgängen 9 bzw. Frequenz fp dem Eingang 14 des Kopplers 20

10 eines zweiten Kopplers 21 verbunden, dessen zuzuführen, während dessen Eingang 13 mit einem

Eingang 15 das zu verstärkende Signal mit der Frequenz angepaßten Abschlußwiderstand abgeschlossen ist Für

fi erhält Die Ausgänge 7 bzw. 8 der zwei Verstärker 1 30 den Fall, daß die Anschlüsse des Kopplers 20

bzw. 2 sind über ein T-Glied mit einer Ausgangsschal- unverändert bleiben, kann auch an einem der symmetri-

tung verbunden. Die Ausgänge 7 bzw. 8 der Verstärkung sehen Verstärker 1 oder 2 die Polungsrichtung der

besitzen von der Anschlußebene des T-Gliedes 22 einen Varaktordioden vertauscht oder umgekehrt werden. In

Abstand /. Die zwei Koppler 20 und 21 liefern allen Fällen vermeidet die Verbindung des nicht

ausgehend von ihren jeweiligen Eingangssignalen an 35 benutzten Einganges des Kopplers 21 mit einer

ihren Ausgängen 11, 12 und 9, 10 um π/2 phasenver- Schaltung unendlich großer Impedanz oder mit einer

schobene Signale gleicher Amplitude; die beispielsweise verlustleistungsfreien Schaltung eine Belastung der

von den Ausgängen 10 und 11 gelieferten Signale Schaltung mit der Frequenz (fp- fi) und verhindert auf

mögen voraussetzungsgemäß die Phase Null besitzen, diese Weise jegliche parasitäre Verstärkung des Signals

so daß die von den Ausgängen 9 und 12 gelieferten 40 mit der Differenzfrequenz (fp- fi)

Signale dann gegenüber dieser Bezugsphase um λ/2 Ein Phasendiagramm der in dem Fall erhaltenen

phasenverschoben sind. Signale, in welchem das Signal der Frequenz fp an dem

Die parametrische Verstärkerschaltung arbeitet in Eingang 14 des Kopplers 20 anliegt, ist in Fig.3

den zwei zu betrachtenden Fällen folgendermaßen: dargestellt Dabei wird das Signa! der Frequenz fi dem

Wegen der in den Varaktordioden jedes parametrischen 45 Eingang 16 des Kopplers 21 zugeführt Die zwei

Verstärker* eintretenden Überlagerung oder Schwe- Verbindungen der Länge L zwischen den Punkten 22

bung sind die von jedem der Verstärker 7 und 8 und 7 bzw. 8 (Fig. 1) verhalten sich wie eine

gelieferten Ausgangssignale aus zwei Signalen mit der Übertragungsleitung, deren auf die Ausgänge 7 bzw. 8

Frequenz (fp+fi) und (fp-fi) zusammengesetzt, ent- jedes der Verstärker bezogene Impedanz gleich Null ist

sprechend den zwei Bettiebsfällen jedes Verstärkers. 50 für solche Werte von / die gleich einem ganzzahligen

Unter Berücksichtigung der jeweiligen Phasenlage der Vielfachen der halben Wellenlänge des um π phasen-

verschiedei.en, vorher angegebenen Signale haben die verschobenen Höchstfrequenzsignals sind, also /= k\.

zwei Komponenten des von dem Ausgang 7 des -

Verstärkers 1 gelieferten Signals die folgende Frequenz: in der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform der

/p₊/7miteinerPhase+*/2 55 paramejrischen Verstärkerschaltung sind die Parameter

fp-fimheinerPhase-*r/2 _{Gemäß pig 4 umfaßt die} verstärkerschaltung ein

In gleicher Weise haben die entsprechenden Kompo- keramisches Substrat 34 mit hoher Dielektrizitätskon-

nenten des von dem Verstärker 2 an dem Ausgang 8 stante. Das Substrat 34 besitzt auf einer seiner Flächen

gelieferten Signals jeweils die Frequenz: 60 metallisierte Bereiche 18,35,36 und 37. Die metallisier-

λ,_ι_/;_mw„;„ -οι, ~n ^ten Bereiche 18, 35, 36, 37 bilden zusammen mit dem

t r ■ \Z K η ^{Substrat 34 eine} Koplanarleitung 23, die für die

tp-n mit einer Phase n/2. Schaltung die Ausgangsschaltung für die Signale der

In diesem Fall können folglich die Signale der Frequenz fp+fi darstellt, welche von den Ausgängen 7

Frequenz fp+fi in dem T-Glied 22 summiert werden, ^ bzw. 8 der gestrichen eingezeichneten parametrischen

während sich die Signale der Frequenz fp-fi in dem Verstärker 1 bzw. 2 abgegeben werden. Die metallisier-

T-Glied 22 wegen ihru Phasenverschiebung um η ten Bereiche 35,36,37 bilden mit dem Substrat 34 eine

aufheben. Schlitzleitune. die die um nil Dhasenverschobenen

Signale mit der Pumpfrequenz /pi und /p2 führt. Die Koplanarleitung und die Schlitzleitung verlaufen rechtwinklig zueinander und bilden miteinander ein T-Glied. Die parametrischen Verstärker 1 und 2 sind symmetrische Verstärker, bestehend jeweils aus einer Entkopplungskapazität 31 bzw. 32, die an den Verbindungspunkt 5 bzw. 6 von zwei in Serie liegenden Varaktordioden 39, 4) bzw. 40,42 angeschlossen ist, deren freie Enden oder Anschlüsse jeweils mit den Punkten 27,3 bzw. 28,4 der metallisierten Bereiche 35, 36, 37 des Substrates verbunden sind. Diese Varaktordioden 39,41 bzw. 40,42 sind direkt auf die Punkte 27,3 bzw. 4,28 aufgelötet. Die Ausgäinge 7 bzw. 8 der parametrischen Verstärker 1 bzw. 2 liegen in der gleichen Ebene quer zu der Koplanarleitung oder der Phasenebene des von dieser übertragenen Signals. Wegen der kleinen Abmessungen der die parametrischen Verstärker bildenden Varaktoruiuucii (m uci Grüßeriuruiiuiig von einigen /diruci Millimeter) und wegen ihrer Anordnung in derselben Querebene zu der Koplanarleitung oder Phasenebene des von dieser übertragenen Signals ist die Länge /der Verbindung zwischen den Ausgängen 7 bzw. 8 der Verstärker und der Anschlußebene des T-Gliedes 22 sehr viel kleiner als die Wellenlänge des höchstfrequenten Signals im Substrat (z. B. A = 4cm im S-Band) und kann folglich als Null betrachtet werden. Die Höchstfrequenzsignale löschen sich wegen ihrer Phasenverschiebung um -τ in der Verbindungsebene des T-Gliedes 22 aus, ein Spannungsknotenpunkt des entsprechenden Höchstfrequenzsignales tritt am Ausgang 7 bzw. 8 der Verstärker auf und diese Signale sind somit beseitigt. Der Wert der Kapazitäten 31 bzw. 32 ist so gewählt, daß sie für die Höchstfrequenzsignale eine niedrige Reaktanz und für die Eingangssignale der Frequenz Si eine hohe Reaktanz bestitzen und damit sicherstellen, daß die Höchstfrequenzsignale mit der Phase Null von der Koplanarleitung 23 fortgepflanzt werden. Die Varaktordioden mit nichtlinearer Reaktanz sind folglich, wie in Fig. 4 dargestellt, jeweils zwei und zwei in Serie geschaltet, was die Zuführung der Eingangssignale auf der Zwischenfrequenz in den Punkten 5 bzw. 6 ermöglicht, die mit den Kntkopplungskapazitäten 31,32 verbunden sind, welche bei 7 bzw. 8 mit dem Mittelleiterstreifen 18 der Koplanarleitung verbunden sind.

Mittels der Koppler wird die in Fig.4 dargestellte Anordnung einerseits über die Punkte 5 und 6 mit um .τ/2 phasenverschobenen Zwischenfrequenzsignalen und andererseits über die durch die metallisierten Bereiche 36,35, und 36,37 und das keramische Substrat 34 gebildeten Schlitzleitungen mit den ebenfalls um .τ/2 phasenverschobenen Signalen der Pumpfrequenz versorgt.

Die in F i g. 4 nicht dargestellten Koppler können aus 3-dB-Hybridschaltungen mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen besienen, die durch Schaiiungseiemente geeigneter Impedanz verbunden sind. Solche Koppler sind z. B. aus Anaren Specification Bulletin M 0104-47 Copyright 1975 by Anaren Microwave Inc. bekannt. Schließlich ermöglicht eine π/4-Leitung eine Entkopplung der Schlitzleitungen und vermeidet damit, daß sich die Signale /p 1 und /p 2 wechselseitig beeinflussen.

Die parametrische Verstärkerschaltung ist vor allem dann von Interesse, wenn die Pumpfrequenz /pgroß in bezug <>J diejenige des Signals ist (beispielsweise fp/fs> 50) und gestattet die Herstellung von rauscharmen Zwischenfrequenzverstärkern, die Höchstfre quenzmischern nac.'igeschaltet werden können. Besonders bemerkenswert ist dabei, daß für die beschriebenen Verstärker als Pumpfrequenzsignal dasjenige verwendet werden kann, das von dem Überlagerungsoszillator eines Höchstfrequenzmischers abgegeben wird, ohne daß dadurch in der gewählten Betriebsart der Rauschfaktor verschlechtert wird; die Verstärker können daher in jedem Höchstfrequenzempfänger verwendet werden.

Hierzu 2 Bhiit Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Parametrische Verstärkerschaltung, mit zwei symmetrischen, parametrischen Verstärkern, deren Eingänge für die Frequenz des zu verstärkenden Signals und für die Pumpfrequenz jeweils mit einem ersten und einem zweiten Koppler verbunden sind, die jeweils an die zwei parametrischen Verstärker ein Signal der gleichen Signalfrequenz, jedoch um π/2 phasenverschoben, und ein Pumpsignal der gleichen Pumpfrequenz, jedoch um jt/2 phasenverschoben, liefern, und deren Ausgänge mit einem T-Glied verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslänge zwischen den Verstärkerausgängen (7, 8) und der Anschlußebene des T-GIiedes (22) praktisch gleich Null ist, daß das T-Glied (22) aus einer koplanaren Übertragungsleitung (23), der auf dem gleichen Substrat (3*) eine Schlitzleitung (35, 36, 37) zugeordnet ist, besteht, daß die zwei parametrischen Verstärker (1, 2) in derselben Ebene quer zur Koplanarleitung (23) oder Phasenebene des von dieser übertragenen Signals liegen, und daß die Pumpfrequenzeingänge (3, 4) der parametrischen Verstärker (1,2) mit dem die um π/2 verschobenen Signale liefernden Koppler (2Oj über die Schützleitung (35,36,37) verbunden sind.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koplanarleitung (23) und die SchlitzleituDg (35, 36, 37) rechtwinklig zueinander verlaufen.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die yarametrischen Verstärker (1; 2) jeweils bestehen aus zwei ir Serie geschalteten Varaktordioden (39, 41; 40, 42), deren beide freien Enden punktförmig (27, 3; 28, 4) mit metallisierten Bereichen (35,36,37) des Substrates (34) verbunden sind und der gemeinsame Verbindungspunkt (5; 6) durch eine Kapazität (31; 32) entkoppelt ist, die direkt mit dem Mittelleiterstreifen (18) der Koplanarleitung (23) verbunden sind.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (7; 8) der parametrischen Verstärker (1; 2) in derselben Ebene quer zur Koplanarleitung (23) oder Phasenebene des von ihr übertragenen Signals zusammengefaßt sind.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (7; 8) der parametrischen Verstärker (1; 2) mit der Anschlußebene des T-Gliedes (22) über eine Schaltung mit auf Null abgeglichener Impedanz verbunden sind.

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsamen Verbindungspunkte (5; 6) die Eingangsanschlüsse für das zu verstärkende Signal ^darstellen.