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Die Erfindung betrifft einen rauscharmen Oszillator und
insbesondere einen mit einem niedrigen Phasenrauschen im Bereich
der Bandmittenfrequenz.
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Ein herkömmlicher Oszillator enthält, wie beispielsweise in
dem Patent FR 1 417 634 beschrieben, einen Resonator, der
aus einer Induktivität und aus einer Kapazität besteht, einen
Verstärker, und ein nicht lineares Element. Der Verstärker
regt den Resonator an, indem er ihm Energie zuführt. Ein Teil
der im Resonator gespeicherten Energie ist wird abgegriffen
und dem Eingang des Verstärkers zugeführt. Die von dem
Ausgang des Verstärkers gelieferte Leistung ist größer als die
Summe der durch Joulesche Wärmeentwicklung abgeführten
Leistung im Resonator und der dem Eingang des Verstärkers
zugeführten Leistung. Die Amplitude der Ausgangsspannung des
Verstärkers würde folglich unbegrenzt ansteigen, falls in
dieser Schleife kein nicht lineares Element vorhanden wäre,
das die Schleifenverstärkung reduziert, wenn die Amplitude
dieser Spannung ansteigt. Das nicht lineare Element des
Oszillators ist folglich unentbehrlich, um eine stabile
Schwingung zu gewährleisten. Das nicht lineare Element
besteht häufig aus dem Verstärker selbst, weil dieser beim
Eintreten der Sättigung nicht lineare wird.
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Das Model eines solchen Oszillators ist beschrieben in:
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LEESON "Simple Model of a Feedback Oscillator Noise
Spectrum" PROC.IEEE Vol.54, Feb 1966;
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H. J. SIWERIS, B. CHIEK "Analysis of Noise Up Conversion in
Microwave FET Oscillators" IEEE Tran MTT, vol MTT-33
p. 233-242, Mar 1985.
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Dieses Modell zeigt, daß das Rauschen in der Nähe der
Bandmittenfrequenz bei diesem Oszillatortyp im wesentlichen
infolge der Umwandlung eines Niederfrequenzrauschens des
Verstärkers in ein Hochfrequenzrauschen auftritt, aufgrund
eines Abbaueffekts infolge der Nichtlinearität des Betriebs
des Verstärkers. Der Verstärker, der im allgemeinen eine
Halbleitervorrichtung niit einem bei niedrigen Frequenzen
relativ erheblichen Rauschen ist, ist ein Oszillatortyp mit
einem relativ hohen Phasenrauschen.
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Bekannterweise wird das Rauschen eines Oszillators reduziert,
indem man einen Resonator mit sehr hoher Güte verwendet,
aber diese Lösung ist häufig komplex und kostspielig.
Andererseits ist sie für einen Oszillator mit einer von einer
Spannung gesteuerten Frequenz nicht ausführbar, da ein
solcher Oszillator eine Diode variabler Kapazität enthält,
die den Resonator dämpft.
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Aus "New Configurations to Reduce Converted FM Noise in FET
Oscillators" von M. MAMODALY, M. PRIGENT, J. OBREGON ist das
Trennen des nicht linearen Elements und des Verstärkers
bekannt, um das Rauschen eines solchen Oszillatortyps zu
reduzieren. Eine bekannte Vorrichtung enthält als nicht lineares
Element zwei Dioden, die umgekehrt zueinander, parallel zu
dem Resonator geschaltet sind, um die Spannung an den
Resonatorklemmen zu begrenzen.
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Eine andere bekannte Vorrichtung enthält einen linearen
Verstärker und eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung der
Verstärkung dieses Verstärkers, die es ermöglicht die
Verstärkung automatisch so einzustellen, daß die Verluste in den
anderen Elementen des Oszillators kompensiert werden,
insbesondere in dem Resonator, unter Beibehaltung des Verstärker
im Bereich eines linearen Betriebs. Diese beiden bekannten
Vorrichtungen ermöglichen die Realisierung eines Oszillators,
der rauschärmer als der herkömmliche Oszillator ist, der den
Verstärker als Amplitudenbegrenzer nutzt. Dennoch ist diese
Rauschreduzierung für einige Anwendungen nicht ausreichend
und in einigen Fällen nicht anwendbar.
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Das Ziel der Erfindung ist folglich die Bereitstellung eines
Oszillators mit einem Rauschen, das bei gleichbleibender Güte
des Resonanzkreises viel geringer als das der bekannten
Vorrichtungen ist. Gegenstand der Erfindung ist ein Oszillator
mit einem nicht linearen Element, in dem die für
Supraleitermaterialien spezifischen Übergangseigenschaften Anwendung
finden. Denn der Übergang vom supraleitenden Zustand zum
widerstandsbehafteten Zustand unter Einwirkung einer
Temperaturerhöhung oder unter Einwirkung eines Magnetfelds oder
unter Einwirkung eines elektrischen Stroms ermöglicht die
Realisierung eines nichtlinearen Elements, welches notwendig
ist, um die Amplitude eines Oszillators zu stabilisieren. Das
Supraleitermaterial, das bei niedriger Temperatur angewendet
wird, führt nur wenig Rauschen in die Schwingung ein, da das
Rauschen sehr schnell als Funktion der Temperatur abnimmt.
Gemäß der Erfindung ist ein rauscharmer Oszillator mit einem
Resonator, der in einer geschlossenen Schleife mit einem
linearen Verstärker mit Hilfe eines induktiven Elements zum
Eingeben eines Teils der Ausgangsleistung des Verstärkers in
den Resonator verbunden ist, und einem mit dem Verstärker
gekoppelten nicht linearen Element zur Begrenzung der in den
Resonator eingegebenen Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß
das nicht lineare Element von einem Supraleitermaterial
gebildet ist, das auf Niedrigtemperatur unter Bedingungen nahe
dem Übergang zwischen dem supraleitenden und dem
widerstandsbehafteten Zustand gehalten ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung und zur Hervorhebung
anderer Details wird auf die Beschreibung weiter unten und
auf die Zeichnungen verwiesen:
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Figur 1 zeigt das schematische Schaltbild eines ersten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Oszillators,
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Figur 2 zeigt das schematische Schaltbild eines zweiten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Oszillators.
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Der Widerstand eines Supraleitermaterials, das von einem
Gleichstrom durchflossen wird, hebt sich auf:
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- wenn die Temperatur des Materials kleiner als die für das
Material spezifische kritische Temperatur ist;
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- und wenn die Stromdichte im Material kleiner als eine
kritische Stromdichte ist;
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- und wenn das Magnetfeld im Material kleiner als ein
kritisches Feld ist.
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Wenn ein Supraleitermaterial von einem Wechselstrom
durchflossen wird, wird sein Widerstand nicht völlig aufgehoben,
aber strebt gegen einen Wert, der um mehrere Größenordnungen
kleiner als der Widerstand desselben Materials bei
Umgebungstemperatur ist. Diese Widerstandsänderung kann folglich
entweder durch Einwirken auf die Temperatur, oder auf die
Stromdichte oder auf das Magnetfeld induziert werden. Die beiden
letzteren Parameter sind voneinander abhängig und ermöglichen
eine sehr schnelle Änderung des Widerstands, deren Dauer im
Bereich von Nanosekunden liegt. Das Umschalten vom quasi
nicht widerstandsbehafteten Zustand zum widerstandsbehafteten
Zustand unter Einwirkung eines Magnetfeldes oder einer
Stromdichte wird im folgenden elektrische Umschaltung genannt. Das
Umschalten unter Einwirkung einer Temperaturänderung wird im
folgenden thermische Umschaltung genannt. Sie ist von viel
längerer Dauer, die 1 Mikrosekunde oder 1 Sekunde betragen
kann, je nach der Realisierungsart der nicht linearen
Vorrichtung und der Mittel zur Abkühlung, die seine Temperatur
festlegen. Die drei Umschaltungstypen sind nicht völlig
unabhängig voneinander, da der Durchgang eines Stromes
gleichzeitig durch die im eigene Joulesche Wärmeentwicklung, seine
Stromdichte und sein Magnetfeld wirkt.
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Es ist möglich, ein Supraleitermaterial gemäß einem dieser
drei Umschaltungstypen umzuschalten, wobei die geeignete Art
zur Realisierung des nicht linearen Elements und zur
Realisierung seiner Abkühlung ausgewählt wird. Die Stromdichte,
die durch die Schwingung in dem Material erzeugt wird, kann
in die Nähe der kritischen Stromdichte durch geeignete Wahl
des Materialquerschnitts herangeführt werden. Das von dem
Strom der Schwingung im Material erzeugte Magnetfeld kann in
die Nähe des kritischen Feldes herangeführt werden, indem
man dem Material eine geeignete Form gibt. In den beiden
vorhergehenden Fällen wird die Temperatur unterhalb der
kritischen Temperatur gehalten.
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Im Falle der thermischen Umschaltung wird die
Betriebstemperatur ein wenig unterhalb der kritischen Temperatur
festgehalten; die thermische Umschaltung ist möglich, wenn der
Wärmeaustausch mit der Abkühlungsvorrichtung gering ist. Dafür
empfiehlt es sich, einen Gasstrom und nicht einen
Flüssigkeitsstrom als Kühlmittel zu verwenden.
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Die Auswahl des Umschaltungstyps hängt von der
Oszillatorfrequenz ab. Eine relativ zur Schwingungsfrequenz schnelle
Umschaltung wirkt wie ein Begrenzer und erzeugt folglich
harmonische Oberschwingungen, die unerwünscht sein können. Im
Gegensatz dazu ist bei einer langsamen Umschaltung der
Amplitudenbegrenzungseffekt der Schwingung über viele
Schwingungsperioden verteilt. Er verursacht folglich wenig
Schwingungsverzerrungen.
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Es ist also möglich, die thermische Umschaltung durch
Abkühlung des Supraleitermaterials durch einen Gasstrom
anzuwenden, der eine Temperatur wenig unterhalb der kritischen
Tempertur aufweist, und durch Auswählen einer derartigen
Materialzusammensetzung und einer derartigen Form, daß es in der
Nähe der kritischen Dichte und des kritischen Feldes nicht
funktioniert, um so eine langsame Umschaltung zu erhalten.
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Um eine elektrische Umschaltung zu erhalten, die schnell ist,
empfiehlt es sich, den Querschnitt des Supraleitermaterials
zu verringern, um die Stromdichte zu erhöhen, und dieses
Material mittels eines flüssigen Kühlmittels abzukühlen, da
eine Flüssigkeit einen schnelleren Wärmeaustausch als bei
Anwendung eines Gasstroms und folglich eine vollkommene
Stabilisierung der Temperatur ermöglicht. Auch empfiehlt es
sich, dem Material die Form einer Spule zu geben, um im
Material das magnetische Feld zu verdichten, das durch den das
Material durchfließenden Strom erzeugt wird.
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Die beiden im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele
wenden die elektrische Umschaltung an, könnten jedoch
ebenfalls leicht, gemäß den obengenannten Prinzipien, an die
thermische Umschaltung angepaßt werden, insbesondere zum
Zwecke der Realisierung eines Niederfrequenzoszillators.
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In Figur 1 ist das erste Ausführungsbeispiel ein Oszillator,
in dem das nicht lineare Element aus dem Resonator selbst
besteht. Dieser Oszillator besteht aus einem Resonator
gebildet von einer Spule L&sub2; und einem Kondensator C&sub1;, einem
linearen Verstärker 2, der immer in seinem linearen
Betriebsbereich arbeitet, und einer Spule L&sub1;, die an die Spule L&sub2;
gekoppelt ist, um die Schwingungen aufrechtzuerhalten. Die
Spulen L&sub1; und L&sub2; und der Kondensator C&sub1; bestehen aus einem
Material, das bis zu einer Temperatur von 90ºK supraleitend ist.
Sie werden auf der Temperatur von 73ºK mittels eines mit
flüssigem Stickstoff gefüllten Behälters 1 gehalten. Ein
Eingang des Verstärkers 2 ist mit einem ersten Ende der Spule L&sub2;
und mit einem ersten Ende des Kondensators C&sub1; verbunden. Ein
zweites Ende der Spule L&sub2; und ein zweites Ende des
Kondensators C&sub1; sind an ein Bezugspotential angeschlossen. Ein erstes
Ende der Spule L&sub1; ist mit dem Ausgang des Verstärkers 2
verbunden und ein zweites Ende ist an das Bezugspotential
angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers 2 ist auch mit
einer Last R&sub2; verbunden. Ein anderer Eingang des linearen
Verstärkers 2 ist an das Bezugspotential geschlossen.
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Die Verluste infolge der Jouleschen Wärmeentwicklung im
Resonator sind schematisch durch einen Widerstand R&sub1; dargestellt,
der mit der Spule L&sub2; in Serie geschaltet ist. Die Spulen L&sub1;,
L&sub2; und der Kondensator C&sub1; werden auf der Temperatur des
flüssigen Stickstoffs gehalten, sie sind weit von ihrer
kritischen Temperaturen entfernt, die in der Umgebung von 90ºK
liegt. Supraleitende Materialien in der Umgebung von 90ºK
sind beispielsweise beschrieben in: la Recherche nº 190,
Juli-August 1987, Seiten 954-959, Band 18.
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In der Zeitschrift "Physical Review B", vol 36, nº 4, 1.
August 87, Seite 2301, ist das Frequenzverhalten solcher
Supraleitermaterialien beschrieben.
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Die Spule L&sub2; hat eine solche Zahl von Windungen, daß das
Magnetfeld, das im Supraleitermaterial, das diese Windungen
bildet, erzeugt wird, nahe dem kritischen Feld ist, wenn die
Amplitude der Schwingungen den gewünschten Wert erreicht. Der
gewünschte Wert ist derart, daß der Verstärker 2 in seinem
linearen Betriebsbereich verbleibt. Der so aufgebaute
Resonator übernimmt die Rolle eines nicht linearen Elements, das
die Amplituden der Schwingungen begrenzt, weil, wenn das von
der Spule L&sub2; erzeugte magnetische Feld größer als das
kritische Feld ist, das die Spule L&sub2; bildende Supraleitermaterial
in den widerstandsbehafteten Zustand versetzt wird und einen
Teil der im Resonator gespeicherten Energie abstrahlt. Die im
Resonator abgestrahlte Leistung Pd ist dann eine wachsende
Funktion der Schwingungssamplitude. Im Gegenteil, wenn die
Amplitude der Schwingung noch nicht einen ausreichenden Wert
erreicht hat, überschreitet das von der Spule L&sub2; erzeugte
Magnetfeld nicht das kritische Feld, es gibt praktisch keine
Verluste im Resonator und folglich speichert sich die vom
Ausgang des Verstärkers 2 zugeführte Energie im Resonator. In
diesem Fall ist die in den Resonator eingegebene Leistung Pi
größer als die Summe der im Resonator abgestrahlten Leistung
Pd und der Leistung Pe, die dem Eingang des Verstärkers 2
zugeführt wird.
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Die Schwingungsamplitude stabilisiert sich, wenn die
eingegebene Leistung Pi gleich der Summe der abgestrahlten Leistung
Pd und der Leistung Pe ist, die dem Eingang des Verstärkers
zugeführt wird. Der Verstärker arbeitet immer im linearen
Bereich, sein Niederfrequenzrauschen wird nicht in ein
Hochfrequenzrauschen umgewandelt. Es gibt nur das
Hochfrequenzrauschen des Verstärkers, das zu dem Schwingungsrauschen
beiträgt. Was den Resonator betrifft, so wird sein
Niederfrequenzrauschen in ein Hochfrequenzrauschen umgewandelt,
insbesondere in Phasenrauschen. Infolge der niedrigen Temperatur
des Resonators ist sein Rauschen sehr schwach, insbesondere
bei niederen Frequenzen, bei welchen das Phasenrauschen
erheblich reduziert ist. Diese Rauschreduktion ist im Vergleich
zu bekannten Vorrichtungen unabhängig von der
Betriebsfrequenz des Oszillators. Diese Vorrichtung ermöglicht also die
Erzeugung rauscharmer Schwingungen mit einer sehr hohen
Frequenz.
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Es ist auch möglich, den Übergang vom supraleitenden in
den widerstandsbehafteten Zustand des aus der Spule L&sub2;
bestehenden Materials herbeizuführen, indem der Querschnitt des
Materials derart reduziert wird, daß die Stromdichte in der
Nähe der kritischen Stromdichte liegt und diesen Wert
erreicht, wenn die Schwingung die gewünschte Amplitude hat.
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Figur 2 zeigt das schematische Schaltbild eines zweiten
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Oszillators. In dieser
zweiten Variante ist das nicht lineare Element des
Oszillators
eine Vorrichtung 4 zur automatischen Steuerung der
Schleifenverstärkung des Oszillators und diese enthält ein
nicht lineares Element, das aus einem Supraleitermaterial
besteht. Tatsächlich enthält der Oszillator, einen aus einer
Spule L&sub4; und einem Kondensator C&sub2; gebildeten Resonator, eine
Spule L&sub3; zum Aufrechterhalten der Schwingungen, einen
Verstärker 3, der in seinem linearen Betriebsbereich arbeitet,
die Vorrichtung 4 zur automatischen Steuerung der
Verstärkung, und die Last R&sub7;.
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Ein erstes Ende der Spule L&sub4; und ein erstes Ende des
Kondensators C&sub2; sind mit dem Eingang des Verstärkers 3 verbunden.
Ein zweites Ende der Spule L&sub4; und ein zweites Ende des
Kondensators C&sub2; sind an ein Referenzpotential angeschlossen. Die
Verluste im Resonator sind im Schema durch einen Widerstand
R&sub3; dargestellt, der mit der Spule L&sub4; in Serie geschaltet ist.
Die Spule zur Aufrechterhaltung L&sub3; besitzt ein erstes Ende,
das mit dem Ausgang der Vorrichtung 4 verbunden ist und ein
zweites Ende, das an das Referenzpotential angeschlossen ist.
Ein anderer Eingang des Verstärkers 3 liegt auf dem
Referenzpotential. Der Ausgang des Verstärkers 3 ist mit dem Eingang
der Vorrichtung 4 und mit einem Ende der Last R&sub7; verbunden.
Ein zweites Ende der Last R&sub7; und des Eingangs der Vorrichtung
4 liegen auch auf dem Referenzpotential.
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Die Vorrichtung 4 ist ein Dämpfungsglied, bestehend aus zwei
Widerständen R&sub5; und R&sub6;, wobei R&sub6; ein herkömmlicher Widerstand
ist, der der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, während R&sub5;
ein Widerstand aus einem Material ist, das bis ungefähr zu
der Temperatur von 90ºK supraleitend ist. Dieses Material
wird bei einer Temperatur unterhalb dieser kritischen
Temperatur gehalten, da der Widerstand R&sub5; in einem
thermostatischen Behälter 5 bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs
von 73ºK untergebracht ist. Ein erstes Ende des Widerstands
R&sub5; und ein erstes Ende des Widerstands R&sub6; sind miteinander
verbunden und bilden den Ausgang der Vorrichtung 4. Ein
zweites Ende des Widerstands R&sub5; bildet den ersten Eingang und ein
zweites Ende des Widerstands R&sub6; bildet den zweiten Eingang
der Vorrichtung 4.
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Die Zusammensetzung und die Form des den Widerstand R&sub5;
bildenden Materials sind so gewählt, daß das magnetische Feld,
das in diesem Material durch den es durchfließenden Strom
gebildet wird, in der Nähe des kritischen Feldes liegt, wenn
die Schwingung die gewünschte Amplitude erreicht. Wenn die
Amplitude der Schwingungen sich erhöht, erhöht sich die
Intensität des durch die Widerstände R&sub5; und R&sub6; fließenden
Stroms. Das magnetische Feld, das durch das den Widerstand R&sub5;
bildendende Material erzeugt wird, steigt. Wenn dieses
magnetische Feld den Wert des kritischen Feldes erreicht, gerät
das Material durch einen fortschreitenden Übergang in den
widerstandbehafteten Zustand. Die aus den Widerständen R&sub5; und
R&sub6; bestehende Brücke dämpft praktisch solange nicht die von
der Vorrichtung 4 an die Spule L&sub3; gelieferte Spannung,
solange das kritische Magnetfeld nicht erreicht ist. Sie dämpft
die von der Vorrichtung 4 an die Spule L&sub3; gelieferte
Spannung, wenn die Amplitude der Schwingungen derart ist, daß das
Magnetfeld im Material des Widerstands R&sub5; das kritische Feld
überschreitet. Die Amplitude der Schwingung stabilisiert sich
dann auf einen Wert, derart, daß die dem Resonator über die
Vorrichtung 4 zugeführte Leistung gleich der Summe der im
Widerstand R&sub3; des Resonators abgestrahlten Leistung und der
Leistung ist, die dem Eingang des Verstärkers 3 zugeführt
wird.
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Es ist ebenfalls möglich, das Material unter Einwirkung einer
Erhöhung der Stromdichte anstelle einer Erhöhung des
Magnetfeldes umzuschalten. Dafür muß man dem Material einen solchen
Querschnitt beimessen, daß die Stromdichte in der Nähe der
kritischen Stromdichte liegt, wenn die Schwingung die
gewünschte Amplitude erreicht.
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In dieser zweiten Variante arbeiten der Verstärker und der
Resonator im linearen Bereich, lediglich das
Niederfrequenzrauschen der Vorrichtung zur automatischen Steuerung der
Verstärkung
wird in ein Hochfrequenzrauschen umgewandelt,
insbesondere in ein Phasenrauschen. Die Vorrichtung 4 enthält nur
ein einziges nicht lineares Element, den Widerstand R&sub5;. Über
das Hochfrequenzrauschen des Verstärkers hinaus wird das
Rauschen des Oszillators also teilweise von dem
Niederfrequenzrauschen dieses Widerstands R&sub5; bestimmt. Letzterer besitzt
eine sehr niedrige Temperatur, die extrem wenig Rauschen
verursacht, insbesondere Niederfrequenzrauschen, das der
Umwandlung in ein Hochfrequenzrauschen am Ausgang des Oszillators
zugänglich ist. Es findet folglich eine Reduzierung des
Oszillatorrauschens statt.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beiden oben
beschriebenen Ausführungsbeispiele. Der Resonator kann aus
Elementen mit nicht lokalisierbaren Konstanten bestehen, wie
beispielsweise Leitungen oder Hohlräumen. Es hängt von den
Fähigkeiten des Fachmanns ab, wieviele verschiedene Varianten
der Vorrichtung 4 zur automatischen Steuerung der Verstärkung
realisiert werden, die einen nicht lineareen Widerstand aus
einem Supraleitermaterial enthalten.
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Es ist ebenfalls möglich, die Amplitude der Schwingung durch
Erniedrigen des Werts des kritischen magnetischen Felds oder
der kritischen Stromdichte zu varieren, insbesondere indem
man einen Gleichstrom in dem Supraleitermaterial fließen
läßt, das entweder den Resonator der ersten Variante oder den
Widerstand R&sub5; der zweiten Variante bildet; oder auch durch
Anlegen eines Magnetfelds, das durch Mittel außerhalb des
Materials erzeugt wird.
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Die Erfindung findet Anwendung bei vielen Oszillatortypen,
insbesondere bei Oszillatortypen, die durch eine Spannung
gesteuert werden, eine Spule, einen Kondensator festen Werts
und eine Diode mit einer variablen Kapazität enthalten.
Tatsächlich weist der erfindungsgemäße Oszillator ein geringes
Rauschen auf; es ist nicht notwendig das Rauschen
energiebezogen zu filtern; er braucht folglich keinen Resonator zu
enthalten, der einen sehr hohen Gütefaktor besitzt.