DE3877400T2

DE3877400T2 - Kettenverstaerkerschaltungen.

Info

Publication number: DE3877400T2
Application number: DE8888302696T
Authority: DE
Inventors: Colin Stuart Aitchison
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1988-03-25
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2008-03-26
Also published as: GB8707508D0; GB2203610B; GB8807157D0; EP0285345B1; CA1283178C; US4845440A; EP0285345A2; DE3877400D1; JPS641320A; GB2203610A; EP0285345A3

Description

Die Erfindung betrifft Kettenverstärkerschaltungen zum Betrieb bei sehr hohen Frequenzen, beispielsweise im Bereich von 20 MHz bis 50 GHz.
Kettenverstärker können eine sehr große Bandbreite erreichen, weil sie keine Resonanzschaltungen benötigen. Solche Verstärker weisen einen oder mehr Feldeffekttransistoren auf, die an zwei Mikrowellen-Übertragungsleitungen angeschlossen sind, ferner eine Tor-Übertragungsleitung, an die die Torelektroden der Transistoren angeschlossen sind und eine Senken-Übertragungsleitung, an die die Senkenelektroden angeschlossen sind. Die Quellenelektroden der Transistoren sind an eine Erdleitung angeschlossen, die den beiden Übertragungsleitungen gemeinsam ist, und an einen Eingang für Mikrowellensignale und an einen Ausgang für Mikrowellensignale. Die Tor- und Senken- Übertragungsleitungen sind im wesentlichen künstlich punktförmig verteilte Übertragungsleitungen mit Induktivitäten in den Endabschnitten der Leitungen und zwischen Elektroden aufeinanderfolgender Transistoren. Die Transistoren sind vorzugsweise GaAs MESFET-Transistoren. Ein typisches Beispiel eines derartigen Verstärkers ist in der US-A 4,446,445 beschrieben.
Beim Betrieb des Verstärkers wird ein Mikrowellensignal dem Eingang für die Mikrowellensignale zugeführt und eine entsprechende Wanderwelle breitet sich längs der Tor- und Senken-Übertragungsleitungen aus. Die Wellen werden von dem oder den Transistoren verstärkt. Wenn die Phasenkonstanten der Leitungen gleich und richtig definiert sind, dann ist die Verstärkung des Verstärkers im wesentlichen unabhängig von der Signalfrequenz. Typischerweise wird eine Verstärkung von einigen 6dB über ein breites Fequenzband erreicht.
Während eine hohe Verstärkung und eine große Bandbreite die grundlegende Erfordernisse eines Kettenverstärkers sind, ist es auch sehr wichtig, daß die Rauschfigur oder der Anstieg des Rauschens, das im Verstärker erzeugt wird, so niedrig wie möglich gehalten wird.
Eine ins Einzelne gehende Untersuchung dieser Rauschkomponenten, die in einem Kettenverstärker erzeugt werden, findet sich in einem Aufsatz des Erfinders dieses Patents, das in der Zeitschrift IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-33, Nr. 6, Juni 1985, S. 460-466 mit dem Titel "The Intrinsic Noise Figure of the MESFET Distributed Amplifier" erschienen ist.
Entsprechend einem Aspekt dieser Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Betreiben eines MESFET-Kettenverstärkers die Maßnahmen, daß ein erstes Eingangssignal einem Ende der Tor- Übertragungsleitung zugeführt wird, daß ein zweites Eingangssignal, das im wesentlichen identisch mit dem ersten Eingangssignal ist, dem anderen Ende der Tor-Übertragungsleitung zugeführt wird, daß ein erstes Ausgangssignal von einem Ende der Seken-Übertragungsleitung genommen wird und ein zweites Ausgangssignal vom anderen Ende der Senken-Übertragungsleitung, und daß das erste und das zweite Ausgangssignal kombiniert werden, um ein verstärktes Ausgangssignal zu erzeugen.
Entsprechend einem anderen Aspekt dieser Erfindung weist eine Breitband-Verstärkerschaltung einen MESFET-Kettenverstärker mit einer Tor- und mit einer Senken-Übertragungsleitung auf, weiterhin Mittel zum Anlegen eines ersten Eingangssignals an ein Ende der Tor-Übertragungsleitung und zum Anlegen eines zweiten Eingangssignals, das im wesentlichen identisch dem ersten Eingangssignal ist, an das andere Ende der Tor- Übertragungsleitung, sowie Mittel zum Empfang eines ersten Ausgangssignals von einem Ende der Senken-Übertragungsleitung und eines zweiten Ausgangssignals vom anderen Ende der Senken- Übertragungsleitung, und um diese Signale zu kombinieren, um ein verstärktes Ausgangssignal zu erzeugen.
Die Mittel zur Anlage des ersten und des zweiten Eingangssignals und die Mittel zum Empfangen und Kombinieren des ersten und des zweiten Ausgangssignals sind vorzugsweise entsprechende Hybridschaltungen. Hybridschaltungen sind auf dem Gebiet der Mikrowellen bekannt. Sie sind Schaltungen mit vier Anschlüssen, nämlich mit zwei Eingängen und mit zwei Ausgängen. Ein einem der Eingänge zugeführtes Signal erscheint als zwei identische Signale an beiden Ausgängen und ein dem anderen Eingang zugeführtes Signal erscheint als Signale an beiden Ausgängen, die identisch sind, aber die in ihrer Phase relativ zueinander verschoben sind. Entsprechendes gilt, wenn Eingangssignale beiden Eingängen zugeführt werden. Diese werden von der Schaltung kombiniert und das kombinierte Signal erscheint am Ausgang. Hybridschaltungen sind überlicherweise 90º oder 180º Hybride, wobei bei einem 90º Hybrid die Ausgangssignale in Phase sind oder um 90º oder 270º relativ zueinander phasenverschoben sind. Bei einem 180º Hybrid sind die Ausgangssignale in Phase oder sie sind um 180º relativ zueinander phasenverschoben. Wenn 90º Hybridschaltungen verwendet werden, um zwei Eingangssignale zu kombinieren, so wird ein maximaler Ausgang von einem Ausgangsanschluß erreicht, wenn die Eingangssignale in Phase sind. Ein maximaler Ausgang wird vom anderen Ausgangsanschluß erreicht, wenn die Eingangssignale um 90º oder 270º phasenverschoben sind. Entsprechend gilt, daß wenn 180º Hybridschaltungen verwendet werden, um die beiden Eingangssignale zu kombinieren, daß dann ein maximaler Ausgang an einem Ausgangsanschluß erreicht wird, wenn die Eingangssignale in Phase sind und ein maximaler Ausgang wird am anderen Ausgangsanschluß erreicht, wenn die Eingangssignale um 180º phasenverschoben sind. Bei dieser Erfindung werden nur drei der Anschlüsse jedes Hybrids verwendet und der vierte Anschluß, der isolierte Anschluß, ist von einer Impedanz abgeschlossen, die der charakteristischen Impedanz der Hybridschaltung entspricht.
Obgleich 90º und 180º Hybride vorstehend vorgeschlagen werden, können auch andere Mittel vorgesehen sein, um sicherzustellen, daß zwei Eingangssignale alternativ verwendet werden können, zusammen mit Mitteln zum Kombinieren der Ausgangssignale vom Verstärker zwecks Erzeugung des endgültigen Ausgangs. Beispielsweise kann die Eingangssignalquelle zwei Oszillatoren aufweisen, die zusammen verriegelt sind, um zwei Signale bei gleicher Frequenz und in Phase abzugeben oder bei der gewünschten Phasendifferenz.
Wenn ein Kettenverstärker unter Linearbedingungen arbeitet, so ist er im Betrieb symmetrisch, so daß ein in das eine Ende der Tor-Übertragungsleitung eingegebenes Signal verstärkt wird, wenn das Signal zum anderen Ende der Leitung nach vorne wandert. Ein in das andere Ende der Tor-Übertragungsleitung eingegebenes Signal wird verstärkt, wenn dieses nach vorne zum einen Ende der Leitung wandert. Zusätzlich dazu wandern Signale auch im umgekehrten Richtungen längs der Tor-Übertragungsleitung und dann über die Senkenleitung zum Ausgang. Die in Vorwärtsrichtung und in Rückwärtsrichtung wandernden Signale von den beiden Enden zu den anderen Enden und umgekehrt addieren sich vektoriell, um das verstärkte Ausgangssignal des Verstärkers zu ergeben. Durch Auswahl des richtigen Phasenverhältnisses zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangssignal wird das Ausgangssignal des Verstärkers maximiert. Dadurch ergibt sich eine fühlbare Vergrößerung im verfügbaren Verstärkungsgrad eines Kettenverstärkers, verglichen mit dessen herkömmlicher Betriebsweise.
Gute Ergebnisse können erreicht werden, wenn die an die beiden Enden der Tor-Übertragungsleitung angelegten Signale in Phase sind oder um 90º, 180º oder 270º außer Phase sind. Wenn die an die anderen Enden der Tor-Übertragungsleitung angelegten Signale außer Phase sind, so muß eine entsprechende Phasenänderung zwischen die Ausgangssignale von gegenüberliegenden Enden der Senken-Übertragungsleitung eingeführt werden. Die Mittel zum Anlegen des ersten und zweiten Eingangssignals an entgegengesetzte Enden der Tor-Übertragungsleitung können Mittel einschließen, um die Signale relativ zueinander in ihrer Phase zu verschieben und in diesem Fall können die Mittel zum Empfang und zum Kombinieren des ersten und des zweiten Ausgangssignals von den anderen Enden der Senken- Übertragungsleitung Mittel einschließen, um eine entsprechende Phasenverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal zu erzeugen.
Fernerhin gibt es Vorteile in der Rauschverteilung, weil einige der Rauschkomponenten der in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung wandernden Signale von einem Ende zum anderen Ende der Leitung und umgekehrt in einer Antiphase am Ausgang erscheinen und sich daher gegenseitig auslöschen, wodurch sich ein geringerer Geräuschpegel für den Verstärker ergibt. Weil die verfügbare Verstärkung des Verstärkers erhöht wird, wird fernerhin das Gesamtrauschen oder das Verhältnis der Signale zum Rauschen beim erfindungsgemäßen Verstärker weiterhin verbessert.
Im folgenden werden Beispiele der Erfindung beschrieben und einem herkömmlichen Kettenverstärker gegenübergestellt, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:
Fig. 1 - ein Schaltungsdiagramm eines herkömmlichen Kettenverstärkers;
Fgi. 2 - ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Kettenverstärkers;
Fig. 3 - ein Diagramm, wobei das Rauschen über der normalisierten Frequenz aufgetragen ist, um den Vergleich des theoretischen Rauschens von Kettenverstärkern nach der Erfindung mit demjenigen von herkömmlichen Kettenverstärkern zu illustrieren;
Fig. 4 - ein Diagramm, wobei die Verstärkung über der normalisierten Frequenz aufgetragen ist, um den Vergleich der theoretischen Verstärkung von erfindungsgemäßen Kettenverstärkern mit derjenigen herkömmlicher Verstärker zu erläutern;
Fig. 5 - eine Diagramm, wobei die Verstärkung über der Frequenz auftragen ist zwecks Erläuterung des Vergleichs eines Beispiels eines einstufigen Kettenverstärkers nach der Erfindung mit einer herkömmlichen Vorrichtung;
Fig. 6 - ein Diagramm, wobei das Rauschen über der Frequenz aufgetragen ist, zur Erläuterung des Vergleichs eines Beispiels eines einstufigen Verstärkers nach der Erfindung mit einer herkömmlichen Vorrichtung;
Fig. 7 - ein Diagramm, wobei die Verstärkung über der Frequenz aufgetragen ist zur Erläuterung eines Beispiels eines zweistufigen Kettenverstärkers nach der Erfindung mit einer herkömmlichen Vorrichtung;
Fig. 8 - ein Diagramm, wobei das Rauschen über der Frequenz aufgetragen ist zur Erläuterung des Vergleichs eines Beispiels eines zweistufigen Kettenverstärkers nach der Erfindung mit einer herkömmlichen Vorrichtung.
Ein Kettenverstärker hat eine Anzahl Feldeffektransistoren 1 - 4, die wie schematisch in Fig. 1 gezeigt, angeschlossen sind. Die Transistoren sind vorzugsweise GaAs MESFET-Transistoren und der Verstärker kann eine beliebige Anzahl dieser Transistoren aufweisen. Der Verstärker hat im wesentlichen zwei Mikrowellen-Übertragungsleitungen, eine Tor-Übertragungsleitung, an die die Torelektroden der Transistoren 1 - 4 angeschlossen sind, und eine Senken-Übertragungsleitung, an die die Senkenelektroden angeschlossen sind. Die Quellenelektroden sind an eine Erdungsleitung 5 angeschlossen, die den beiden Übertragungsleitungen gemeinsam ist und einer Mikrowellen-Signal-Eingangsleitung 6 sowie einer Mikrowellen- Signal-Ausgangsleitung 7. Die Torelektroden aufeinanderfolgender Transistoren sind über Induktivitäten 8 verbunden und die Senken-Elektroden sind über ähnliche Induktivitäten 9 verbunden. Induktivitäten 10 und 11 sind in den Endabschnitten der Leitungen vorgesehen.
Die Tor-Übertragungsleitung endet rechts in der Ansicht von Fig.1 an einem Widerstand 12, der der charakteristischen Impedanz der Leitung gleich ist, die beispielsweise 50 X sein kann. Der Widerstand 12 kann als Leerlauf-Torlast bezeichnet werden. Das Mikrowellensignal wird dem Eingang 6 von einem Generator 13 zugeführt, dessen Impedanz gleich der charakteristischen Impedanz ist. Die Senken-Übertragungsleitung endet links in einem Widerstand 14, der der charakteristischen Impedanz dieser Leitung gleich ist, wiederum beispeilsweise 50 X. Der Widerstand 14 kann als Leerlauf-Senkenlast bezeichnet werden. Der Signaleingang 7 ist an eine Last 15 angeschlossen, die eine Eingangsimpedanz hat, die gleich der charakteristischen Impedanz der Senken-Übertragungsleitung ist. Eine Gleichspannungsquelle 16 ist an die Leitung 5 angeschlossen und ist auch an die Verbindung des Widerstands 14 mit der benachbarten Induktivität 11 angeschlossen, und zwar über ein Tiefpaßfilter 17, um die Senkenelektroden vorzuspannen.
Im Betrieb des Verstärkers wird ein dem Eingang 6 zugeführtes Signal durch die aufeinanderfolgenden Transistoren 1 - 4 verstärkt. Eine jeweilige Wanderwelle wandert längs jeder Tor- Übertragungsleitung und jeder Senken-Übertragungsleitung. Wenn die Phasenkonstanten beider Leitungen gleich und richtig bestimmt sind, so ist die Verstärkung des Verstärkers im wesentlichen unabhängig von der Signalfrequenz. Eine Verstärkung von einigen 6 dB kann über ein breites Fequenzband erreicht werden.
In Fig. 2 ist ein Kettenverstärker nach der Erfindung gezeigt, der ein Hybrid 18 mit einem Eingang 19 aufweist, dem ein hochfequentes Eingangssignal von einer Quelle 20 zugeführt wird. Ein erster Ausgang 21 des Hybrids ist an den normalen Eingang 6 eines Kettenverstärkers 22 desjenigen Typs angeschlossen, der vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben wurde. Ein zweiter Ausgang 23 des Hybrids ist an das rechte Ende 24 der Torleitung des Verstärkers 22 angeschlossen. Der isolierte Anschluß 25 des Hybrids wird durch eine Impedanz abgeschlossen, die gleich der charakteristischen Impedanz des Hybrids 18 ist. Die charakteristische Impedanz des Hybrids 18 entspricht so nahe wie möglich derjenigen der Torleitung, so daß das Hybrid wirksam die richtige Quellenimpendanz am Eingang 6 liefert und die richtige Tor-Leerlauflast, äquivalent dem Widerstand 12 in Fig. 1 am Ende 24 der Torleitung. Die charakteristische Impedanz des Hybrids ist in der Praxis frequenzabhängig, während die Impedanz der Torleitung, die eine künstliche Übertragungsleitung ist, so ausgebildet ist, daß sie frequenzunabhängig ist. Um das Übereinstimmen der Impedanzen zu verbessern, kann die Torleitung an das Hybrid 18 über m abgeleitete Sektionen angeschlossen sein, die in der Mikrowellentechnik bekannt sind und die die Impedanz des Hybrids 18, sobald diese an der Torleitung erscheint, in eine frequenzunabhängige Impedanz umwandeln.
Ein zweites Hybrid 26 ist an die Senkenleitung angeschlossen. D.h., daß ein Ausgang 27 des Hybrids 26 an den Ausgang 7 des Verstärkers 22 angeschlossen ist. Der andere Ausgang 28 des Hybrids ist an das linke Ende 29 der Senkenleitung angeschlossen. Der isolierte Anschluß 30 wird von einer Impedanz abgeschlossen, die gleich der charakteristischen Impedanz des Hybrids 26 ist und auch hier wird die charakteristische Impedanz des Hybrids 26 so nahe wie möglich gleich derjenigen der Senkenleitung gemacht, so daß das Hybrid wirksam die richtige Lastimpedanz am Ausgang 7 erzeugt sowie die richtige Senken-Leerlauflast gleich dem Widerstand 14 in Fig. 1 am Ende 29 der Senkenleitung. Auch hier kann das Übereinstimmen durch die Verwendung von m abgeleiteten Sektionen verbessert werden. Eine Ausgangsleitung 31, die von der charakteristischen Impedanz abgeschlossen wird, ist an den Ausgang 32 des Hybrids angeschlossen. Die Erdungsleitungen der Eingangs- und Ausgangs-Anschlüsse der Hybride sind alle an die Erdungsleitung 5 angeschlossen, die die Quellen der MESFET-Transistoren im Verstärker 22 verbindet.
Die Mybride 18 und 26 können beide 90º Hybride oder beide 180º Hybride sein.
Im Betrieb der Schaltung wird ein Eingangssignal dem Anschluß 19 zugeleitet und das Hybrid 18 sendet Signale an den Anschlüssen 21 und 23 aus, die in Phase sind oder die um 90º, 180º oder 240º phasenverschoben sind, abhängig vom verwendeten Hybridtyp und von den verwendeten Anschlüssen. Resultierende Signale werden an den Eingangsanschlüssen 27 und 28 des Hybrids 26 empfangen und diese Signale sind entsprechend nicht phasenverschoben oder sie sind um 90º, 180º oder 270º phasenverschoben. Sie werden im Mybrid zu einem zusammengesetzten Signal kombiniert, das an eine Leitung 31 abgegeben wird.
Die Wirkung, durch die die den Eingängen 27 und 28 zugeleiteten Signale im Verstärker 22 erzeugt werden, ist wie folgt. Weil der Verstärker aus MESFET-Transistoren konstruiert ist, ist er im Betrieb symmetrisch. Das bedeutet, daß ein am rechten Ende 24 der Torleitung eingegebenes Signal verstärkt wird und am linken Ende 29 der Torleitung in genau derselben Art und Weise abgegeben wird, wie ein Signal, das in das linke Ende der Torleitung, d.h. beim Eingang 6, eingegeben wird, verstärkt wird und am rechten Ende der Torleitung, d.h. am Ausgang 7, abgegeben wird. Weil das am Eingang 6 anliegende Signal jeden aufeinanderfolgenden MESFET-Transistor erreicht und dabei verstärkt wird, wird ein Teil des resultierenden Signals über die Senkenleitung dem Ausgang 7 zugeleitet und ein Teil wird zum linken Ende 29 der Senkenleitung geleitet. Entsprechend, wenn ein an das rechte Ende 24 der Torleitung angeliegendes Signal jeden der aufeinanderfolgenden MESFET- Transistoren erreicht und dabei verstärkt wird, so wird ein Teil des resultierenden Signals nach links längs der Senkenleitung zum Ende 29 geleitet und ein Teil wird zum Ausgang 7 geleitet. Die zu den Anschlüssen 27 und 28 geleiteten Signale sind daher beide sowohl von der Vorwärtsverstärkung wie auch von der Rückwärtsverstärkung des Verstärkers abgeleitet.
Das Ergebnis der Phasenverschiebung der Eingangssignale, der entsprechenden Phasenverschiebung und Kombination der Ausgangssignale und der Vorwärtsverstärkung und Rückwärtsverstärkung im Verstärker 22 ist eine Verringerung im Gesamtrauschen im Ausgangssignal am Anschluß 32, beruhend auf der Auslöschung der Rauschsignale von Frequenzen, die derart sind, daß die Signale am Anschluß in Antiphase erscheinen.
Bei einem herkömmlichen Kettenverstärker gibt es die folgenden Rauschquellen, die, außer dem Quellenwiderstand und der Standardtemperatur, zum Rauschen beitragen:
a) Das Beenden des Leerlaufs der Torleitung;
b) das Beenden des Leerlaufs der Senkenleitung;
c) der Tor-Rauschgenerator, der mit dem MESFET- Transistor oder mit jedem MESFET-Transistor verbunden ist, und
d) der Senken-Rauschgenerator, der mit dem MESFET- Transistor oder mit den MESFET-Transistoren verbunden ist.
Bei dem Kettenverstärker nach der Erfindung können die Beendigung des Leerlaufs der Torleitung und die Beendigung des Leerlaufs der Senkenleitung verschwinden und werden jeweils von den isolierten Anschlüssen 25 und 30 der Hybride 18 und 26 ersetzt. Es kann aber gezeigt werden, daß das Rauschen vom isolierten Anschluß 25 des Hybrids 18 im Abschluß des isolierten Anschlusses 30 des Hybrids 26 vernichtet wird. Weiterhin wird kein Rauschen vom Beenden des isolierten Anschlusses 30 des Hybrids 26 in den Ausgangsanschluß 31 der Senkenleitung des Hybrids vernichtet. Beim erfindungsgemäßen Kettenverstärker verschwinden also die Anteile des Rauschdiagramms der ersten beiden Rauschquellen der vorstehenden Liste. Weil fernerhin die Verstärkung des erfindungsgemäßen Kettenverstärkers größer ist als bei einem konventionellen äquivalenten Kettenverstärker, wird das Rauschdiagramm weiterhin verringert.
Es folgt eine kurze theoretische Analyse der Erhöhung der Verstärkung und der Verringerung des Rauschdiagramms. Eine Analyse der Konfiguration eines herkömmlichen Kettenverstärkers, wie in Fig. 1 gezeigt, ergibt, daß Ausdrücke für die Vorwärtsverstärkung durch die Senkenlast (Idf) und die Rückwärtsverstärkung durch die Senkenlast (Idr) durch die folgende Gleichung gegeben werden:
wobei V die Spannung am Eingang ist, gm die wechselseitige Induktivität ist, n die Anzahl der MESFET-Transistoren im Kettenverstärker ist und β die Phasenkonstante der Torleitung oder Senkenleitung ist. Die vorstehenden Gleichungen werden vereinfacht, wenn βg = βd ist und dies ergibt:
Dies erläutert, daß der Vorwärtsstrom und der Rückwärtsstrom durch die Senkenlast stets in Phase sind, aber das Vorzeichen ändern, wenn sin nβ/sin β das Vorzeichen ändert.
Diese Ausdrücke können verwendet werden, um die insgesamt verfügbare Verstärkung Gf+r in einem erfindungsgemäßen
Kettenverstärker zu berechnen, wobei 180º Hybride verwendet werden.
wobei Zπg und Zπd die Impedanzen des Tors und der Senke sind. In dem einleitend erwähnten Aufsatz des Erfinders, der in den IEEE transactions veröffentlicht ist, wurde gezeigt, daß die entsprechende Vorwärtsverstärkung eines herkömmlichen Kettenverstärkers durch die folgende Gleichung gegeben ist:
Ein Vergleich der vorstehenden beiden Gleichungen macht deutlich, daß ein erfindungsgemäßer Kettenverstärker, verglichen mit einem herkömmlichen Kettenverstärker, eine verfügbare Leistungsverstärkung hat, die um 6 dB größer ist, entweder wenn β ausreichend klein ist, oder alternativ, wenn n gleich eins ist.
Es ist passend, das theoretische Rauschdiagramm eines erfindungsgemäßen Verstärkers mit demjenigen eines herkömmlichen Verstärkers in verlustfreien Konfigurationen zu vergleichen, wobei die Techniken benutzt werden, die in dem vorstehend erwähnten Artikel in den IEEE transactions verwendet werden, die auf den Erfinder dieses Patents zurückgehen. Bei beiden Konfigurationen kann das Rauschdiagramm F wie folgt dargestellt werden:
wobei Gav die verfügbare Verstärkung des Kettenverstärkers ist.
Es ist passend, den Beitrag zum Rauschdiagramm tabellarisch darzustellen und dies geschieht in folgender Tabelle 1. Tabelle 1 Rauschquelle herkömmlicher Kettenverstärker erfindungsgemäßer Kettenverstärker MESFET-Senke MESFET-Tor Torlast Senkenlastwobei Cgs die Kapazität der Torquelle ist, P die Van der Ziel-Senken-Raumkonstante und R die Van der Ziel Tor- Rauschkonstante.
Löst man diese Gleichungen, so erhält man die Diagramme nach Fig. 3 und 4. Fig. 3 zeigt die theoretische Rauschfigur (Rauschdiagramm) als Funktion der normalisierten Grenzfrequenzen eines herkömmlichen Kettenverstärkers bzw. eines erfindungsgemäßen Kettenverstärkers, wobei beide Kettenverstärker eine und zwei Stufen einschließen (n = 1 und 2). Es ergibt sich, daß sich eine Verbesserung nahe an 5 dB beim Rauschdiagramm für einen einstufigen Kettenverstärker ergibt und eine Verbesserung zwischen 2 dB und 3 1/2 dB bei Frequenzen unterhalb der Hälfte der Grenzfrequenz für den zweistufigen Kettenverstärker in Übereinstimmung mit der Erfindung. Zu beachten ist, daß in Fig.3 die Anwortkurven eines herkömmlichen Kettenverstärkers in ausgezogenen Linien dargestellt wird, während die Antwortkurven für einen erfindungsgemäßen Kettenverstärker gestrichelt eingezeichnet sind.
Fig. 4 zeigt die theoretische Verstärkung eines erfindungsgemäßen Kettenverstärkers, und zwar normalisiert bezüglich eines herkömmlichen Kettenverstärkers. Die Kettenverstärker schließen eine, zwei und vier MESFET-Transistoren ein. Daraus ergibt sich eine Verbesserung um 6 dB in der Verstärkung für einen einstufigen Kettenverstärker nach der Erfindung und eine Verbesserung von 6 dB in der Verstärkung, die auf eine Verbesserung von 0 dB bei 70 % der Grenzfrequenz für den zweistufigen Kettenverstärker abfällt. Es ergibt sich auch eine fluktuierende Verbesserung für einen vierstufigen Kettenverstärker.
Bei einem anfänglichen praktischen Test des erfindungsgemäßen Kettenverstärkers wurden Kettenverstärker hergestellt unter Verwendung von einen oder mehreren Gallium-Arsenid MESFET- Transistoren vom Typ NEC 710, hergestellt von Firma NEC Semiconductors, Japan, und unter Verwendung von handelsüblichen Breitband-180º-Hybridschaltungen. Ähnliche MESFET- Transistoren wurden verwendet, um die herkömmlichen einstufigen und zweistufigen Kettenverstärker herzustellen, die zu Vergleichszwecken verwendet wurden. Die Ergebnisse der praktischen Experimente, die durchgeführt wurden, um das Rauschdiagramm und die Verstärkung, bezogen auf die Frequenz dieser Schaltungen zu bestimmen, sind in den Fig. 5 bis 8 gezeigt.
Fig. 5 erläutert, daß eine mittlere Verstärkungsverbesserung von etwa 4 dB erreicht wird, verglichen mit der theoretisch vorhergesagten Verstärkung von 6 dB. Bei einem erfindungsgemäßen Kettenverstärker schließt aber die gemessene Verstärkung den Verlust ein, der sich aus den beiden Hybriden 18 und 26 ergibt und aus den ihnen zugeordneten Anschlüssen. Bei einer richtig konstruierten Schaltung kann aber eine weitere Verbesserung bezüglich der herkömmlichen Betriebsart erwartet werden, so daß die Resultate besser den theoretisch vorhergesagten Ergebnissen entsprechen. Die theoretische Analyse setzt aber voraus, daß die MESFET-Transistoren und die anderen Schaltungselemente verlustfrei sind. Die theoretisch vorhergesagten Diagramme können also in der Praxis nicht erreicht werden.
Der Vergleich des Rauschverhaltens eines einstufigen Verstärkers ist in Fig. 6 gezeigt und erläutert eine
Verbesserung um etwa 3 dB über das Frequenzband von 2 bis 16 GMz mit einem Minimum für den erfindungsgemäßen Kettenverstärker von 5 dB. Auch diese Figur wurde nicht bezüglich der Hybridverluste oder Anschlußverluste korrigiert.
Das Verhalten bezüglich der Verstärkung und des Rauschens von zweistufigen Kettenverstärkern ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt. Fig. 7 zeigt die erwarteten Verbesserungen in der Verstärkung am unteren Ende des Frequenzbandes und eine Verbesserung der Verstärkung von bis zu 70% der Grenzfrequenz bei dem erfindungsgemäßen Kettenverstärker, und zwar in Übereinstimmung mit der vorstehend erläuterten Theorie. Ein Vergleich der Rausdiagramme zeigt, daß eine Verbesserung des Rauschens von 2 dB am unteren Frequenz ende am betreffenden Ende des Bandes erreicht werden kann, welche Verbesserung bei etwa 8 GHz verschwindet und die Verstärkungen werden gleich. Auch hier wird darauf hingewiesen, daß die gemessenen Rauschkurven und Verstärkungskurven die Verluste der Hybride und der Verbindungen einschließen. Diese betragen typischerweise 0,2 dB bei 2 GHz, ansteigend auf 1 dB bei 15 GHz.
Die experimentellen Ergebnisse belegen, daß ein erfindungsgemäßer Kettenverstärker wertvolle Verbesserungen in der Verstärkung und eine Verringerung in der Rauschkurve für Verstärker mit einer geringen Anzahl von MESFET-Transistoren ergibt. Sie erläutern insbesondere, daß die Verstärkungskurve und Rauschkurve, die bei einem erfindungsgemäßen, einstufigen Kettenverstärker erreicht werden können, generell ähnlich denjenigen Kurven sind, die mit einem herkömmlichen Kettenverstärker erzielt werden, der vier MESFET-Transistoren hat.
In Fig. 3 ist die Rauschkurve in dB über der normalisierten Frequenz aufgetragen, und zwar in durchgezogenen Linien für einen herkömmlichen Kettenverstärker und in gestrichelten Linien für einen erfindungsgemäßen Kettenverstärker.
In Fig.4 ist die normalisierte Verstärkung in dB über der normalisierten Frequenz aufgetragen.
In Fig. 5 ist die Verstärkung in dB über der Frequenz in GHz aufgetragen, und zwar bei der oberen Kurve für einen erfindungsgemäßen Kettenverstärker und bei der unteren Kurve für einen herkömmlichen Kettenverstärker.
In Fig.6 ist die Rauschkurve in dB über der Frequenz in GHz aufgetragen, und zwar bei der oberen Kurve für einen herkömmlichen Kettenverstärker und bei der unteren Kurve für einen erfindungsgemäßen Kettenverstärker.
In Fig.7 ist die Verstärkung in dB über der Frequenz in GHz aufgetragen, und zwar bei der durch Kreise verbundenen Kurve bei einem erfindungsgemäßen Kettenverstärker und bei der durch Kreuze verbundenen Kurve für einen herkömmlichen Kettenverstärker.
In Fig.8 ist die Rauschkurve in dB über der Frequenz in GHz aufgetragen, und zwar bei der durch Kreuze verbundenen Kurve für einen herkömmlichen Kettenverstärker und bei der durch Kreise verbundenen Kurve für einen erfindungsgemäßen Kettenverstärker.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines MESFET-Kettenverstärkers, wobei ein erstes Eingangssignal einem Ende der Tor- Übertragungsleltung zugeführt wird, und ein erstes Ausgangssignal von einem Ende der Senken-Übertragungsleitung genommen wird, dadurch gekennzeichnete, daß ein zweites Eingangssignal, das im wesentlichen identisch mit dem ersten Eingangssignal ist, dem anderen Ende der Tor-Übertragungsleitung zugeführt wird, daß ein zweites Ausgangssignal vom anderen Ende der Senken- Übertragungsleitung genommen wird, und daß das erste und das zweite Ausgangssignal kombiniert werden, um ein verstärktes Ausgangssignal zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Eingangssignal sich in Phase befinden und daß das erste und das zweite Ausgangssignal zueinander nicht phasenverschoben sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Eingangssignal relativ zueinander phasenverschoben sind und daß eine entsprechende Phasenverschiebung dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal aufgezwungen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Eingangs- und Ausgangssignale um 90º, 180º oder 270º relativ zueinander phasenverschoben sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kettenverstärker bei einer Frequenz unterhalb 75 % oder unterhalb 40 % seiner Grenzfrequenz betrieben wird.

6. Breitband-Verstärkerschaltung mit einem MESFET-Kettenverstärker (22) mit einer Tor- und mit einer Senken- Übertragungsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (18) zum Anlegen eines ersten Eingangssignals an ein Ende der Tor-Übertragungsleitung und zum Anlegen eines zweiten Eingangssignals, das im wesentlichen identisch dem ersten Eingangssignal ist, an das andere Ende der Tor-Übertragungsleitung vorgesehen sind, sowie Mittel (27) zum Empfang eines ersten Ausgangssignals von einem Ende der Senken-Übertragungsleitung und eines zweiten Ausgangssignals vom anderen Ende der Senken- Übertragungsleitung, und um das erste und das zweite Ausgangssignal zu kombinieren, um ein verstärktes Ausgangssignal zu erzeugen.

7. Breitbandverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen des ersten und des zweiten Eingangssignals und die Mittel zum Empfangen und Kombinieren des ersten und zweiten Ausgangssignals entsprechende Hybridschaltung (18, 26) aufweisen.

8. Breitbandverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hybridschaltungen 90º oder 180º Hybride sind.

9. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kettenverstärker nur einen einzigen MESFET- Transistor oder zwei MESFET-Transistoren einschließt.

10. Breitbandverstärker nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die MESFET-Transistoren GaAs MESFET-Transistoren sind.