DK141467B - Parametrisk forstærkerkobling. - Google Patents

Description

i UU 67

Opfindelsen angår en parametrisk forstærkerkobling til forstærkning af meget korte elektromagnetiske bølger bestående af en reaktansmodulator med en kapacitetsdiode som ulineær reaktans, der foruden den signal-? 5 energi, scan skal forstærkes, også får tilført en anden oscillators (pumpeoscillators) energi, og ved hvilken kapacitetsdiodens parasitreaktanser i det væsentlige udgør resonanskredsen for den ved signalenergiens blanding med pumpeenergien opstående differensfrekvens-10 svingning.

Koblinger af denne art frembyder en forholdsvis ringe støjtemperatur og egner sig derfor navnlig som indgangskreds til høj følsomme modtagekoblinger.

Parametriske forstærkere, som de f.eks. er be-15 skrevet i tidsskriftet "Proceedings of the IRE" fra juli -1958, side 1301-1305, udnytter en reaktans1 ulineære egenskaber, hvilken reaktans hensigtsmæssigt kan være en i spærreområdet drevet kapacitetsdiode. Som regel har den fra pumpeoscillatoren til reaktansen førte energi en 20 højere frekvens end signalenergien. Som følge af reaktan-sens ulinearitet opstår der over og under pumpefrekvensen beliggende sidebånd. Ved hjælp af en en ohmsk komposant indeholdende belastning af koblingen for den under pumpesvingningen beliggende differensfrekvens frembringes 25 en ophævelse af signalindgangens dæmpning. Kapacitetsdioden virker da som en negativ modstand og kan således i forbindelse med en cirkulator anvendes til forstærkning af bølger.

Parametriske forstærkere kræver, hvis de ikke er 30 udformet som vandrebølgeforstærkere, til deres drift afstemte kredse til de signalfrekvente og de differensfrekvente strømme. Disse afstemte kredse må være så bredbåndede som muligt, hvis forstærkerbåndbredden skal være stor. Den opnåelige båndbredde af kredsene påvirkes 35 i praksis stærkt af kapacitetsdiodens parasitreaktanser.

Den opgave, der ligger til grund for opfindelsen, går ud på at forbedre en parametrisk forstærker af den i indledningen beskrevne art væsentligt blandt andet med 141467 2 hensyn til de skildrede vanskeligheder.

I en parametrisk forstærkerkobling af den indledningsvis omhandlede art løses opgaven ifølge opfindelsen ved, at differensfrekvensen er lig med den egenresonans-5 frekvens af kapacitetsdioden, der er givet ved middel-spærrelagskapaciteten og diodens egenselvinduktion og kappekapacitet, og at den ydre kobling ved differens-frekvensen er meget højohmsk i henseende til kapacitetsdioden.

10 Ved opfindelsen går man ud fra den erkendelse, at den med en parametrisk forstærker med kapacitetsdiode opnåelige maksimalbåndbredde optræder ved diodens egenresonans og er givet ved diodens seriemodstand og egenselvinduktion .

15 På tegningen er i fig. 1 vist erstatningsstrøm skemaet for en med en kapacitetsdiode udrustet parametrisk forstærker. Kapacitetsdioden D har en middel-spærrelagskapacitet Cm, en egenselvinduktion Lo, en seriemodstand r og en kappekapacitet Cg. Spærrelagets 20 udstyring ved hjælp af pumpespændingen er givet ved udtrykket 2Y.Sm.coswpt. Her betyder γ modulationsgraden,

Sm~—δπΐ· ωΡ pumpespændingens vinkelfrekvens. Kapaci tet sdioden D's middelspærrelagskapacitet Cm, egenselvinduktion Lo, seriemodstand r og kappekapacitet 25 Cg er angivet dobbelt i erstatningsstrømskemaet, da de er virksomme både for signalkredsen SK og for differens frekvens svingningskredsen DK. Signalkredsen SK har endvidere bortset fra signalgeneratoren G og den indre modstand Ri en til afstemning tjenende reaktans 30 Zl. På samme måde indeholder differensfrekvenssving-ningskredsen en impedans Z2, der repræsenterer denne kreds1 ydre belastning og ligger parallelt med kappekapaciteten Cg. I almindelighed har Z2 en ohmsk kom-posant, der belaster differensfrekvenskredsen yderligere 35 udover den af seriemodstanden r forvoldte belastning, samt en reaktans, der er nødvendig til differensfrekvens svingningskredsens afstemning på resonans. Med henblik på en ringe støjtemperatur er Z2 ofte udformet UU 67 3 som en ren reaktans.

Som regel volder realiseringen af en stor bånd-? bredde af differensfrekvenssvingningskredsen de største vanskeligheder. I fig. 2 er differensfrekvenssvingnings-5 kredsens båndbredde B afsat som funktion af resonansfrekvensen f. I den forbindelse er den ydre belastningsmodstand Z2, ved hvis hjælp afstemningen på den ‘ pågældende resonansfrekvens sker, udformet som en rem . reaktans. Af diagrammet kan det udledes, at båndbredden 10 B først tiltager til båndbredden Bo ved resonans- -frekvensen fdl. I dette område er Z2 induktiv. I området mellem resonansfrekvensen fdl og resonans- . frekvensen fd2 tiltager båndbredden ikke yderligere, men er på grund af diodens egenselvinduktion konstant.

15 I dette område er Z2 kapacitiv. I området over reso- c-nansfrekvensen fd2, hvor Z2 igen er induktiv, afta-: ger båndbredden på grund af kappekapaciteten til mindre værdier.

Resonansfrekvenserne fdl og fd2, i hvis om-20 råde differensfrekvenssvingningskredsens båndbredde har -et maksimum, hvis værdi udfra seriemodstanden r og egenselvinduktionen Lo beregnes til 50 = 27lo' 25 er egenresonanser for kapacitetsdioden, og man har, at hvis Z2 = 0 er egenresonansfrekvensen.

fdl = og hvis 2-ir .y Cm· Lo 30 Z2 = er egenresonansfrekvensen fd2=fdl*\/l + ·

Der kendes parametriske forstærkere, hvor den laveste egenresonansfrekvens anvendes. Den til denne.. , 35 frekvens nødvendige kortslutning af kappekapaciteten Cg realiseres da ved hjælp af en brokobling, der indeholder en yderligere kapacitetsdiode. I modsætning her- 141467 4 til anvendes i koblingen ifølge opfindelsen den højeste egenresonansfrekvens fd2. Den store fordel ligger for det første i, at der i stedet for to kun kræves én diode. Egenresonansfrekvensen fd2 repræsenterer den højeste 5 differensfrekvens, ved hvilken den maksimalt opnåelige båndbredde Bo endnu kan realiseres. Da en parametrisk forstærkers støjtempératur er desto lavere jo større forholdet mellem differensfrekvensen fd og signalfrek-'vensen. . fs er, har koblingen ifølge opfindelsen den 10 yderligere fordel, at den forener maksimal båndbredde med minimal støjtemperatur. Faktoren |/l + ~ , med hvilken egenresonansfrekvensen fd2 er højere end egenresonansfrekvensen fdl, er ved i handelen gængse dioder af størrelsesordenen 1,4 - 2.

15 Ved en særlig fordelagtig udførelsesform for op findelsesgenstanden er kapacitetsdioden anbragt i det indre af en til tilførsel af pumpeenergien tjenende hulleder, hvis grænsefrekvens ligger over differensfrekvensen, hvorhos signalenergien er tilført kapacitetsdioden 20 over en i hvert fald ved sin nær kapacitetsdioden beliggende ende som et filter udformet bølgeleder, der ved sin indmunding i hullederen frembyder en stor modstand for differensfrekvensen og en mindst mulig modstand for pumpefrekvensen.

25 Den bølgeleder, der tilfører signalenergien, kan f.eks. være en koaksialleder, der ifølge opfindelsen til opfyldelse af kravet om stor modstand med hensyn til differensfrekvenssvingningen i en afstand fra indmundin-gen i hullederen på en fjerdedel af differensfrekvens-30 svingningens bølgelængde Xd eller et helt multiplum heraf går over i et lavpasfilter, hvis grænsefrekvens ligger over den højeste signalfrekvens, men under den laveste frekvens i differensfrekvensbåndet, hvorhos bølgemodstanden af koaksiallederafsnittet mellem hulleder-35 indmundingen og lavpasfilteret er dimensioneret således, at signalkilden er tilpasset kapacitetsdiodens negative modstand.

Som afslutning på hullederen i de fremadskridende 5 141467 pumpebølgers retning bagved kapacitetsdioden er en variar bel kortslutning i form af en kortslutningsskyder bedst egnet. Da strømstyring af kapacitetsdioden tillader stør-re modulationsgrader end spændingsstyring, er det end-5 videre hensigtsmæssigt at anbringe dioden i en strømbug på pumpebølgen. Dette sker ifølge opfindelsen på enkel måde ved, at afstanden mellem stedet for kapacitetsdiodens anbringelse og stedet for kortslutningsskyderens kortslutningsplan vælges lig med en halv hullederbølge-10 længde λρ af pumpesvingningen.

I modsætning til kendte med hulleder opbyggede parametriske forstærkere yder hullederen ved opfindelsesgenstanden intet bidrag til differensfrekvenssvingningskredsen. Denne heldige omstændighed kan udnyttes 15 til opsparing af pumpeenergi ved hjaalp af et transfor- mationsled, der tilpasser diodens seriemodstand til . . pumpeoscillatoren. Transformations-leddet skal da indskydes på et egnet sted i den hulleder, der tilfører pumpeenergien.

20 Ved hjælp af udførelseseksempler, der er gen givet på tegningen, skal opfindelsen i det følgende forklares nærmere.

På tegningen viser fig. 1 et ækvivalentdiagram for en parametrisk 25 forstærker, som allerede omtalt, fig. 2 et diagram over båndbredden som funktion af frekvensen for det i fig. 1 viste kredsløb DK, fig. 3 en forstærkerkobling ifølge opfindelsen, og fig. 4 en forstærkerkobling som vist i fig. 3 med 3o ændret filterudformning. '

Forstærkerkoblingen ifølge opfindelsen, som er vist i fig. 3, består af en hulledef H, i hvis indre der er anbragt en kapacitetsdiodé D, der repræsenterer den ulineære reaktans. Hullederen, hvis grænsefrekvens 35 ligger over differensfrekvensen, er på sin højre side afsluttet med en kortslutningsskyder Ks. Pumpeenergien P tilføres kapacitetsdioden D fra Venstre i hulledfe-ren over et transformationsled T, og det signal S," 6 14U 67 der skal forstærkes, tilføres over en koaksialleder K, Koaksiallederen K er i det område, hvor den udmunder i hullederen H, udformet som et filter F, som over for differensfrekvenssvingningen udgør en stor modstand 5 og over for pumpefrekvensen fp udgør en mindst mulig modstand. Transformationsleddet T er dimensioneret således og anbragt således i hullederen, at diodens seriemodstand er tilpasset den til kapacitetsdioden transformerede indre modstand af pumpeoscillatoren. Kortslutlo ningsskyderen K's kortslutningsplan er hensigtsmæssigt fastlagt således, at kapacitetsdioden befinder sig på et sted, hvor der er en strømbug på pumpebølgen. I det foreliggende udførelseseksempel andrager afstanden en halvdel af en hullederbølgelængde λρ af pumpesvingningen.

15 Selvfølgelig kan afstanden også andrage et helt multiplum heraf. Som allerede nævnt har strømstyringen af kapacitetsdioden D den fordel fremfor spændingsstyringen, at den tillader større udstyringsgrader.

Ved en given middelsignalfrekvens fs er pumpe-2o frekvensen fp valgt således, at middeldifferensfrekvensen falder sammen med kapacitetsdioden D's øvre egenresonansfrekvens fd2. Differensfrekvenssvingnings-kredsen er i overensstemmelse med de foranstående betragtninger ved opfindelsesgenstanden udelukkende be-25 .grænset til selve kapacitetsdioden D, og den dannes af middelspærrelagskapaciteten og seriekoblingen af egenselvinduktionen og kappekapaciteten. Den ydre kobling, dvs. hullederen H og koaksiallederen K, er ved differensfrekvensen fuldstændig afkoblet fra dioden, ef-3o tersom hulledergrænsefrekvensen er fastlagt over differensfrekvensen, og koaksiallederen K frembyder en stor modstand for differensfrekvensen.

Fig. 4 viser en kobling med en anden udformning af filteret anvendt i forbindelse med den i fig. 3 viste 35-forstærker. Her går koaksiallederen K i en afstand fra hullederudmundingen på en fjerdedel af en middelbølge-læiigde Xd af differensfrekvenssvingningen over i et lavpasfilter TP, hvis grænsefrekvens ligger over den

Claims (2)

1Α1Λ67 • Λ... højeste signalfrekvens, men under den laveste frekvens i differensfrekvensbåndet. Desuden er bølgemodstanden i dette Ad/4 lange koaksiallederafsnit valgt således, at signalgeneratoren er tilpasset kapacitetsdiodens negati-5 ve modstand. Indsnøringen E af koaksiallederens inden*«: leder ved den ende, der vender mod dioden, tjener til afstemning af signalkredsen. I koakejiallederen indtræn- * gende differensfrekvenssvingninger forefinder ved lav-pasindgangen en kortslutning. Det Xd/4 lange koaksial-lo lederafsnit danner altså for differensfrekvensen en ved den ene ende kortsluttet stikledning, dør går i tomgang ved den anden åbne ende. For pumpefrekvensen frembyder lavpasindgangen ligeledes en kortslutning. Fumpebølgens frekvens ligger væsentligt over differensfrekvensen, 15 For den danner koaksiallederafsnittet dMrfor en kapacitiv reaktans, der er desto lavere jo bedre ^umpesvingningeis^ bølgelængde i koaksiallederen stemmer overens med' den -halve bølgelængde Xd af differensfrekvenssvingningen. I givet fald kan denne kapacitive reaktans med den en 2o selvinduktion repræsenterende indsnøriag E reduceres' til en ubetydelig lav værdi. P A T E N T K R A V

1. Parametisk forstærkerkoblinig til forstærkning 25 af meget korte elektromagnetiske bølger bestående af en reaktansmodulator med en kapacitetsiode som ulineær reaktans, der foruden den signalenergi, som skal forstærkes^ også får tilført en anden oscillators (pumpeoscillatorsl energi, og ved hvilken kapacitetsdiodens parasitreaktan-3o ser i det væsentlige udgør resonanskredsen for dfen ' ved signalenergiens blanding med pumpeenergien opstående differensfrekvenssvinging, kendetegnet ved, at differensfrekvensen er lig med den egenresonansfrekvens af kapacitetsdioden, der er givet ved middelspærre-35 lagskapaciteten og diodens egenselvindgktion og kappen-kapacitet, og at den ydre kobling ved differensfrekvensen er meget højohmsk i henseende til kapacitetsdioden.

2. Parametrisk forstærkerkobling ifølge krav 1,