-
Parametrischer Reaktanzverstärker Die Erfindung befaßt sich mit einem
parametrischen Reaktanzverstärker nach dem schaltungstechnisch besonders einfachen
Prinzip des Geradeausverstärkers.
-
In der letzten Zeit sind neue Verstärker bekanntgeworden, .die ihrer
Natur nach Mischanordnungen sind mit gleichzeitiger Verstärkung zwischen Eingangs-und
Ausgangsfrequenz. Ihre verstärkende Wirkung beruht auf der Durchsteuerung einer
nichtlinearen Reaktanz mit der sogenannten Pumpfrequenz. Der große Vorteil solcher
Anordnungen beruht darauf, daß kein »heißer« Elektronenstrahl wie in Vakuumröhren
verwendet wird, sondern daß die verstärkende Wirkung in Halbleitern oder Ferriten
erzeugt wird. Es ergibt sich daraus ein wesentlich geringeres Rauschen als bei entsprechenden
Röhrenanordnungen. Als nichtlineare Reaktanz kann hierbei eine Kapazität oder eine
Induktivität Verwendung finden. Der erste Fall wird in Halbleiterdioden verwirklicht,
die im Sperrgebiet betrieben werden und eine von der negativen Vorspannung abhängige
Kapazität darstellen. Für den zweiten Fall benutzt man geeignete Ferrite, in denen
mit Hilfe der Präzessionsbewegung des Elektronenspins eine von der steuernden Spannung
abhängige effektive Induktivität erzeugt wird. In beiden Fällen läßt sich ein Ersatzschaltbild
angeben, in welchem die nichtlineare Reaktanz als Kopplung zwischen den drei Schwingkreisen
für die Eingangsfrequenz f s mit dem Signalgenerator, für die Ausgangsfrequenz mit
der Last und für die Pümpfrequenz f v, mit dem Pumpgenerator auftritt. Die Pumpfrequenz
steuert dabei die nichtlineare Reaktanz durch.
-
Beim Geradeausverstärker ist die Frequenz f s des Eingangssignals
gleich der des verstärkten Ausgangssignals. Die Signalquelle und die Last sind beide
parallel zum Signalkreis des Verstärkers geschaltet. Die verstärkende Wirkung kommt
dadurch zustande, daß dieser Signalkreis beim Durchsteuern der Reaktanz mit einer
Pumpfrequenz f_, durch den parametrischen Effekt entdämpft wird. Zum stabilen.
Betrieb ist es notwendig, daß in der Schaltung ein Resonanzkreis vorhanden ist,
dessen Resonanzfrequenz in der Nähe der Differenzfrequenz von Pumpspannung und Signalspannung
liegt. Die Differenzfrequenz, in der englischen Fachliteratur mit »Idlefrequenz«
bezeichnet, ist demnach f p_ s = f p- f s. Dieser Resonanzkreis
bestimmt die Phase zwischen dem Strom und der Spannung der Frequenz, die bei dem
Mischvorgang in der Koppelreaktanz entsteht. Der erwähnte Resonanzkreis ist bei
den bisher bekanntgewordenen Anordnungen als Hilfskreis in die Schaltung eingebaut.
-
Es sind schon parametrische Verstärker bekanntgeworden, bei denen
die Pumpfrequenz ungefähr doppelt so groß gewählt wurde wie die Signalfrequenz,
so daß der Signalkreis die Aufgabe des Hilfskreises mit übernehmen kann. Diese Anordnungen
sind jedoch nicht geeignet, um mit möglichst kleiner Pumpleistung eine maximale
Durchsteuerung der Reaktanz zu erzielen.
-
Die Erfindung befaßt sich mit einer solchen Anordnung, wobei die Schaltung
gegenüber den bisher bekanntgewordenen Verstärkern wesentlich vereinfacht werden
kann.
-
Bei einem parametrischen Reaktanzverstärker, bestehend aus einem Pumpkreis
und einem Signalkreis mit hierzu parallel liegender Last, bei dem der Pumpkreis
über eine durchsteuerbare nichtlineare Reaktanz mit dem Signalkreis gekoppelt ist,
wobei die Pumpfrequenz ungefähr doppelt so groß gewählt ist wie die Signalfrequenz,
so daß der Signalkreis gleichzeitig als Hilfskreis dient, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
als Signalkreis einen auf die Signalfrequenz abgestimmten, am Ende kurzgeschlossenen
2/4-Kreis zu verwenden. Der Pumpkreis wird durch einen am Ende kurzgeschlossenen
)./4-Kreis, abgestimmt auf die Pumpfrequenz, gebildet. Durch eine in Serie zu seinem
Innenleiter geschaltete Kapazität wird er so ergänzt, daß für die Pumpfrequenz Parallelresonanz,
für die Signalfrequenz jedoch Serienresonanz eintritt.
-
Nachfolgend soll der Erfindungsgedanke an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
-
Die Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines Dioden-Reaktanzverstärkers
ohne Hilfsbeis mit konzentrierten Schaltelementen. An den Klemmen I-I ist der Pumpgenerator
G1 an den Pumpkreis 1 angeschlossen. Eine durchsteuerbare Reaktanz R koppelt diesen
Kreis 1 mit dem Signalkreis 2. Die Last Ra und der Signalgenerator G1 liegen an
den Klemmen II-II parallel zum Signalkreis. Die durchsteuerbare Reaktanz R ist im
Ausführungsbeispiel eine Halbleiterdiode, deren Kapazität mit Hilfe einer Vorspannung
in bekannter Weise variiert werden kann. An Stelle dieser Diode kann natürlich auch
eine andere Reaktanz durchgesteuert werden, beispielsweise eine Induktivität, die
man mit Hilfe der Präzessionsbewegung
des Elektronenspins geeigneter
Ferrite erzeugt. Hierbei ist die Frequenz f p des Pumpgenerators ungefähr
doppelt so groß gewählt wie die Frequenz f s des Signalgenerators. Man erreicht
dadurch, daß die sogenannte Idlefrequenz f,-, ... f s wird, so daß sie in
der Nähe der Signalfrequenz liegt, auf die der Signalbeis abgestimmt ist. Dieser
Signalkreis übernimmt dabei die Rolle des Hilfskreises, d. h., ein getrennter Hilfskreis
ist überhaupt nicht mehr nötig.
-
Für den praktischen Betrieb muß die Bandmittenfrequenz des Signals
so weit gegenüber der halben Pumpfrequenz verschoben sein, daß die Idlefrequenz
f p-,
außerhalb der Bandbreite des nachfolgenden Verstärkers liegt. Dabei
muß die Bandbreite des entdämpften Signalkreises größer sein als die der nachfolgenden
Stufe, damit er noch als Resonanzkreis für die Idlefrequenz wirkt.
-
In der Fig.2 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung
gezeigt. Als Resonänzkreise sind verlustarme konzentrische Leitungen verwendet.
Mit R ist wie in der Fig. 1 die durchsteuerbare Reaktanz bezeichnet. Es ist dies
eine Halbleiterdiode. Ihr Arbeitspunkt wird mit einer über die eingezeichnete UHF-Drossel
Dr zugeführten Gleichspannung eingestellt, wobei noch durch einen Trennkondensator
CK dafür gesorgt ist, daß die Gleichspannung nicht über den Innenwiderstand des
an den Klemmen I-I anzuschließenden Pumpgenerators G1 kurzgeschlossen wird. Entsprechend
der Fig. 1 wird an den Klemmen 11-II die Last Ra und der Signalgenerator G2 angeschlossen.
Der Einfachheit halber wurde dies jedoch nicht mehr mit eingezeichnet. Die beiden
Leitungsfilter 1 und 2 sind im Ausführungsbeispiel koaxiale Filter, die am Ende
in bekannter Weise durch Kurzschlußschieber S1 und SZ abgeglichen werden.
-
Damit die maximale Durchsteuerung der Reaktanz R mit möglichst kleiner
Pumpleistung erzielt werden kann, sind diese beiden Kreise in besonderer Weise ausgebildet
und abgestimmt. Der Signalkreis 2 ist erfindungsgemäß ein auf die Signalfrequenz
f 8 abgestimmter, am Ende kurzgeschlossener A/4-Kreis. Seine wirksame Länge
1, beträgt also ABl, Er wirkt bei dieser Frequenz somit wie ein Parallelresonanzkreis.
Da die Signalfrequenz f$ ;e. 1/2 fp gewählt wurde, ist die Wellenlänge A8 der Signalspannung
ungefähr 2 Ap (Ap = Wellenlänge der Pumpspannung). Bei gleicher Länge 1, des Kreises
2 wirkt dieser daher bei der Pumpfrequenz als Serienresonanzkreis; denn setzt
man in die Gleichung
den erfindungsgemäßen Wert für A3 ,. 2 2, ein, so erhält man
Ein am Ende kurzgeschlossener A/2-Kreis ist aber ein Serienresonanzkreis. Die weitere
Bedingung für maximale Durchsteuerung mit minimaler Pumpleistung wird am Kreis 1
folgendermaßen erzielt. Seine Länge h wird erfindungsgemäß auf Api¢ eingestellt
(unter Berücksichtigung der verkürzenden Wirkung der in den Innenleiter L1 im Fußpunkt
eingeschalteten Kapazität C). Die Kapazität C wird dabei so bemessen, daß der Kreis
1 für die Pumpfrequenz in Parallelresonanz, für die Signalfrequenz jedoch in Serienresonanz
ist. Es gibt nur einen Wert für h und C, bei dem diese beiden Bedingungen gleichzeitig
erfüllt werden, wobei wieder f p ,.; 2 f 8 vorausgesetzt wird.
-
Durch die in der Erfindung aufgezeigte Lehre wird der Bau eines einfachen
parametrischen Verstärkers ohne Hilfskreis möglich, bei dem eine maximale Durchsteuerung
der nichtlinearen Reaktanz mit möglichst kleiner Pumpleistung erzielt wird.