DE1092969B - Verstaerker fuer hochfrequente Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Erzeugung und Verstärkung von Signalen mit extrem hohen Frequenzen oder von Mikrowellensignalen, insbesondere gyromagnetische Oszillatoren und Verstärker mit niedrigem Rauschen.

In einem Aufsatz von H. Suhl, »Proposal for a Ferromagnetic Amplifier in the Microwave Range«. »Physical Review«, Bd. 106, S. 384, 15. April 1957, wurde ausgeführt, daß, wenn die Menge der in ein Schwingsystem bei einer Frequenz, die hier als Pumpfrequenz bezeichnet wird, eingeführten Energie unter dem kritischen Eigenschwingungswert gehalten wird, es möglich sein würde, eine Verstärkung von Signalen in einer neuartigen Weise zu erreichen.

Insbesondere ist in dieser Veröffentlichung eine Mikrowelleneinrichtung beschrieben, welche dieses Prinzip verkörpert. Dort ist ein Resonator für mehrere Wellenformen vorgesehen, welcher aus einem Hohlraum oder einer Kammer besteht, die so bemessen ist, daß sie in zwei Wellenformen mit den Frequenzen Z₁ und Z₂ in Resonanz kommt, wobei diese vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, verschieden sind. An den Hohlraum wird ferner eine Pumpfrequenz f_p angelegt. Diese Pumpfrequenz ist so gewählt, daß Z_P ⁼ Z₁ + f₂ ist· Die Kopplung zwischen der Schwingungsform der Pumpfrequenz und den Wellenformen der Signalfrequenz Z₁ und Z₂ erfolgt durch einen Körper aus gyromagnetischem Material, z. B. einem Manganferrit mit hohem spezifischem Widerstand, wobei der Körper in dem Hohlraum angeordnet ist und durch ein konstantes Gleichstrommagnetfeld vormagnetisiert ist, das so orientiert ist, daß folgende drei Bedingungen erfüllt sind:

1. Eines der beiden signalfrequenten Felde (Z₁ oder Z₂) hat eine Magnetfeldkomponente, die senkrecht zum konstanten Gleichstrommagnetfeld liegt.

2. Das andere der beiden signalfrequenten Felder (Z₂ oder Z₁) hat eine Magnetfeldkomponente, die parallel zu dem konstanten Magnetfeld liegt.

3. Die Pumpfrequenz (f_p) hat eine Magnetfeldkomponente, die senkrecht zu dem konstanten Magnetfeld liegt.

Unter diesen Bedingungen wird die Magnetisierung des gyromagnetischen Materials so präzedieren, daß eine Magnetisierungskomponente entsteht, welche senkrecht zu dem konstanten Feld schwingt. Diesem System ist das Signal-Magnetfeld Z₁ des Signals parallel zu dem konstanten Feld überlagert. Hierdurch wird das konstante Feld so moduliert, daß die Resonanzfrequenz der Magnetisierung verändert wird. Bei Vorhandensein des gyromagnetischen Materials wird diese mit der Pumpfrequenz f_p gemischt, so daß eine hochfrequente Magnetfeldkomponente mit einer Frequenz fp — fx = f₂ entsteht, die senkrecht zur Richtung Verstärker für hochfrequente Signale

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
ίο Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. Mai und 7. November 1957

Max Tibor Weiss, Elizabeth, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

des Gleichstromfeldes liegt. In gleicher Weise erzeugt das induzierte hochfrequente Feld Z₂ ein Feld mit der Frequenz f_p — Z₂ = Zi parallel zum konstanten Feld.
Somit entsteht ein Rückkopplungssystem, das einen negativen Widerstand erzeugt. Wie im einzelnen in dem genannten Aufsatz geschildert ist, ist das System unstabil und geht in Eigenschwingungen über, wenn die Größe der Pumpenergie f_p einen definierbaren Schwellwert überschreitet, jedoch ist bei Begrenzung der Pumpenergie unter diesen Wert das System stabil. In den Hohlraum kann die zu verstärkende Signalenergie entweder bei der Frequenz Z₁ oder bei der Frequenz Z₂ eingeführt werden. Sie kann bei der gleichen Frequenz in verstärkter Form abgenommen werden.

Wenn der von Suhl verwendete Hohlraum mit mehreren Wellenformen auch eine grundsätzlich brauchbare Ausführung des ferromagnetischen Verstärkers darstellt, so ergibt er doch in der Praxis verschiedene Probleme. Hohlräume mit mehreren Wellenformen sind notwendigerweise größer und schwieriger zu erregen als Hohlräume für die Grundwellenform. Dies gilt insbesondere, wenn Ferrite in Zusammenhang mit solchen Wellenformen höherer Ordnung benutzt werden sollen. Es ist bekannt, daß Ferritkörper die FeIdformen innerhalb des Hohlraums in unvorhersehbarer Weise stören, so daß die Konstruktion von Ferritverstärkern außerordentlich schwierig und unsicher wird. Zusätzlich erfordern Hohlräume für mehrere Wellenformen mehr Ferritmaterial, um die erforderliche Kopplung zu schaffen, und damit ausgedehntere und mehr Leistung verzehrende magnetische Feldformen. Ebenso besteht die Möglichkeit der Erzeugung von schädlichen Nebenformen, in denen die Orientierung des magnetischen Feldes ungeeignet ist.

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Die Erfindung will ferromagnetische Oszillatoren Faktoren bei. Der erste Faktor hat mit der in einem und Verstärker mit geringem Rauschen verbessern Resonanzkreis vorhandenen Dämpfung zu tun und und stabilisieren. hängt von der Schärfe der Resonanzkennlinie oder dem

Insbesondere will die Erfindung ermöglichen, eine Q des Kreises ab. Wie später gezeigt wird, kann eine Vielzahl von unabhängigen elektromagnetischen WeI- 5 wesentliche Verminderung der erforderlichen Pumplenfeldern zu erregen, die einen einzigen örtlichen und leistung erzielt werden, indem ein extrem schmalbankonzentrierten gemeinsamen Feldbereich haben, in diger Leerlaufkreis mit sehr hohem Q verwendet wird, dem die relativen Vormagnetisierungen und andere Der zweite Faktor hat mit dem Parameter zu tun, der Parameter geeignet sind, eine Verstärkung oder eine in der Technik als »Füllfaktor« bezeichnet wird, d. h. Schwingungserzeugung der oben beschriebenen Art zu io dem Grad der Konzentration der Mikrowellenenergie schaffen. in dem gyromagnetischen Element selbst. Je größer

Die Erfindung geht dazu von einem Verstärker für die Konzentration der Leerlauf frequenzleistung in dem hochfrequente Signale, in dem ein vormagnetisiertes Element ist, um so geringer ist die gesamte Pumpleigyromagnetisches Element im Schnittpunkt des magne- stung, die zur Erzeugung einer gegebenen Verstärtischen Feldes eines Pumpsignals mit einer ersten Fre- 15 kung erforderlich ist.

quenz und des magnetischen Feldes eines zu verstär- Bei einer dritten Ausführungsform wird als Reso-

kenden Signals mit einer anderen Frequenz angeord- nanzkreis für die Leerlauffrequenz eine kürzlich entnet ist, aus und empfiehlt, daß der Verstärker ein aus deckte ferromagnetische Schwingungsform benutzt, die einem Stück bestehendes, leitend begrenztes Gehäuse als magnetostatische Resonanzform bezeichnet wird, umfaßt, in dem jedes der magnetischen Felder in im 20 Diese Form kann in speziell geformten und speziell wesentlichen elektrisch getrennten, jedoch körperlich vormagnetisierten Körpern erregt werden, die aus sich schneidenden Resonatoren geführt wird, wobei gyromagnetischen Einkristallen geschnitten sind. Die jeder dieser Resonatoren ein unabhängiges Wellenfeld Resonanz hat bei dieser Form ein sehr hohes Q, und innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes führen das Resonanzfeld liegt praktisch vollständig innerkann. Der Schnittpunkt der Resonatoren ergibt einen 25 halb des Körpers. Somit ist im Vergleich zu dem Feld, Bereich, der gemeinsam durch die einzelnen Felder das im Körper vorhanden ist, wenn der Hohlraum in eingenommen wird und in dem sich ein Element aus Resonanz kommt, in dem sich der Körper befindet, gyromagnetischem Material befindet, um den einzigen die Konzentration der elektromagnetischen Wellenbedeutenden Energieübergang zwischen den Feldern energie innerhalb des Körpers sehr groß. Insbesondere zu schaffen. Jede andere Kopplung zwischen den FeI- 30 wird der Resonanzhohlraum für die Leerlauffrequenz dem wird verhindert, indem zur Führung der Energie durch eine dünne Scheibe aus gyromagnetischem Einin jedem Resonator besondere, nicht koppelnde WeI- kristallmaterial ersetzt, das mit der Scheibenebene lenformen gewählt werden. senkrecht zum konstanten Vormagnetisierungsfeld und

Insbesondere wird für einen Resonator ein recht- senkrecht zum magnetischen Feld der Signal frequenzeckiger Wellenleiter mit einer Grundwellenform und 35 energie ausgerichtet ist. In der Scheibe wird daher für einen anderen Resonator eine Bandleitung ver- ein Resonanzfeld der Leerlauffrequenz erregt, das wendet. Die Wellenformen in diesen beiden Mitteln, magnetische Feldkomponenten parallel zur Scheibenweiche zwei verschiedene Wellen führen, besitzen ebene aufweist. Dieses Feld hat Komponenten, welche Komponenten, die die richtige Beziehung zueinander die richtige Beziehung zum Signalfrequenzenfeld und und zu einem angelegten konstanten Vormagnetisie- 40 zum konstanten Vormagnetisierungsfeld innerhalb der rungsfeld innerhalb des gyromagnetischen Materials Scheibe haben, um eine Verstärkung hervorzubringen, haben, wie sie für die Verstärkung notwendig ist. Wei- Weitere Merkmale ergeben sich aus der folgenden,

terhin ist die Übereinstimmung dieser Wellenformen ins einzelne gehenden Beschreibung von in der Zeichbezüglich der elektrischen oder magnetischen Felder nung dargestellten Ausführungsbeispielen,
so unzureichend, daß keine unerwünschte Nebenkopp- 45 Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des ersten lung entsteht. Ausführungsbeispiels der Erfindung, das als Verstär-

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ker geschaltet ist;

sind die beiden durch Suhl vorgeschlagenen Signale Fig. 2 dient zur Erklärung und zeigt schematisch

Z₁ und /2 identisch. Somit wird ein Eingangssignal mit die Form der magnetischen Feldkomponenten bei der einer gegebenen Frequenz verstärkt und ein Ausgangs- 50 Ausführung der Fig. 1;

signal mit der gleichen Frequenz erzeugt. Anderer- Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Abseits können die Einrichtungen Eigenschwingungen änderung der Ausführung der Fig. 1;
bei dieser Frequenz hervorbringen. Bei einer zweiten Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zwei-

Ausführungsform haben die beiden Signale Z₁ und f₂ ten Ausführung der Erfindung, welche außerdem ververschiedene Frequenzen und sind im Verstärker ge- 55 anschaulicht, wieviel Quellen und Belastungen angetrennt. Somit erzeugt ein Eingangssignal mit f_t ein schlossen werden können;

verstärktes Ausgangssignal sowohl mit f_± als auch Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer drit-

mit /₂. Es ist daher eine Verstärkung mit oder ohne ten Ausführung der Erfindung;

Frequenzänderung möglich. Im Zustand der Eigen- Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Ausschwingung erzeugt diese Ausführung Ausgangssignale 60 führung der Fig. 5;
sowohl bei f₁ als auch bei /₂. Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Form

Es ist ferner festgestellt worden, daß Verluste in des magnetischen Felds der Leerlauffrequenzenergie dem System der »Leerlauffrequenz«, wobei diese als der magnetostatischen Wellenform in der Ausführung die hochfrequente Komponente des magnetischen Felds der Fig. 5.

definiert ist, das durch das Mischen von f_x und f_p senk- 65 In Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines recht zur Richtung des konstanten Feldes im gyro- Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt, die magnetischen Material entsteht, die Leistungsfähig- zur Hervorbringung einer Verstärkung bei Mikrokeit des Verstärkers erheblich herabsetzen und die für Wellenfrequenzen geschaltet und benutzt wird. Ein eine gegebene Verstärkung erforderliche Pumpleistung derartiger Verstärker besteht aus zwei sich schneiwesentlich erhöhen. Zu diesen Verlusten tragen zwei 70 denden Resonatoren, die der Einfachheit halber zum

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Teil durch Fräsen oder Eingießen in einen Block 10 Ferner erfüllt die Erfindung den Wunsch, das Volumen hergestellt sind, der eine geeignete Abdeckplatte 11 des Materials klein zu halten, um die elektrischen Veraufweist. Der erste Resonator ist ein Wellenleiter und luste zu verringern.

besteht aus einem rechteckigen Kanal 12 in Block 10, Geeignete, im einzelnen nicht dargestellte Mittel dessen Breite größer als eine halbe Wellenlänge und 5 sind vorgesehen, um an die Scheiben 25 und 26 ein kleiner als eine Wellenlänge der Pumpfrequenz f_p ist. konstantes äußeres Magnetfeld anzulegen, wie es in Der Eingang des Kanals 12 ist über eine Blende 14 Fig. 1 durch den Vektor H dargestellt ist, der im an eine Quelle 13 für die Pumpfrequenz f_p angeschlos- wesentlichen auf die Ebene der Kanäle 12 und 16 gesen. Das andere Ende des Kanals 12 ist durch ein richtet ist und im wesentlichen um 45° zu den Längsreflektierendes Teil 15 abgeschlossen. Der Abstand io achsen der Kanäle 12 und 16 geneigt ist. Die Bedeuzwischen der Blende 14 und dem Reflektor 15 beträgt tung dieser Feldrichtung wie auch die Bedeutung ein Vielfaches einer halben Wellenlänge, um eine anderer vorher erwähnter Faktoren kann leichter an Resonanz bei der Frequenz f_p zu erzeugen, wie später Hand einer Untersuchung der magnetischen Feldgeschildert wird. formen der Wellenenergie verstanden werden, die in Der zweite Resonator ist eine Bandleitung und be- 15 der Bandleitung 16-17 und im Resonator 12 geführt steht aus einem Kanal 16, der sich im rechten Winkel wird.

zum Kanal 12 erstreckt. Die Breite des Kanals 16 ist In Fig. 2 sind die Umrisse der Begrenzungen des

so klein, daß sie bei der Frequenz fp jenseits der Grenz- Hohlraums 12 und des Leiters 17 der Bandleitung

frequenz liegt und interferiert daher nicht mit dem 16-17 in einem Koordinatensystem gezeichnet, das

Resonanzhohlraum, der durch den Kanal 12 gebildet 20 durch die aufeinander senkrecht stehenden Vektoren 31

wird. Innerhalb des Kanals 16 ist ein dünnes leitendes dargestellt ist, wobei der Vektor χ die Richtung der

Teil 17 in geeigneter Weise gehalten, das sich in B reiten aus dehnung des Hohlraums 12, der Vektor y

Längsrichtung in einer Ebene erstreckt, die parallel die Richtung der Höhenausdehnung des Hohlraums 12

zur oberen und unteren Wand des Kanals 16 verläuft. und der Vektor ζ die Längsrichtung des Hohlraums

Zusammen mit der oberen und der unteren Wand des 25 12 angibt und senkrecht zur Achse des Leiters 17 liegt.

Kanals 16., die als leitende Erdungsebene dienen, bil- Die magnetischen Feldschleifen der Signalfrequenz Z₁

det das Teil 17 eine Erdleitungswellenanordnung 16-17. sind durch die geschlossenen Schleifen 32 dargestellt,

Das Teil 17 hat Querschnittsabmessungen, die kleiner welche den Leiter 17 umschließen und in Ebenen senk-

als die entsprechenden Abmessungen des Kanals 16 recht zu seiner Achse liegen und deren Intensität sich

sind. Das Teil 17 liegt in der Mitte zwischen den 30 entlang der Länge des Leiters sinusförmig ändert.

Seitenwänden des Kanals 16 und erstreckt sich gleich Erfindungsgemäß ist der Leiter 17 ein Vielfaches von

lang nach jeder Seite des Kanals 12. Beide Enden des halben Wellenlängen lang, so daß er bei der Frequenz f_x

Kanals 16 können zur besseren Abschirmung durch in Resonanz kommt. Er erstreckt sich insbesondere

leitende Platten 18 abgeschlossen sein. eine ungerade Anzahl von Viertellängen nach jeder

In die Bandleitung 16-17 wird eine zu verstärkende 35 Seite des Bereiches mit den Scheiben 25 und 26, so

Welle mit der Frequenz f_t eingeführt. Wie dargestellt, daß das magnetische Feld an den Enden des Leiters

wird die Welle von der Quelle 20 über den koaxialen 17 Null ist und in der Nähe der Scheiben 25 und 26

Leiter 19 und die kapazitive Sonde 21, die sich durch ein Maximum aufweist. Somit erzeugt die Signal-

den Block 10 erstreckt, in der üblichen Weise an einen frequenz Z₁ im Bereich der Scheiben 25 und 26 ein

Punkt geführt, der nahe bei Teil 17 der Leitung 16-17 40 maximales Feld in der ^-Richtung,

liegt. Das verstärkte Ausgangssignal kann dann vom Die magnetischen Feldschleifen der Pumpfrequenz f_p

anderen Ende der Leitung 16-17 durch eine ähnliche sind durch die geschlossenen Schleifen 33 dargestellt,

kapazitive Sonde 22 abgenommen werden, die über welche das im Hohlraum 12 vorhandene konstante

den koaxialen Leiter 23 und das Filter 27 mit der Feld bilden. Diese Schleifen liegen in Ebenen, welche

Belastung 24 verbunden ist. Die Notwendigkeit und 45 parallel zur Breitenabmessung des Hohlraums 12

die Einzelheiten des Filters 27 werden später be- liegen. Erfindungsgemäß ist der Hohlraum 12 ein

trachtet. Die elektrische Länge des leitenden Teils 17, Vielfaches von halben Wellenlängen lang. Er erstreckt

welche die elektrische Länge der Bandleitung 16-17 sich insbesondere eine ungerade Anzahl von viertel

bestimmt, beträgt ein Vielfaches von halben Wellen- Wellenlängen nach jeder Seite des Bereiches mit den

längen, um eine Resonanz bei der Frequenz f_x zu er- 50 Scheiben 25 und 26, so daß das magnetische Feld in

zeugen, wie später beschrieben wird. diesem Bereich ein Maximum ist und im wesentlichen

Eine nichtlineare Kopplung zwischen der Energie, in der Jtr-Richtung liegt.

welche in den sich ergebenden Resonatoren 12 und Es sei bemerkt, daß keine direkte Feldkopplung 16-17 geführt wird, entsteht durch die Körper 25 und zwischen dem Feld von f_v das durch die Schleifen 32 26, welche sich oberhalb und unterhalb des Teils 17 55 dargestellt ist, und dem Feld von f_p, das durch die befinden. Diese Körper können vorteilhafterweise die Schleifen 33 dargestellt ist, vorhanden ist. Die Form von Scheiben oder Würfeln annehmen und ΛΓ-Komponente von f_p liegt stets senkrecht zur Komkönnen zusätzlich das Teil 17 halten und den Abstand ponente von Z₁, und die ^-Komponente von f_p wird in gewährleisten. Die Scheiben 25 und 26 können aus verschwindendem Ausmaß auf den gegenüberliegenden irgendeinem geeigneten gyromagnetischen Material 60 Seiten des Leiters 17 mit der z-Komponente von Z₁ mit niedrigem Verlust hergestellt sein. Vorzugsweise gekoppelt. Ebenso ist das elektrische Feld von Z₁ über sollen sie jedoch aus Einkristallmaterial bestehen, das und unter dem Leiter 17 entgegengesetzt gerichtet und eine schmale Resonanzkurve aufweist, um Pump- kann nicht mit dem in einer Richtung liegenden Feld leistung zu sparen. Für diesen Zweck haben sich Ein- von f_p im Kanal 12 gekoppelt werden. Weiterhin kristalle aus Manganferrit oder Yttrium-Eisengranat 65 bringt die breite Abmessung des Kanals 12 diesen bei als zufriedenstellend erwiesen. Ein besonderer Vorteil der Frequenz Z₁ aus der Grenzfrequenz heraus, und der Erfindung besteht in der geringen Menge an er- die breite Abmessung des Kanals 16 bringt diesen bei forderliihem Material. Dies ist ein besonders wich- der Frequenz f_p aus der Grenzfrequenz heraus, tiges Merkmal im Hinblick auf die Schwierigkeit, Die Kopplung zwischen den Feldern wird ausgroße Stücke aus Einkristallmaterial zu erhalten. 70 schließlich durch das gyromagnetische Material der

Scheiben 25 und 26 geschaffen. Diese Kopplung ist derart, daß die von Suhl gegebenen Bedingungen erfüllt sind. Da nur ein signalfrequentes Feld vorhanden ist, entsteht eine Verschmelzung der vorher angeführten Forderungen 1 und 2, so daß das Feld bei Zi Komponenten aufweisen muß, die sowohl senkrecht als auch parallel zum konstanten Feld liegen. Da das konstante Feld H unter einem Winkel von etwa 45° angelegt ist, liegt es senkrecht zu einer Komponente des Feldes von f_v parallel zu einer anderen Komponente des Feldes von Z₁ und senkrecht zu einer Komponente des Feldes von f_p im Bereich des gyromagnetischen Materials.

Beim Betrieb als Mikrowellenverstärker wird die Frequenz f_p so eingestellt, daß sie das Zweifache der Frequenz Z₁ beträgt und eine Größe hat, die unterhalb des Schwellwertes der Eigenerregung liegt, wie er von Suhl definiert ist. Die Stärke des äußeren magnetischen Felds wird so eingestellt, daß eine gyromagnetische Resonanz in den Scheiben 25 und 26 mit der Frequenz f„ entsteht.

Die Komponente des Pumpfeldes f„ senkrecht zum konstanten Feld bewirkt, daß die Magnetisierung innerhalb der Scheiben 25 und 26 präzediert. Die Komponente des Signalfelds parallel zum konstanten Feld moduliert die Resonanzfrequenz. Es wird ein Modulationsprodukt f„— Zi senkrecht zum konstanten Feld erzeugt. Da f_p das Doppelte von Z₁ beträgt, hat das Modulationsprodukt die gleiche Frequenz wie f_t und wird mit derjenigen Komponenten des Eingangsfeldes Z₁ zurückgekoppelt, die senkrecht zum konstanten Feld liegt. Es entstehen eine Rückkopplung und eine Verstärkung. Das verstärkte Signal wird durch das Kabel 23 abgeführt und über das Filter 27 zur Belastung 24 geliefert.

Bei der oben beschriebenen Arbeitsweise ist angenommen, daß Z₁ ein Frequenzband mit im wesentlichen einer einzigen Frequenz ist, die genau gleich der Hälfte von f_p ist. Wenn das Band breiter ist, z. B. ein Band, das sich von J_x bis Z₁ + Af erstreckt, dann sind die Modulationsprodukte komplizierter. Als Ergebnis der Mischung der Signalfrequenz J₁ + Af mit f_p entstehen Modulationsprodukte bei einer Frequenz

fp ~ (Λ + Af) = 2Z₁ - (Z₁ + Af) ^f₁-Af

wie auch die gewünschten Produkte Z₁ + Af.

In gewissen Fällen können Produkte mit beiden Seitenbändern den nutzbaren Ausgang des Verstärkers bilden, z. B. bei der Regenerierung von breitbandigen Impulsen oder bei der Verstärkung von Rauschsignalen ohne gegenseitige Beziehung. Wenn jedoch nur ein Seitenband erforderlich ist, muß das unerwünschte Seitenband durch das Filter 27 beseitigt werden, welches bei einer Grenzfrequenz von Zi die erforderliche Hochpass- oder Tiefpasskennlinie haben soll.

Wenn die Größe der Pumpfrequenz f_p den Schwellwert übersteigt, werden Eigenschwingungen mit der Frequenz Zi erzeugt, welche der Einrichtung entweder über das Koaxialkabel 19 oder über das Kabel 23 entnommen werden können.

Man erreicht eine verbesserte Arbeitsweise der Ausführung in Fig. 1, indem man die Komponente des Pumpfeldes f_p vergrößert, die senkrecht zum konstanten magnetischen Feld liegt. Ein neuartiger Weg zur Erreichung dieses Zieles wird durch die Abänderung der Ausführung der Fig. 1 veranschaulicht, welche in Fig. 3 dargestellt ist. Wie man sieht, besteht die Abänderung in der Tatsache, daß der Wellenleiterkanal für die Frequenz f_p, der in Fig. 3 mit 55 bezeichnet ist, um 45° gegen die Achse des Leiters 17 geneigt ist und parallel zum konstanten Feld H liegt.

Somit liegt das konstante magnetische Feld senkrecht zum gesamten Querfeld von f_p im Bereich der Scheiben 25 und 26 und nicht nur zu einer Komponente wie in Fig. 1. Alle anderen Beziehungen und Parameter sind ungeändert, so daß die gleichen Bezugszahlen zur Bezeichnung entsprechender Teile verwendet sind.

Wenn die Ausführung der Fig. 1 als Verstärker mit einem begrenzten Band verwendet wird, enthält das verstärkte Ausgangssignal, wie oben bemerkt wurde,

ίο sowohl das obere als auch das untere Seitenband, die durch äußere Filtermittel getrennt werden müssen. Fernerhin sind diese beiden Seitenbänder im Frequenzspektrum unmittelbar benachbart, wodurch an das Filter erhebliche Forderungen gestellt werden. In Fig. 4 ist eine Ausführung der Erfindung dargestellt, bei der die Anfangsfeldkomponente und die induzierte Feldkomponente bei verschiedenen und getrennten Frequenzen Zi und f₂ liegen. Das obere Seitenband wird Z₂ + Af, das untere Seitenband Zi — Af. Die beiden

ao Bänder können im Frequenzspektrum einen großen Abstand haben und werden in der Verstärkeranordnung getrennt gehalten. Hierdurch entfällt die Forderung nach Filtern; ferner besteht bei Bedarf die Möglichkeit der Frequenzänderung zusätzlich zur Ver-Stärkung.

In Fig. 4 ist eine Abänderung der Ausführung der Fig. 1 dargestellt, bei der entsprechende Teile mit entsprechenden Bezugszahlen versehen sind. Man sieht, daß die Abänderung in der Zufügung einer zweiten Bandleitung 35 besteht, welche die Frequenz Z₂ unabhängig führen kann. Insbesondere erstreckt sich der Leiter 35 in Längsrichtung in der Mitte des Kanals 12 und bildet ein flaches Kreuz mit dem Leiter 17. Das Vorhandensein des Leiters 35 stört in keiner Weise die Grundform der Frequenz f_p im Kanal 12, es wird vielmehr zusammen mit der oberen und der unteren Wand des Kanals 12 eine Bandleitungswellenanordnung 35-12 gebildet, die eine unabhängige Fortpflanzungsform führen kann. Die Länge des Leiters 35 beträgt ein Vielfaches von halben Wellenlängen der Frequenz f₂, so daß R bei dieser Frequenz in Resonanz ist. Der Leiter 35 erstreckt sich eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen nach jeder Seite des Leiters 17, so daß ein Maximum an magnetischem Querfeld der geführten Energie am Schnittpunkt der Leiter 17 und 35 entsteht und damit in der Nähe der Scheiben 25 und 26. Es besteht keine unmittelbare Selbstkopplung zwischen irgendwelchen der Komponenten der drei Frequenzen Zi» Z₂ oder f_p, und zwar aus den gleichen

Gründen, wie sie im einzelnen an Hand der Fig. 1 geschildert wurden. Die Kopplung entsteht ausschließlich durch die gyromagnetische Wirkung der Scheiben 25 und 26.

Bei einer Betriebsweise der Ausführung der Fig. 4 kann ein zu verstärkendes Frequenzband mit der Mittelfrequenz Zi von der Quelle 20 zur Bandleitung 16-17 geführt werden. Die Pumpleistung wird von der Quelle 13 mit einer Frequenz Zp — Zi + Z₂ ^und mit einer Größe angelegt, die unter dem Schwellwert liegt.

Die Stärke des konstanten Feldes H ist derart, daß eine gyromagnetische Resonanz bei der Frequenz f_p entsteht; es liegt parallel zum Leiter 35 und in dessen Ebene. Daher liegt die Querkomponente des Feldes Z₁, das auf der Leitung 16-17 geführt wird, parallel zum konstanten Feld H und moduliert die Resonanzfrequenz der Präzession, die sich durch die senkrecht zum konstanten Feld liegende Komponente des Pumpfeldes f_p ergibt. Es werden Modulationsprodukte erzeugt, welche zur Frequenz Z₂ gehören und welche Komponenten senkrecht zur Achse der Bandleitung

35-12 haben und daher eine Schwingungsform auf dieser erregen können, da ihre Länge bei /₂ in Resonanz ist.

Die Komponenten /₂ werden ihrerseits durch das gyromagnetische Material zur Leitung 16-17 zurückgekoppelt, so daß eine Verstärkung des zur Frequenz /^ gehörigen Bandes entsteht. Die verstärkten Komponentenkönnen über das Koaxialkabel 23 zur Belastung 24 geliefert werden. Die unerwünschten Seitenbandkomponenten /₂ + Af sind nur auf der Bandleitung 25-12 vorhanden und erreichen den Ausgang nicht.

Jedoch können bei Bedarf die zu /₂ gehörigen Komponenten benutzt werden, indem ein weiterer koaxialer Leiter 37 zur Ankopplung an die Bandleitung 35-12 über die kapazitive Sonde 39 verwendet wird. Durch Schließen des Schalters 40 werden diese Komponenten zur Belastung 41 geliefert und stellen das verstärkte Eingangssignal dar, das in der Frequenz von Z₁ nach /₂ verschoben ist. Am Koaxialkabel 23 ist dann das verstärkte Ausgangssignal mit der Frequenz Z₁ verfügbar. Wenn die Verwendung dieser Komponenten unnötig oder unerwünscht ist, kann das Koaxialkabel 23 in einem unbelasteten Zustand leer laufen, oder es kann entfernt werden.

Wenn die Größe der Pumpfrequenz /_p den Schwellwert übersteigt, beginnen Eigenschwingungen, und es werden Komponenten mit der Frequenz /₂ an dem Koaxialkabel 37 und mit der Frequenz J₁ an den Koaxialkabeln 19 und 23 verfügbar.

Bei den oben beschriebenen Anordnungen wurde angegeben, daß der Kanal 12 bei der Frequenz der Pumpleistung f_p in Resonanz ist. Dies ist erwünscht, um die größte Konzentration der Querfeldkomponenten der Pumpleistung in der Nähe der gyromagneti sehen Elemente zu erhalten. Jedoch liefert eine fortschreitende Welle mit genügender Amplitude die notwendigen Komponenten auch, wenn die Resonanz nicht vorhanden ist. Es ist daher möglich, eine große Anzahl von Verstärkern der beschriebenen Art hintereinanderzuschalten, so daß die Pumpleistung nacheinander von einem Verstärker zum nächsten geliefert wird. Es können ferner Blenden zwischen die Verstärker geschaltet werden, um Feldformen mit stehenden Wellen zu erhalten.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel der Fig. 5, 6 und 7 wird der Resonanzkreis für die Leerlauffrequenz Z₂ durch eine magnetostatische Resonanz geschaffen, die in den Körpern 125 und 126 entsteht, welche sich oberhalb bzw. unterhalb des Kreises 117 befinden. Die Technik ist bereits mit der Erscheinung der gyromagnetischen Resonanz vertraut, welche in polykristallinen Ferriten entsteht, welche der vereinigten Wirkung eines in einer Richtung liegenden Vormagnetisierungsfeldes mit geeigneter Intensität und eines senkrecht dazu gerichteten Mikrowellenfeldes. unterworfen werden. Diese Resonanz entsteht durch eine gleichförmige Präzession von Elektronenspins in dem Material. Sie hat Eigenschaften, die denjenigen eines abgestimmten Kreises mit kleinem Q sehr gleichen, und zeigt die Tendenz, einen wesentlichen Teil der Energie bei einer bestimmten Frequenz zu absorbieren. Die Frequenz, bei der die Resonanz auftritt, scheint eine unmittelbare Funktion der Stärke des Vormagnetisierungsfeldes zu sein. Erst kürzlich wurde eine Resonanz entdeckt, die »magnetostatisch« genannt wurde und die (zusätzlich zur gleichförmigen Präzessionsresonanz) in sehr kleinen Materialkörpern auftritt, die aus Einkristallen aus gyromagnetischem Material hergestellt sind. Gewisse Aspekte dieser Resonanz sind in einem Aufsatz von L.R.Walker in Physical Review, Bd. 105, S. 390 bis 394, 15. Januar 1957, beschrieben worden. Die magnetostatische Resonanz ist durch eine Vielzahl von in einem Frequenzabstand auftretenden, sehr schmalbandigen Resonanzen gekennzeichnet, die jeweils eine geringe Absorption und ein hohes Q aufweisen. Sie wird stark beeinflußt durch die Form des gyromagnetischen Körpers und die Richtung, in der das Vormagnetisierungsfeld relativ zu dieser Form angelegt wird, ferner durch die Stärke des Vormagnetisierungsfeldes.

Zum Beispiel zeigt eine kleine Kugel oder ein Würfel aus Einkristallmaterial eine magnetostatische Resonanzkurve mit einer Breite, die vielleicht zehnmal schmaler als die Resonanzkurvenbreite der gleichmäßigen Präzessionsresonanz in polykristallinen Stoffen ist. Wenn das Einkristallmaterial die Form einer Scheibe hat, ist die Breite der Kurve noch schmaler als bei der Kugelform, so daß die Resonanzspitzen um so schärfer sind, je extremer das Seitenverhältnis ist, d. h. je größer das Verhältnis des Durchmessers zur Dicke ist. Ferner hat man gefunden, daß die Resonanzschärfe in der Scheibe wesentlich größer ist, wenn das hochfrequente Schwingungsfeld parallel zur Ebene der Scheibe und das Vormagnetisierungsfeld senkrecht zur Scheibenebene liegt, als wenn die Verhältnisse umgekehrt sind. Zur Veranschaulichung werden später vergleichende Daten gegeben. _:

Um die für das Prinzip der Erfindung notwendige scharfe Resonanz bei der Leerlauffrequenz f_s zu er-, reichen, erhalten die Körper 25 und 26 die Form sehr, dünner Scheiben, die von Einkristallen aus geeignetem gyromagnetischem Material mit niedriger Dämpfung, z. B. Magnesiumferrit, Manganferrit oder Yttrium-Eisengranat, abgeschnitten sind. Bei einer speziellen Ausführung hat sich eine Dicke, die ein Zehntel des Durchmessers oder weniger beträgt, als zufriedenstellend erwiesen. Diese Scheiben sind mit der Ebene ihrer Durchmesser senkrecht zur Achse des Kanals 112 und senkrecht zur Achse des Kanals 116 orientiert. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht in der geringen Menge des erforderlichen Materials. Dies ist ein besonders wichtiges Merkmal im Hinblick auf die Schwierigkeit, große Stücke aus Einkristallmaterial zu erhalten. Weiterhin erfüllt die Erfindung den Wunsch, das Volumen des Materials klein zu halten, um dielektrische Verluste zu verringern.

Es sei die Form und die Orientierung der Scheiben 125 und 126 hervorgehoben, da diese Faktoren für die Verbesserungen und die Leistungsfähigkeit der Erfindung verantwortlich sind. Typische vergleichende Daten für praktische Einrichtungen sollen zur Veranschaulichung der Art dieser Verbesserung dienen. Es ist damit möglich,

a) ein typisches Q für den Kreis der Leerläuffrequenz,

b) den Füllfaktor für ein gyromagneti sches Element, das sich in diesem Kreis befindet oder einen Teil desselben bildet, und

c) die für eine gegebene Arbeitsweise notwendige relative Pumpleistung

in folgenden Einrichtungen zu vergleichen:

I. einem Verstärker bisheriger Art, bei dem der Resonanzhohlraum ist;

II. einem Verstärker, bei dem der Resonanzkreis für die Leerlauffrequenz ein magnetostatischer Kreis ist, bei dem das gyromagnetische Element die Form einer Kugel hat;

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III. einem Verstärker, bei dem der Resonanzkreis für die Leerlauffrequenz ein magnetostatischer Kreis ist, bei dem das gyromagnetische Element die Form einer Scheibe hat, die parallel zur Scheibenebene vormagnetisiert ist;

IV. einem Verstärker entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei dem der Resonanzkreis für die Leerlauffrequenz ein magnetostatischer Kreis ist, bei dem das gyromagnetische Element die Form einer Scheibe hat, die senkrecht zur Scheibenebene vormagnetisiert ist.

Für den Vergleich hat der gyromagnetische Körper in jedem Fall das gleiche Volumen. Der Vergleich ist durch folgende Tabelle dargestellt:

a) Q für den

Leerlauffrequenzkreis

b) Füllfaktor

c) Relative
Pumpleistung

I. Elektromagnetischer Hohlraum

II. Magnetostatische Kugel

III. Magnetostatische Scheibe, Vormagnetisierung
parallel

IV. Magnetostatische Scheibe, Vormagnetisierung
senkrecht

Ein Vergleich zwischen den Einrichtungen I und II zeigt, daß die Verringerung der benötigten Pumpleistung in erster Linie ein Ergebnis der wesentlichen Vergrößerung des Füllfaktors ist, die durch die größere magnetische Feldstärke innerhalb des gyromagnetischen Elements entsteht, welche durch die magnetostatische Wirkung verursacht wird. Die Verbesserung zwischen den Einrichtungen II und III oder zwischen den Einrichtungen III und IV ist offenbar das Ergebnis der Vergrößerung des Q der magnetostatischen Resonanz, die durch die Form und die Orientierung des Elements entsteht.

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Claims (18)

Patentansprüche:

1. Verstärker für hochfrequente Signale, in dem ein vormagnetisiertes gyromagnetisches Element im Schnittpunkt des magnetischen Feldes eines Pumpsignals mit einer ersten Frequenz und des magnetischen Feldes eines zu verstärkenden Signals mit einer anderen Frequenz angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein aus einem Stück bestehendes, leitend begrenztes Gehäuse umfaßt, in dem jedes der magnetischen Felder in im wesentlichen elektrisch getrennten, jedoch körperlich sich schneidenden Resonatoren geführt wird, wobei jeder dieser Resonatoren ein unabhängiges Wellenfeld innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes führen kann.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in das gyromagnetische Element gepumpte Energie wenig unter dem Schwellwert der Instabilität liegt und mit dem Vormagnetisiesierungsfeld innerhalb der Anordnung so zusammenwirkt, daß ein negativer Widerstand in jedem der beiden Frequenzbänder entsteht, die zu den niedrigeren Frequenzen gehören, deren Summe gleich der Pumpfrequenz ist, und daß die zu verstärkende Signalfrequenz eine Frequenz innerhalb eines dieser Bänder ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der elektromagnetischen Feldanordnungen eine Resonanzbandleitung ist.

4. Verstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der elektromagnetischen Feldanordnungen ein Hohlraumleiter für die Grundwellenform ist.

5. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der elektromagnetischen Feldanordnungen Bandleitungen sind.

500
250

500
3000

0,1
0,3

0,3
0,3

1,0
0,6

0,3
0,05

6. Verstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der elektromagnetischen Feldanordnungen so bemessen ist, daß sie bei der Signal frequenz in Resonanz ist.

7. Verstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der elektromagnetischen Feldanordnungen so bemessen ist, daß sie bei der Pumpfrequenz in Resonanz ist.

8. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine andere der elektromagnetischen Feldanordnungen so bemessen ist, daß sie bei einer Frequenz in Resonanz ist, die gleich der Differenz zwischen der Signalfrequenz und der Pumpfrequenz ist.

9. Verstärker nach Anspruch 8 mit drei elektromagnetischen Feldanordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Anordnungen so bemessen sind, daß sie bei der Pumpfrequenz und bei jeder der beiden niedrigen Frequenzen in den entsprechenden Frequenzbändern in Resonanz sind.

10. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpsignal das konstante Vormagnetisierungsfeld und das zu verstärkende Signal im Bereich des Schnittpunktes der Wellenanordnungen mit Schwingungsfeldern von drei bestimmten Formen zusammenwirken, von denen das erste Schwingungsfeld in diesem Bereich eine magnetische Komponente parallel zum Vormagnetisierungsfeld, das zweite eine magnetische Komponente senkrecht zum Vormagnetisierungsfeld und das dritte eine magnetische Komponente senkrecht zum Vormagnetisierungsfeld aufweist.

11. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen von Signalenergie diese an den einen Resonator mit einer ersten Frequenz und an den anderen Resonator mit einer Frequenz anlegen, die das Doppelte der ersten Frequenz beträgt.

12. Verstärker nach Anspruch 11 mit drei Resonatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonator bei einer Frequenz f_v der zweite bei einer Frequenz f₂ und der dritte bei einer Frequenz fi ~t~ fi ^m Resonanz ist und daß die Mittelenergie mit der Frequenz f₁ an den ersten Resonator und Energie mit der Frequenz f₁ + f₂ an den dritten Resonator anliegt.

13. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit zwei elektromagnetischen Feldanordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen aus Hohlräumen, welche aus leitend begrenzten

Kanälen mit oberen und unteren Wänden bestehen, und aus zwei dünnen, sich schneidenden leitenden Teilen, die in den Kanälen gehalten werden und sich in Längsrichtung in einer Ebene parallel zu den oberen und unteren Wänden erstrecken, bestehen und daß der gyromagnetische Körper aus zwei vormagnetisierten Elementen besteht, die die leitenden Teile halten.

14. Verstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder gyromagnetische Körper aus einem Einkristallferrit besteht.

15. Verstärker nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus Yttrium-Eisengranat besteht.

16. Verstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vormagnetisierte gyromagnetische Körper solche

körperliche Abmessungen hat, daß er bei einer ersten vorbestimmten Frequenz magnetostatisch in Resonanz kommt, die sich im Schnittpunkt der elektromagnetischen Feldanordnungen befindet.

17. Verstärker nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der gyromagnetische Körper ein Seitenverhältnis zwischen seiner größten und seiner kleinsten Abmessung hat, das wesentlich von Eins verschieden ist, und daß die Mittel zur Herstellung der Vormagnetisierung im gyromagnetischen Körper das Feld parallel zu seiner kleinsten Abmessung anlegen.

18. Verstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gyromagnetische Körper wenigstens aus einer und vorzugsweise aus zwei dünnen Scheiben besteht, wobei jede Scheibe aus Einkristallmaterial angefertigt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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