DE1092969B

DE1092969B - Amplifier for high frequency signals

Info

Publication number: DE1092969B
Application number: DEW23292A
Authority: DE
Inventors: Max Tibor Weiss
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1957-05-20
Filing date: 1958-05-08
Publication date: 1960-11-17
Also published as: GB839802A; NL105061C; BE567459A; FR1206844A; NL227764A

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.The invention relates to the generation and amplification of signals with extremely high frequencies or of microwave signals, especially gyromagnetic oscillators and amplifiers with low Rush.

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.In an article by H. Suhl, "Proposal for a Ferromagnetic Amplifier in the Microwave Range". Physical Review, Vol. 106, p. 384, April 15, 1957, it was stated that if the amount of in a Oscillating system at a frequency, which is referred to here as the pumping frequency, introduced energy below If the critical natural oscillation value is kept, it would be possible to amplify signals to achieve in a novel way.

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:In particular, this publication describes a microwave device which embodies this principle. There a resonator for several waveforms is provided, which consists of a cavity or a chamber which is dimensioned so that it _{comes into resonance in two waveforms with the frequencies Z 1} and Z ₂ , these preferably, but not necessarily, being different . A pump frequency f _{p is also} applied to the cavity. This pump frequency is selected such that Z _P ⁼ Z ₁ + f ₂ · The coupling between the waveform of the pumping frequency and the waveforms of the signal frequency Z ₁ and Z ₂ is carried out by a body of a gyromagnetic material such. B. a manganese ferrite with high resistivity, wherein the body is arranged in the cavity and is pre-magnetized by a constant direct current magnetic field, which is oriented so that the following three conditions are met:

1. Eines der beiden signalfrequenten Felde (Z₁ oder Z₂) hat eine Magnetfeldkomponente, die senkrecht zum konstanten Gleichstrommagnetfeld liegt.1. One of the two signal-frequency fields (Z ₁ or Z ₂ ) has a magnetic field component that is perpendicular to the constant direct current magnetic field.

2. Das andere der beiden signalfrequenten Felder (Z₂ oder Z₁) hat eine Magnetfeldkomponente, die parallel zu dem konstanten Magnetfeld liegt.2. The other of the two signal-frequency fields (Z ₂ or Z ₁ ) has a magnetic field component that is parallel to the constant magnetic field.

3. Die Pumpfrequenz (f_p) hat eine Magnetfeldkomponente, die senkrecht zu dem konstanten Magnetfeld liegt.3. The pump frequency (f _p ) has a magnetic field component that is perpendicular to the constant magnetic field.

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 SignaleUnder these conditions, the magnetization of the gyromagnetic material will precess in such a way that a magnetization component arises which oscillates perpendicular to the constant field. The signal magnetic field Z _{1 of} the signal parallel to the constant field is superimposed on this system. This modulates the constant field in such a way that the resonance frequency of the magnetization is changed. If the gyromagnetic material is present, it is mixed with the pump frequency f _p , so that a high-frequency magnetic field component with a frequency fp-fx = f ₂ is created, which is perpendicular to the direction of the amplifier for high-frequency signals

Anmelder:Applicant:

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

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

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 20. Mai und 7. November 1957Claimed priority:
V. St. v. America May 20 and November 7, 1957

Max Tibor Weiss, Elizabeth, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt wordenMax Tibor Weiss, Elizabeth, NJ (V. St. A.),
has been named as the inventor

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.of the direct current field. In the same way, the induced high-frequency field Z ₂ generates a field with the frequency f _p - Z ₂ = Zi parallel to the constant field.
This creates a feedback system that creates negative resistance. As described in detail in the article mentioned, the system is unstable and changes to natural oscillations when the size of the pump energy f _p exceeds a definable threshold value, but the system is stable when the pump energy is limited below this value. The signal energy to be amplified can be introduced into the cavity either at the frequency Z ₁ or at the frequency Z ₂ . It can be picked up in amplified form at the same frequency.

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.If the cavity used by Suhl with several waveforms also a basically usable version of the ferromagnetic amplifier it gives rise to various problems in practice. Multiple waveform cavities are necessarily larger and more difficult to excite than cavities for the fundamental waveform. this is especially true when ferrites are used in conjunction with such higher order waveforms should. It is known that ferrite bodies form the field within the cavity in an unpredictable manner Way disturb, so that the construction of ferrite amplifiers is extremely difficult and unsafe. Additionally, multiple waveform cavities require more ferrite material to accommodate the required To create coupling, and thus more extensive and more power consuming magnetic field forms. Likewise there is the possibility of generating harmful subsidiary forms in which the orientation of the magnetic field is unsuitable.

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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 demThe invention aims to contribute to ferromagnetic oscillators. The first factor has to be with that in one and low noise amplifiers improve resonant circuit to do existing attenuation and and stabilize. depends on the sharpness of the resonance characteristic or the

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 größerIn particular, the invention wants to enable a Q of the circle. As will be shown later, a multitude of independent electromagnetic paths can produce a substantial reduction in the required pump fields, which can be achieved by using an extremely narrow bank-concentrated common field area in the very high Q no-load circuit, the the relative biases and others. The second factor has to do with the parameter, the parameters are appropriate to create a gain or what is referred to in the art as "fill factor", ie vibration generation of the kind described above to the degree of concentration of the microwave energy. in the gyromagnetic element itself. The larger

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.The invention is based on an amplifier for the concentration of the idle frequency power in the High-frequency signals, in which there is a premagnetized element, the lower the total pumping digyromagnetic Element at the point of intersection of magnetism, which is used to generate a given reinforcing table Field of a pump signal with a first impulse is required.

quenz und des magnetischen Feldes eines zu verstär- Bei einer dritten Ausführungsform wird als Reso-frequency and the magnetic field of a to be amplified.

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 undkenden signal with a different frequency nanzkreis for the idle frequency a recently removed, recommends that the amplifier use a covered ferromagnetic waveform, which is a piece of conductive limited housing called magnetostatic resonance mode, in which each of the magnetic fields in im 20 This form can be excited in specially shaped and specially substantially electrically separated, but physically premagnetized bodies, which are guided from intersecting resonators, with gyromagnetic single crystals being cut. Each of these resonators has an independent wave field. Resonance has a very high Q in this form, and the resonance field is practically completely within a certain frequency band. The intersection of the resonators results in a half of the body. Thus, compared to the field, the area that is shared by the individual fields that is present in the body when the cavity is occupied and in which an element of resonance, in which the body is located, is gyromagnetic material the only energy transition between the fields of energy within the body that is significant for the concentration of electromagnetic waves. In particular to create. Any other coupling between the fields is prevented by replacing special, non-coupling white crystal material chosen with the plane of the disk to guide the energy through a thin disk of gyromagnetic unit in each resonator. perpendicular to the constant bias field and

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,In particular, for a resonator a signal that is perpendicular to the magnetic field becomes more angular in frequency Waveguide is aligned with a fundamental waveform and 35 energy. In the disc is therefore for another resonator a ribbon line excites a resonance field of the idle frequency that turns. The waveforms in these two mean, magnetic field components parallel to the disc switch lead two different waves, have plane. This field has components which Components that have the correct relationship to each other and the correct relationship to the signal frequency field and to an applied constant bias field 40 to the constant bias field within the field within the gyromagnetic material disk in order to produce a reinforcement, as necessary for reinforcement. Wei- Further characteristics result from the following,

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-Furthermore, the correspondence of these waveforms is a detailed description of the exemplary embodiments shown in the drawing with regard to the electric or magnetic fields,
so inadequate that no undesirable secondary coupling 45 Fig. 1 shows a perspective view of the first development. Embodiment of the invention, which is used as an amplifier

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ker geschaltet ist;In a first embodiment of the invention, ker is switched;

sind die beiden durch Suhl vorgeschlagenen Signale Fig. 2 dient zur Erklärung und zeigt schematischare the two signals proposed by Suhl. Fig. 2 is used for explanation and shows schematically

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; Z ₁ and / 2 are identical. Thus, an input signal with the shape of the magnetic field components at a given frequency is amplified and an output 50 embodiment of 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-signal generated with the same frequency. On the other hand, Fig. 3 shows a perspective view of a side view, the devices natural vibrations can change the embodiment of Fig. 1;
at this frequency. In a second Fig. 4 shows a perspective view of a two-

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;Embodiment, the two signals Z ₁ and f _{2 have} th embodiment of the invention, which also have different frequencies and are shown in the amplifier how many sources and loads are separated. Thus, an input signal generated with f _t can be included;

verstärktes Ausgangssignal sowohl mit f_± als auch Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer drit-amplified output signal with both f _± and Fig. 5 shows a perspective view of a third

mit /₂. Es ist daher eine Verstärkung mit oder ohne ten Ausführung der Erfindung;with / ₂ . It is therefore a reinforcement with or without th embodiment of the invention;

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 FormFrequency change possible. In the state of FIG. 6 shows a schematic representation of the oscillation, this embodiment generates output signals 60 in the guide of FIG. 5;
both at f ₁ and at / ₂ . Fig. 7 shows a schematic representation of the shape

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.It has also been found that losses in the magnetic field of the no-load frequency energy the system of "idle frequency", this being the magnetostatic waveform in execution the high-frequency component of the magnetic field of 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 zumis defined, which by mixing f _x and f _p perpendicular 65 In Fig. 1 a perspective view is shown of a right to the direction of the constant field in the gyro embodiment of the invention, the magnetic material is produced, the Leistungsfähig- to production of a Reduce the amplification considerably if the amplifier is micro and which is switched and used for wave frequencies. A pump power of such amplifiers required for a given gain consists of two snow-increasing increases. Two resonators, which for the sake of simplicity, contribute to these losses

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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.Part by milling or casting into a block 10 Furthermore, the invention fulfills the desire to have the volume are made to keep a suitable cover plate 11 of the material small to the electrical Verauf. The first resonator is a waveguide and reduces losses.

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.consists of a rectangular channel 12 in block 10, suitable means, not shown in detail, the width of which is greater than half a wavelength and 5 are provided to connect to the disks 25 and 26 a smaller than a wavelength of the pump frequency f _p . applying a constant external magnetic field, as in the entrance of the channel 12 is shown on a screen 14 Fig. 1 by vector H, the _p CONNECTED in f to a source 13 for the pumping frequency substantially in the plane of the channels 12 and 16 sent. The other end of the channel 12 is directed through a and is completed at 45 ° to the longitudinal reflective part 15 substantially. The distance io axes of the channels 12 and 16 is inclined. The meaning between the diaphragm 14 and the reflector 15 is direction of this field direction as well as the meaning is a multiple of half a wavelength, to another previously mentioned factors it is easier to generate resonance at the frequency f _p , as will be described later with an investigation of the magnetic field . The second resonator is a ribbon line and is guided by the ribbon line 16-17 and in the resonator 12 from a channel 16 which is at right angles.

zum Kanal 12 erstreckt. Die Breite des Kanals 16 ist In Fig. 2 sind die Umrisse der Begrenzungen desto the channel 12 extends. The width of the channel 16 is In Fig. 2 are the outlines of the boundaries of the

so klein, daß sie bei der Frequenz fp jenseits der Grenz- Hohlraums 12 und des Leiters 17 der Bandleitungso small that they are at the frequency fp beyond the boundary cavity 12 and the conductor 17 of the ribbon line

frequenz liegt und interferiert daher nicht mit dem 16-17 in einem Koordinatensystem gezeichnet, dasfrequency lies and therefore does not interfere with the 16-17 drawn in a coordinate system that

Resonanzhohlraum, der durch den Kanal 12 gebildet 20 durch die aufeinander senkrecht stehenden Vektoren 31Resonance cavity, which is formed by the channel 12 20 by the vectors 31 which are perpendicular to one another

wird. Innerhalb des Kanals 16 ist ein dünnes leitendes dargestellt ist, wobei der Vektor χ die Richtung derwill. Inside the channel 16 a thin conductive is shown, the vector χ being the direction of the

Teil 17 in geeigneter Weise gehalten, das sich in B reiten aus dehnung des Hohlraums 12, der Vektor y Part 17 held in a suitable manner, which is in width from expansion of the cavity 12, the vector y

Längsrichtung in einer Ebene erstreckt, die parallel die Richtung der Höhenausdehnung des Hohlraums 12Extends longitudinally in a plane which is parallel to the direction of the height expansion of the cavity 12

zur oberen und unteren Wand des Kanals 16 verläuft. und der Vektor ζ die Längsrichtung des Hohlraumsto the upper and lower walls of the channel 16. and the vector ζ the longitudinal direction of the cavity

Zusammen mit der oberen und der unteren Wand des 25 12 angibt und senkrecht zur Achse des Leiters 17 liegt.Together with the upper and lower walls of the 25 12 indicates and is perpendicular to the axis of the conductor 17.

Kanals 16., die als leitende Erdungsebene dienen, bil- Die magnetischen Feldschleifen der Signalfrequenz Z₁ Channel 16., which serve as a conductive ground plane, form the magnetic field loops of the signal frequency Z ₁

det das Teil 17 eine Erdleitungswellenanordnung 16-17. sind durch die geschlossenen Schleifen 32 dargestellt,det the part 17 a ground conductor shaft arrangement 16-17. are represented by the closed loops 32,

Das Teil 17 hat Querschnittsabmessungen, die kleiner welche den Leiter 17 umschließen und in Ebenen senk-The part 17 has cross-sectional dimensions that are smaller, which enclose the conductor 17 and lower in planes.

als die entsprechenden Abmessungen des Kanals 16 recht zu seiner Achse liegen und deren Intensität sichthan the corresponding dimensions of the channel 16 are right to its axis and their intensity varies

sind. Das Teil 17 liegt in der Mitte zwischen den 30 entlang der Länge des Leiters sinusförmig ändert.are. The part 17 lies midway between the 30 sinusoidal changes along the length of the conductor.

Seitenwänden des Kanals 16 und erstreckt sich gleich Erfindungsgemäß ist der Leiter 17 ein Vielfaches vonSidewalls of the channel 16 and extends the same. According to the invention, the conductor 17 is a multiple of

lang nach jeder Seite des Kanals 12. Beide Enden des halben Wellenlängen lang, so daß er bei der Frequenz f_x long to either side of the channel 12. Both ends of the half wavelength long so that it is at the frequency f _x

Kanals 16 können zur besseren Abschirmung durch in Resonanz kommt. Er erstreckt sich insbesondereChannel 16 can come into resonance for better shielding. It extends in particular

leitende Platten 18 abgeschlossen sein. eine ungerade Anzahl von Viertellängen nach jederconductive plates 18 to be completed. an odd number of quarter lengths after each

In die Bandleitung 16-17 wird eine zu verstärkende 35 Seite des Bereiches mit den Scheiben 25 und 26, soA side of the area to be reinforced with the disks 25 and 26, see above, is inserted into the ribbon line 16-17

Welle mit der Frequenz f_t eingeführt. Wie dargestellt, daß das magnetische Feld an den Enden des LeitersWave with frequency f _t introduced. As shown that the magnetic field at the ends of the conductor

wird die Welle von der Quelle 20 über den koaxialen 17 Null ist und in der Nähe der Scheiben 25 und 26the wave from the source 20 via the coaxial 17 is zero and near the disks 25 and 26

Leiter 19 und die kapazitive Sonde 21, die sich durch ein Maximum aufweist. Somit erzeugt die Signal-Conductor 19 and the capacitive probe 21, which has a maximum. Thus, the signal

den Block 10 erstreckt, in der üblichen Weise an einen frequenz Z₁ im Bereich der Scheiben 25 und 26 einthe block 10 extends in the usual manner at a frequency Z ₁ in the region of the disks 25 and 26

Punkt geführt, der nahe bei Teil 17 der Leitung 16-17 40 maximales Feld in der ^-Richtung,Point that is close to part 17 of line 16-17 40 maximum field in the ^ -direction,

liegt. Das verstärkte Ausgangssignal kann dann vom Die magnetischen Feldschleifen der Pumpfrequenz f_p lies. The amplified output signal can then from the magnetic field loops of the pump frequency f _p

anderen Ende der Leitung 16-17 durch eine ähnliche sind durch die geschlossenen Schleifen 33 dargestellt,other end of the line 16-17 through a similar are represented by the closed loops 33,

kapazitive Sonde 22 abgenommen werden, die über welche das im Hohlraum 12 vorhandene konstantecapacitive probe 22 are removed, via which the constant present in the cavity 12

den koaxialen Leiter 23 und das Filter 27 mit der Feld bilden. Diese Schleifen liegen in Ebenen, welchethe coaxial conductor 23 and the filter 27 form with the field. These loops lie in levels, which

Belastung 24 verbunden ist. Die Notwendigkeit und 45 parallel zur Breitenabmessung des Hohlraums 12Load 24 is connected. The need and 45 parallel to the width dimension of the cavity 12

die Einzelheiten des Filters 27 werden später be- liegen. Erfindungsgemäß ist der Hohlraum 12 einthe details of the filter 27 will be given later. According to the invention, the cavity 12 is a

trachtet. Die elektrische Länge des leitenden Teils 17, Vielfaches von halben Wellenlängen lang. Er erstrecktseeks. The electrical length of the conductive part 17, multiples of half wavelengths long. He extends

welche die elektrische Länge der Bandleitung 16-17 sich insbesondere eine ungerade Anzahl von viertelwhich the electrical length of the ribbon line 16-17 is in particular an odd number of quarters

bestimmt, beträgt ein Vielfaches von halben Wellen- Wellenlängen nach jeder Seite des Bereiches mit dendetermined, is a multiple of half wavelengths on each side of the range with the

längen, um eine Resonanz bei der Frequenz f_x zu er- 50 Scheiben 25 und 26, so daß das magnetische Feld inlengths to resonate at the frequency f _x for ER- 50 disks 25 and 26, so that the magnetic field in

zeugen, wie später beschrieben wird. diesem Bereich ein Maximum ist und im wesentlichenas will be described later. this area is a maximum and essentially

Eine nichtlineare Kopplung zwischen der Energie, in der Jtr-Richtung liegt.A nonlinear coupling between the energy that lies in the Jtr direction.

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 derwhich in the resulting resonators 12 and It should be noted that no direct field coupling 16-17 is performed, arises through the bodies 25 and between the field of f _v that by the loops 32 26 which extend above and below the part 17 55 and the field of f _p that is located by the. These bodies can advantageously have the loops 33 shown there. Assume the shape of discs or cubes and the ΛΓ component of f _p is always perpendicular to the Komkönnen additionally hold the part 17 and the distance _{component of Z 1} , and the ^ component of f _p will ensure in. The disks 25 and 26 may be made of vanishing proportions on the opposing side of any suitable gyromagnetic material 60 of the conductor 17 having the z component of Z ₁ with low loss. Preferably coupled. Likewise, the electric field from Z _{1 is} above, but they should consist of single crystal material, which and below the conductor 17 are directed in the opposite direction and have a narrow resonance curve, in order not to save power with the field in one direction. For this purpose, inputs from f _p in channel 12 have to be coupled. Furthermore, crystals of manganese ferrite or yttrium iron garnet 65 bring the wide dimensions of the channel 12 to these proven to be satisfactory. A particular advantage of the frequency Z ₁ from the limit frequency, and the invention consists in the small amount of material. This is a particularly important feature of the frequency f _p out of the cut-off frequency, with regard to the difficulty in obtaining large pieces of single crystal material for the coupling between the fields. 70 finally through the gyromagnetic material of the

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.Disks 25 and 26 created. This coupling is such that the conditions given by Suhl are met. Since there is only one signal-frequency field, the above requirements 1 and 2 are merged, so that the field at Zi must have components that are both perpendicular and parallel to the constant field. Since the constant field H is applied at an angle of about 45 °, it is perpendicular to a component of the field of f _v, parallel to another component of the field of Z ₁ and perpendicular to a component of the field of f _p in the gyromagnetic region 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.When operating as a microwave amplifier, the frequency f _p is set so that it is twice the frequency Z ₁ and has a size that is below the threshold value of self-excitation, as defined by Suhl. The strength of the external magnetic field is set in such a way that a gyromagnetic resonance arises in the disks 25 and 26 with the frequency f n.

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.The component of the pump field f “ perpendicular to the constant field causes the magnetization to precess within the disks 25 and 26. The component of the signal field parallel to the constant field modulates the resonance frequency. A modulation product f n - Zi perpendicular to the constant field is generated. Since f _p is twice Z ₁ , the modulation product has the same frequency as f _t and is fed back with that component of the input field Z ₁ which is perpendicular to the constant field. Feedback and amplification arise. The amplified signal is carried away by the cable 23 and delivered to the load 24 via the filter 27.

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 FrequenzIn the operation described above, it is assumed that Z _{1 is} a frequency band with essentially a single frequency which is exactly equal to half of f _p . If the tape is wider, e.g. For example, if a band extends from J _x to Z ₁ + Af , then the modulation products are more complicated. As a result of the mixing of the signal frequency J ₁ + Af with f _p , modulation products arise at one frequency

fp ~ (Λ + Af) = 2Z₁ - (Z₁ + Af) ^f₁-Af fp ~ (Λ + Af) = 2Z ₁ - (Z ₁ + Af) ^ f ₁ -Af

wie auch die gewünschten Produkte Z₁ + Af. as well as the desired products Z ₁ + 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.In certain cases, products with both sidebands can block the usable output of the amplifier form, e.g. B. in the regeneration of broadband pulses or in the amplification of noise signals without mutual relationship. However, if only one sideband is required, this must be undesirable Sideband can be eliminated by the filter 27, which is the required at a cutoff frequency of Zi Should have high-pass or low-pass characteristic.

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.If the size of the pump frequency f _p exceeds the threshold value, natural oscillations with the frequency Zi are generated, which can be taken from the device either via the coaxial cable 19 or via the cable 23.

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.An improved mode of operation of the embodiment in FIG. 1 is achieved by increasing the component of the pump field f _p which is perpendicular to the constant magnetic field. A novel way of achieving this goal is illustrated by the modification of the embodiment of FIG. 1, which is shown in FIG. As can be seen, there is variation in the fact that the waveguide channel for the frequency f _p, indicated in Fig. 3 at 55, is inclined at 45 ° to the axis of the conductor 17 and is parallel to the constant field H.

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.Thus, the constant magnetic field is perpendicular to the total transverse field of f _p in the area of the disks 25 and 26 and not just to a component as in FIG. 1. All other relationships and parameters are unchanged, so that the same reference numerals are used to designate corresponding parts are.

Wenn die Ausführung der Fig. 1 als Verstärker mit einem begrenzten Band verwendet wird, enthält das verstärkte Ausgangssignal, wie oben bemerkt wurde,When the embodiment of Fig. 1 is used as a limited band amplifier, this includes amplified output signal, as noted above,

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 beidenίο both the upper and lower sidebands, which must be separated by external filter media. Furthermore, these two sidebands are directly adjacent in the frequency spectrum, which places considerable demands on the filter. 4 shows an embodiment of the invention in which the initial field component and the induced field component are at different and separate frequencies Zi and f ₂ . The upper sideband becomes Z ₂ + Af, the lower sideband Zi - Af. The two

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. ao bands can have a large spacing in the frequency spectrum and are used in the amplifier arrangement kept separate. This eliminates the need for filters; there is also the Possibility of changing the frequency in addition to strengthening.

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 gleichenFIG. 4 shows a modification of the embodiment of FIG. 1, in which corresponding parts are provided with corresponding reference numbers. It can be seen that the modification consists in the addition of a second ribbon line 35 which can carry _{the frequency Z 2 independently.} In particular, the conductor 35 extends longitudinally in the middle of the channel 12 and forms a flat cross with the conductor 17. The presence of the conductor 35 in no way disturbs the basic shape of the frequency f _p in the channel 12, it is rather together with the upper and the lower wall of the channel 12 forms a ribbon line wave assembly 35-12 capable of carrying an independent propagation form. The length of the conductor 35 is a multiple of half the wavelength of the frequency f ₂ , so that R is in resonance at this frequency. The conductor 35 extends an odd number of quarter wavelengths to each side of the conductor 17, so that a maximum of the transverse magnetic field of the conducted energy is created at the intersection of the conductors 17 and 35 and thus in the vicinity of the disks 25 and 26. There is no immediate Self-coupling between any of the components of the three frequencies Zi »Z ₂ or f _p , from the same

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.Reasons as described in detail with reference to FIG. The coupling occurs exclusively by the gyromagnetic effect of the disks 25 and 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.In one mode of operation of the embodiment of FIG. 4, a frequency band to be amplified can be fed with the center frequency Zi from the source 20 to the band line 16-17. The pump power is applied by the source 13 with a frequency Zp-Zi + Z ₂ ^and with a magnitude which is below the threshold value.

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 BandleitungThe strength of the constant field H is such that a gyromagnetic resonance occurs at the frequency f _p ; it is parallel to the conductor 35 and in the plane thereof. Therefore, the _{transverse component of the field Z 1} , which is carried on the line 16-17, lies parallel to the constant field H and modulates the resonance frequency of the precession, which results from the component of the pump field f _p which is perpendicular to the constant field. Modulation products are generated which belong to the frequency Z ₂ and which components are perpendicular to the axis of the ribbon line

35-12 haben und daher eine Schwingungsform auf dieser erregen können, da ihre Länge bei /₂ in Resonanz ist. 35-12 and can therefore excite an oscillation form on this, since its length is in resonance _{at / 2.}

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.The components / ₂ are in turn fed back to the line 16-17 by the gyromagnetic material, so that an amplification of the band belonging to the frequency / ^ is produced. The reinforced components can be delivered to the load 24 via the coaxial cable 23. The unwanted sideband components _{/ 2} + Af are only present on the ribbon line 25-12 and do not reach the output.

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.However, if necessary, the _{components belonging to / 2} can be used in that a further coaxial conductor 37 is used for coupling to the ribbon line 35-12 via the capacitive probe 39. By closing the switch 40, these components are supplied to the load 41 and represent the amplified input signal which is shifted _{in frequency from Z 1} to / _2. The amplified output signal with the frequency Z ₁ is then available on the coaxial cable 23 . If the use of these components is unnecessary or undesirable, the coaxial cable 23 can idle in an unloaded condition or it can be removed.

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.When the magnitude of the pump frequency / _p exceeds the threshold value, natural oscillations begin and components with the frequency / ₂ on the coaxial cable 37 and with the frequency J ₁ on the coaxial cables 19 and 23 become available.

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.In the arrangements described above, it was indicated that the channel 12 is in resonance at the frequency of the pump power f _p. This is desirable in order to obtain the greatest concentration of the transverse field components of the pump power in the vicinity of the gyromagnetic elements. However, a progressive wave of sufficient amplitude provides the necessary components even when the resonance is absent. It is therefore possible to connect a large number of amplifiers of the type described in series so that the pump power is supplied one after the other from one amplifier to the next. It is also possible to connect diaphragms between the amplifiers in order to obtain field shapes with standing waves.

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.In the third exemplary embodiment in FIGS. 5, 6 and 7, the resonance circuit for the idle frequency Z _{2 is created} by a magnetostatic resonance which arises in the bodies 125 and 126 which are located above and below the circle 117 , respectively. The technology is already familiar with the phenomenon of gyromagnetic resonance, which arises in polycrystalline ferrites, which is the combined effect of a unidirectional bias magnetic field with a suitable intensity and a microwave field directed perpendicular to it. be subjected. This resonance arises from a uniform precession of electron spins in the material. It has properties very similar to those of a tuned circuit with a small Q and has a tendency to absorb a substantial part of the energy at a given frequency. The frequency at which the resonance occurs appears to be a direct function of the strength of the bias field. Only recently was a resonance discovered, which was called "magnetostatic" and which (in addition to the uniform precession resonance) occurs in very small bodies of material made from single crystals of gyromagnetic material. Certain aspects of this response have been described in an article by LR Walker in Physical Review, Vol. 105, pp. 390 to 394, January 15, 1957. The magnetostatic resonance is characterized by a large number of very narrow-band resonances occurring at a frequency spacing, each of which has a low absorption and a high Q. It is strongly influenced by the shape of the gyromagnetic body and the direction in which the bias field is applied relative to this shape, and also by the strength of the bias field.

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. _: For example, a small sphere or cube made of single crystal material shows a magnetostatic resonance curve with a width that is perhaps ten times narrower than the resonance curve width of the uniform precession resonance in polycrystalline materials. If the single crystal material has the shape of a disk, the width of the curve is even narrower than in the case of the spherical shape, so that the resonance peaks are sharper the more extreme the aspect ratio, ie the larger the ratio of the diameter to the thickness. It has also been found that the sharpness of resonance in the disk is significantly greater when the high-frequency oscillation field is parallel to the plane of the disk and the bias field is perpendicular to the disk plane than when the relationships are reversed. Comparative data will be given later to illustrate this. _:

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.In order to achieve the sharp resonance necessary for the principle of the invention at the idle frequency f _s , the bodies 25 and 26 are given the shape of very thin disks made of single crystals of suitable gyromagnetic material with low attenuation, e.g. B. magnesium ferrite, manganese ferrite or yttrium iron garnet, are cut off. In a particular implementation, a thickness that is one tenth the diameter or less has been found to be satisfactory. These disks are oriented with the plane of their diameter perpendicular to the axis of the channel 112 and perpendicular to the axis of the channel 116. A particular advantage of the invention is the small amount of material required. This is a particularly important feature in view of the difficulty in obtaining large pieces of single crystal material. Furthermore, the invention fulfills the desire to keep the volume of the material small in order to reduce dielectric losses.

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,Emphasis is placed on the shape and orientation of disks 125 and 126 as these factors are responsible for the improvements and performance of the invention. Typical comparative data for practical facilities are provided to illustrate the nature of this improvement. It is thus possible

a) ein typisches Q für den Kreis der Leerläuffrequenz, a) a typical Q for the idle frequency circle,

b) den Füllfaktor für ein gyromagneti sches Element, das sich in diesem Kreis befindet oder einen Teil desselben bildet, undb) the fill factor for a gyromagnetic element located in this circle or part of it the same forms, and

c) die für eine gegebene Arbeitsweise notwendige relative Pumpleistungc) the relative pump power required for a given mode of operation

in folgenden Einrichtungen zu vergleichen:to be compared in the following institutions:

I. einem Verstärker bisheriger Art, bei dem der Resonanzhohlraum ist;I. a prior art amplifier in which the resonant cavity is;

II. einem Verstärker, bei dem der Resonanzkreis für die Leerlauffrequenz ein magnetostatischer Kreis ist, bei dem das gyromagnetische Element die Form einer Kugel hat;II. An amplifier in which the resonance circuit for the idle frequency is a magnetostatic circuit is in which the gyromagnetic element is in the shape of a sphere;

009 648/306009 648/306

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; III. an amplifier in which the resonance circuit for the idle frequency is a magnetostatic circuit in which the gyromagnetic element has the shape of a disk which is premagnetized parallel to the disk plane;

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.IV. An amplifier according to a preferred embodiment of the invention, in which the resonance circuit for the idle frequency is a magnetostatic circuit, in which the gyromagnetic Element has the shape of a disk, which is pre-magnetized perpendicular to the disk plane.

Für den Vergleich hat der gyromagnetische Körper in jedem Fall das gleiche Volumen. Der Vergleich ist durch folgende Tabelle dargestellt:For comparison purposes, the gyromagnetic body has the same volume in each case. The comparison is represented by the following table:

a) Q für dena) Q for the

Leerlauffrequenzkreis Idle frequency circuit

b) Füllfaktorb) fill factor

c) Relative
Pumpleistungc) Relative
Pumping power

I. Elektromagnetischer Hohlraum I. Electromagnetic cavity

II. Magnetostatische Kugel II. Magnetostatic sphere

III. Magnetostatische Scheibe, Vormagnetisierung
parallel III. Magnetostatic disk, premagnetization
parallel

IV. Magnetostatische Scheibe, Vormagnetisierung
senkrecht IV. Magnetostatic disk, pre-magnetization
perpendicular

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.A comparison between the devices I and II shows that the reduction in the required pump power is primarily a result of the substantial increase in the fill factor, which arises from the greater magnetic field strength within the gyromagnetic element, which is caused by the magnetostatic effect. The improvement between devices II and III or between devices III and IV is apparently the result of the increase in the Q of the magnetostatic resonance created by the shape and orientation of the element.

3535

Claims

Patent claims:

1. Amplifier for high-frequency signals in which a premagnetized gyromagnetic element at the intersection of the magnetic field of a pump signal with a first frequency and the magnetic field of a signal to be amplified is arranged with a different frequency, characterized in that the amplifier has a one-piece, conductively limited housing comprises, in which each of the magnetic fields in substantially electrically separate, however, physically intersecting resonators are guided, each of these resonators being one independent wave field within a certain frequency band.

2. Amplifier according to claim 1, characterized in that the in the gyromagnetic element pumped energy is little below the instability threshold and with the bias field cooperates within the arrangement so that a negative resistance arises in each of the two frequency bands that lead to the lower frequencies, the sum of which is equal to the pump frequency, and that which is to be amplified Signal frequency is a frequency within one of these bands.

3. Amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that one of the electromagnetic Field arrangements is a resonant ribbon line.

4. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that one of the electromagnetic field arrangements is a cavity conductor for the fundamental waveform.

5. Amplifier according to claim 1 or 2, characterized in that two of the electromagnetic Field arrangements are ribbon cables.

500
250

500
3000

0.1
0.3

0.3
0.3

1.0
0.6

0.3
0.05

6. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that one of the electromagnetic field arrangements is dimensioned so that it is at the signal frequency in resonance.

7. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that one of the electromagnetic field arrangements is dimensioned so that it is in resonance at the pump frequency.

8. Amplifier according to claim 6, characterized in that another of the electromagnetic Array arrays is sized to resonate at a frequency equal to the difference between the signal frequency and the pump frequency.

9. Amplifier according to claim 8 with three electromagnetic field arrangements, characterized in that that the respective arrangements are dimensioned so that they are at the pump frequency and at each of the two low frequencies in the respective frequency bands are in resonance.

10. Amplifier according to claim 1, characterized in that the pump signal is the constant Bias field and the signal to be amplified in the area of the intersection of the shaft arrangements interact with oscillation fields of three specific forms, of which the first oscillation field in this area is one magnetic component parallel to the bias field, the second a magnetic component perpendicular to the bias field and the third a magnetic component perpendicular to the bias field.

11. Amplifier according to claim 1, characterized in that that the means for applying signal energy to one resonator at a first frequency and to the other resonator Apply at a frequency twice the first frequency.

12. An amplifier according to claim 11 with three resonators, characterized in that the first resonator at a frequency f _v, the second at a frequency f ₂ and the third at a frequency fi ~ t ~ fi ^m resonance and that the mean energy with the frequency f _{1 is applied} to the first resonator and energy with the frequency f ₁ + f ₂ is applied to the third resonator.

13. Amplifier according to one of claims 1 to 8 with two electromagnetic field arrangements, characterized in that the arrangements of cavities, which delimited from conductive

Channels are made up of top and bottom walls, and two thin, intersecting conductive ones Parts that are held in the channels and extend longitudinally in a plane parallel to them the upper and lower walls extend, and that the gyromagnetic body consists of consists of two pre-magnetized elements that hold the conductive parts.

14. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that each gyromagnetic body consists of a single crystal ferrite.

15. Amplifier according to claim 14, characterized in that that the crystal is made of yttrium iron garnet.

16. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the premagnetized gyromagnetic bodies such

physical dimensions that it magnetostatically in at a first predetermined frequency Resonance comes, which is located at the intersection of the electromagnetic field arrangements.

17. Amplifier according to claim 16, characterized in that the gyromagnetic body is a Aspect ratio between its largest and its smallest dimension has that substantial is different from one, and that the means for producing the bias in the gyromagnetic Body create the field parallel to its smallest dimension.

18. Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the gyromagnetic body consists of at least one and preferably two thin disks, each disk being made of single crystal material .

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