DE1272394B - Mikrowellen-Verstaerkeranordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a4- 29/50

Nummer: 1272 394

Aktenzeichen: P 12 72 394.3-35 (W 34026)

Anmeldetag: 5. März 1963

Auslegetag: 11. Juli 1968

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Verstärkeranordnung mit einem Hohlleiter als Wellenleiter zur Fortleitung der zu verstärkenden Energie in einem Frequenzband mit vorbestimmter Mittenfrequenz, einem Hohlleiterabschnitt als Hohlraumresonator, der auf die Mittenfrequenz abstimmbar ist, und einem mit Vorspannungszuführungen versehenen Element negativen Widerstandes, vorzugsweise einer Tunneldiode im Bereich des Hohlraumresonators, wobei die beiden Hohlleiter durch eine Öffnung in einem gemeinsamen Wandteil miteinander gekoppelt sind.

Es ist bekannt, daß Tunneldioden, auch Esakidioden genannt, ein Gebiet mit negativem Widerstand in ihrer Stromspannungskennlinie aufweisen. Gleiches gilt für pnpn-Dioden und gewisse Germaniumdioden bekannter Art. Die sogenannten Varactordioden, also Dioden veränderlicher Kapazität, zeigen zwar selbst keinen negativen Widerstand. Wenn sie jedoch in gewissen parametrischen Verstärkeranordnungen verwendet werden, nehmen sie die Eigenschaften eines Elementes mit negativen Widerstand an (vgl. »The Variable-Capacitance Parametric Amplifier« von D. D. Reed, Bell Laboratories Record, Oktober 1959, S. 373 bis 379). Dementsprechend soll der nachfolgend verwendete Ausdruck »Element negativen Widerstandes« sich auf Einrichtungen beziehen, die von Hause aus einen negativen Widerstand haben und ferner auf Einrichtungen, die unter geeigneten Bedingungen einen negativen Widerstand zeigen.

Mikrowellen-Verstärkeranordnungen unter Verwendung von Tunneldioden sind in zahlreichen Formen bekannt. So sind solche Dioden unter anderem in Koaxialleitungen und Hohlraumresonatoren verschiedener Form eingesetzt worden. Tunneldioden wurden ferner bei Bandleitungen und in Hohlleitern benutzt (M. E. Hines, »High-Frequency Negative-Resistance Circuit Principles for Esaki Diode Applications«, Bell System Technical Journal, Bd. 39, Mai 1960, S. 477 bis 513, und C. A. Burrus und R. F. Trambarulo, »Millimeter-Wave Esaki Diode Amplifier«, Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Bd. 49, Juni 1961, S. 1075 bis 1076). Alle derartigen Verstärkeranordnungen weisen Vorteile auf, wie eine niedrige Rauschzahl, die Fähigkeit, bei hohen Mikrowellenfrequenzen zu arbeiten, und sehr geringen Energiebedarf. Mit dem Vorteil geringen Energiebedarfs ist jedoch der Nachteil einer geringen maximalen Ausgangsleistung verbunden.

Es ist auch bereits bekannt, einen Hohlleiter mit Mikrowellen-Verstärkeranordnung

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:
Enrique Alfredo Jose Marcatili,
Fair Haven, N.J.;
Stewart Edward Miller,
Middletown, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. März 1962
(181 589,181768)

einem über einen Schlitz angekoppelten Hohlraumresonator abzuschließen, in welchem abgesetzt von dem Schlitz ein Element variabler Kapazität angeordnet ist. Zur Erzielung einer parametrischen Ver-Stärkung ist der Hohlraumresonator an eine Pumpenergiequelle angekoppelt. Die innerhalb des Resonators verstärkte Energie wird zum Hohlleiter zurück übertragen und schließlich mit Hilfe eines Zirkulators von der ankommenden Welle getrennt. Für eine einseitig gerichtete Verstärkung ist also zusätzlich ein Zirkulator oder eine ähnliche Einrichtung erforderlich. Bekannt ist auch eine Anordnung zur Erzielung einer parametrischen Verstärkung, bei der zwei Hohlraumresonatoren über einen Leitungsabschnitt gekoppelt sind, der ein Element negativen Widerstandes enthält. Einer der Resonatoren ist gleichzeitig auf die Signalfrequenz und die Pumpfrequenz abgestimmt und der andere auf eine Idlerfrequenz. Auch hier treten jedoch die vorstehend erläuterten Nachteile auf.

Es ist bei den bekannten Anordnungen auch nicht ohne weiteres möglich, die Ausgangsleistung durch Einsatz mehrerer Elemente negativen Widerstandes zu erhöhen. Wenn mehrere Elemente parallel geschaltet werden, wird die Impedanz der Parallelschaltung um so kleiner, je größer die Zahl der Elemente ist. Eine Anpassung an die im allgemeinen

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viel höhere Impedanz von Übertragungsleitungen wird dann immer aufwendiger und führt zu einer unerwünschten Bandbreitenbegrenzung. Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten könnte man versuchen, eine Anzahl von Elementen mit negativem Widerstand hintereinander zu schalten. Dann ergeben sich jedoch Probleme bei der Zuführung der Vorspannungen zu den einzelnen Elementen sowie bei der Anbringung und Abstimmung der Elemente.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung zur Verstärkung von Mikrowellen ohne die Nachteile der bekannten Anordnungen bereitzustellen. Die Erfindung geht dazu aus von einer Mikrowellen-Verstärkeranordnung der eingangs genannetn Art und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsöffnung durch mindestens einen sich rechtwinklig zu den Wandströmen im Wellenleiter erstreckenden Schlitz von solcher Ausdehnung gebildet ist, daß die Wandströme in seinem mittleren Bereich eine wesentliche Spannung ausbilden, und daß dieser mittlere Bereich von dem Element negativen Widerstandes überbrückt ist.

Erfindungsgemäß ist also im Gegensatz zu der oben erläuterten bekannten Anordnung ein Schlitz im Zuge des Hohlleiters vorgesehen, und das Element negativen Widerstandes ist im Bereich maximaler Wandströme angeordnet, so daß es wirkungsmäßig in Reihe zu dem Wellenleiter geschaltet ist. Der Schlitz und der Hohlraumresonator wirken als Parallelresonanzkreis, und deren Abmessungen bestimmen zusammen mit der durch das Element negativen Widerstandes geschaffenen Belastung die Mittenfrequenz, die durch eine Abstimmung des Hohlraumresonators in einem breiten Frequenzband verschiebbar ist. Der Hohlraumresonator verhindert außerdem eine Energieabstrahlung durch den Schlitz. Es besteht die Möglichkeit, zur Erhöhung der Ausgangsleistung mehrere Schlitze mit je einem Element negativen Widerstandes am Wellenleiter vorzusehen, ohne daß eine übermäßige Belastung und Fehlanpassung auftritt. Außerdem kann eine einseitig gerichtete Verstärkung ohne Verwendung von Zirkulatoren oder ähnlichen nichtreziproken Einrichtungen ver-· wirklicht werden.

Unter Wellenleiter werden Hohlleiter mit kreisförmigem und rechteckigem Querschnitt sowie auch Hohlleiterwellen führende Koaxialleitungen verstanden.

Zur Erhöhung der Ausgangsleistung werden also in weiterer Ausbildung der Erfindung mehrere Schlitze vorgesehen, und zwar insbesondere derart, daß sie in demselben Querabschnitt des Wellenleiters liegen. In jedem der Schlitze ist ein Element negativen Widerstandes angeordnet, und hinter den Schlitzen befindet sich einer oder mehrere einstellbare Hohlraumresonatoren. Auf diese Weise sind die Elemente negativen Widerstandes, obwohl sie wirkungsmäßig in Reihe liegen, einzeln mit dem Wellenleiter gekoppelt und an ihn angepaßt, so daß die unerwünschten Belastungswirkungen vermieden werden. Da ferner jedes Element negativen Widerstandes in einem gesonderten Schlitz angeordnet ist, können die Elemente getrennt mit einer Vorspannung versehen werden, und es lassen sich kleinere Unterschiede ihrer Kennlinien kompensieren. Die Erfindung sieht in ihrer weiteren Ausbildung vor, daß eine Mehrzahl von Schlitzen verwendet wird, die entlang dem Wellenleiter in Abständen angeordnet sind. Die durch den Wellenleiter laufende Wellenenergie wird dann nacheinander in jeden Schlitz eingekoppelt, durch die dort vorgesehenen Elemente negativen Widerstandes verstärkt und dann in den Wellenleiter zurückgekoppelt. Wenn der Abstand zwischen der Mitte der benachbarten Schlitze gleich einer Viertelwellenlänge oder gleich eines ungeraden Vielfachen hiervon gemacht wird, addiert sich die verstärkte Wellenenergie in Vorwärtsrichtung und löscht sich in Rückwärtsrichtung aus. Es wird also eine einseitig gerichtete Verstärkung erreicht und außerdem die Verstärkung selbst erhöht. Zur Verhinderung einer Abstrahlung sowie zur Impedanzanpassung und Frequenzabstimmung sind wiederum hinter jedem Schlitz außerhalb des Wellenleiters einstellbare Hohlraumresonatoren angeordnet. Diese ermöglichen ferner eine Einstellung der Bandbreite nach Art der gestaffelten Abstimmung von Breitbandverstärkern.

Eine Weiterbildung der Erfindung ermöglicht eine einfache Einstellung der Verstärkung. Dazu wird die Lage jedes Schlitzes und Elementes negativer Impedanz mit Bezug auf das Feldbild der sich im Wellenleiter fortpflanzende Welle eingestellt. Dadurch ändert sich der Grad der Kopplung zwischen dem Schlitz, der das Element negativen Widerstandes enthält, und der Welle und damit die Verstärkung.

Eine Mikrowellen-Verstärkeranordnung mit parametrischer Verstärkung wird nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch geschaffen, daß das Element negativen Widerstandes eine Varactordiode ist, daß der Schlitz so ausgerichtet ist, daß die Diode parallel zu den Maximalströmen liegt, die durch die sich fortpflanzende elektromagnetische Energie in dem zugeordneten Querabschnitt des Wellenleiters erzeugt werden, und daß eine getrennte Öffnung in dem abstimmbaren Hohlraumresonator vorgesehen ist, um Pumpwellenenergie mit einer Frequenz zuzuführen, die im wesentlichen gleich der doppelten Frequenz der sich fortpflanzenden Wellenenergie ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen noch näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine leitende Platte mit einem Schlitz, in dem eine Tunneldiode angeordnet ist,

F i g. 2 eine Ausführung der Erfindung, bei der die Platte nach F i g. 1 in einer Seitenwand eines Rechteckhohlleiters angeordnet ist,

F i g. 3 eine weitere Ausführung der Erfindung, bei der eine Mehrzahl von in einem Koaxialleiter angeordneten Dioden benutzt wird,

Fig. 3A eine perspektivische Ansicht einer Ausführung der Erfindung, bei der eine Mehrzahl von Dioden benutzt wird, die in den Seitenwänden eines Rechteckhohlleiters im Abstand voneinander angeordnet sind,

F i g. 4 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführung der Erfindung, die eine leichte Einstellung der Verstärkung ermöglicht,

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführung der Erfindung, bei der eine Mehrzahl von Dioden benutzt wird, die im Abstand voneinander in Schlitzen eines Rechteckhohlleiters angeordnet sind,

F i g. 6 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführung der Erfindung, bei der ein Hohlleiter mit Kreisquerschnitt als Wellenleiter benutzt wird,

Fig. 7 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung einer weiteren Ausführung der Erfindung, bei der

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eine Varacatordiode in einer parametrischen Ver- entsteht an der Diode 13 eine Spannung, die der

Stärkeranordnung benutzt wird. durch den Hohlleiter laufenden Wellenenergie pro-

F i g. 1 zeigt eine im wesentlichen rechteckige portional ist. Infolge des negativen Widerstandes der Platte 11, die aus einem Material, beispielsweise Diode wird die Wellenenergie verstärkt und in den Kupfer, besteht, das bei Mikrowellenfreqenzen hohe 5 Hohlleiter 20 zurückgekoppelt. Es gelangt jedoch Leitfähigkeit besitzt. In der Platte 11 ist ein Schlitz nicht die gesamte zurückgekoppelte Energie zur Ab-12 ausgebildet, der durch eine Diode 13 überbrückt Schlußbelastung, sondern ein Teil läuft in der entist, so daß die hochfrequenten Wandströme parallel gegengesetzten Richtung. Weiter unten wird erklärt, zur kleinen Abmessung des Schlitzes durch die Diode wie dieser Effekt kompensiert werden kann,
fließen. Die Diode 13 besitzt eine Strom-Spannungs- io Der Hohlraumresonator 23 hat eine dreifache Kennlinie mit einem Gebiet negativen Widerstandes. Funktion. Erstens paßt er die Impedanz des Schlitzes Die Abmessungen des Schlitzes 12 sind durch das 12 und der Diode 13 an den Wellenwiderstand des Frequenzband bestimmt, in dem die Einrichtung Hohlleiters 20 an. Zweitens bestimmt er im gewissen arbeiten soll. Der Schlitz 12 kann eine geometrische Umfang die Mittelfrequenz der Verstärkeranordnung, Gestalt haben, die von der dargestellten rechteckigen 15 und drittens verhindert er einen Energieverlust durch Form abweicht. Seine Lage in der Platte 11 und die Abstrahlung vom Schlitz. Der Schlitz 12 wird zweck-Lage der Diode 13 im Schlitz 12 kann geändert wer- mäßig so bemessen, daß er bei einer Frequenz in Reden. Zur Erläuterung soll jedoch der Schlitz 12 mit sonanz kommt, die höher als die höchste zu verstärder Diode 13 in der Mitte der Platte 11 liegen. kende Frequenz ist. Bei einem rechteckigen Schlitz

Die Vorspannung der Diode 13 wird über den 30 entsprechend den Ausführungsbeispielen der Erfin-

Leiter 16 zugeführt, der leitend mit der Platte 11 ver- dung beträgt die Länge des Schlitzes vorzugsweise

bunden ist, und über den Leiter 14, der mit Hilfe etwa eine halbe Wellenlänge bei dieser höchsten

einer Durchführungsbuchse 12 durch die Scheibe 11 Frequenz. Die Schlitzbreite wird so bemessen, daß

führt. Die Buchse 15 wirkt als Überbrückungskonden- die Diode gerade Platz findet. In der Praxis beträgt

sator und stellt einen Kurzschluß für Ströme im 25 diese Abmessung je nach der Betriebsfrequenz

Mikrowellenfrequenzgebiet dar. größenordnungsmäßig wenige Hundertstel einer

Das Grundprinzip der Erfindung sei an Hand der Wellenlänge. Die durch die Diode 13 und den Hohl-F i g. 2 erläutert, wo die Platte 11 in einer Seitenwand raumresonator 23 geschaffene Belastung dient dazu, eines Rechteckhohlleiters 20 angeordnet ist. Bei die- die Resonanzfrequenz auf die gewünschte, zu versem Ausführungsbeispiel ist die Platte so orientiert, 30 stärkende Frequenz herabzusetzen,
daß der Schlitz parallel zur Längsachse des Hohl- Die Bandbreite des Verstärkers kann durch Verleiters liegt. Vorzugsweise liegen die Innenfläche der ringerung entweder der Höhe oder der Breite des Platte 11 und der Hohlleiterwand in gleicher Ebene, Hohlleiters 20 vergrößert werden. Eine Verringerung so daß eine stetige Innenfläche entsteht. Die Platte der Breite darf jedoch nicht so weit gehen, daß die 11 dient dann als Teil der Hohlleiterwand. 35 Grenzfrequenz der jeweiligen Wellenform im Hohl-

Der Schlitz 12 kann unmittelbar in der Hohlleiter- leiter unterschritten wird oder Schwingungen aufwand ausgebildet werden, so daß keine gesonderte treten. Es sei ferner erwähnt, daß bei einer Herab-Platte erforderlich ist. Hohlleiterwände sind jedoch setzung der Höhe des Hohleiters 20 die Abmessungen gewöhnlich zu dünn, um das notwendige Bohren der Platte 11 und des Hohlleiters 21 ebenfalls ent- und Bearbeiten zu ermöglichen. Da außerdem die 40 sprechend herabgesetzt werden können.
Bearbeitung einer kleinen Platte einfacher ist als die In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfineines größeren Hohlleiterabschnittes, ist die obige dung dargestellt, bei dem eine Mehrzahl von Dioden Anordnung vorzuziehen. negativen Widerstandes verwendet wird. Ein Koaxial-

An den Hohlleiter 20 stößt im rechten Winkel ein leiter 30, der aus einem Außenleiter 31 und einem weiterer Reckteckhohlleiterabschnitt 21 an, derart, 45 Innenleiter 32 besteht, dient als Wellenleiter. Schlitze daß die Hohlleiterabschnitte 20 und 21 durch den 33 mit im wesentlichen gleichen Abmessungen sind Schlitz 12 elektromagnetisch gekoppelt sind. Der Ab- am Umfang des Außenleiters 31 symmetrisch so anschnitt 21 ist mit einem beweglichen Kolben 22 ver- geordnet, daß ihre großen Abmessungen parallel zur sehen, so daß ein Hohlraumresonator 23 entsteht. Längsachse des Leiters liegen und ihre Projektionen Der Schlitz 12 und der Hohlraumresonator 23 bilden 50 auf diese Achse zusammenfallen,
einen Parallelresonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz Die Schlitze 33 können unmittelbar im Außenleiter durch die Abmessungen des Schlitzes 12 und des 31 ausgebildet werden, wenn die Wand dick genug Hohlraumresonators 23 zusammen mit der durch die ist. Andererseits können entsprechend F i g. 1 geDiode 13 geschaffenen Belastung bestimmt ist. Die trennte Platten vorgesehen sein, die an die Krüm-Diode 13 wird über die Leiter 14 und 16 durch eine 55 mung des Außenleiters 31 angepaßt sind,
nicht dargestellte Vorspannungsquelle so vorgespannt, Die Dioden 34 sind in den Schlitzen 33 im wesentdaß sie in einem Kennliniengebiet negativen Wider- liehen auf die gleiche Weise angebracht wie bei dem Standes arbeitet. Wenn die Kennlinie in diesem Ge- Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Im Interesse der biet vollkommen linear ist, liegt der genaue Arbeits- Klarheit wurden die Anschlußleitungen für die Dioden punkt vorzugsweise in der Mitte des Gebietes. In der 60 nicht dargestellt. Auch die Halterung des Innenleiters Praxis kann der Arbeitspunkt je nach der Diode 32, die aus Dämpfungsarmen dielektrischen Leisten etwas höher oder tiefer liegen. oder Abstandsstücken bekannter Art bestehen kann,

Elektromagnetische Wellenenergie, deren Fre- ist nicht gezeigt.

quenzspektrum sich über einen gegebenen Bereich Ein leitender Zylinder 35, der in F i g. 3 teilweise

erstreckt, läuft durch den Hohlleiter 20, und zwar 65 aufgeschnitten dargestellt ist, wird im Bereich der

vorzugsweise in der Grundwellenform H₁₀, da die Schlitze 31 herum angeordnet. Ein leitender Ring 36

Seitenwandströme dieser Wellenform senkrecht zur verbindet den Zylinder 35 an einem Ende mit dem

größeren Abmessung des Schlitzes 12 stehen. Dann Außenleiter 31, und ein beweglicher Ring 38, der mit

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Kontaktbürsten versehen sein kann, schließt das an- bei der Mittenfrequenz des zu verstärkenden Bandes, dere Ende des Zylinders 35 mit dem Außenleiter 31 Die Hohlraumresonatoren 81 können auch nur auf kurz. Es entsteht dann ein koaxialer Hohlraumreso- einer Wand des Leiters 80 angebracht sein. Zur Ver-

nator 37, der die Schlitze 33 umgibt. einfachung ist jedoch die abwechselnde Anbringung

Wenn Energie in der koaxialen zirkulären elektri- 5 vorzuziehen.

sehen Wellenform H₀₁ über den koaxialen Wellen- Die Dioden werden wiederum so vorgespannt, daß leiter 30 zwischen dem Außen- und Innenleiter 31 ihr Arbeitspunkt in das Kennliniengebiet negativen und 32 läuft, stehen die induzierten Wandströme wie Widerstandes fällt. Wenn die Kennlinie in diesem Gebei der vorherigen Ausführung senkrecht zur großen biet vollkommen linear ist, liegt der Arbeitspunkt Abmessung der Schlitze. Es entsteht eine Spannung io vorzugsweise in der Mitte des Gebietes. In der Praxis an den Dioden 34 infolge des an den Schlitzen 33 kann er je nach den Kennlinien der einzelnen Dioden erzeugten elektromagnetischen Feldes. Die aus den jedoch etwas anders eingestellt sein. Die Vorspan-Schlitzen 33, den Dioden 34 und dem Hohlraum- nungsleitungen sind wiederum nicht dargestellt. Es resonator 37 bestehende Kombination wirkt wieder kann eine einzige Vorspannungsquelle zusammen mit als abgestimmter Verstärker, dessen Resonanzfre- 15 geeigneten Einstellmitteln benutzt werden, um die quenz durch die Abmessungen der Schlitze 33 und Vorspannung jeder Diode getrennt einzustellen, ■ dades Hohlraumresonators 37 sowie durch die Para- mit die etwas verschiedenen Kennlinien der einzelnen meter der Dioden 34 bestimmt ist. Die verstärkte Dioden kompensiert werden.

Wellenenergie wird in den koaxialen Wellenleiter 30 Die Arbeitsweise der einzelnen Stufen 81 in zurückgekoppelt. 20 Fig. 3A ist die gleiche wie die der in Fig. 2 darge-Da jede einzelne Diode 34 eine etwas andere Kenn- stellten Anordnung. Mikrowellenenergie, vorzugslinie aufweist, können nicht alle Dioden mit einer weise der Wellenform H₁₀, läuft durch den Hohlleiter einzigen Anordnung, wie dem Hohlraumresonator 80 und wird durch jede der aufeinanderfolgenden 37, vollkommen abgestimmt werden. Durch eine ge- Stufen 81 verstärkt. Wie oben erwähnt, läuft die vertrennte Einstellung der Vorspannung für jede Diode 25 stärkte Energie, die von jedem der Schlitze in den kann dieser Effekt auf ein Minimum herabgesetzt Hohlleiter 80 zurückgekoppelt wird, sowohl in Richwerden. tung der einfallenden Welle als auch in der entgegenWenn die Dioden negativen Widerstandes in der gesetzten Richtung. Die verstärkte Wellenenergie, die dargestellten Weise im Außenleiter 31 angeordnet durch den Hohlleiter 80 in Richtung der einfallenden werden, sind sie wirkungsmäßig hintereinander- 30 Welle läuft, addiert sich an jeder aufeinanderfolgengeschaltet, und die Ausgangsleistung ist eine Funktion den Verstärkerstufe phasenrichtig, so daß die Größe der Ausgangsleistung einer einzelnen Diode multi- der Signalwelle am Ende des Hohlleiters eine Funkpliziert mit deren Anzahl. Da die Schlitze im Außen- tion des Verstärkungsfaktors jeder Stufe multipliziert leiter 31 parallel zur Längsachse des Wellenleiters mit der Anzahl der Stufen ist. Die verstärkte Wellen-30 liegen, erhält man eine maximale Kopplung, wenn 35 energie dagegen, die im Hohlleiter 80 in der entdie Wandströme dem Umfang folgen. Die zirkuläre gegengesetzten Richtung läuft, addiert sich gegenelektrische Wellenform H₀₁ induziert derartige Ströme, phasig und hat die Tendenz, sich auszulöschen. Dies Weiterhin sind diese Wandströme und folglich die entspricht in etwa der Auslöschung von Wellen-Kopplung mit den Schlitzen am größten, wenn der energie in einem kurzgeschlossenen Viertelwellenkoaxiale Wellenleiter 30 für diese Wellenform nahe 40 längenabschnitt einer Übertragungsleitung, abgeder Grenzfrequenz arbeitet. Es ist daher im allge- sehen davon, daß bei der Anordnung nach Fig. 3A meinen vorteilhaft, etwas oberhalb der Grenzfrequenz die Auslöschung nicht einmal, sondern an jeder der für die Wellenform H₀₁ zu arbeiten. aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen auftritt.

Es sei festgestellt, daß der koaxiale Wellenleiter 30 Es ist vorteilhaft, sich eine Wellenfront im Hohlauch ein einfacher Hohlleiter mit Kreisquerschnitt 45 leiter 80 in ihrer einfachsten Form zu vergegenwärtisein könnte. Für eine gegebene Frequenz ist jedoch gen. Es sei angenommen, daß in einem gegebenen der Durchmesser eines solchen Hohlleiters und in- Augenblick diese Wellenfront in Vorwärtsrichtung zu folgedessen die Anzahl der Schlitze, die angebracht einer der aus Schlitz und Diode bestehenden Verwerden können, begrenzt, wenn der Hohlleiter nahe stärkerstufen gelangt ist. Im nächsten Augenblick der Grenzfrequenz für die Wellenform H₀₁ arbeiten 50 wird die Welle verstärkt und zurück in den Hohlsoll. Bei einem koaxialen Wellenleiter kann dagegen leiter 80 gekoppelt, wo sie sich in der Vorwärts- und der Durchmesser des Außenleiters und die Zahl der in der Rückwärtsrichtung fortpflanzt. Die vorwärts Schlitze willkürlich groß sein und doch nahe der laufende Wellenfront erreicht die nächste Verstärker-Grenzfrequenz für die Wellenform H₀₁ gearbeitet stufe eine viertel Periode später, wo derselbe Vorgang werden, da die Grenzfrequenz eines koaxialen Wellen- 55 stattfindet. Die von hier aus rückwärts laufende leiters für diese Wellenform durch den Abstand zwi- Energie erreicht die erste Verstärkerstufe eine weitere sehen dem Innen- und dem Außenleiter bestimmt ist. viertel Periode später und trifft dort nach insgesamt Somit kann der Durchmesser des Außenleiters 31 in einer halben Periode auf eine neue, vorwärts laufende Fig. 3 willkürlich groß gemacht werden, vorausge- Welle, die um 180° gegen die rückkehrende Wellensetzt, daß der Durchmesser des Innenleiters 32 eben- 60 front der ersten Welle phasenverschoben ist. Die falls entsprechend groß wird. rückwärts laufenden Wellenfronten werden hierdurch

In F i g. 3 A ist ein Rechteckhohlleiter 80 gezeigt. im wesentlichen ausgelöscht.

Auf beiden Seiten des Hohlleiters 80 sind abwech- Die obige Erklärung beschreibt die Arbeitsweise

selnd Hohlraumresonatoren 81 mit Schlitzen und des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3 A nicht voll-Dioden der in F i g. 2 dargestellten Art angebracht. 65 ständig, und zwar hauptsächlich deswegen, weil die

Die Längsabstände zwischen den Mittelpunkten auf- Energie der sich fortpflanzenden Welle an jeder nach-

einanderfolgender Schlitze betragen etwa eine Viertel- folgenden Stufe vergrößert wird. Eine vollständige

wellenlänge oder ein ungerades Vielfaches hiervon Beschreibung würde eine Untersuchung auf der Basis

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einer Schaltung mit verteilten Schaltelementen statt Versträkungsgrad geändert werden kann. Dies ergibt mit einer Folge von punktförmigen Schaltelementen sich daraus, daß die Amplitude der Ströme in der erfordern. Die Erklärung reicht jedoch aus, um die oberen Wand des Hohlleiters 40, die durch die Tatsache zu erläutern, daß die Vorwärtsverstärkung Grundwellenform H₁₀ erzeugt werden, sich sinusförsehr hoch ist und nur eine sehr geringe Wellenenergie 5 mig von Kante zu Kante ändert, wobei sich die Maxireflektiert wird. Die reflektierte Wellenenergie kann, malströme in der Mitte befinden. Bei einer bewegwenn sie sich als schädlich erweist, leicht durch eine liehen Anordnung nach F i g. 4 kann der Schlitz 42 geeignete Isolatoranordnung oder eine andere Ein- an jeden Punkt auf dem Hohlleiter gebracht werden, richtung bekannter Art absorbiert oder beseitigt und zwar von einem Punkt maximalen Stromes bis werden. io zu einem Punkt, an dem der Strom im wesentlichen

Die Höhe der Verstärkung, die von jeder der Null ist.

Stufen des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 A bei- Wenn die aus der Platte, der Diode und dem Hohlgetragen wird, ist durch die Belastungsimpedanz be- raumresonator bestehende Anordnung so angebracht stimmt, der sich die Diode gegenübersieht. Diese wird, daß sich der Schlitz 42 in der Nähe einer der »effektive« Belastung kann geändert werden, indem 15 Seitenkanten des Hohlleiters 40 befindet, ist die Koppder Kopplungsgrad zwischen der aus Schlitz und lung ein Minimum. In dieser Lage verstärkt die EinDiode bestehenden Kombination und der sich fort- richtung einfallende Wellenenergie in der vorher bepflanzenden Wellenenergie geändert wird. Bei der schriebenen Weise. Verschiebt man die Anordnung in Anordnung nach Fig. 3A wird der Kopplungsgrad Querrichtung zur Mitte des Hohlleiters 40 hin, so am besten dadurch geändert, daß entweder die Höhe 20 wird die Kopplung erhöht, und der effektive, der Anoder die Breite des Hohlleiters 80 eingestellt wird. Ordnung gebotene Belastungswiderstand nähert sich Dies ist jedoch in vielen Fällen schwierig zu ver- dem Wert des negativen Widerstandes der Diode, so wirklichen. daß die Verstärkung der Einrichtung erhöht wird.

In F i g. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, Die Verstärkung des Ausführungsbeispiels nach das eine leichtere Einstellung der Kopplung zwischen 25 F i g. 4 kann weiter erhöht werden, indem die aus der der aus einem Schlitz und einer Diode bestehenden Platte, der Diode und dem Hohlraumresonator beKombination und dem Hohlleiter erlaubt. Eine Platte stehende Anordnung in Querrichtung immer näher 41 ist auf einem Rechteckhohlleiter 40 so angeordnet, an die Mitte der oberen Hohlleiterwand gebracht daß sie quer zur Hohlleiterachse frei bewegt werden wird. Dann wird schließlich ein Punkt erreicht, an kann. Die Platte 41 weist wiederum einen Schlitz 42 30 dem der der Anordnung dargebotene Widerstand auf, in dem eine Diode 43 angeordnet ist. Bei diesem gleich dem Wert des negativen Widerstandes der An-Ausführungsbeispiel verläuft jedoch die größere Ab- Ordnung ist, so daß eine Schwingung entsteht. Es läßt messung des Schlitzes senkrecht zur Längsachse des sich also ein Oszillator aufbauen.
Hohlleiters. Die Diode 43 liegt dann parallel zu den Gemäß F i g. 5 kann eine Mehrzahl derartiger Ver-Wandströmen in der Mitte der oberen Wand des 35 stärker in Längsrichtung an den Wänden eines Hohlleiters 40, die für die Grundwellenform H₁₀ im Rechteckhohlleiters in Abständen angeordnet werden, wesentlichen parallel zur Leiterachse fließen. Abwechselnd an der oberen und an der unteren Wand

Die mechanische und elektrische Verbindung zwi- eines Rechteckhohlleiters 50 sind vier, je aus einem

sehen dem Hohlleiter 40 und der Platte 41 kann ent- Schlitz, einer Diode und einem Hohlraumresonator

sprechend einem Verfahren erfolgen, das in der 40 bestehende Anordnungen 51 angebracht, die der in

USA.-Patentschrift 2 930 995 beschrieben ist. Die Fig. 4 dargestellten Anordnung gleichen. Natürlich

querverlaufenden Kanten 48 der Platte 41 sind abge- kann eine größere oder geringere Zahl derartiger

schrägt, und die Kanten 49 der Öffnung im Hohlleiter Stufen benutzt werden.

40 weisen eine entsprechende Abschrägung auf, so Der Längsabstand zwischen der Mitte der aufeindaß die Platte 41 gleitend in die öffnung einge- 45 anderfolgenden Schlitze ist im wesentlichen gleich schoben werden kann. Dann ergibt sich eine innige einer Viertelwellenlänge bei der Mittenfrequenz des Berührung mit dem Hohlleiter 40 und eine stetige zu verstärkenden Bandes. Der Abstand kann auch und im wesentlichen glatte leitende Oberfläche im gleich einem ungeraden Vielfachen einer Viertel-Hohlleiter. Ferner entsteht eine gleitende, aber wellenlänge gemacht werden, doch ist es im allgemechanisch feste Verbindung zwischen dem Hohl- 50 meinen vorteilhaft, den Abstand so klein wie möglich leiter 40 und der Platte 41. zu halten. Auch können die aus Schlitzen, Dioden

Ein zweiter rechteckiger Hohlleiterabschnitt 44 und Hohlraumresonatoren bestehenden Anordnungen

stößt unter einem rechten Winkel an die Platte 41 an nur an der oberen oder der unteren Wand des Hohl-

und ist mechanisch und elektrisch mit ihr verbunden. leiters angebracht werden. Die abwechselnde Anbrin-

Der Hohlleiter 44 wird durch einen einstellbaren 55 gung ist jedoch im allgemeinen zweckmäßiger, da sie

Kolben kurzgeschlossen. Auf diese Weise entsteht einen geringeren Abstand erlaubt,

ein Hohlraumresonator 46, der an den Schlitz 42 an- Die Arbeitsweise der Verstärkeranordnung nach

grenzt und mit ihm gekoppelt ist. Die Vorspannungs- F i g. 5 ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige

quelle und die Vorspannungsleiter zur Diode 43 sind nach F i g. 3 A mit dem zusätzlichen Vorteil, daß die

wiederum weggelassen worden. Die Diode 43 ist auf 60 Verstärkung jeder Stufe einzeln eingestellt werden

einen Arbeitspunkt im Gebiet negativen Widerstandes kann. Dies erlaubt eine vollständigere Auslöschung

vorgespannt, wie es oben an Hand der Fig. 3A be- der reflektierten Energie. Benachbarte Stufenpaare

schrieben worden ist. können auch auf unterschiedliche Mittenfrequenzen

Die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels nach abgestimmt werden, um die Gesamtbandbreite nach

Fig. 4 gleicht derjenigen der Anordnung nach Fig. 2. 65 Art eines gestaffelt abgestimmten Breitbandverstär-

Diese Ausführung bietet jedoch die zusätzliche Mög- kers zu erhöhen.

lichkeit, 'die Kopplung zwischen dem Schlitz 42 und Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist

dem Hohlleiter 40 einstellen zu können, so daß der in F i g. 6 dargestellt. Bei dieser Ausführung dient ein

Hohlleiterabschnitt 60 mit Kreisquerschnitt als Wellenleiter. Eine erste Gruppe von vier rechteckigen Schlitzen mit im wesentlichen gleichen Abmessungen ist symmetris&h an der Wand des Hohlleiters 60 so angeordnet, daß ihre größeren Abmessungen parallel 5 zur Leiterachse liegen und ihre Projektionen auf diese Achse zusammenfallen. In jedem Schlitz ist eine Diode negativen Widerstandes in der oben angegebenen Weise angebracht. Die Schlitze können wiederum unmittelbar im Hohlleiter 60 oder in ge- ίο trennten Platten angeordnet sein. Hinter jedem Schlitz ist ein einstellbarer Hohlraumresonator 61 vorgesehen, der durch einen Kolben 63 kurzgeschlossen ist.

Vier weitere, aus Schlitzen, Dioden und Hohlraumresonatoren bestehende Anordnungen 62, die eine zweite Gruppe bilden, sind symmetrisch so um den Hohlleiter 60 angeordnet, daß die Ebene, welche durch ihre Längsmitten definiert ist, im wesentlichen um ein ungerades Vielfaches einer Viertelwellenlänge von der Ebene entfernt ist, die durch die Längsmitten der Schlitze der ersten Gruppe definiert ist. Außerdem sind die Schlitze der zweiten Gruppe am Umfang des Hohlleiters 60 so angeordnet, daß sie in der Mitte zwischen dem Winkelabstand benachbarter Schlitze der ersten Gruppe liegen. Somit sind bei der dargestellten Ausführung, bei der vier Schlitze in jeder Gruppe verwendet werden, die Schlitze der einen Gruppe um 45° gegen die benachbarten Schlitze der anderen Gruppe verdreht. Wenn an Stelle von vier Schlitzen acht Schlitze in jeder Gruppe verwendet werden, beträgt dieser Winkel 22,5°.

In der Praxis ist es vorteilhaft, so viele Schlitze wie möglich in jeder Gruppe zu verwenden, um die Erzeugung von Nebenwellenformen höherer Ordnung, insbesondere Wellenformen der Familie H_n, _x zu unterbinden.

Es können auch weitere Gruppen am Hohlleiter 60 entlang angebracht werden, um eine größere Verstärkung oder eine größere Bandbreite zu erreichen. 4<>

Wenn elektromagnetische Wellenenergie durch den Hohlleiter 60 läuft, vorzugsweise mit der zirkulären elektrischen Wellenform H₀₁, so wird sie nacheinander durch jede Gruppe verstärkt. Der Abstand von einer Viertelwellenlänge zwischen den aufeinanderfolgenden Gruppen bewirkt wiederum, daß in Rückwärtsrichtung eine Auslöschung stattfindet. Auf diese Weise arbeitet die Verstärkeranordnung nach Fig. 6 im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Anordnungen nach Fig. 3 A und 5. Der Vorteil, den man bei der Verwendung der Anordnung nach Fig. 6 erreicht, liegt in der höheren Leistungskapazität, die durch die größere Anzahl der in jeder Stufe verwendeten Dioden entsteht.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 7. Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet zwar nach dem Prinzip der parametrischen Verstärkung, ist jedoch in vieler Hinsicht den bereits geschilderten Ausführungsbeispielen ähnlich.

Gemäß Fig. 7 dient ein rechteckiger Hohlleiterabschnitt 70 als Wellenleiter. Eine Platte 71 der in Fig. 1 gezeigten Art mit einem Schlitz ist in einer der Seitenwände des Hohlleiters 70 angebracht. In dem Schlitz ist eine Varactordiode 72 angeordnet und mit Vorspannungsleitern 73 und 74 versehen. Der Schlitz ist hier so bemessen, daß er mit eingebrachter Diode 72 bei der zu verstärkenden Frequenz in Resonanz kommt.

An die Platte 71 stößt im rechten Winkel ein Hohlleiterübergangsteil 75 mit rechteckigem Querschnitt an, dessen Breite sich mit dem Abstand von der Platte 71 verringert. Das Übergangsteil 75 ist durch einen Rechteckhohlleiterabschnitt 76 abgeschlossen, dem elektromagnetische Energie durch eine Pumpquelle 77 zugeführt wird. Der Hohlleiter 76 ist so bemessen, daß er für Wellenenergie mit der Signalfrequenz gesperrt ist, dagegen aber Wellenenergie mit der Pumpfrequenz führen kann, die gewöhnlich etwa das doppelte der Signalfrequenz beträgt. Die Diode ist durch eine kleine Gleichspannung über die Leiter 73 und 74 in Sperrichtung vorgespannt.

Entsprechend dem Erfindungsprinzip wird dem Hohlleiter 70 Signalwellenenergie von einer Quelle 78 zugeführt, die einfach als Generator dargestellt ist. Die Signalwelle wird beim Durchlauf zur Endbelastung 79 durch die Varactordiode 72 in an sich bekannter Weise parametrisch verstärkt.

Dieses Verstärkungsverfahren ist in dem obenerwähnten Aufsatz von E. D. Reed auf S. 374 ff. beschrieben.

In Fig. 7 ist nur eine Verstärkerstufe dargestellt. Es kann jedoch eine Anzahl derartiger Stufen in einer Weise benutzt werden, wie sie in F i g. 3 A oder 5 gezeigt ist. Wie vorher werden diese zusätzlichen Stufen vorteilhafterweise in Längsabständen mit ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge bei der Signalfrequenz angeordnet. Anders als bei den Ausführungen der Fig. 3 A und 5 ist es jedoch notwendig, eine geeignete Phasenbeziehung der Pumpsignale für jede der Varactordioden einzuhalten. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen, z. B. durch Verwendung einer einzigen Pumpquelle in Verbindung mit Mikrowellenverzögerungsleitungen.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Mikrowellen-Verstärkeranordnung mit einem Hohlleiter als Wellenleiter zur Fortleitung der zu verstärkenden Energie in einem Frequenzband mit vorbestimmter Mittenfrequenz, einem Hohlleiterabschnitt als Hohlraumresonator, der auf die Mittenfrequenz abstimmbar ist, und einem mit Vorspannungszuführungen versehenen Element negativen Widerstandes, vorzugsweise einer Tunneldiode im Bereich des Hohlraumresonators, wobei die beiden Hohlleiter durch eine öffnung in einem gemeinsamen Wandteil miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsöffnung durch mindestens einen sich rechtwinklig zu den Wandströmen im Wellenleiter (20, 30, 40, 50, 60, 70, 80) erstreckenden Schlitz (12, 33, 42) von solcher Ausdehnung gebildet ist, daß die Wandströme in seinem mittleren Bereich eine wesentliche Spannung ausbilden, und daß dieser mittlere Bereich von dem Element (13, 34,43,72) negativen Widerstandes überbrückt ist.

2. Mikrowellen-Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter ein Hohlleiter (60) mit Kreisquerschnitt oder eine Koaxialleitung (30) ist, die im H₀₁-Modus betrieben werden, daß eine Gruppe von schlitzgekoppelten Hohlraumresonatoren (37, 61) um wenigstens einen axialen Bereich des Wellenleiters (30,60) angeordnet ist, daß jeder Schlitz *(33) sich im wesentlichen parallel zur Achse des Wellen-

der

leiters erstreckt und daß die Projektionen
Schlitze (33) auf die Achse zusammenfallen.

3. Mikrowellen-Verstärker anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gruppen von schlitzgekoppelten Hohlraumresonatoren (61, 62) im Abstand längs der Achse des Wellenleiters (60) angeordnet sind und daß der Längsabstand zwischen den Mittelpunkten aufeinanderfolgender Gruppen etwa gleich einem ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge bei der Mittenfrequenz ist.

4. Mikrowellen-Verstärkeranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzband Frequenzen enthält, die dicht bei der Grenzfrequenz des H₀₁-Modus liegen.

5. Mikrowellen-Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (40) Rechteckquerschnitt besitzt und im H₁₀-Modus betrieben wird, daß ein schlitzgekoppelter Hohlraumresonator (44) an einem Wandabschnitt (41) wenigstens einer der Breitseiten des Wellenleiters (40) angeordnet ist und daß der Schlitz (42) sich quer zur Achse des Wellenleiters erstreckt.

6. Mikrowellen-Verstärkeranordnung nach An-Spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hohlraumresonatoren (51) im Abstand längs der Achse des Wellenleiters (50) angeordnet sind und daß der Längsabstand zwischen den Mittelpunkten der Schlitze aufeinanderfolgender Hohlraumresonatoren etwa gleich einem ungeraden

Vielfachen einer Viertelwellenlänge bei der Mittenfrequenz ist.

7. Mikrowellen-Verstärkeranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Wandabschnitte (41) mit den zugeordneten Hohlraumresonatoren (44, 51) parallel zum Schlitz (42) gegen den Wellenleiter (40, 50) verschiebbare sind.

8. Mikrowellen-Verstärkeranordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzband Frequenzen enthält, die dicht bei der Grenzfrequenz des H₁₀-Modus liegen.

9. Mikrowellen-Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement negativen Widerstandes eine Varactordiode (72) ist, daß der Schlitz so ausgerichtet ist, daß die Diode parallel zu den Maximalströmen liegt, die durch die sich fortpflanzende elektromagnetische Energie in dem zugeordneten Querabschnitt des Wellenleiters (70) erzeugt werden, und daß eine getrennte öffnung in dem abstimmbaren Hohlraumresonator (75) vorgesehen ist, um Pumpwellenenergie (77) mit einer Frequenz zuzuführen, die im wesentlichen gleich der doppelten Frequenz der sich fortpflanzenden Wellenenergie ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»IRE Transactions on Electron Devices«, April 1959, S. 216 bis 224;

»Electronics«, vom 25.12.1959, S. 32.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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