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Einrichtung zur parametrischen Erregung bzw. Verstärkung elektromagnetischer
Wellen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur parametrischen Erregung
bzw. Verstärkung kurzer und sehr kurzer elektromagnetischer Wellen. Ein solcher
parametrischer Schwingungserzeuger kann beispielsweise als Parametron in der Rechenmaschinentechnik
Anwendung finden.
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Ein Parametron ist ein schwingungsfähiges Gebilde, bei dem mindestens
einer der Schwingkreisparameter steuerbar veränderlich ist und bei dem die anzuregende
Signalschwingung sich als Subharmonische einer Pumpschwingung aufschaukelt, die
periodisch und phasenrichtig immer wieder Energie an die anzufachende Signalschwingung
abgibt. Das Parametron kann beispielsweise ein üblicher elektromagnetischer Schwingkreis
mit konzentrierten reaktiven Schaltelementen L und C sein, bei dem entweder I. oder
aber C veränderlich ist und gesteuert werden kann. Der erste Fall liegt bei einem
ferromagnetischen Parametron vor, der zweite Fall bei einem elektrischen Parametron
mit Varäctordiode.
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Diese heute gebräuchlichen Ausführungsformen von Parametrons mit konzentrierten
Reaktanzen L und C lassen sich aber nicht bei den hohen Betriebsfrequenzen betreiben,
die in der Rechenmaschinentechnik im Zuge der allgemeinen Steigerung der Operationsgeschwindigkeit
angestrebtwerden.Es sind nun Schaltungsanordnungen bekanntgeworden, die zur Erzielung
höherer Frequenzen Hohlraumresonatoren verwenden, in denen eine Schwingung parametrisch
angefacht wird. Eine solche Anordnung ist in der Zeitschrift »Proceedings of the
IRE«, Juni 1958, S. 1301, sowie in der Zeitschrift »Fernmeldepraxis«, Bd.37, Nr.6,
beschrieben. Sie besteht aus einem Hohlraumresonator, der drei Öffnungen besitzt,
von denen zwei in gleichem Abstand von jeweils einem Stirnende des Hohlraumresonators
angeordnet sind. Durch diese Öffnungen wird das Eingangs- und Ausgangssignal kapazitiv
ein- bzw. ausgekoppelt. Die dem Ausgang benachbarte Stirnseite des Hohlraumresonators
enthält die dritte, zur Einkopplung der Pumpfrequenz vorgesehene Öffnung. In der
Mitte des Resonators befindet sich eine gegen die Wandung des Resonatorkörpers gleichspannungsisolierte
Varactordiode, deren Kapazität spannungs- bzw- feldstärkeabhängig ist. Wird nun
eine geeignete, auf eine Resonanzfrequenz des Resonators abgestimmte Eingangsspannung
eingekoppelt, so wird diese durch die Pumpspannung, deren Frequenz doppelt so groß
wie die der Eingangsspannung ist, verstärkt und kann am Ausgang abgenommen werden.
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß eine Einstellung
des Arbeitspunktes der Varactordiode nicht möglich ist, weil diese von außen nicht
zugänglich ist. Eine genaue Einstellung des Arbeitspunktes ist aber zur Erzielung
einer bestimmten Verstärkung notwendig.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Parametron
zu schaffen, das diesen Nachteil nicht aufweist. Dies wird unter Verwendung eines
Leitungsresonators, dessen effektive Länge gleich der halben Wellenlänge der anzuregenden
Welle ist und der an eine Pump- und mindestens eine Signalleitung angeschlossen
ist, dadurch erreicht, daß der Resonator mindestens teilweise mit einem Material
mit feldstärkeabhängiger Dielektrizitätskonstante gefüllt ist, daß ein von der äußeren
Wandung elektrisch isolierter Innenleiter vorhanden ist und daß das aus äußerer
Wandung und Innenleiter bestehende Leitersystem an eine Vorspannungsquelle angeschlossen
ist und daß die Signalleitung in der Mitte und die Pumpleitung ein Fünftel der Resonatorlänge
vom Resonatorende entfernt an den Resonator angeschlossen ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besteht
darin, daß das den Resonator ausfüllende Material ferroelektrische Eigenschaften
wie z. B. Bariumtitanat besitzt. Dabei ermöglicht die hohe Dielektrizitätskonstante
des Bariumtitanats besonders kleine räumliche Abmessungen der Reson,atoren. Bei
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung und Ausgestaltung der Einrichtung nach
der Erfindung ist der Leitungsresonator mit Bariumtitanat fast vollständig ausgefüllt,
wobei in Umgebung des Signalleitungsanschlusses der Resonator zweckmäßigerweise
frei von Bariumtitanat bleibt, weil dadurch die Bedämpfung vermindert wird. Der
Anpassung wegen ist es vorteilhaft, an dieser Stelle dem Innenleiter einen größeren
Durchmesser zu geben.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
F i g. 1 zeigt einen allseitig metallisch geschlossenen
Leitungsresonator. Der Innenraum 1 zwischen den Außenwänden 2 und dem Innenleiter
3 ist mit Bariumtitanat ausgefüllt. Der Innenleiter 3 ist von den Außenwänden 2
durch ein Isolationsstück 4 und eine Isolationshülse 5 elektrisch isoliert und kann
über die Leitung 6 an eine Vorspannungsquelle angeschlossen werden, deren anderer
Pol über die Leitung 7 mit der Außenwand 2 des Resonators zu verbinden ist. Der
Resonator bildet also einen Kondensator mit Bariumtitanat als Dielektrikum.
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F i g. 2 a zeigt die Spannungsverteilung längs des Resonators bei
einer Schwingung mit der Pumpfrequenz, die sich in dem Resonator als stehende Welle
ausbilden kann. Diese Pumpwelle weist zwei Amplitudenmaxima auf, ist also nicht
die Grundschwingung, sondern die erste Oberschwingung.
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F i g. 2 b zeigt die Spannungsverteilung längs des Resonators bei
einer stehenden Welle der Grundschwingung im gleichen Resonator. Diese Grundschwingung
mit der halben Pumpfrequenz wird als Signalwelle verwendet. Sie kann unter geeigneten
Bedingungen durch die Pumpwelle angefacht, d. h. zu immer größerer Amplitude aufgeschaukelt
werden. Diese parametrische Erregung der Signalwelle geschieht im einzelnen folgendermaßen:
In den Spannungsmaxima der Pumpwelle wird der Wert der Dielektrizitätskonstante
des Bariumtitanats am stärksten geändert. Stellt man sich die stehende Pumpwelle
als überlagerung von hin- und zurücklaufenden Wellen vor, wie es der räumliche Spannungsamplitudenverlauf
in der F i g. 3 a zeigt, so ergibt sich der zeitliche Spannungsamplitudenverlauf
nach F i g. 3 b. Der übersichtlichkeit wegen sei diese Sinuswelle ersetzt durch
die Rechteckwelle nach F i g. 3 c; entsprechende Wirkungen ergäben sich aber auch
im Falle der Sinuswelle. Die Spannung hat den in der F i g. 3 d dargestellten zeitlichen
Verlauf der Dielektrizitätskonstante und damit der Kapazität zur Folge. Die Kapazität
wird also zwischen dem Wert Co, der durch eine elektrische Vorspannung des Bariumtitanats
voreingestellt ist, und dem Wert Cl hin und her gesteuert. Durch die periodischen
Veränderungen der Kapazität wird die parametrische Schwingung gemäß F i g. 3 e angefacht.
Sie sei zunächst noch schwach, ihre Amplitude ist mit U, bezeichnet. Die erste Kapazitätserhöhung
zur Zeit To, hat keinen Einfluß auf die Spannung, denn diese ist Null. Die
erste Kapazitätsverminderung zur Zeit T1 erhöht aber die Spannung, da der Induktivität
wegen sich die Ladung des Kondensators nicht plötzlich verändern kann. Die erhöhte
Spannung verläuft so, als wäre ihre Amplitude UI gewesen. Die zweite Kapazitätserhöhung
zur Zeit To 2 bleibt wiederum ohne Einfluß auf die Spannung. Die zweite Kapazitätsverminderung
zur Zeit T2 führt wiederum zu einer Spannungserhöhung, so, als wäre die Amplitude
U2 usw. Auf diese Weise schaukelt sich die parametrisch erregte Signalwelle zu immer
größerer Amplitude auf, nämlich in der nächsten Halbperiode auf die Amplitude U3
usw. Zu den Zeiten T1, T2, T3 usw. gibt die Pumpwelle auf dem Umweg über den elektrischen
Energieinhalt des Dielektrikums Energie an die anzufachende Signalwelle ab. Diesen
Vorgang nennt man parametrische Erregung.
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Bei der Erläuterung der Schwingungsanfachung gemäß F i g. 3 e wurde
von einer bereits vorhandenen schwachen Signalschwingung mit der Amplitude Uo ausgegangen.
Diese Schwingung kann beispielsweise von einer nur vor dem Einschalten der Pumpspannung
eingekoppelten Signalspannung herrühren. Die Schwingung kann in einer von zwei um
180° verschiedenen Phasenlagen auftreten; in der F i g. 3 e ist eine davon willkürlich
angenommen. Den beiden Phasenlagen sind die binären Informationen »0« und »1«, mit
denen elektronische Rechenmaschinen arbeiten, eindeutig zugeordnet. Welche der beiden
Phasenlagen vorliegt, läßt sich besonders einfach entscheiden durch Vergleich mit
einer Referenzschwingung gleicher Frequenz. Daher wird in Rechenmaschinen, die mit
Parametrons arbeiten, eines von diesen zum Referenzparametron bestimmt und seiner
Signalschwingung die binäre Information »0« zugeordnet.
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F i g. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Parametrons
mit Anschlüssen 6/7 für die elektrische Vorspannungsquelle, 8/9 für die Signalleitung
und 10/11 für die Pumpleitung. Es ist in diesem speziellen Beispiel nur eine einzige
Signalleitung vorgesehen, wie es bei Parametrons üblich ist, weil nämlich die Signale
zu verschiedenen Zeiten ein- bzw. ausgekoppelt werden. Die Signal- und Pumpleitungen
sind im Bereich maximaler elektrischer Feldstärke der Signal- bzw. Pumpwelle kapazitiv
angekoppelt. Zwecks gegenseitiger Entkopplung der Signal- und Pumpleitungen ist
die Signalleitung in der Resonatormitte angeschlossen, weil dort (nach F i g. 2b)
das Maximum der Signalspannung und zugleich (nach F i g. 2 a) ein Minimum der Pumpspannung
auftritt. Zur Einkopplung der Pumpschwingung ist hingegen die Resonatormitte ungeeignet,
vielmehr eignet sich hierzu das zweite und das vierte Fünftel des Resonators.
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Die in der Nähe der Signalankopplungsstelle gelegenen Bereiche des
Ferroelektrikums bewirken wohl eine Bedämpfung des Systems, da an dieser Stelle
die Signalspannung ihr Maximum erreicht, tragen jedoch nur wenig zur parametrischen
Erregung bei, da die Pumpspannung an dieser Stelle ein Minimum aufweist. Es ist
daher zweckmäßig, den Resonator nur teilweise mit Bariumtitanat auszufüllen und
insbesondere die Umgebung 12 der Signalankopplungsstelle frei zu lassen, um dadurch
die Kreisgüte des Resonators zu erhöhen. Durch entsprechende Vergrößerung des Innenleiterquerschnitts
13 an dieser Stelle lassen sich Sprünge des Wellenwiderstandes an der Grenzfläche
des Dielektrikums vermeiden.
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Die Erfindung wurde an Hand eines speziellen Ausführungsbeispiels
beschrieben. Selbstverständlich sind mannigfache Abwandlungen und Weiterbildungen
des Erfindungsgegenstandes ohne weiteres möglich. Insbesondere sei auf die Möglichkeit
hingewiesen, die Einrichtung auch zur parametrischen Verstärkung von Signalschwingungen
zu verwenden, dadurch, daß Signalein- und -ausgänge voneinander getrennt werden,
so daß gleichzeitig das zu verstärkende Signal ein- und das verstärkte Signal ausgekoppelt
werden kann.