DE1275160B - Device for parametric excitation or amplification of electromagnetic waves - Google Patents
Device for parametric excitation or amplification of electromagnetic wavesInfo
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Description
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.Device for parametric excitation or amplification of electromagnetic Waves The invention relates to a device for parametric excitation or amplification of short and very short electromagnetic waves. Such a parametric vibration generator can be used, for example, as a parametron in computing machine technology Find application.
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.A parametron is an oscillatory structure in which at least one of the oscillating circuit parameters is controllably variable and in which the one to be excited Signal oscillation builds up as subharmonics of a pump oscillation that periodically and in the correct phase, energy to the signal oscillation to be fanned out again and again gives away. The parametron can, for example, be a conventional electromagnetic resonant circuit with concentrated reactive switching elements L and C, where either I. or but C is variable and can be controlled. The first case is with one ferromagnetic parametron, the second case with an electric parametron with varector diode.
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.These now common embodiments of parametrons with concentrated However, reactances L and C cannot be operated at the high operating frequencies, those in computing machine technology in the course of the general increase in the speed of operations Circuit arrangements have now become known which are used to achieve Use higher frequencies cavity resonators in which an oscillation is parametric is fanned. Such an arrangement is in the journal Proceedings of the IRE ", June 1958, p. 1301, as well as in the magazine" Fernmeldepraxis ", Vol. 37, No. 6, described. It consists of a cavity resonator that has three openings, two of which are equidistant from each end of the cavity resonator are arranged. The input and output signals become capacitive through these openings coupled in or out. The end face of the cavity resonator adjacent to the output contains the third opening provided for coupling the pump frequency. In the In the middle of the resonator there is a DC voltage insulated from the wall of the resonator body Varactor diode, the capacitance of which depends on the voltage or field strength. Will now a suitable input voltage matched to a resonance frequency of the resonator coupled in, it becomes twice as great as a result of the pump voltage, whose frequency is twice as high like that of the input voltage is amplified and can be taken from the output.
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.The disadvantage of this arrangement is that an adjustment of the working point of the varactor diode is not possible because it cannot be externally is accessible. However, an exact setting of the operating point is to be achieved a certain gain is necessary.
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.The object of the present invention was therefore to provide a parametron to create that does not have this disadvantage. This is done using a Line resonator, the effective length of which is equal to half the wavelength of the one to be excited Wave is and is connected to a pump and at least one signal line is achieved in that the resonator is at least partially covered with a material is filled with field strength-dependent dielectric constant that one of the outer Wall of electrically insulated inner conductor is present and that the outer Wall and inner conductor existing conductor system connected to a bias voltage source and that the signal line is in the middle and the pump line is one fifth of the resonator length is connected to the resonator away from the end of the resonator.
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.There is an advantageous further development of the subject matter of the invention in that the material filling the resonator has ferroelectric properties such as B. possesses barium titanate. The high dielectric constant makes this possible of the barium titanate particularly small spatial dimensions of the resonators. at according to a particularly advantageous further development and configuration of the device According to the invention, the line resonator is almost completely filled with barium titanate, the resonator expediently in the vicinity of the signal line connection remains free of barium titanate, because this reduces the damping. Of the Because of adaptation, it is advantageous to use a larger one for the inner conductor at this point To give diameter.
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.The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail. F i g. 1 shows a metal closed on all sides Line resonator. The interior 1 between the outer walls 2 and the inner conductor 3 is filled with barium titanate. The inner conductor 3 is separated from the outer walls 2 electrically isolated by an insulating piece 4 and an insulating sleeve 5 and can be connected via line 6 to a bias voltage source, the other Pole is to be connected to the outer wall 2 of the resonator via the line 7. Of the The resonator thus forms a capacitor with barium titanate as the dielectric.
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.F i g. 2 a shows the stress distribution along the resonator at an oscillation with the pump frequency, which appears in the resonator as a standing wave can train. This pump wave has two amplitude maxima, so it is not the fundamental, but the first harmonic.
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.F i g. 2 b shows the voltage distribution along the resonator for a standing wave of the fundamental oscillation in the same resonator. This fundamental oscillation with half the pump frequency is used as a signal wave. Under suitable conditions, it can be fanned by the pump wave, ie it can be rocked to an ever greater amplitude. This parametric excitation of the signal wave occurs in detail as follows: The value of the dielectric constant of the barium titanate is changed most strongly in the voltage maxima of the pump wave. If one imagines the standing pump wave as a superposition of waves traveling back and forth, as is the case with the spatial voltage amplitude curve in FIG. 3 a shows, the voltage amplitude curve over time is obtained according to FIG. 3 b. For the sake of clarity, let this sine wave be replaced by the square wave according to FIG. 3 c; however, corresponding effects would also result in the case of the sine wave. The voltage has the one shown in FIG. 3 d shown the time course of the dielectric constant and thus the capacitance result. The capacitance is thus controlled back and forth between the value Co, which is preset by an electrical bias of the barium titanate, and the value Cl. Due to the periodic changes in the capacitance, the parametric oscillation according to FIG. 3 e fanned. At first it is still weak; its amplitude is denoted by U. The first capacity increase at the time To, has no effect on the voltage, because this is zero. The first reduction in capacitance at time T1 increases the voltage, however, because the inductance means that the charge on the capacitor cannot suddenly change. The increased voltage runs as if its amplitude had been UI. The second increase in capacity at time To 2 again has no effect on the voltage. The second reduction in capacitance at time T2 leads in turn to an increase in voltage, as if the amplitude were U2, etc. In this way, the parametrically excited signal wave oscillates to an ever greater amplitude, namely in the next half-cycle to the amplitude U3, etc. At the times T1, T2, T3, etc., the pump wave emits energy to the signal wave to be fanned out indirectly via the electrical energy content of the dielectric. This process is called parametric excitation.
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.When explaining the amplification of vibrations according to FIG. 3 e was assumed an already existing weak signal oscillation with the amplitude Uo. This oscillation can, for example, only occur before the pump voltage is switched on the coupled signal voltage. The oscillation can be in one of two order 180 ° different phase positions occur; in FIG. 3 e is one of them arbitrary accepted. The two phases are the binary information "0" and "1", with to which electronic calculating machines work, clearly assigned. Which of the two Phase positions are present, can be decided particularly easily by comparison with a reference oscillation of the same frequency. Therefore, in calculating machines that use Parametrons work, one of these designated as the reference parametron and his Signal oscillation is assigned the binary information »0«.
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.F i g. 4 shows an embodiment of a parametron according to the invention with connections 6/7 for the electrical bias voltage source, 8/9 for the signal line and 10/11 for the pump line. There is only one in this particular example Signal line provided, as is usual with parametrons, because namely the signals be coupled in or out at different times. The signal and pump lines are capacitive in the area of the maximum electric field strength of the signal or pump wave coupled. The purpose of mutual decoupling of the signal and pump lines is the signal line is connected in the middle of the resonator, because there (according to Fig. 2b) the maximum of the signal voltage and at the same time (according to FIG. 2 a) a minimum of the pump voltage occurs. In contrast, the center of the resonator is unsuitable for coupling the pump oscillation, rather, the second and fourth fifth of the resonator are suitable for this purpose.
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.The areas of the Ferroelectrics probably cause a damping of the system, because at this point the signal voltage reaches its maximum, but contribute little to the parametric Excitation because the pump voltage has a minimum at this point. It is therefore it is advisable to fill the resonator only partially with barium titanate and in particular to leave the environment 12 of the signal coupling point free in order to thereby to increase the circular quality of the resonator. By increasing the cross-section of the inner conductor accordingly 13 At this point, jumps in the wave resistance at the interface can be seen avoid the dielectric.
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.The invention was based on a specific embodiment described. It goes without saying that there are many modifications and further developments of the subject matter of the invention is easily possible. In particular, be on the possibility pointed out, the device also for the parametric amplification of signal oscillations to use, in that signal inputs and outputs are separated from each other, so that at the same time the signal to be amplified is coupled in and the amplified signal is coupled out can be.
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| DE1961S0077346 DE1275160B (en) | 1961-12-29 | 1961-12-29 | Device for parametric excitation or amplification of electromagnetic waves |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| DE1099007B (en) * | 1957-06-06 | 1961-02-09 | Western Electric Co | Parametric traveling field amplifier |
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1961
- 1961-12-29 DE DE1961S0077346 patent/DE1275160B/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1099007B (en) * | 1957-06-06 | 1961-02-09 | Western Electric Co | Parametric traveling field amplifier |
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