DE1289141B

DE1289141B - Parametric amplifier

Info

Publication number: DE1289141B
Application number: DE1964S0091587
Authority: DE
Inventors: Heinlein; Dr-Ing Walter
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1964-06-18
Filing date: 1964-06-18
Publication date: 1969-02-13

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen parametrischen Verstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer als nichtlineare Reaktanz dienenden Kapazitätsdiode, mit einem der Pumpenergiezufuhr dienenden Hohlleiter, mit einem der Signalenergiezufuhr dienenden, als Koaxialleitung ausgebildeten, auf die Breitseite des Hohlleiters aufgesetzten Tiefpaß und mit einem auf eine Idlingfrequenz abgestimmten Resonanzkreis, in den die Kapazitätsdiode einbezogen ist.The invention relates to a parametric amplifier for very short electromagnetic waves with one serving as a nonlinear reactance Capacitance diode, with a waveguide serving for the pump energy supply, with a the signal energy supply, designed as a coaxial line, on the broadside of the waveguide and a low-pass filter that is tuned to an idling frequency Resonance circuit in which the capacitance diode is included.

Verstärker der eingangs geschilderten Art dienen , vor allem der rauscharmen Verstärkung elektromagnetischer: Wellen. Verschiedentlich werden sie auch zur Leistungsverstärkung bereits verwendet, um unmittelbar vom Ausgang eines parametrischen Ver= stärkers beispielsweise die Richtfunkantenne einer Richtfunkstrecke speisen zu können. Verstärker dieser Art sind in der Literatur bereits vielfach beschrieben, beispielsweise wäre hierzu auf die Arbeit von E. D. R e e d, »The Variable-Capacitance parametric amplifier«, I. R. E. Trans., Vol. ED-6 (April 1959), S. 216 bis 224, zu verweisen. Es kommt bei parametrischen Verstärkern, vor allem bei geräuscharmer Verstärkung, vor allem darauf an, das Produkt aus Gewinn mal Bandbreite möglichst groß zu machen. Dieses Produkt wird durch die Güte der einzelnen Resonatoren wesentlich mitbestimmt. Bei den bekannten Ausführungsformen parametrischer Verstärker zeigt sich indes, daß man mit Einzelkreisen in den einzelnen Zuleitungen gewisse Werte kaum übersteigen kann.Amplifiers of the type described above are used, especially the low-noise ones Amplification of electromagnetic: waves. In various ways, they are also used to boost performance already used to get directly from the output of a parametric amplifier For example, to be able to feed the directional radio antenna of a radio link. amplifier of this type have already been described many times in the literature, for example would on this, refer to the work by E. D. R e e d, "The Variable-Capacitance parametric amplifier", I. R. E. Trans., Vol. ED-6 (April 1959), pp. 216-224. It is coming with parametric amplifiers, especially with low-noise amplification, especially on making the product of profit times bandwidth as large as possible. This The product is largely determined by the quality of the individual resonators. at The known embodiments of parametric amplifiers, however, show that you can hardly exceed certain values with individual circles in the individual supply lines can.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei relativ einfacher Ausführung des parametrischen-, Verstärkers das Produkt aus Gewinn und Bandbreite noch nennenswert anzuheben.The invention is based on the object with a relatively simple design of the parametric amplifier, the product of gain and bandwidth is still noteworthy to raise.

Bei einem parametrischen Verstärker für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer als nichtlineare Reaktanz dienenden Kapazitätsdiode, mit einem der Pumpenergiezufuhr dienenden Hohlleiter, mit einem der Signalenergiezufuhr dienenden, als Koaxialleitung ausgebildeten, auf die Breitseite des-Hohlleiters aufgesetzten Tiefpaß und mit einem auf eine Idlingfrequenz abgestimmten Resonanzkreis, in den die Kapazitätsdiode einbezogen ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, gelöst, daß der Idlingresonanzkreis aus einem unmittelbar zwischen die Hohlleiterbreitseite und den Tiefpaß in Koaxialleitungsbauweise eingefügten Koaxialleitungsabschnitt besteht, der die Kapazitätsdiode enthält, und daß der der Pumpenergiezufuhr dienende Hohlleiter extrem flach ausgebildet ist.With a parametric amplifier for very short electromagnetic Waves with a capacitance diode serving as a non-linear reactance, with a the pump energy supply serving waveguide, with one serving the signal energy supply, designed as a coaxial line, placed on the broad side of the waveguide Low-pass and with a resonance circuit tuned to an idling frequency into the the varactor is included, this object is achieved according to the invention by solved that the idling resonance circuit from a directly between the waveguide broadside and the coaxial line section inserted into the low-pass filter consists, which contains the varactor diode, and that the pump energy supply is used Waveguide is extremely flat.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei den bekannten parametrischen Verstärkern der Signalkreis, der Puinpkreis und der Idlerkreis relativ stark miteinander gekoppelt sind, so daß insbesondere der Idlerkreis nicht unabhängig von dem der Pumpenergiezufuhr dienenden Hohlleiterkreis für maximale Bandbreite bemessen werden kann.The invention is based on the knowledge that in the known parametric amplifiers the signal circuit, the Puinpkreis and the Idlerkreis relative are strongly coupled to one another, so that in particular the idler circuit is not independent of the waveguide circuit used to supply pump energy for maximum bandwidth can be measured.

Beim Erfindungsgegenstand ist demgegenüber der Pumpkreis nicht mehr bandbreiteeinengend mit dem Idlerkreis gekoppelt. Die Ausbildung des Idlerkreises als Koaxialkreis bedingt überdies eine Erhöhung der Bandbreite, weil ein Koaxialkreis mit geringeren Streureaktanzen realisierbar ist als ein Hohlleiterkreis.In contrast, the pumping circuit is no longer in the subject matter of the invention bandwidth narrowing coupled with the idler circuit. The training of the idler circle as a coaxial circle also requires an increase in bandwidth because a coaxial circle can be implemented with lower leakage reactances than a waveguide circuit.

Vorteilhaft ist es, wenn die Länge des Innenleiterabschnittes im Idlingresonanzkreis einstellbar ist.It is advantageous if the length of the inner conductor section is in the idling resonance circuit is adjustable.

Von besonderem Vorteil ist es weiterhin, wenn der Hohlleiter als sogenannter SchmalprofiPHohlleiter mit extrem geringer Höhe ausgebildet wird. Beispielsweise ist für eine Frequenz der Pumpschwingung von etwa 16 GHz an eine Höhe des Hohlleiters von etwa 0,5 mm bei einer Breite von etwa 10 mm gedacht.It is also of particular advantage if the waveguide as a so-called Narrow professional waveguide is designed with an extremely low height. For example is for a frequency of the pump oscillation of about 16 GHz at a height of the waveguide of about 0.5 mm with a width of about 10 mm.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.The invention is described below on the basis of an exemplary embodiment described in more detail.

In der F i g. 1 ist der Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen parametrischen Verstärkers dargestellt, der beim Beispiel für eine Bandmitfenfrequenz von etwa 4,6 GHz bestimmt ist. Die Kapazitätsdiode 1 ist im Zuge des Innenleiters 2 einer koaxialen Leitung mit 6 mm Innendurchmesser des Außenleiters in 8,5 mm Abstand vom kurzgeschlossenen Leitungsende angeordnet. Das Signal wird der Kapazitätsdiodel über einen d/4-Transformator 3 und einen dreigliedrigen Tiefpaß 4 von nominell 10 Ohm Wellenwiderstand zugeführt. Die Pumpleistung hat beim Beispiel eine Frequenz von 16,4 GHz und wird der Kapazitätsdiode über einen Hohlleiter-A/4-Transformator 5 und einen extrem flachen-: Hohlleiter"6 des Querschnittes 10 X 0,5 mm (Grenzfrequenz 15 GHz) zugeführt. Dieser flache Hohlleiter 6 durchdringt den Koaxialleiter senkrecht in seinem kurzgeschlossenen Ende und ist deshalb so 4(ach gewählt-,'damit er für Signal-und Differenzfrequenzen (Idlingfrequenz) eine möglichst geringe Störung des _ Käaxialleiters darstellt. Das andere Ende des flachen Hohlleiters 6 ist mit einem Kurzschlußschieber 7 zur- besseren Anpassung des Pumpgenerators an die Kapazitätsdiode abgeschlossen. _ Als Kapazitätsdioden- sind abrupt dotierte GaAs-Dioden z. B. der Typen A-6Q2 und XD-500 verwendet, die gleiche äußere Abmessungen haben. Nullpunktskapazität und Balühwiderstand sind in folgender Tabelle zusammengestellt: ... 1 . = A-602 I XD-500 Nullpunktskapazität C (0) . (3;38 pF 0,473 pF Bahnwiderstand r ....... 536 Ohm 7,2 Ohm Die Gehäusekapazität Cg -ist mit 0,28 pF, die Serieninduktivität L, mit 0,7 äH -angegeben.In FIG. 1 shows the longitudinal section through an embodiment of the parametric amplifier according to the invention, which in the example is determined for a band center frequency of approximately 4.6 GHz. The capacitance diode 1 is arranged in the course of the inner conductor 2 of a coaxial line with an inner diameter of 6 mm of the outer conductor at a distance of 8.5 mm from the short-circuited line end. The signal is fed to the capacitance diode via a d / 4 transformer 3 and a three-part low-pass filter 4 with a nominal characteristic impedance of 10 ohms. The pump power in the example has a frequency of 16.4 GHz and is fed to the capacitance diode via a waveguide A / 4 transformer 5 and an extremely flat waveguide "6 with a cross-section of 10 X 0.5 mm (cut-off frequency 15 GHz). This flat waveguide 6 penetrates the coaxial conductor vertically at its short-circuited end and is therefore 4 (oh chosen - 'so that it represents the least possible interference with the Käaxialleiters for signal and difference frequencies (idling frequency). The other end of the flat waveguide 6 is with a short-circuit slide 7 for better adaptation of the pump generator to the capacitance diode. _ The capacitance diodes used are abruptly doped GaAs diodes, e.g. types A-6Q2 and XD-500, which have the same external dimensions compiled in the following table: ... 1 . = A-602 I XD-500 Zero point capacitance C (0). (3; 38 pF 0.473 pF Railway resistance r ....... 536 ohms 7.2 ohms The housing capacitance Cg is given as 0.28 pF, the series inductance L as 0.7.

Der Signalkreis des Verstärkers ist gebildet aus der Reihenschaltung des kapazitiven Scheinwiderstandes der gepumpten Diode 1, dem induktiven Blindwiderstand des kurages@hlosseriün- koaxialen Utungsstückes 2 und dem Eingangswiderstand des Tiefpasses 4.The signal circuit of the amplifier is formed from the series connection the capacitive impedance of the pumped diode 1, the inductive reactance of the kurages @ hlosseriün- coaxial utensil piece 2 and the input resistance of the Low pass 4.

Der Hilfskreis (Idlingkreis) rles Verstärkers besteht aus der bei der Differenzfrequenz beiderseitig kurzgeschlossenen Koaxialleitung 2-- zwischen Signaltiefpaß 4 und Pumphohlleiter 6. Das koaxiale Leitungsstück 2 zwischen Diode 1 und Pumphohlleiter 6, mit 4 mm Durchmesser des Innenleiters, ist bei der Differenzfrequenz etwas länger als eine Viertelwellenlänge, hat also, von der Diode aus betrachtet, einen kapazitiven Eingangswiderstand, wie er zur Abstimmung der Kapazitätsdiode im Bereich zwischen den beiden Eigenfrequenzen der Diode erforderlich ist.The auxiliary circuit (Idlingkreis) rles amplifier consists of the at the differential frequency short-circuited coaxial line 2-- between Signal low pass 4 and pump waveguide 6. The coaxial line section 2 between the diode 1 and pump waveguide 6, with a 4 mm diameter of the inner conductor, is at the difference frequency a little longer than a quarter wavelength, so viewed from the diode, it has a capacitive input resistance, such as that used to tune the varactor diode is required in the range between the two natural frequencies of the diode.

Die Länge des koaxialen Leitungsstückes 2 läßt sich durch Einführen verschiedener Zwischenstücke8 für den Außenleiter und zugehöriger Zwischenstücke 9 für den Innenleiter verändern. Damit ist eine Abstimmung ausführbar.The length of the coaxial line piece 2 can be inserted various spacers8 for the outer conductor and associated spacers Change 9 for the inner conductor. A vote can thus be carried out.

In den F i g. 2 und 3 sind zwei Verstärkungskurven im Oszillogramm wiedergegeben, die mit den beiden genannten Dioden A-602 und XD-500 bei einfach abgestimmtem Signalkreis gewonnen wurden. Die maximale Verstärkung in Bandmitte ist in beiden Fällen 20 db; die 3-db-Bandbreiten betragen 50 bzw. 65 MHz, entsprechend einem Verstärkungs-Bandbreite-Produkt von 500 bzw. 650 MHz. Dies sind mehr als doppelt so große Werte, wie sie bei gleichen Frequenzen mit einem Hohlleiterresonator als Hilfskreis zu erreichen sind. Der Unterschied in der Bandbreite erklärt sich durch die verschiedenen Güten der Dioden, der Unterschied in der Bandmittenfrequenz 4,69 bzw. 4,60 GHz durch die verschiedene mittlere Sperrschichtkapazität der Dioden im Arbeitspunkt (vgl. Tabelle). Bei Diodenwechsel und bei Änderung der Diodenvorspannung verstimmen sich sowohl Hilfskreis als auch Signalkreis. Eine geringe von der Signalkreisabstimmung unabhängige Abstimmung des Hilfskreises ist mit Hilfe des Kurzschlußschiebers im Pumphohlleiter möglich, da das differenzfrequente Feld auch noch in den Pumphohlleiter eindringt.In the F i g. 2 and 3 are two gain curves in the Oscillogram reproduced with the two mentioned diodes A-602 and XD-500 were obtained with a simply tuned signal circuit. The maximum gain in Mb is 20 db in both cases; the 3-db bandwidths are 50 or 65 MHz, corresponding to a gain-bandwidth product of 500 or 650 MHz. these are more than twice as large values as they are at the same frequencies with a waveguide resonator can be reached as an auxiliary group. The difference in bandwidth is explained due to the different qualities of the diodes, the difference in the band center frequency 4.69 or 4.60 GHz due to the different mean junction capacitance of the diodes in the working point (see table). When changing diodes and when changing the diode bias Both the auxiliary circuit and the signal circuit are out of tune. A minor from the signal circle vote independent coordination of the auxiliary circuit is possible with the help of the short-circuit slide in Pump waveguide possible, since the differential frequency field also enters the pump waveguide penetrates.

Claims

Claims: 1. Parametric amplifier for very short electromagnetic Waves with a capacitance diode serving as a non-linear reactance, with a the pump energy supply serving waveguide, with one serving the signal energy supply, designed as a coaxial line, placed on the broad side of the waveguide Low-pass and with a resonance circuit tuned to an idling frequency into the the capacitance diode is included, thereby g e k e n n -z e i c h n e t that the Idling resonance circle from a directly between the waveguide broadside and the low-pass filter consists of a coaxial line section inserted in the coaxial line construction, which contains the capacitance diode, and that the pump energy supply serving waveguide is extremely flat.

2. Parametric amplifier according to claim 1, characterized characterized in that the length of the inner conductor section is in the idling resonance circuit is adjustable.

3. Parametric amplifier according to claim 1, characterized in that that the pump energy supply serving extremely flat waveguide for a cut-off frequency of about 16 GHz, a height of 0.5 mm and a width of 10 mm having.