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Die Erfindung bezieht sich auf eine parametrische Einrichtung, insbesondere
einen parametrischen Verstärker, für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer
variablen Reaktanz, insbesondere einer Kapazitätsdiode, bestehend aus einer Leitungsverzweigung,
in deren Mittenbereich sich die variable Reaktanz befindet und bei der von einer
Seite her die Zuführung für die Pumpenergie erfolgt und von einer anderen Seite
her die Zuführung der Signalenergie und aus einem belasteten Resonanzkreis mit dem
Impedanzverhalten eines mehrkreisigen Bandfilters für die Idlingfrequenz.
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Bei solchen parametrischen Verstärkern kommt es vor allem darauf an,
bei rauscharmer Verstärkung das Produkt aus Gewinn- und Bandbreite möglichst groß
zu machen. Besonders wichtig ist es hierzu, die Bandbreite des Idlingkreises möglichst
groß zu bemessen. Dazu ist es notwendig, für den Idlerkreis mehrkreisige Filter
aufzubauen, die bei den bekannten Ausführungen aus unterteilten Hohlleiterresonatoren
bestehen und ein Bandfilterverhalten zeigen. Jedoch ist es insbesondere bei solchen
mehrkreisigen Filtern sehr schwierig, eine auch hinsichtlich der Anpassung an die
Impedanz der variablen Reaktanz, z. B. der Kapazitätsdiode, günstige Bemessung zu
berechnen und zu realisieren. Außerdem sind mehrkreisige Filter relativ schwierig
abzugleichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Umgehung dieser Schwierigkeiten
einen parametrischen Verstärker, auch parametrischen Umsetzer od. dgl., zu verwirklichen,
der in einem sehr breiten Frequenzband durchstimmbar ist und dabei eine praktisch
konstante Verstärkung zeigt.
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Diese Aufgabe wird bei einer parametrischen Einrichtung, insbesondere
parametrischen Verstärker, für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit einer variablen
Reaktanz, insbesondere einer Kapazitätsdiode, bestehend aus einer Leitungsverzweigung,
in deren Mittenbereich sich die variable Reaktanz befindet und bei der von einer
Seite her die Zuführung für die Pumpenergie erfolgt, von einer anderen Seite her
die Zuführung der Signalenergie und aus einem belasteten Resonanzkreis mit dem Impedanzverhalten
eines mehrkreisigen Bandfilters für die Idlingfrequenz, gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß das Bandfilterverhalten für die Idlingfrequenz durch wenigstens einen
entsprechend abgestimmten belasteten Hohlleiterresonator und einem aus dem sich
an die Diode anschließenden Stück der Signalzuführungsleitung bestehenden Koaxialleitungsresonator
erzeugt wird.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Hohlleiter und/oder der Koaxialresonator,
die zusammen das Bandfilterverhalten für die Idlingfrequenz hervorrufen, mehrkreisig
ausgeführt sind.
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Eine besonders hinsichtlich Breitbandigkeit sehr vorteilhafte Anordnung
besteht darin, daß der Koaxialleitungsresonator als 2/4-Resonator ausgebildet ist
und daß der Hohlleiterresonator als 7./2-Resonator ausgebildet ist (wobei die Resonatoren
auch verkürzt oder verlängert sein können), in dessen Mitte sich die Diode befindet,
an die sich, senkrecht zum Hohlleiterresonator erstreckend, der Koaxialleitungsresonator
anschließt.
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Insbesondere bei sehr kurzen Wellen, bei denen die Impedanz der Diode
eine allzu große Verkürzung der Resonatoren hervorrufen würde, ist es vorteilhaft,
wenn der Koaxialleitungsresonator als 2./2-Resonator ausgebildet wird und der Hohileiterresonator
in zwei J/2-Resonatoren aufgeteilt wird, in deren Mitte die Diode angeordnet ist,
und wenn hierbei die Resonanzfrequenzen der beiden 2/2-Hohlleiterresonatoren symmetrisch
zu der Resonanzfrequenz des Koaxialresonators für die Idlingfrequenz abgestimmt
wird. Dadurch läßt sich eine besonders breitbandige Ausführung erzielen, die einer
dreihöckerigen Bandfilterkurve angenähert ist.
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Zur Absperrung der Pump- und Idlerfrequenz gegen die Signalleitung
hin ist es vorteilhaft, wenn im Anschluß an den A/4- bzw. A/2-Resonator für die
Idlingfrequenz Sperrkreise für die Pump- und die Idlingfrequenz angeordnet werden.
Als besonders vorteilhafte Ausführungen für diese Sperrkreise haben sich im Außenleiter
des Koaxialleiters eingearbeitete Nuten erwiesen, die eine Tiefe von etwa einem
Viertel der zugehörigen Wellenlänge aufweisen.
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Um auch den Signalkreis auf Resonanz abstimmbar zu machen, wird vorteilhaft
auf den Innenleiter des Koaxialleiters nach den Sperrkreisen eine axial verschiebbare
Scheibe oder ein axial verschiebbarer a/4-Transformator angebracht.
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Für die Hohlleiterresonatoren haben sich variable Kurzschlußschieber
zur leichteren Abstimmung als sehr günstig erwiesen.
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Um die zur Energieabsorbtion für die Idlingfrequenz notwendige Dämpfung
im Bandfilter unabhängig von allen anderen Einstellungen variieren zu können, hat
sich eine Vorrichtung als sehr günstig erwiesen, die darin besteht, daß die variablen
Kurzschlußkolben in der Mitte durchbohrt sind und durch diese Bohrungen von außen
her axial verschiebbare Stäbe eingeführt sind, die zumindest an ihrem dem Resonator
zugewandten Ende aus Dämpfungsmaterial bestehen. Durch mehr oder weniger tiefes
Eintauchen dieser Stäbe mit dem Dämpfungsmaterial kann der Verlustwiderstand der
Resonatoren je nach Bedarf eingestellt werden.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und
den F i g. 1 bis 5 näher erläutert.
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In der F i g. 1 ist der Idlingkreis eines parametrischen Verstärkers
mit einem Hohlleiterresonator schematisch dargestellt. Der Koaxialresonator besteht
aus einem Teil der zur Signalzuführung vorgesehenen Koaxialleitung 1 mit dem Innenleiter
4. Der Innenleiter mündet unmittelbar auf der variablen Real,-tanz, in diesem Fall
einer Varactordiode 5. Senkrecht zu dem Koaxialleiter für die Signalzuführung sind
Hohlleiterrresonanzräume 2 und 3 angeordnet, die jeweils 2./4-Stücke darstellen
und zusammen einen A./2-Hohlleiterresonator ergeben. Die Diode ist damit in Reihe
zum Koaxialleiter und parallel zum Hohlleiter angeordnet. Die Zuführungsleitung
-für die Pumpenergie ist in diesem Bild nicht eingezeichnet; sie kann über einen
zu beiden Resonatoranordnungen senkrecht verlaufendem Hohlleiter erfolgen. Die ganze
Anordnung bildet demzufolge eine Verzweigung, in deren Mittenbereich die Diode 5
angeordnet ist. Die Idlerfrequenz ist in diesem Beispiel so niedrig gewählt, daß
die Diodenimpedanz sehr groß wird. Daher läßt sich die zur Resonanzabstimmung der
Diode notwendige Impedanz sowohl mit einer kurzgeschlossenen a/4-Koaxialleitung
als auch mit zwei parallelgeschalteten kurzgeschlossenen d/4-Hohlleitungen erreichen.
Diese beiden Hohlleiterabschnitte 2 und 3 bilden also einen 2/2-Resonator. Wenn
für beide Resonatoren
gleiche Wellenwiderstände vorausgesetzt werden,
ist die Bandbreite des A/4-Koaxialresonators um den Faktor 2 größer als die des
A/2-Hohlleiterresonators. Physikalisch ist dies dadurch erklärbar, daß der A/2-Hohlleiterresonator
eine wesentlich größere Energiespeicherung aufweist als der A/4-Koaxialresonator.
Die beiden Resonatoren ergeben zusammen ein Bandfilterverhalten, wodurch die Bandbreite
bei gleicher Leistungsverstärkung wenigstens um den Faktor 3 erhöht wird. Man kann
die Bandbreite noch mehr erhöhen, dadurch, daß man sowohl den Koaxialleitungsresonator
als auch den Hohlleiterresonator durch Einbringen von Schrauben, Blenden od. dgl.
in mehrere Resonanzräume unterteilt und die einzelnen Resonatoren für sich so abstimmt,
daß eine möglichst flache und breite Resonanzkurve für die Idlingfrequenz entsteht.
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Der untere Teil der F i g. 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf
die Anordnung, wobei mittels der gestrichelten Linien die Feldlinien, die zur Kopplung
der beiden Resonanzräume beitragen, angedeutet sind. Vorteilhaft werden, wie in
der F i g. 1 nicht besonders dargestellt, die beiden Hohlleiterresonatoren durch
Kurzschlußschieber abstimmbar ausgeführt. Anschließend an den A/4-Koaxialresonator
wird zweckmäßig in der Signalzuführungsleitung ein Tiefpaß für die Signalfrequenz
angeordnet, der die Wellen von Idlerfrequenz und noch höheren Frequenzen absperrt.
Es kann jedoch auch eine Anordnung Verwendung finden, wie sie bei der später erläuterten
F i g. 5 ersichtlich ist.
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Da die Impedanz der Diode mit zunehmender Idlingfrequenz abnimmt und
damit die Resonatoren mehr und mehr kürzer werden, bis sie sich schließlich nicht
mehr realisieren lassen, ist man bei hohen Idlingfrequenzen gezwungen, die Resonatoren
als A/2-Resonatoren auszuführen. Eine solche Anordnung ist in der F i g. 2 schematisch
dargestellt. Der Koaxialresonator 1 ist als A/2-Resonator ausgeführt, und ebenso
sind es die beiden Hohlleiterabschnitte 2 und 3, so daß sich in diesem Ausführungsbeispiel
drei miteinander verkoppelte Resonanzkreise für die Idlingfrequenz ergeben. Die
Resonatoren können natürlich auch elektrisch verkürzt oder verlängert sein. Es hat
sich als zweckmäßig erwiesen, die beiden Hohlraumresonatoren 2 und 3 symmetrisch
zur Resonanz des Koaxialleitungsresonators 1 abzustimmen. Der untere Teil der F
i g. 2 zeigt wieder das Feldfnienbild. Die Bandbreite des A/2-Koaxialresonators
ist, wenn wiederum gleiche Wellenwiderstände vorausgesetzt werden, nicht größer
als die der J/2-Hohlleiterresonatoren. Durch die erwähnte Dreifachabstimmung läßt
sich eine Verstärkungscharakteristik erzielen, die der Resonanzkurve eines dreikreisiaen
Bandfilters entspricht.
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Die F i g. 3 zeigt zur Verdeutlichung dieses Sachverhaltes das elektrische
Ersatzschaltbild dieses dreikreisiaen Idlinakreises nach der Fig.2. Z1 und Z2 bedeuten
dabei die Impedanzen der Hohlleiterresonateren und Z3 die des Koaxialleitungsresonators.
Da in Serie zum Koaxialresonator noch die variable Reaktanz, in diesem Fall eine
Kapazitätsdiode. liegt, ist in der Figur das ungefähre Ersatzschaltbild dieser Diode
innerhalb des gestrichelten Rechtecks dargestellt. Die Widerstände R 1 und R 2 sind
die Belastungen, die die beiden Hohlleiterresonatoren 2 und 3 für die Idlingfrequenz
aufweisen. Sie sind im Schema der F i g. 2 durch die ausgefüllten Dreiecke R 1 und
R 2 angedeutet. In der F i g. 4 ist die zu dieser Anordnung gehörige dreikreisige
Ortskurve der Impedanz dieser Anordnung für die Idlingfrequenz dargestellt. Die
Impedanz wird von der Sperrschicht der Varactordiode aus gesehen und entspricht
einer dreihöckerigen Verstärkungscharakteristik. Um eine maximal flache Einstellung
zu erreichen, muß bei einer vorgegebenen Belastung der Hohlleiterresonatoren eine
bestimmte Verstimmung der Resonatoren eingestellt werden. Die erreichbare Bandbreite
wird dabei in gewissen Grenzen um so größer, je mehr die Hohlleiterresonatoren belastet
sind. Allerdings nimmt dadurch auch der an der Sperrschicht der Kapazitätsdiode
entstehende negative Widerstand ab, so daß letzten Endes das Rauschen des Verstärkers
zunehmen würde.
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Die zu der Anordnung nach der F i g. 1 gehörige elektrische Ersatzschaltung
erhält man, wenn in der F i g. 3 die Serienresonanzkreise durch Parallelresonanzkreise
ersetzt werden. Die parallelgeschalteten Reaktanzen der beiden V4-Hohlleiterresonatoren
in der F i g. 1 lassen sich dann zu einem Parallelkreis zusammenfassen, so daß nur
ein zweikreisiger Idlingkreis entsteht.
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Eine Ausführung nach dem Schema der F i g. 2, die sich in der Praxis
als besonders wirksam und breitbandig erwiesen hat, ist in der F i g. 5 dargestellt.
Sie zeigt den Querschnitt durch einen parametrischen Verstärker für die Frequenz
6 GHz, der einen dreikreisigen Idlingkreis aufweist. Der Verstärker arbeitet mit
einer Kapazitätsdiode, der eine Pumpfrequenz von 36 GHz zugeführt wird. Die Diode
1 ist in dem Verzweigungspunkt eines T-fönnigen Hohlleiters mit dem Querschnitt
3,5 X 7 mm montiert. Die Pumpenergie von der Frequenz 36 GHz wird über den nicht
dargestellten dritten Hohlleiterarm der Verzweigung, der senkrecht zur Zeichenebene
verläuft, zugeführt. In diesem Hohlleiter für die Pumpfrequenzzuleitung ist ein
Filter angebracht, das nur die Pumpenergie passieren läßt, jedoch für die Idlingfrequenz,
die ja um 6 GHz niedriger liegt als die Pumpfrequenz, praktisch einen Kurzschluß
darstellt. Die Signalfrequenz f, wird über eine Koaxialleitung 2 zugeführt. Auf
dem Innenleiter dieser Koaxialleitung befindet sich zur Abstimmung des Signalkreises
eine längs der Leitung verschiebbare kapazitive Scheibe 3. Weiter gegen die Diode
hin befinden sich im Koaxialleiter radiale Nuten 4, 5, die eine Tiefe von etwa 1/4
der zugehörigen Frequenz aufweisen. und die als Sperrkreise für die Pumpfrequenz
(4) und für die Idlingfrequenz (5) dienen. Der der Diode am nächsten gelegene
Idlingsperrkreis 5 bildet zusammen mit der Diode und dem kurzen zwischenliegenden
koaxialen Leitungsstück einen Resonator für die Idlingfrequenz, der dem koaxialen
i2-Resonator in der F i g. 2 entspricht.
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Die etwa A/2 langen Hohlleiterstücke 6 und 7 befinden sich mit der
Diode bei der Idlingfrequenz ebenfalls in Resonanz. Ihre Resonanzfrequenzen sind
symmetrisch zu der des koaxialen Resonators verschoben. Die Hohlleiterresonatoren
6 und 7 können durch Stifte aus Dämpfungsmaterial, die durch die Kurzschlußschieber
8 und 9 in die Resonatoren tauchen, zusätzlich belastet werden. Diese Anordnung
hat den Vorteil, daß mittels der Kurzschlußschieber die Resonanzlage verschoben
werden kann und unabhängig davon durch Axialbewegung der Stifte 10
und 11
die notwendige Belastung der Resonatoren einstellbar ist.
In der
F i g. 6 ist die gemessene Verstärkungscharakteristik einer Anordnung nach der F
i g. 5 dargestellt, bei der man deutlich die Resonanz des Koaxialresonators in der
Mitte und symmetrisch dazu die Resonanzen der Hohlleiterresonatoren erkennt. Das
Verstärkungs-Bandbreite-Produkt ist etwa 1500 MHz. Bei Abstimmung mit nur einem
Hohlleiterresonator wurde dagegen ein Verstärkungs-Bandbreite-Produkt von 400 MHz
und bei Abstimmung mit dem Koaxialresonator allein ein Produkt von 500 MHz gemessen.
Es ist dabei zu berücksichtigen, daß die gemessenen Verstärkungs-Bandbreite-Produkte
durch die Bandbreite des Signalkreises begrenzt wurden, so daß bei Erhöhung dieser
Bandbreite mit der erfindungsgemäßen Anordnung noch größere Verstärkungs-Bandbreite-Produkte
erzielbar sind.