DE1235386B - Verstaerkerschaltung mit einer nichtlinearen Reaktanz - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H»3f

Deutsche Kl.: 21 a4-29/50

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

S79157IXd/21a4
25. April 1962
2. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Verstärkung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, bestehend aus einem Reaktanzmodulator mit einer Kapazitätsdiode als nichtlineare Reaktanz, der außer der zu verstärkenden Signalenergie die Energie eines weiteren Oszillators (Pumposzillator) zugeführt ist.

Einrichtungen dieser Art sind unter dem Namen »parametrischer Verstärker« bekanntgeworden. Sie weisen eine verhältnismäßig geringe Rauschtemperatür auf und eignen sich deshalb besonders als Eingangsschaltung für hochempfindliche Empfangseinrichtungen.

Parametrische Verstärker, wie sie beispielsweise in der Zeitschrift »Proceedings of the ERE«, Juli 1958, S. 1301 bis 1305, beschrieben sind, machen von den nichtlinearen Eigenschaften einer Reaktanz Gebrauch, die zweckmäßig aus einer im Sperrgebiet betriebenen Kapazitätsdiode besteht. In der Regel ist die Frequenz der vom Pumposzillator der Reaktanz zugeführten Energie größer als die Frequenz der Signalenergie. Infolge der Nichtlinearität der Reaktanz entstehen oberhalb und unterhalb der Pumpfrequenz gelegene Seitenbänder. Durch einen eine Wirkkomponente enthaltenden Abschluß der Schaltung für die unterhalb der Pumpschwingung liegende Differenzfrequenz wird eine Entdämpfung des Signaleingangs hervorgerufen. Die Kapazitätsdiode wirkt dann wie ein negativer Widerstand und kann so in Verbindung mit einem Zirkulator zur Verstärkung von Wellen herangezogen werden.

Parametrische Verstärker benötigen, sofern sie nicht als Wanderwellenverstärker ausgebildet sind, zum Betrieb je einen abgestimmten Kreis für die signalfrequenten und die differenzfrequenten Ströme. Diese abgestimmten Kreise müssen möglichst breitbandig sein, wenn die Verstärkerbandbreite ihrerseits groß sein soll. Die erreichbare Bandbreite der Kreise wird in der Praxis durch die parasitären Reaktanzen der Kapazitätsdiode stark beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen parametrischen Verstärker der einleitend beschriebenen Art unter anderem hinsichtlich der geschilderten Schwierigkeiten wesentlich zu verbessern.

Für eine Einrichtung zur Verstärkung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, bestehend aus einem Reaktanzmodulator mit einer Kapazitätsdiode als nichtlineare Reaktanz, der außer der zu verstärkenden Signalenergie die Energie eines weiteren Oszillators (Pumposzillator) zugeführt ist und bei der im wesentlichen ausschließlich die parasitären Reaktanzen der Kapazitätsdiode den Resonanzkreis für die Verstärkerschaltung mit einer
nichtlinearen Reaktanz

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Walter Heinlein, München

aus der Mischung der Signalenergie mit der Pumpenergie entstehende Differenzfrequenzschwingung bilden, wird erfindungsgemäß die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Differenzfrequenz mit derjenigen Eigenresonanzfrequenz der Kapazitätsdiode, die durch die mittlere Sperrschichtkapazität und die Reihenschaltung von der Eigeninduktivität und der Gehäusekapazität der Diode gegeben ist, dadurch in Übereinstimmung gebracht ist, daß die äußere Schaltung der Kapazitätsdiode bei entsprechender Wahl der Höhe der Pumpfrequenz in bezug auf die der mittleren Signalfrequenz für die Differenzfrequenz wenigstens annähernd einen Leerlauf darstellt.

Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die bei einem parametrischen Verstärker mit Kapazitätsdiode erzielbare maximale Bandbreite bei der Eigenresonanz der Diode auftritt und durch den Bahnwiderstand und die Eigeninduktivität der Diode gegeben ist.

Bei der Erläuterung der Erfindung wird im folgenden von dem in F i g. 1 dargestellten Ersatzschaltbild eines mit einer Kapazitätsdiode ausgerüsteten parametrischen Verstärkers üblicher Ausbildung ausgegangen. Die Kapazitätsdiode D besitzt die mittlere Sperrschichtkapazität C_1n, die Eigeninduktivität L₀, den Bahnwiderstand r und die Gehäusekapazität C_g. Die Aussteuerung der Sperrschicht durch die Pumpspannung ist durch die Wechselelastanz Iy · S_m -cos ω pt angegeben. Hierin bedeutet

y den Modulationsgrad, S_n, — -^- die mittlere Sperr-

schichtelastanz und ω ρ die Kreisfrequenz der Pumpspannung. Die mittlere Sperrschichtkapazität C_n, die Eigeninduktivität L₀, der Bahnwiderstand r und die Gehäusekapazität C_g der Kapazitätsdiode D sind im

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Ersatzschaltbild zweifach angegeben, da sie sowohl große Vorteil liegt zunächst darin, daß an Stelle für den Signalkreis SK als auch für den Differenz- zweier Dioden nur eine Diode benötigt wird. Die frequenzschwingkreis DK wirksam sind. Eigenresonanzfrequenz f_d2 stellt die höchste Differenz-Der Signalkreis SK weist ferner, abgesehen vom frequenz dar, bei der die maximal erreichbare Band-Signalgenerator G und seinem Innenwiderstand R₁, 5 breite B₉ noch realisiert werden kann. Da die einender Abstimmung dienenden Blindwiderstand Zl Rauschtemperatur eines parametrischen Verstärkers auf. in gleicher Weise enthält der Differenzfrequenz- um so geringer ist, je größer das Verhältnis aus der Schwingkreis einen Scheinwiderstand Z2, der den Differenzfrequenz f_d zur Signalfrequenz/_s ist, veräußeren Abschluß dieses Kreises darstellt und der einigt der Erfindungsgegenstand als weiteren Vorteil Gehäusekapazität C_g parallel liegt. Im allgemeinen io größtmögliche Bandbreite mit minimaler Rauschweist Z2 eine Wirkkomponente auf, die den Difie- temperatur. Der Faktor

renzfrequenzkreis zusätzlich zum Bahnwiderstand r

belastet, und eine Blindkomponente, die zur Ab- Λ Γ C_m

Stimmung des Differenzfrequenzschwingkreises auf F ^~'

Resonanz erforderlich ist. Mit Rücksicht auf eine 15

geringe Rauschtemperatur ist Zl meist als reiner um den die Eigenresonanzfrequenz f_d2 höher ist als

Blindwiderstand ausgeführt. die Eigenresonanzfrequenz f_dl, liegt bei handels-

In der Regel macht die Verwirklichung einer gro- üblichen Dioden in der Größenordnung 1,4 bis 2.

ßen Bandbreite des Differenzfrequenzschwingkreises Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform

die größeren Schwierigkeiten. In der F i g. 2 ist die 20 des Erfindungsgegenstandes ist die Kapazitätsdiode

Bandbreite B des Differenzfrequenzschwingkreises in _>: im Innern eines der Zuführung der Pumpenenergie

Abhängigkeit von der jeweils durch entsprechende dienenden Hohlleiters angeordnet, dessen Grenzfre-

Änderung des Blindwiderstandes Zl eingestellten quenz oberhalb der Differenzfrequenz liegt. Die

Höhe der Resonanzfrequenz / aufgetragen. Aus dem Signalenergie ist der Kapazitätsdiode über einen

Diagramm ist zu entnehmen, daß die Bandbreite B 25 wenigstens teilweise als Filter ausgebildeten Wellen-

zunächst bis zur Bandbreite S₀ bei der Resonanz- _i;, leiter zugeführt, der an seiner Einmündung in den

frequenz f_dt zunimmt. In diesem Bereich ist Zl in- Hohlleiter für die Differenzfrequenz einen Leerlauf

duktiv. Im Bereich zwischen der Resonanzfrequenz f_di und für die Pumpfrequenz einen möglichst kleinen

und der Resonanzfrequenz f_d, ist Zl kapazitiv. Die Widerstand darstellt.

Bandbreite wächst hier nicht weiter, sondern bleibt 30 Der die Signalenergie zuführende Wellenleiter konstant, weil in diesem Bereich die die Bandbreite _;:< kann beispielsweise ein Koaxialleiter sein, der zur des Schwingkreises bestimmende Induktivität kon- Erfüllung der Leerlaufforderung hinsichtlich der stant und gleich der Eigeninduktivität L₀ ist. Im Be- Differenzfrequenzschwingung im Abstand eines Vierreich oberhalb der Resonanzfrequenz f_di ist Zl er- tels einer Wellenlänge λ d der Differenzfrequenzneut induktiv, und die Bandbreite fällt wieder auf 35 schwingung oder eines ganzzahligen Vielfachen dakleine Werte ab. Dieser Abfall wird, wie eine mathe- · von von seiner Einmündung in den Hohlleiter in matische Darstellung des den Differenzfrequenz- einen Tiefpaß übergeht, dessen Grenzfrequenz oberschwingkreis nach der F i g. 1 darstellenden Resor halb der höchsten Signalfrequenz, aber unterhalb der nanzgebildes leicht übersehen läßt, durch die Wirkung tiefsten Frequenz des Differenzfrequenzbandes liegt, der Gehäusekapazität in diesem Frequenzbereich 40 Der Wellenwiderstand des Koaxialleitungsabschnitts bedingt. _:. zwischen der Hohlleitereinmündung und dem Tief-Die Resonanzfrequenzen/_rfl und f_d2, zwischen paß ist dabei so bemessen, daß die Signalquelle an denen die Bandbreite des Differenzfrequenzschwing- den negativen Widerstand der Kapazitätsdiode ankreises ein Maximum hat, dessen Wert sich aus dem gepaßt ist.

Bahnwiderstand r und der Eigeninduktivität L₀ zu 45 Als Abschluß des Hohlleiters in Richtung der fortschreitenden Pumpwellen hinter der Kapazitätsdiode

ß₀ — ^r. eignet sich am besten ein veränderbarer Kurzschluß

Zn-L₀ J_n Form eines Kurzschlußschiebers. Da die Stromberechnet, sind Eigenresonanzen der Kapazitäts- steuerung der Kapazitätsdiode größere Modulationsdiode, und zwar ergibt sich mit Zl = 0 für die Eigen- 5° §^radf ^a\^dle Spannungssteuerung zulaßt, ist es ferner resonanzfrequenz angebracht, die Diode in einem Strombauch der

Pumpwelle anzuordnen. Dies geschieht in einfacher

f_{dl =} Weise dadurch, daß der Abstand zwischen dem Ort

2π· j/ C_m · L₀ der Kapazitätsdiode und dem Ort der Kurzschluß-SS ebene des Kurzschlußschiebers einer halben Hohl- und mit Zl = o) für die Eigenresonanzfrequenz leiterwellenlänge Xp der Pumpschwingung gewählt

wird.

r _j! . 1Z₁ , C_m Im Gegensatz zu bekannten parametrischen Ver-

Jdt jai· yi + —. stärkern in Hohlleiterbauweise ist der Hohlleiter

: 60 beim Erfindungsgegenstand nicht Teil des Differenz-Parametrische Verstärker, die von der unteren frequenzschwingkreises. Dieser glückliche Umstand Eigenresonanzfrequenz f_dl Gebrauch machen, sind kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zur bereits bekannt. Der für diese Frequenz notwendige Einsparung von Pumpleistung mit Hilfe eines den Kurzschluß der Gehäusekapazität C_e wird dabei Bahnwiderstand der Diode an den Pumposzillator mittels einer Brückensclialtung realisiert, die noch 65 anpassenden Transformationsgliedes ausgenützt wereine weitere Kapazitätsdiode enthält. Im Gegensatz den. Das Transforinationsglied ist hierbei an geeighierzu macht der Erfindungsgegenstand von der neter Stelle in den die Pumpenergie zuführenden oberen Eigenresonanzfrequenz f_d2 Gebrauch. Der Hohlleiter einzufügen.

Claims (7)

An Hand von Ausführungsbeispielen, die in den F i g. 3 und 4 dargestellt sind, wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung nach der F i g. 3 besteht aus einem Hohlleiter H, in dessen Innerem eine die nichtlineare Reaktanz darstellende Kapazitätsdiode D angeordnet ist. Der Hohlleiter, dessen Grenzfrequenz oberhalb derDifferenzfrequenz liegt, ist auf seiner rechten Seite mit einem Kurzschlußschieber &s abgeschlossen. Die Pumpenergie P wird der Kapazitätsdiode D von links im Hohlleiter über das Transformationsglied Γ und das zu verstär-— kende Signal 5 über einen Koaxialleiter K zugeführt. Der Koaxialleiter K ist im Bereich seiner Einmündung in den Hohlleiter H zu einem Filter F aus- gebildet, das hinsichtlich der Differenzfrequenzschwingung einen Leerlauf und hinsichtlich der Pumpfrequenz fp einen möglichst niedrigen Widerstand darstellt. Das Transfonnationsglied T ist derart bemessen und so im Hohlleiter angeordnet, daß der Bahnwiderstand der Diode an den an den Ort der Kapazitätsdiode transformierten Innenwiderstand des Pumposzillators angepaßt ist. Die Kurzschlußebene des Kurzschlußschiebers Ks ist zweckmäßig so festgelegt, daß sich die Kapazitätsdiode am Ort eines Strombauches der Pumpwelle befindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand ein Viertel einer Hohlleiterwellenlänge λ ρ der Pumpschwingung. Selbstverständlich kann der Abstand auch ein ganzzahliges Vielfaches davon betragen. Wie bereits erwähnt wurde, hat die Stromsteuerung der Kapazitätsdiode D gegenüber der Spannungssteuerung den Vorteil, daß sie größere Aussteuergrade zuläßt. Bei gegebener mittlerer Signalfrequenz /s ist die Pumpfrequenz f„ so gewählt, daß die mittlere Differenzfrequenz mit der oberen Eigenresonanzfrequenz jd.2 der Kapazitätsdiode!) zusammenfällt. Der Differenzfrequenzschwingkreis ist entsprechend den vorangegangenen Ausführungen beim Erfindungsgegenstand ausschließlich auf die Kapazitätsdiode Ό selbst beschränkt, und zwar wird er von der mittleren Sperrschichtkapazität und der Reihenschaltung von der Eigeninduktivität und der Gehäusekapazität gebildet. Die äußere Schaltung (Hohlleiter H und Koaxialleiter K) ist bei der Differenzfrequenz von der Diode völlig entkoppelt, da einerseits die Hohlleitergrenzfrequenz oberhalb der Differenzfrequenz festgelegt ist und andererseits der Koaxialleiter K für die Differenzfrequenz einen Leerlauf darstellt. Eine besonders geeignete Ausführungsform eines Filters zeigt das in der F i g. 4 dargestellte, gleichartig zum Verstärker nach der Fig. 3 aufgebaute weitere Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei geht der Koaxialleiter K im Abstand eines Viertels einer mittleren Wellenlänge λ d der DiSerenzfrequenzschwingung von der Hohlleitereinmündung in einen Tiefpaß TP über, dessen Grenzfrequenz oberhalb der höchsten Signalfrequenz, aber unterhalb der tiefsten Frequenz des Differenzfrequenzbandes liegt. Außerdem ist der Wellenwiderstand dieses XdIA langen Koaxialleitungsabschnitts so gewählt, daß der Signalgenerator an den negativen Widerstand der Kapazitätsdiode D angepaßt ist. Die Einschnürung E des Innenleiters des Koaxialleiters am diodennahen Ende dient der Abstimmung des Signalkreises. In den Koaxialleiter K eindringende Differenzfrequenzschwingungen finden am Tiefpaßeingang einen Kurzschluß vor. Der IdIA lange Koaxialleitungsabscllnitt bildet also für die Differenzfrequenz eine an ihrem einen Ende kurzgeschlossene Stichleitung, die an ihrem anderen, offenen Ende leer läuft. Für die Pumpfrequenz stellt der Tiefpaßeingang ebenfalls einen Kurzschluß dar. Die Frequenz der Pumpwelle liegt wesentlich oberhalb der Differenzfrequenz. Für sie bildet der Koaxialleitungsabschnitt daher einen kapazitiven Blindwiderstand, der um so kleiner ist, je besser die Wellenlänge der Pumpschwingung im Koaxialleiter mit der halben Wellenlänge Ad der Differenzfrequenzschwingung übereinstimmt. Gegebenenfalls kann dieser kapazitive Blindwiderstand mit der eine Induktivität darstellenden Einschnürung £ auf einen vernachlässigbaren kleinen Wert vermindert werden. Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Verstärkung sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, bestehend aus einem Reaktanzmodulator mit einer Kapazitätsdiode als nichtlineare Reaktanz, der außer der zu verstärkenden Signalenergie die Energie eines weiteren Oszillators (Pumposzillator) zugeführt ist und bei der im wesentlichen ausschließlich die parasitären Reaktanzen der Kapazitätsdiode den Resonanzkreis für die aus der Mischung der Signalenergie mit der Pumpenergie entstehende Differenzfrequenzschwingung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz mit derjenigen Eigenresonanzfrequenz der Kapazitätsdiode, die durch die mittlere Sperrschichtkapazität und die Reihenschaltung der Eigeninduktivität und der Gehäusekapazität der Diode gegeben ist, dadurch in Übereinstimmung gebracht ist, daß die äußere Schaltung der Kapazitätsdiode bei entsprechender Wahl der Höhe der Pumpfrequenz in bezug auf die der mittleren Signalfrequenz für die Differenzfrequenz wenigstens annähernd einen Leerlauf darstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsdiode im Innern eines der Zuführung der Pumpenergie dienenden Hohlleiters angeordnet ist, dessen Grenzfrequenz oberhalb der Differenzfrequenz liegt, und daß die Signalenergie der Kapazitätsdiode über einen wenigstens teilweise als Filter ausgebildeten Wellenleiter zugeführt ist, der an seiner Einmündung in den Hohlleiter für die Differenzfrequenz einen Leerlauf darstellt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Filter ausgebildete Wellenleiter an seiner Einmündung in den Hohlleiter für die Pumpfrequenz einen möglichst kleinen Widerstand darstellt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Signalenergie zuführende Wellenleiter ein Koaxialleiter ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Koaxialleiter im Abstand eines Viertels einer Wellenlänge λ d der Differenzfrequenzschwingung oder eines ganzzahligen Vielfachen davon von seiner Einmündung in den Hohlleiter in einen Tiefpaß übergeht, dessen Grenzfrequenz oberhalb der höchsten Signalfrequenz, aber unterhalb der tiefsten Differenzfrequenz liegt, und daß der Wellenwiderstand des Koaxialleitungsabschnitts zwischen der Hohlleitereinmündung

und dem Tiefpaß so bemessen ist, daß die Signalquelle an den negativen Widerstand der Kapazitätsdiode angepaßt ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter in Richtung der fortschreitenden Pumpwellen hinter der Kapazitätsdiode mit einem Kurzschlußschieber abgeschlossen ist.

6. Einrichtung nach Ansprach 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Ort

der Kapazitätsdiode und dem Ort der Kurzschlußebene des Kurzschlußschiebers eine halbe Hohlleiterwellenlänge λ ρ der Pumpfrequenzschwingung oder ein ganzzahliges Vielfaches davon beträgt.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bahnwiderstand der Kapazitätsdiode über ein Transformationsglied an den Pumposzillator angepaßt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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