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Wanderwellenverstärker Die Erfindung bezieht sich auf die Signalverstärkung und betrifft insbesondere eine neuartige Verstärkung vonWanderwellensignalen durch Energiezufuhr von einer äusseren Quelle zu der Welle während ihrer Fortpflanzung längs des Wanderwellenweges.
Nach einer bekannten und z. B. in der USA-Patentschrift Nr. 2, 636, 948 beschriebenen prinzipiellen Ausführungsform von Wanderwellenröhren enthält die Röhre zwei langgestreckte und miteinander eng gekoppelte Übertragungswege, von denen einer eine Signalwelle und der andere eine von einer Glühkathode ausgehende Elektronenströmung führt. Der Röhrenaufbau ist normalerweise so getroffen, dass das mit der Wanderwelle verknüpfte elektrische Feld von der Elektronenströmung in Richtung der Feldwanderung durchsetzt wird, wobei die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten des Feldes und der Elektronenströmung näherungsweise übereinstimmen. Unter diesen Bedingungen wirkt das elektrische Feld auf die Elektronenströmung so ein, dass es eine ungleichförmige Ladungsdichte in der Strömung verursacht, die zu einer Paketbildung der Elektronen führt.
Die Elektronenströmung wirkt ihrerseits auf das Feld in solcher Weise zurück, dass die längs des Übertragungsweges in der gleichen Richtung wie die Elektronenströmung, also vorwärts wandernde Welle einen ortsabhängigen Amplitudenzuwachs erfährt, wogegen eine allenfalls gegensinnig zur Elektronenströmung, also rückwärts wandernde Welle durch die Gegenwart der Elektronenströmung nur wenig beeinflusst wird. Demnach wirkt die gesamte Einrichtung als Verstärker für Wanderwellen, die in der gleichen Richtung wie die Elektronenströmung verlaufen.
Für Wanderwellenröhren dieser Art ist charakteristisch, dass sie innerhalb eines relativ breiten Frequenzbandes mit gutem Wirkungsgrad arbeiten ; sie sind anderseits aber nicht für den Betrieb bei sehr hohen Frequenzen im Mikrowellenbereich geeignet. Die Herstellung von Wanderwellenröhren der erläuterten Art erfordert eine hohe Präzision und enge Toleranzen. Aus diesen Gründen sind solche Röhren sowohl teuer als auch auf unvorsichtige Handhabung mechanisch empfindlich. Zum Betrieb der Röhren sind hohe Spannungen erforderlich ; es müssen deshalb Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, um eine Gefährdung des Bedienungspersonals zu vermeiden. Als Ausgangspunkt der Elektronenströmung dient eine Glüh- kathode ; eine solche Kathode stellt aber unvermeidlich eine Rauschquelle dar, so dass die von der Röhre bewirkte Verstärkung den Störabstand vermindert.
Die Erfindung befasst sich vor allem mit der Aufgabe, den Aufbau von Wanderwellenröhren zu vereinfachen, die mechanische Empfindlichkeit und die Kosten solcher Verstärker herabzusetzen und auch das mit der Verstärkung verknüpfte Rauschen zu vermeiden. Diese Ziele werden durch die Vermeidung einer Elektronenströmung' (und infolgedessen auch einer Glühkathode als Ausgangspunkt für eine solche Strömung und der Hochspannungselektroden, die zur Steuerung der Strömung erforderlich sind) und durch Ersatz der Elektronenströmung durch ein neuartiges Wellenphänomen erreicht, das mit der Wanderwelle zusammenwirkt und auf einer wellenförmigen Reaktanzänderung beruht.
Es ist bekannt, dass ein vorgegebener einmaschiger Kreis, der auf Resonanz bei der Frequenz fabgestimmt ist und eine veränderbare Reaktanz enthält, die Eigenschaft eines mit negativem Widerstand behafteten Verstärkers für Signale der Frequenz f annimmt, wenn in den Kreis durch Änderung des Reaktanzelementes mit der Frequenz 2fo eine Energie "hineingepumpt" wird, deren Betrag unterhalb des Schwellenwertes für die Eigenschwingungen liegt.
In den USA-Patentschriften Nr. 1,884, 844 und Nr. 1, 844, 845 wird ferner erläutert, dass ein zweimaschiger Kreis, dessen gemeinsamer Zweig durch eine veränderbare Reaktanz gebildet wird und dessen einzelne Maschen die Resonanzfrequenzen f bzw. f
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haben, bei "Einpumpen" von Energie in beide Maschen durch Änderung der gemeinsamen Reaktanz mit einer Frequenz n= -- (D und um einen unterhalb der Eigenschwingungsschwelle liegenden Wert bezüglich jeder Masche die Eigen-, schaft eines mit negativem Widerstand behafteten Verstärkers für Signale annimmt, die zumindest ungefähr mit derResonanzfrequenz der Maschen übereinstimmen.
Dieser Effekt beruht auf dem Zusammenwirken mehrerer Frequenzen, das infolge der Reaktanzänderung stattfindet, wenn die Gleichung (1) be-
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einen Hohlraum aufweist, welcher so bemessen ist, dass darin stehende Wellen von zwei oder mehr verschiedenen Schwingungsarten aufrechterhalten werden können, deren Frequenzen die Gleichung (1) be- friedigen. DerResonanzhohlraum ersetzt dabei die verschiedenen Maschen der vorstehend erwähnten Netz- werke, und die verschiedenen stehenden Wellen ersetzen die Maschenströme sowie den Strom der Pumpleistungsquelle.
Das Zusammenwirken zwischen den verschiedenen stehenden Wellen wird durch die Präzession der Magnetisierung bewirkt, die innerhalb eines Körpers oder mehrerer Körper aus geeignetem ma-
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Pumpwelle einen gyromagnetischenEffekt zeigt, wenn es dem Einfluss eines in geeigneter Weise angeleg-' ten magnetischen Feldes unterliegt.
Der innere Mechanismus des ferromagnetischen Körpers, durch den das erforderliche Zusammenwirken zwischen den verschiedenen Schwingungsarten gewährleistet wird, beruht auf bestimmten anormalen ferromagnetischen Resonanzerscheinungen, die in verschiedenen, starken hochfrequenten Feldern ausge- setzten Materialien, insbesondere in den Ferriten auftreten. Diese anormalen Erscheinungen sind In der wissenschaftlichen Literatur mehrfach behandelt worden. Beispielsweise findet sich eine Diskussion für den Fall dersubharmonischenResonanz in einem Aufsatz von H. Suhl in der Zeitschrift "Physical Review", 1956, Bd. 101, S. 1437.
In diesem Aufsatz wird der innere Mechanismus der Ferrite behandelt, der für
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of Ferrites at High Microwave Signal Levels" in der Zeitschrift "Proceedings of the Institute of Radio Engineers", 1956, Bd. 44, S. 1270, mathematisch behandelt.
Nach der österr. Patentschrift Nr. 204603 werden nun bei Wanderwellenverstärkern die Prinzipien des Zusammenwirkens zwischen verschiedenen Frequenzen auf Schwingungen angewendet, von denen eine durch Modulation einer zu verstärkenden Signalwelle entsteht oder von einer solchen Modulation abgeleitet wird und. die andere von einer Pumpleistungsquelle herrührt. Dabei wird ein erster langgestreckter, eine Welle aufrechterhaltender Fortpflanzungsweg, z. B. eine normale Übertragungsleitung oder eine Hohlleitung, vorgesehen, die als Signalleitung bezeichnet sei sowie ein zweiter Weg, z. B. eine zweite Übertragungsleitung oder eine Hohlleitung, die als Blindleitung bezeichnet sei und sich nahe der ersten Leitung, dieser gegenüberliegend, erstreckt.
Diese beiden Leitungen sind eng miteinander gekoppelt, u. zw. entweder nur an einzelnen Stellen oder kontinuierlich über ihre ganze Länge ; hiezu dient eine Vielzahl von örtlich konzentrierten, veränderbarenreaktanzelementen bzw. ein kontinuierlich veränderbares Reaktanzmedium. Jede dieser Leitungen ist reflexionsfrei abgeschlossen und kann daher eine fortschreitende Welle führen, ohne dass zugleich eine stehende Welle auftritt. In die Signalleitung wird ein Signal mit einer ersten Frequenz eingeführt und die Reaktanzelemente bzw. das Reaktanzmedium werden mit einer zweiten Frequenz und einer solchen Phasenbeziehung geändert, dass die Reaktanzänderung selbst in Form einer Wanderwelle stattfindet.
Eine günstige Möglichkeit zur Erzielung einer solchen Wanderwelle derReaktanz- änderung besteht darin, einen dritten langgestreckten Wellenweg, z. B. eine dritte normale Übertra- gungsleitung oder Hohlleitung, vorzusehen, der den verschiedenen veränderbaren Reaktanzelementen bzw. den aufiinanderfolgendenteilen des kontinuierlichenReaktanzmediums eine reaktanzändemde Wel- le zuführt. Überdies wird ein aiisgewähltes Modulationsprodukt des Zusammenwirkens zwischen der Signalwelle und der veränderbaren Reaktanzwelle, das als Blindwelle bezeichnet sei, längs des langgestreckten zweiten Wellenweges fortgeleitet, um eine zusätzliche Kopplung zwischen den Wellen zu vermitteln.
Die österr. Patentschrift Nr. 204603 beschreibt ein Verstärkersystem mit einem langgestreckten Bauteil, über den eine Blindwelle wandert, so dass insgesamt drei Frequenzen miteinander verkoppelt sind ; die
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Frequenz der Blindwiderstandsänderung muss dabei höher als die Signalfrequenz sein. Diese Frequenzbedingung führt häufig zu grossen Schwierigkeiten. Beispielsweise wäre bei dem erwähnten System zur Verstärkung einer 3 cm-Welle für die Blindwiderstandsänderung eine Energiequelle erforderlich, deren Wellenlänge noch kürzer als 3 cm ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Wanderwellenverstärker der geschilderten allgemeinen Art, der aber so aufgebaut ist, dass in ihm wenigstens zwei ausgewählte Blindwellen auftreten und daher vier oder mehr Frequenzen miteinander verkoppelt sind, wodurch erreicht wird, dass die Frequenz der Energiequelle, die zur Blindwiderstandsänderung dient, niedriger als die Frequenz der Signalwelle sein kann. Es gilt also für die erfindungsgemässen Verstärker nicht die vorstehend erwähnte, ungünstige Bedingung hinsichtlich der für die Blindwiderstandsänderung erforderlichen Frequenz.
Beispielsweise kann in einem mit Vierfrequenzbetrieb arbeitenden Verstärkersystem gemäss der Erfindung eine Verstärkung einer 3 cm-Welle unter Verwendung einer zur Blindwiderstandsänderung dienenden Energiequelle (Pump- generator) bewirkt werden, deren Wellenlänge grösser als 3 cm ist.
Ein erfindungsgemässes Verstärkersystem unterscheidet sich demnach von den schon erläuterten Verstärkersystemen mit Dreifrequenzbetrieb dadurch, dass die Frequenz f. der Signalwelle höher als die
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und fB2fp = fBl + fB2 und = p + Bl erfüllen, wodurch diese Wellen von einem Ende des langgestreckten Bauteiles zum andern hin wandern und bei ihrer Wanderung amplitudenmässig anwachsen, wobei am andern Ende des langgestreckten Bauteiles Anschlüsse zur Auswertung einer dieser Wellen vorgesehen sind.
Allgemein gilt, dass die Signalfrequenz um so weiter oberhalb der Frequenz der Reaktanzänderung liegen kann, je grösser die Anzahl der verschiedenen, zum Verstärkerbetrieb beitragenden Frequenzen ist.
Es wurde gefunden, dass die günstigsten Ergebnisse bei Ausführungsformen der Erfindung erzielt werden. bei welchen unerwünschte Modulationsprodukte oder Spiegelwellen (d. h. Wellen. die von der Signalwelle, der Pumpwelle und den erwünschten Blindwellen verschieden sind) unterdrückt werden. Für diesen Zweck können mit Vorteil Filter und insbesondere Bandsperren jener Art angewendet werden, die in dem Aufsatz "Filter Helix Traveling Wave Tube"von WJ. Dodds und R. W. Peter in der Zeitschrift"RCA Re- view", 1953, Band 14, Nr. 4. beschrieben sind.
Die Erläuterung der Erfindung dürfte sich vereinfachen, wenn zunächst ein parametrisches Verstärkersystem mit drei verkoppelten Frequenzen behandelt und hernach die speziellen Verbesserungen erörtert werden, die sich ergeben, wenn erfindungsgemäss vier Frequenzen in einem parametrischen Verstärkersystem verkoppelt sind.
Der grösste Teil der nachfolgenden Beschreibung ist für beide Ausführungsformen von parametrischen Verstärkungssystemen anwendbar. Wenn dies nicht gilt, wird ausdrücklich darauf verwiesen.
Wenn ein Signal mit der Frequenz f in den Signalweg eines erfindungsgemässen Verstärkersystems mit drei Frequenzen eingeführt wird, während der bereits erwähnte dritte Übertragungsweg mit einer Energie der Frequenz fp versorgt wird, so zeigt sich, dass, während das Signal von den Eingangsklemmen des
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genügtösterr. Patentschrift Nr. 204603, und die Amplitude der Signalwelle wächst während deren Wanderung an, so dass im ausgangsseitigen Verbraucher ein Signal auftritt, das ein verstärktes Ebenbild des Eingangssignales ist.
Gleiches gilt auch für die Blindwelle, so dass gegebenenfalls das Ausgangssignal auch vom Blindweg abgeleitet werden kann, wobei sich dann ein Übergang von der Frequenz f auf die Fre-
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"1sichtlich der Bandbreite des Verstärkers die günstigsten Ergebnisse bei und
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Damit die Signalwelle bei diesen parametrischen Verstärkungssystemen bei der Wanderung der Welle anwächst, muss ihr von Punkt zu Punkt längs ihres Wanderweges Energie zugeführt werden. Diese Energie wird von einem Generator geliefert. der die Welle für die Reaktanzänderung einführt. Deshalb sei dieser
Generator als "Pumpgenerator" bezeichnet und die Welle der Reaktanzänderung als "Pumpwelle".
Wie schon erläutert worden ist, wandert diese Pumpwelle längs der Übertragungsleitung oder eines Wellenleiters vom Generator zum andern Ende der Leitung. Um das Auftreten von rückläufigen Pumpwellen zu verhindern, muss die Pumpleitung durch eine Impedanz abgeschlossen sein, welche gleich dem Wellenwiderstand der Pumpleitung ist. Diese Impedanz kann durch einen gewöhnlichen Widerstand gebildet wer- den, doch wird dann Pumpleistung in diesem Widerstand vernichtet. Diese Leistungsverminderung dient keinem nützlichen Zweck und soll deshalb auswirtschaftlichenGründen nach Möglichkeit vermieden werden. Es wird deshalb zweckmässig die ausgangsseitig auftretende Pumpleistung zu den Eingangsklemmen der Pumpleitung zurückgespeist, wobei an den Ausgangsklemmen der Pumpleitung die angepasste Impedanz der Eingangsseite der Pumpleitung wirksam wird.
Es ist schon erwähnt worden, dass bei einer Wanderwellenröhre jener Type, bei welcher ein Zusammenwirken einer vorwärts wandernden elektromagnetischen Welle und einer Elektronenströmung stattfindet, das Auftreten einer rückläufigen Welle an sich unschädlich ist, weil diese nicht mit der Elektronenströmung zusammenwirkt. Dies gilt auch im Falle der vorliegenden Erfindung. Nimmt man nämlich an, dass die Signalwelle und die Blindwelle bzw. Blindwellen nur vorwärts wandernde Komponenten haben, so kann die Pumpwelle eine erhebliche rückläufige Komponente aufweisen, ohne dass hiebei ein schädliches Zusammenwirken mit der Signalwelle oder der Blindwelle stattfindet. Hat die Pumpwelle vorwärts- und rückwärts wandernde Komponenten erheblichen Betrages, so ergibt sich insgesamt eine stehende Welle.
Es kann demnach die Pumpleistung an die wandernde Signalwelle und an die Blindwelle auch von einer stehenden Pumpwelle her geliefert werden. Diese Bedingungen können dadurch verwirklicht werden, dass am Ende des Pumpwellenweges ein reflektierender Abschluss vorgesehen wird. Auch diese Massnahme dient, wie die früher erläuterte Rückspeisung, dem Zweck der Einsparung von Pumpleistung.
Bei. einem Verstärker für relativ niedrige Frequenzen, d. h. für Frequenzen im Bereich von 60 Hz bis 1 MHz, kann der Bauteil längs dessen die Wanderwelle fortschreitet, durch eine Vielzahl von gleichen, getrennt aufgebauten Schaltungsabschnitten gebildet sein, die alle konzentrierte Induktivitäten und Kapazitäten enthalten, wobei dann die veränderlichen Parameter, welche die Kopplung zwischen den Wellenwegen bewirken, je nach den Umständen bevorzugt kapazitiver oder induktiver Art sein können.
Eine veränderbare Kapazität kann durch eine Reaktanzröhre oder durch eine PN-Halbleiterdiode gebildet werden,. die durch eine Gleichspannung in Sperrichtung vorgespannt ist, während als veränderba- reInduktivität eine auf einen sättigbàrenKern gewickelte Spule verwendbar ist.
Für Frequenzen in einem Bereich, in dem Schaltelemente dieser Art bereits untauglich sind, können die Wege für die Signal- und die Blindwellen durch zwei offene Übertragungsleitungen oder durch zwei verschiedene Schwingungsarten in einem oder mehreren Wellenleitern gebildet werden, wobei dann die gegenseitige Kopplung entweder durch einen geeigneten angeordneten Stab oder Kern aus Ferritmaterial bewirkt wird, wie dies nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch genauer erläutert wird, oder aber durch eine Aufeinan-
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den Drähte der Signalleitung können in einer horizontalen Ebene und die beiden Drähte der Blindleitung in einer vertikalen Ebene in der Mitte zwischen den ersterwähnten beiden Drähten angeordnet sein, so dass die vier Drähte im Querschnitt gesehen an den vier Ecken eines Rechteckes liegen.
Als Pumpleitung kann ein kreisförmiger Hohlleiter : verwendet werden, welcher diese Drähte und den koppelnden Ferrit umgibt. Bei einer ändern Ausführungsform können die Signal- und die Blindwelle als elektromagnetische Felder gekreuzterSchwingungsarten in einem gemeinsamen Hohlleiter rechteckigen Querschnittes nebeneinander bestehen, wobei an diesen Hohlleiter ein zweiter Hohlleiter rechteckigen Querschnittes mit Hilfe eines gemeinsamen Längsschlitzes an benachbarten Wandungen angekoppelt ist. Die Kopplung zwischen den verschiedenen Schwingungsarten kann durch einen Stab aus Ferritmaterial bewirkt werden,
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welcher diesen Schlitz ausfüllt und sich von einem zum andern Ende desselben erstreckt.
In beiden Fällen wird der Ferritstab einem stationären Magnetfeld ausgesetzt, das beispielsweise durch einen aussenliegen- den Magneten erzeugt werden kann. Die Stärke dieses Feldes wird nach bekannten Prinzipien so eingere- gelt, dass ein anormales Resonanzphänomen entsteht, welches in einem gewünschten Teil des Frequenz- bereiches eine Kopplung zwischen den verschiedenen Schwingungsarten herbeifuhrt.
Alle Ausführungsformen des Dreifrequenzsystetns mit variabler Induktivität und alle Varianten dieses
Systems erfüllen die folgenden Kopplungsbedingungen :
1. der magnetische Vektor einer der beiden Wellen niedrigerer Frequenz (f oder f2) hat eine parallel zum stationären Magnetfeld verlaufende Komponente ;
2. der magnetische Vektor der andern der beiden Wellen niedrigerer Frequenz (f. oder f hat eine
Komponente, die senkrecht zum stationären Magnetfeld verläuft und
3. der magnetische Vektor der Pumpwelle hat eine senkrecht zum stationären Magnetfeld verlaufen- de Komponente.
Das Kopplungsmaterial soll bei Anwendung der mit variablen Induktivitäten arbeitenden para- metrischen Verstärkungssysteme das erläuterte Resonanzverhalten zeigen ; beispielsweise ist hiefür ein
Manganferrit hohen spezifischen Widerstandes verwendbar. Je schärfer die ferromagnetische Resonanzab- sorptionslinie des Materialist, umso günstiger ist die Arbeitsweise des Wanderwellenverstärkers, insbesondere hinsichtlich des Pumpleistungsbedarfs. Dementsprechend werden für diesen Zweck wegen ihrer ausserordentlich scharfen Resonanzlinien Yttrium-Eisen-Granate und seltene Erden-Eisen-Granate bevorzugt.
Bei einem mit stehenden Wellen arbeitenden ferromagnetischen Verstärker gemäss der österr. Patentschrift Nr. 206022 sind die Bauteile so gewählt, dass die Frequenzen der verschiedenen stehenden Wellen bzw. Schwingungsarten zueinander in harmonischer Beziehung stehen. Dieses Erfordernis gilt nicht für die mit Vierfrequenzbetrieb arbeitenden Verstärker gemäss der vorliegenden Erfindung. Im Gegenteil, können hiebei die verwendeten Frequenzen zueinander inkommensorabel sein. Dieser Umstand bietet den Vorteil, dass beliebige Harmonische einer Welle, die allenfalls durch unerwünschte Sekundäreffekte entstehen, nicht mit der gewünschten Signalwelle vermischt werden können.
Überdies ist die Arbeitsweise der ferromagnetischen Verstärker mit stehenden Wellen gemäss der österr. Patentschrift Nr. 206022 an die Bedingung gebunden, dass die Pumpleistung des Verstärkers unter dem Schwellenwert der Instabilität gehalten wird, weil andernfalls ungedämpfte Eigenschwingungen auftreten, welche das zu verstärkende Signal überdecken. Bei den hier behandelten parametrischen Verstärkern besteht keine solche Schwelle der Instabilität und dementsprechend haben diese Verstärker auch nicht das Bestreben. in Eigenschwingungen überzugehen. Dies beruht auf dem Wanderwellencharakter der Energie.
Ein Zuwachs der Wellenenergie, der in einem Punkt des Systems auftritt und, falls er auf diesen Punkt beschränkt bliebe. eine Eigenschwingung herbeiführen würde, wird nämlich unmittelbar wieder entzogen, wenn die Wanderwelle zu einem andern Punkt des Systems fortschreitet. Mit ändern Worten wächst die Signalwelle räumlich, nicht aber zeitlich an. Der Verstärker hat daher einen hohen Stabilitätsgrad.
Bei den hier behandelten parametrischen Verstärkern erfolgt der Verstärkerbetrieb ohne Anwendung von Glühkathoden bzw. ohne Anwendung eines Ladungstransportes über Halbleiter. Es fehlen daher alle Quellen von Rauschspannungen, und das einzige Rauschen, das in das Signal im Verlauf seiner Verstärkung eingeführt werden kann, ist das sogenannte Johnson-Rauschen, welches auf der Tatsache beruht, dass sich die Schaltelemente und insbesondere der Verbraucher gegenüber dem absoluten Nullpunkt auf einer erhöhtenTemperatur befinden. Diese einzige Rauschquelle kann weitgehend durch eine Unterktihlung des gesamten Verstärkers herabgesetzt werden. Da die Hauptquelle des Rauschens der Verbraucher ist, wird aber bevorzugt nur dieser unterkühlt und mit Hilfe eines Transformators an den Verstärker angekoppelt.
Die besondere Ausbildung eines erfindungsgemässen Vierfrequenzsystems als Verbesserung der Dreifrequenzsysteme nach der österr. Patentschrift Nr. 204603 wird im Anschluss an die vorbereitende ausführliche Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen von Dreifrequenzsystemen anHand der Zeichnungen nach Erläuterung der zum Übergang auf Vierfrequenzsysteme erforderlichen Änderungen leicht verständlich sein ; abschliessend wird ein Vierfrequenzsystem nach der Erfindung ausführlich beschrieben werden.
Fig. 1 zeigt das schematische Schaltbild eines Wanderwellenverstärkers nach der österr. Patentschrift Nr. 204603 mit aus konzentrierten Schaltelementen gebildeten Übertragungswegen, die durch ver- änderbare Induktivitäten miteinander gekoppelt sind. Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild einer Ab- änderung des Verstärkers nach Fig. l, bei welcher die Kopplung zwischen den beiden Übertragungswegen durch veränderbare Kapazitäten erfolgt. Fig. 3 ist eine teilweise im Schnitt gehaltene perspektivische
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Darstellung eines als Dreifrequenzsystem ausgebildeten Wanderwellenverstärkers mit zwei Hohlleitern rechteckigen Querschnitts, bei denen eine Kopplung mit verteilten Konstanten vorgesehen ist.
Fig. 4 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung eines gemäss der Erfindung als Vierfrequenzsystem ausgebildeten Wanderwellenverstärkers, bei dem zwei Leiterpaare innerhalb eines kreisförmigen Hohlleiters angeordnet und miteinander durch die Resonanzerscheinungen in einem ferromagnetischen Material gekoppelt sind.
Fig. 1 zeigt einen Wanderwellenverstärker mit drei langgestreckten Wellenübertragungswegen, von denen jeder eine Übertragungsleitung umfasst, die so dimensioniert ist, dass sie eine Wanderwelle geeigneter Frequenz aufrechterhalten, kann. Die erste Leitung oder Signalleitung 1 besteht aus einer Gruppe von gleichen, in Kette geschalteten Filterabschnitten, die Induktivitäten L und Kapazitäten C enthalten. Diese Leitung wird an ihren. Eingangsklemmen von einem Generator 5 mit der Frequenz f1 gespeist und ist an ihren Ausgangsklemmen mit einer Lastimpedanz 6 angepasst abgeschlossen.
Die zweite Leitung 2, die alsBlindleitung bezeichnet sei, hat ähnlichen Aufbau, nur dass die Induktivitäten der einzelnen Abschnitte
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Wert L,duktivität L. der dritten Leitung 3 geschaltet. Diese dritte Leitung, die als Pumpleitung bezeichnet sei, wird an ihren Eingangsklemmen durch einen Pumpgenerator 9 über gerichtete Übertragungsglieder (Ver- stärker) 10, 11 mit der Frequenz f gespeist. Die Ausgangsklemmen sind über einen Rückkopplungsweg 12, der ebenfalls ein gerichtetes Übertragungsglied 13 enthält, mit den Eingangsklemmen dieser Leitung ver- bunden. An den Ausgangsklemmen der Pumpleitung 3 ist daher die Eingangsimpedanz der gleichen Leitung als angepasste Abschlussimpedanz wirksam.
Dies dient zur Vermeidung des Verlustes jener Energie, die ansonsten vom Pumpgenerator in einen Abschlusswiderstand der Pumpleitung geliefert werden müsste, damit an dieser dritten Leitung ebenso wie an den ersten beiden Leitungen 1 und 2Wanderwellen aufrechterhalten werden können.
Im Betrieb des dargestellten Dreifrequenzsystems wird vom Pumpgenerator 9 Energie der Frequenz f in die dritte Leitung 3 eingespeist und diese Energie wandert längs der Leitung 3 in Form einer Welle unS bewirkt durch teilweise Sättigung der Kerne in den aufeinanderfolgenden Transformatoren 8 eine Veränderung der Gegeninduktivität, welche die verschiedenen Abschnitte der Signalleitung 1 mit den entspre- chenden Abschnitten der Blindleitung 2 koppelt. Hiedurch entsteht eine Welle von Induktivitätsänderun- gen, welche sowohl längs der Signalleitung als auch längs der Blindleitung mit der in der Pumpleitung wirksamen Fortpflanzungsgeschwindigkeit wandert. Diese Fortpflanzungsgeschwindigkeit hängt von den Werten der Induktivitäten L3 und der Kapazitäten C ab.
Wenn unter diesen Voraussetzungen vom Signal-
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leg wird, wandert längs dieserLeitung von derenEingangsklemmen zu deren Ausgangsklemmen eine Welle, deren Amplitude von Abschnitt zu Abschnitt infolge der innerhalb der einzelnen Abschnitte vom Pumpgenerator 9 zugeführten Energie, die über die Transformatoren 8 übertragen wird, anwächst. Das Signal erscheint daher am Verbraucher 6 gegenüber dem vom Generator 5 abgegebenen Signal wesentlich verstärkt.
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zung von Energie mit dieser Frequenz bei geringen Verlusten zulässt, so entsteht in der Blindleitung eine Wanderwelle mit der Frequenz f, die von den Eingangsklemmen dieser Leitung, die offen sind und daher eine vollständige Reflexion bewirken, zu den Ausgangsklemmen verläuft, wo die Energie in der angepassten Abschlussimpedanz 7 vernichtet wird.
Das in dieser Abschlussimpedanz auftretende Signal Ist somit ebenfalls ein verstärktes Ebenbild des Signals des Generators 5. nur dass seine Frequenz vom Wert f1 auf den Wert f2 geändert ist. Falls zusätzlich zur Verstärkung eine Frequenzänderung des Signals erwünscht ist, kann also die Impedanz 7 statt der Impedanz 6 als eigentlicher Verbraucher benützt werden. Hinsichtlich der relativen Beträge von f1 und f2 besteht keine Beschränkung. Die Frequenzänderung kann da- her in Richtung zu höheren oder zu niedrigeren Frequenzen erfolgen, je nachdem, ob f grösser oder kleiner als 2f gewählt wird.
Überdies besteht die Neigung zum Auftreten einer Energie mit einer Frequenz, die gleich der Summe
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aus Signal- und Pumpfrequenz ist. Bevorzugt wird aber die Blindleitung so dimensioniert, dass sie die Übertragung dieser Energie unterbindet, so dass sich keine Welle von Summenfrequenz ausbilden kann.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführung eines Wanderwellenverstärkers mit Dreifrequenzbetrieb, bei welcher die Signalleitung 1 und die Blindleitung 2 in gleicher Weise wie die entsprechenden Leitungen in Fig. 1 ausgebildet sein können. Jeder Abschnitt dieser Leitungen ist mit dem entsprechenden Abschnitt der andern Leitung durch eine veränderbare Kapazität 8a gekoppelt, die zweckmässig auf elektronischem Wege, d. h. mit einer sogenannten Reaktanzröhre, hergestellt wird. Die wirksame Kapazität dieses Netzwerkes wird durch einen Transformator 8b in die Signalleitung und durch einen weiteren Transformator 8c in die Blindleitung eingeführt. Die Eingangsklemmen der veränderbaren elektronischen Kapazität 8a sind in jedem Leitungsabschnitt mit der Induktivität L. eines Abschnittes der dritten Leitung 3, also der Pumpleitung, verbunden.
Die Ausgangsklemmen der Pumpleitung stehen über einen Rückkopplungsweg 12, der gerichtete Übertragungsglieder 11 und 13 enthält, mit deren Eingangsklemmen in Verbindung. Wie bei der Schaltung nach Fig. 1 ist daher an den Ausgangsklemmen der Pumpleitung die angepasste Impedanz wirksam, die von den Eingangsklemmen der gleichen Leitung dargeboten wird.
Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist, von untergeordneten Abweichungen abgesehen, gleich jener der Schaltung nach Fig. 1. Wenn vom Pumpgenerator 9 Energie mit der Frequenz f an die dritte Leitung 3 angelegt wird, so wandern längs der Signalleitung 1 und der Blindleitung 2 Wellen von Kapazitätsänderungen mit einer Wellengeschwindigkeit, die der Wellengeschwindigkeit in der Pumpleitung 3 entspricht, welche ihrerseits von den Werten der Induktivitäten L und der Kapazitäten Cs je Abschnitt abhängt.
Wenn nun von der Signalquelle 5 ein Signal mit der Frequenz f1 an die Signalleitung 1 angelegt wird, so wandert dieses von den Eingangsklemmen der Signalleitung 1 als Wanderwelle zu den Ausgangsklemmen dieser Leitung, und infolge der Kapazitätsänderungen wächst die Amplitude des Wanderwellensignals von Abschnitt zu Abschnitt auf dem Wege von der Quelle 5 zum Verbraucher 6. Auf diese Weise wird am Verbraucher 6 ein verstärktes Ebenbild des Eingangssignals erhalten. Wie schon in Verbindung mit Fig. 1 erläutert worden ist, entsteht ferner in der Blindleitung 2 eine Blindwelle mit der Frequenz f. die mit erheblicher Stärke auf die Lastimpedanz 7 wirkt. Falls ausser einer Verstärkung auch
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Stelle des Signals an der Impedanz 6 das Signal an der Impedanz 7 ausgewertet werden.
Auch bei dieser Schaltungsanordnung empfiehlt es sich, die Ausbildung der andern Hauptprodukte der durch das Zusammenwirken von Signal- und Pumpfrequenz verursachten Modulation möglichst gering zu halten.
Es soll nun analytisch nachgewiesen werden, dass die wandernde Signalwelle Infolge der Einführung der vom Pumpgenerator gelieferten Energie während ihrer Wanderung exponentiell anwächst. Diese Analyse soll beispielsweise für die Schaltung nach Fig. 2 durchgeführt werden, bei welcher die Kopplung zwischen den T'erschiedenen Übertragungsleitungen mit Hilfe gemeinsamer Kapazitäten stattfindet. Der Reziprokwert dieser Kapazitäten sei mit g (z, t) bezeichnet. Die Signalleitung 1 habe eine Phasenkonstante (' (1 und bei der Kreisfrequenz wu des Wellenwiderstand , .
Die Blindleitung 2 habe eine Phasenkonstante a2 und bei der Kreisfrequenz widen Wellenwiderstand Z. Es gilt somit
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Die Signalleitung 1 wird an ihrem Eingang durch die Signalquelle 5 erregt. Zur Erzielung günstigster Resultate soll die Blindleitung 2 am eingangsseitigen Ende offen und am ausgangsseitigen Ende, wie in der Zeichnung dargestellt, mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen sein. Bei Vorhandensein der veränderlichen Kapazität g (z, t) ergeben sich die Gleichungen des gekoppelten Systems wie folgt
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HierinbedeutenV1 und 11 denStrom bzw. die Spannung an der Signalleitung und V2 und 12 den Strom bzw. die Spannung an der Blindleitung.
Mit z ist die Ortskoordinate längs dieser Leitungen, gemessen in der Fortpflanzungsrichtung der Wellen, und mit t die Zeit bezeichnet. Die Ausdrücke, welche g (z, t) enthalten, sind die Kopplungsterme, welche für die Arbeitsweise des Systems massgeblich sind. Um die Analyse zu erleichtern, sei angenommen, dass g (z, t) eine sinusförmige Welle darstellt, d. h. folgende Form hat :
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DieGleichung (11) besagt, dass der koppelnde Blindwiderstand durch eine Wanderwelle mit einer Phasenkonstante α und einer Kreisfrequenz w, die längs der Pumpleitung 3 fortschreitet, geregelt und insbesondere sinusförmig geändert wird.
Die nachfolgende Betrachtung sei zunächst auf Dreifrequenzsysteme beschränkt, bei welchen die Wellen mit der Kreisfrequenz M an der Signalleitung l und die Wellen mit der Kreisfrequenz #2 auf der Blindleitung 2 mit der Kreisfrequenz w der Pumpwelle in der Beziehung
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stehen. Aus den Gleichungen (6) und (8) ist erkennbar, dass Wellen anderer Frequenzen ausser Synchronismus mit den übrigen Termen der Gleichungen sind und daher keine wesentlichen Effekte ergeben können.
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IÄhnliche Gleichungen können für 11* (z, t) und I, (z, t) einfach durch Vertauschen der Indizes 1 und 2 in den Gleichungen (15) und (16) angeschrieben werden. Der Index * bedeutet hier die komplex konjugier- te Grösse.
In den Gleichungen (15) und (16) sind die Terme auf der rechten Seite Kopplungsterme. Falls diese nicht vorhanden wären, würde jede Gleichung nur eine Variable enthalten und die bekannte Wellengleichung in der vereinfachten Form darstellen, in der die Einflüsse von Widerständen vernachlässigt sind. Falls zu dieser Gleichung ein Term hinzugefügt wird, der den Einfluss von Widerständen berücksichtigt, so ergibt sich die bekannte Lösung :
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worin A und B willkürlich wählbare Konstanten sind. Es ist bemerkenswert, dass die nach vorne wandernde Welle, welche durch den ersten Term dargestellt wird, ortsabhängig exponentiell abnimmt, wogegen die scheinbar ortsabhängig anwachsende, durch den zweiten Ausdruck dargestellte Komponente eine rückwärts wandernde Welle ist.
Da eine solche rückläufige Welle normalerweise von einer Reflexion am aus- gangsseitigen Abschlusswiderstand herrührt, nimmt sie allerdings ebenfalls in ihrer Wanderungsrichtung ab.
Im Falle eines angepassten Abschlusses wird die Konstante B gleich Null und die Lösung besteht nur aus dem ersten Term, der eine nach vorne wandernde Welle angibt, die während ihrer Wanderung schwächer wird.
Unter den Voraussetzungen, dass (a) die Signalleitung und die Blindleitung reflexionsfrei abgeschlossen sind, so dass rückläufige Wellen auf diesen Leitungen nicht berücksichtigt werden müssen, und dass (b) die Kopplungsterme als Störungen behandelt werden, deren Einfluss innerhalb kurzer Zeit oder kurzer Strecken gering ist, und dass (c) die Beziehung
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+ "z = " (2)gilt, die durch entsprechende Bemessung der Induktivitäten und Kapazitäten der drei Leitungen leicht eingehalten werden kann, lässt sich für die Gleichungen (15) und (16) nach bekannten Verfahren eine Lösung angeben, nach welcher die nach vorne laufende Welle auf der Signalleitung durch die Beziehung
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gegeben ist. Ähnliche Gleichungen lassen sich auch für V1' und V2 angeben.
Hiebei ist a eine willkürliche Kontante, die je nach der Amplitude und der Phase der Signalwelle festgelegt werden kann, und
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Die Gleichung (17a) zeigt, dass im Gegensatz zu der nach vorne wandernden Stromwelle auf einer gewöhnlichen Übertragungsleitung die nach vorne wandernde Signalstromwelle auf der Signalleitung 1 des erfindungsgemässen Systems aus zwei Komponenten zusammengesetzt ist, die mit gleicher Geschwindigkeit nach vorne wandern und von denen die eine abnimmt, die andere hingegen anw : chst. Die entspre- chenden Gleichungen führen zu dem gleichen Ergebnis für die Signalspannungswelle und für die Stromund Spannungswelle auf der Blindleitung 2.
Bei Leitungen, die mehrere Wellenlängen lang sind, sinkt die abnehmende Komponente in jedem Falle bis zum Verbraucher 6 oder 7 auf einen so niedrigen Wert ab, dass sie gegenüber der zunehmenden Komponente vernachlässigt werden kann.
Eine ähnliche Analyse zeigt, dass bei Anwendung einer stromabhängigen Induktivitätsänderung gemäss Fig. 1 an Stelle einer spannungsabhängigen Kapazitätsänderung gemäss Fig. 2 analoge Ergebnisse erhalten werden. Durch eineetwas kompliziertere Analyse lässt sich ferner beweisen, dass bei geeigneter Wahl der Phasenbeziehungen ein noch rascheres ortsabhängige Anwachsen der Wanderwelle erreicht werden kann, wenn Induktivitäten und Kapazitäten gleichzeitig geändert werden. Hiezu müssen die Änderungen der Serieninduktivitäten in Gegenphase zu den Änderungen der Nebenschlusskapazitäten erfolgen.
Eine weitere analoge Analyse zeigt, dass für den allgemeinen Fall
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Fig. 3 zeigt ein weiteres Dreifrequenzsystem, bei dem die Signalwelle durch eine Schwingungsart innerhalb eines einseitig leerlaufenden Hohlleiters 31 rechteckigen Querschnittes und die Blindwelle durch eine andere Schwingungsart innerhalb des gleichen Hohlleiters gebildet werden, wobei diese letzte- re Schwingungsart die erstgenannte vorzugsweise im Hohlleiter räumlich kreuzt. Die Schleifen der ma- gnetischen Vektoren einer dieser Schwingungsarten können parallel zu den in der Zeichnung horizontal liegenden breiteren Seitenflächen des Hohlleiters verlaufen, wobei dann die magnetischen Vektorschlei- fen der andernSchwingungsart parallel zu den schmäleren. in der Zeichnung vertikalen Seitenwänden lie- gen.
Der dritte Weg, der die Pumpwelle führt, kann durch einen zweiten Hohlleiter 32 gebildet werden, dessenAbmessungenk1einer als jene des ersten Hohlleiters 31 sind und der durch einenschlitz angekoppelt ist, der sich in einer gemeinsamen Wandung der beiden Hohlleiter von einem Ende zum andern Ende des- selben erstreckt. Die Kopplung zwischen den verschiedenen Schwingungsarten kann durch einen Stab 33 aus Ferritmaterial bewirkt werden, der innerhalb dieses Schlitzes von einem Ende zum andern hin verläuft und den Schlitz vollständig ausfüllt.
Die erforderliche magnetische Vorspannung, durch die das Material des Ferritstabes in einem geeigneten Teil des Frequenzbereiches inResonanz versetzt wird, kann durch ein magnetisches Querfeld geeigneter Stärke erzeugt werden, welches von einem Magneten herrührt, dessen
Pole N und S in der Zeichnung angedeutet worden sind. Es ist erkennbar, dass der Verlauf dieser drei Ma- gnetfelder innerhalb des vomKopplungsstab 33 eingenommenen Volumens so gewählt ist. dass die einlei- tend angegebenen Kopplungsbedingungen erfüllt werden.
DerSignalgenerator 5 ist z. B. ungefähr an die Mittelpunkte der oberen und unteren Flächen des grö- sseren Hohlleiters 31 an dessen eingangsseitigem Ende angeschlossen. Ferner ist ein Pumpgenerator 9 dar- gestellt, der in ähnlicher Weise mit den oberen und unteren Flächen des kleineren Hohlleiters 32 in Ver- bindung steht. Das ausgangsseitige Ende des grösseren Hohlleiters ist für die Signalwelle mit Hilfe einer
Verbraucherimpedanz, in der das verstärkte Signal auftritt, angepasst abgeschlossen. Der Hohlleiter 31 ist ferner auch mit einem Lastwiderstand 7 für die Blindwelle abgeschlossen. Das ausgangsseitige Ende des Hohlleiters 32 für die Pumpwelle ist aus Gründen der Einfachheit der Darstellung in ähnlicher Weise mit einer angepassten Abscl1lussimpedanz 24 ausgestattet.
Aus wirtschaftlichen Gründen empfiehlt es sich aber, den Verlust von wesentlichen Teilen der Pumpleistung in einer solchen Impedanz 24 zu vermeiden.
Dies kann dadurch geschehen, dass man eine geschlossene Pumpwellenleitung anwendet, in der eine stehende Welle vorhanden ist, oder dass man die in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 erläuterten Rückkopplungsmassnahmen verwertet.
Bisher wurden hauptsächlich Verstärkersysteme mit langgestreckten Bauteilen behandelt, in welchen drei Wellen (die zueinander in solcher Beziehung stehen, dass die Frequenz der Pumpwelle gleich der Summe der Frequenzen von Signalwelle und Blindwelle ist) miteinander durch variable Reaktanzen gekoppelt sind, d. h. Verstärkersysteme mit Dreifrequenzbetrieb. Die erläuterten Prinzipien lassen sich abererfindungsgemäss auch auf parametrische Wanderwellenverstärker anwenden, bei welchen eine Signalwelle, eine Pumpwelle und-zwei oder mehr Blindwellen verkoppelt sind, wobei insbesondere die Frequenz der Pumpwelle kleiner als jene der Signalwelle ist, so dass sich allgemein ein n-Frequenzsystem ergibt.
Zur genaueren Erläuterung der Erfindung soll nun das Beispiel eines Vierfrequenzsystems behandelt werden. Insbesondere wurde gefunden, dass eine Verstärkung in einem System gemäss den Prinzipien der Erfindung erzielt werden kann, wenn in dem System bei Zuführung einer Signalwelle und einer Pumpwel-
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und fB2 dieten, von denen eine in der unteren Leitung (Signalleitung) und eine weitere in der oberen Leitung (Blindleitung) fortschreitet. Die Blindwelle in der Signalleitung sei als"erste"Blindwelle bezeichnet. Sie dient als effektive Eingangswelle für den parametrischen Verstärkerteil des Systems.
Die Welle, welche in der oberen Leitung auftritt, sei als"zweite"Blindwelle bezeichnet ; sie dient dem gleichen Zweck wie die einzige Blindwelle beim Dreifrequenzsystem. Bei dieser modifizierten Schaltungsanordnung wirken also Wellen von vier verschiedenen Frequenzen über veränderbare Reaktanzen zusammen.
Die ersten Anforderungen, die für einen erfolgreichen Vierfrequenzbetrieb erfüllt werden müssen, sind die folgenden Frequenzen-und Phasenbeziehungen :
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rameter nach Fig. 1 die folgende Beziehung erfüllen sollen :
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worin Z und Z-die Wellenwiderstände der Signalleitung bei der Signalfrequenz und der Blindleitung bei der Frequenz der zweiten Blindwelle sind. Die Erfüllung der Gleichung (23) ist nicht notwendig, wenn n den Wert 3 hat oder eine ungerade Zahl ist ; ebenso entfällt diese Bedingung bei den grösseren geradzahligen Werten von n.
Die in den Gleichungen (21), (22) und (23) ausgedrückten Bedingungen können einfach durch entsprechende Auswahl der Schaltelemente in Abhängigkeit von den Frequenzen der der modifizierten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zugeführten Wellen erfüllt werden.
Bei der hier erläutertenModifikation dei Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wandern eine amplitudenmässig anwachsende Signalwelle und eine ebenfalls anwachsende (erste) Blindwelle im Signalweg sowie eine amplitudenmässig anwachsende (zweite) Blindwelle im Blindweg. Im Signalweg befindet sich vorteilhaft ein Filter, das so bemessen ist, dass zum Abschlusswiderstand des Signalweges nur die Signalwelle gelangt. Anderseits kann das Filter aber auch so bemessen werden, dass es zum Abschlusswiderstand des Signalweges nur die (erste) Blindwelle überträgt. Gegebenenfalls kann das verstärkte Ebenbild der Signalwelle auf die Frequenz der zweiten Blindwelle geänderter Frequenz auch vom Blindweg entnommen werden.
Die in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 1 erläuterten Prinzipien lassen sich in gleicher Weise auch auf die Ausführungsform nach Fig. 2 anwenden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem mehr als eine Blindwelle angewendet wird, ist in Fig. 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird im Vierfrequenzbetrieb eine Verstärkung erhalten, wenn ausser den Beziehungen (21) und (22) auch die Beziehung (23) in modifizierter Form, nämlich in der Form
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sind, und für ungeradzahlige Werte von n nicht erfüllt zu sein. Unter Füllfaktor ist hier das Verhältnis jenes Teiles des magnetischen Feldes des Systems, welcher einen im System befindlichen ferromagnetischen Körper erfüllt, zu dem gesamten magnetischen Feld im System zu verstehen.
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Das in Fig. 4 dargestellte System enthält die Polstücke N und S eines Magneten sowie einen kreisför- migen Hohlleiter 43. Innerhalb des Hohlleiters 43 befindet sich ein Leitenystem, ähnlich dem in Fig. 3 gezeigten, dessen einzelne Leiter mit 41a, 41b und 42a, 42b bezeichnet sind und einerseits den Signal- weg, anderseits den Blindweg bilden. Die Leiterelemente 42a und 42b werden innerhalb des Hohlleiters 43 durch einen Körper 40 aus geeignetem Ferritmaterial gehalten, der seinerseits beispielsweise durch Ver- keilung Im Hohlleiter 43 befestigt ist.
Die Leiterelemente 41a und 41b werden innerhalb des Hohlleiters 43 durch Stützkörper 44 aus einem geeigneten dielektrischen Material, beispielsweise aus verschäumtem Kunststoff, festgehalten.
Das System nach Fig. 4 enthält ferner einen Generator 45 für die Zuführung einer Signalwelle zum
Signalweg, einen Generator 49 für die Zuführung von Pumpenergie zum Hohlleiter 43 und Abschlüsse für den Blindweg. den Signalweg und den Pumpweg. Diese Abschlüsse werden durch eine Impedanz 47, durch ein Filter 46a mit einer Abschlussimpedanz 46b bzw. durch eine Impedanz 48 gebildet.
Der in Fig. 4 dargestellte Ferritkörper 40 ist so geformt, dass der Füllfaktor des Blindweges grösser als der Füllfaktor des Signalweges ist ; es wurde gefunden, dass die dargestellte Anordnung dann die durch
Gleichung (23a) ausgedrückte Beziehung erfüllt. Überdies können durch geeignete Auswahl der Frequenzen der Signal- und der Pumpwelle unter Berücksichtigung der Bemessung des langgestreckten Bauteiles nach
Fig. 4 leicht die Gleichungen (21) und (22) erfüllt werden.
Wie im vorhergehenden Falle ist es wichtig, dass die Region, innerhalb welcher die verschiedenen
Wellen miteinander verkoppelt sind, eine Länge hat, die zumindest mehreren Wellenlängen der Signal- welle entspricht.
Wenn die Bedingungen (21), (22) und (23a) erfüllt sind, schreiten im System nach Fig. 4 eine an- wachsende Signalwelle sowie eine anwachsende Blindwelle im Signalweg 41 fort (das Filter 46a im Aus- gangskreis des Signalweges dient zur Sperrung der einen oder andern Welle vor der Impedanz 46b) ; ferner ergeben sich eine reaktanzändemde Welle längs des Hohlleiters 43 und eine amplitudenmässig anwachsen- de Blindwelle im Blindweg 42.
Das System nach Fig. 4 verkörpert nur eine Möglichkeit zur Befriedigung der Beziehung (23a) und es versteht sich, dass in ähnlicher Weise auch andere Bauformen zur Befriedigung dieser Beziehung heran- gezogen werden können ; die dazu erforderlichen Massnahmen sind dem Fachmann aus der Technik der Übertragungsleitungen bekannt. Beispielsweise kann die Beziehung (23a) bei einem Vierfrequenzsystem, bei dem das Gesamtvolumen innerhalb des Hohlleiters 43, ausgenommen den von den Leiterelementen der Signal- und der Blindleitung eingenommenen Raumteilen, von einem Ferritkörper eingenommen wird, ebenfalls erfüllt werden. Bei einem solchen System braucht zur Erfüllung der Gleichung (23a) nur eine entsprechende Auswahl der Durchmesser und Abstände der Elemente der Leiterpaare 41 und 42 getroffen zu werden.
Der langgestreckte Bauteil nach Fig. 3 kann in analoger Weise so modifiziert werden, dass er die Beziehungen\21), (22) und (23a) erfüllt, so dass auch in diesem Bauteil vier miteinander verkoppelte
Wellen fortschreiten. Ein dermassen modifizierter Bauteil kann so bemessen werden, dass der kleinere
Hohlleiter den Signalweg bildet und die wandernde Signalwelle die erste wandernde Blindwelle aufrecht- erhält, während der grössere Hohlleiter den Blindweg definiert und die zweite wandernde Blindwelle aufrechterhält.
Ebenso kann bei einem Vierfrequenzsystem der Reaktanzraum nur ein Paar getrennter Übertragungswege enthalten, zwischen welchen die vier verkoppelten Wellen aufgeteilt sind.
Die Prinzipien, welche die Arbeitsweise des Vierfrequenzsystems beherrschen, gelten allgemeiner auch für den Betrieb mit n verschiedenen Frequenzen, von denen n-2 Blindfrequenzen sind. Die Signal- frequenz kann nicht nur an sich höher, sondern sogar mehrfach höher als die Pumpfrequenz sein und insbesondere auch oberhalb der Frequenz'jeder der Blindwellen liegen. Für diese Arbeitsweise werden die Gleichungen (19) und (20) durch die folgenden Gleichungen ersetzt :
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Auch in diesem Falle sollen zur Erzielung optimaler Bandbreite die Gruppengeschwindigkeiten aller Wellen, ausgenommen der Pumpwelle, gleich sein.
Es soll demnach die Beziehung gelten :
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Für den erfolgreichen Betrieb müssen Vorkehrungen getroffen werden, dass alle Blindwellen eine Wanderung ausführen und dass somit eine Leistungsströmung bei den Blindfrequenzen stattfindet. Wellen mit andern als den interessierenden Frequenzen sollen hingegen unterdrückt werden. Diese Überlegungen machen offensichtlich die Bemessung des Systems etwas komplizierter, wenn die Anzahl der Blindwellen zunimmt. Selbst bei optimaler Bemessung nimmt der Wirkungsgrad des Verstärkers mit zunehmender Anzahl von Blindwellen ab. Aus diesem Grunde wird der Betrieb in Form eines Dreifrequenzsystems bevorzugt, ausgenommen dann, wenn eine Pumpwelle entsprechend hoher Frequenz mit ausreichender Leistung nicht verfügbar ist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel soll nur die Prinzipien der Erfindung erläutern und lässt im Rahmen der Erfindung noch verschiedene Abwandlungen zu.
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Traveling Wave Amplifier The invention relates to signal amplification and, more particularly, relates to novel amplification of traveling wave signals by adding energy from an external source to the wave as it propagates along the traveling wave path.
After a known and z. B. in the US Pat. No. 2,636,948 described basic embodiment of traveling wave tubes, the tube contains two elongated and closely coupled transmission paths, one of which carries a signal wave and the other an electron flow emanating from a hot cathode. The tube structure is normally designed in such a way that the electric field associated with the traveling wave is penetrated by the electron flow in the direction of the field migration, with the propagation speeds of the field and the electron flow approximately coinciding. Under these conditions, the electric field acts on the electron flow in such a way that it causes a non-uniform charge density in the flow, which leads to the electron bundling.
The electron flow, for its part, reacts on the field in such a way that the wave traveling along the transmission path in the same direction as the electron flow, i.e. the forward-moving wave, experiences a location-dependent increase in amplitude, whereas a wave traveling in the opposite direction to the electron flow, i.e. backward-moving due to the presence of the electron flow is only slightly influenced. Accordingly, the entire device acts as an amplifier for traveling waves that run in the same direction as the electron flow.
It is characteristic of traveling wave tubes of this type that they work with good efficiency within a relatively broad frequency band; On the other hand, however, they are not suitable for operation at very high frequencies in the microwave range. The manufacture of traveling wave tubes of the type described requires high precision and tight tolerances. For these reasons, such tubes are both expensive and mechanically sensitive to careless handling. High voltages are required to operate the tubes; therefore safety precautions must be taken to avoid endangering the operating personnel. A hot cathode serves as the starting point for the flow of electrons; however, such a cathode inevitably represents a source of noise, so that the amplification caused by the tube reduces the signal-to-noise ratio.
The invention is primarily concerned with the task of simplifying the construction of traveling wave tubes, reducing the mechanical sensitivity and cost of such amplifiers and also avoiding the noise associated with the amplification. These goals are achieved by avoiding an electron flow (and consequently also a hot cathode as the starting point for such a flow and the high voltage electrodes required to control the flow) and by replacing the electron flow with a novel wave phenomenon that interacts with the traveling wave and is based on a wave-like reactance change.
It is known that a given single-mesh circuit, which is tuned to resonance at the frequency f and contains a variable reactance, assumes the property of an amplifier with negative resistance for signals of the frequency f, if in the circuit by changing the reactance element with the frequency 2fo an energy is "pumped in", the amount of which is below the threshold value for the natural oscillations.
In the USA patents No. 1,884, 844 and No. 1, 844, 845 it is further explained that a two-meshed circle, the common branch of which is formed by a variable reactance and whose individual meshes the resonance frequencies f and f
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have, when "pumping" energy into both meshes by changing the common reactance with a frequency n = - (D and by a value below the natural oscillation threshold with respect to each mesh, assumes the property of a negative-resistance amplifier for signals which at least approximately match the resonance frequency of the meshes.
This effect is based on the interaction of several frequencies, which takes place as a result of the change in reactance when equation (1) applies
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has a cavity which is dimensioned so that standing waves of two or more different modes of vibration can be sustained therein, the frequencies of which satisfy equation (1). The resonance cavity replaces the various meshes of the aforementioned networks, and the various standing waves replace the mesh currents and the current of the pump power source.
The interaction between the different standing waves is brought about by the precession of magnetization, which occurs within a body or several bodies of suitable ma-
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Pump wave exhibits a gyromagnetic effect when subjected to the influence of an appropriately applied magnetic field.
The inner mechanism of the ferromagnetic body, through which the necessary interaction between the various types of vibration is ensured, is based on certain abnormal ferromagnetic resonance phenomena that occur in materials exposed to different strong high-frequency fields, especially in the ferrites. These abnormal phenomena have been dealt with several times in the scientific literature. For example, a discussion of the case of subharmonic resonance can be found in an article by H. Suhl in the journal "Physical Review", 1956, vol. 101, p. 1437.
This paper deals with the internal mechanism of ferrites, which is responsible for
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of Ferrites at High Microwave Signal Levels "in the journal" Proceedings of the Institute of Radio Engineers ", 1956, Vol. 44, p. 1270, treated mathematically.
According to Austrian patent specification No. 204603, the principles of interaction between different frequencies are now applied to vibrations in traveling wave amplifiers, one of which is produced by modulating a signal wave to be amplified or is derived from such a modulation and. the other is from a source of pump power. A first elongated, wave-sustaining path of propagation, e.g. B. a normal transmission line or a hollow line, which is referred to as a signal line and a second way, z. B. a second transmission line or a hollow line, which is referred to as a dummy line and extends close to the first line, this opposite.
These two lines are closely coupled to each other, u. between either only at individual points or continuously over their entire length; a large number of locally concentrated, changeable reactance elements or a continuously changeable reactance medium are used for this. Each of these lines is closed without reflection and can therefore carry a progressing wave without a standing wave occurring at the same time. A signal with a first frequency is introduced into the signal line and the reactance elements or the reactance medium are changed with a second frequency and a phase relationship such that the reactance change itself takes place in the form of a traveling wave.
A favorable way of achieving such a traveling wave of the reactance change is to create a third elongated wave path, e.g. B. a third normal transmission line or hollow line, which supplies a reactance-changing wave to the various changeable reactance elements or the successive parts of the continuous reactance medium. In addition, a selected modulation product of the interaction between the signal wave and the variable reactance wave, which is referred to as a jackwave, is passed along the elongated second wave path in order to provide an additional coupling between the waves.
The Austrian patent specification No. 204603 describes an amplifier system with an elongated component over which a jackwave travels, so that a total of three frequencies are coupled to one another; the
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The frequency of the reactance change must be higher than the signal frequency. This frequency condition often leads to great difficulties. For example, in the aforementioned system for amplifying a 3 cm wave for the reactance change, an energy source would be required whose wavelength is even shorter than 3 cm.
The present invention relates to a traveling wave amplifier of the general type described, but which is constructed in such a way that at least two selected reactive waves occur in it and therefore four or more frequencies are coupled to one another, whereby it is achieved that the frequency of the energy source which is used to change reactance , may be lower than the frequency of the signal wave. The aforementioned unfavorable condition with regard to the frequency required for the change in reactance does not apply to the amplifier according to the invention.
For example, in an amplifier system according to the invention operating with four-frequency operation, a 3 cm wave can be amplified using an energy source (pump generator) which is used to change reactance and whose wavelength is greater than 3 cm.
An amplifier system according to the invention therefore differs from the amplifier systems with three-frequency operation already explained in that the frequency f. the signal wave higher than that
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and fB2fp = fBl + fB2 and = p + Bl, whereby these waves migrate from one end of the elongated component to the other and increase in amplitude as they migrate, with connections for evaluating one of these waves being provided at the other end of the elongated component.
In general, the greater the number of different frequencies contributing to the amplifier operation, the further the signal frequency can lie above the frequency of the reactance change.
It has been found that the most favorable results are obtained in embodiments of the invention. in which undesirable modulation products or image waves (i.e., waves other than the signal wave, the pump wave, and the desired dummy waves) are suppressed. For this purpose, filters and in particular bandstop filters of the type described in the article "Filter Helix Traveling Wave Tube" by WJ. Dodds and R. W. Peter in the journal "RCA Review", 1953, Volume 14, No. 4.
The explanation of the invention should be simplified if a parametric amplifier system with three coupled frequencies is dealt with first and then the special improvements are discussed which result when four frequencies are coupled according to the invention in a parametric amplifier system.
Most of the following description is applicable to both embodiments of parametric amplification systems. If this is not the case, express reference is made to it.
If a signal with the frequency f is introduced into the signal path of an amplifier system according to the invention with three frequencies, while the aforementioned third transmission path is supplied with energy of the frequency fp, it is shown that, while the signal from the input terminals of the
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suffices Patent specification No. 204603, and the amplitude of the signal wave increases during its migration, so that a signal occurs in the output-side consumer that is an amplified image of the input signal.
The same applies to the blind wave, so that if necessary the output signal can also be derived from the blind path, with a transition from the frequency f to the frequency
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"Obviously, the best results for and depending on the bandwidth of the amplifier
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In order for the signal wave to grow in these parametric amplification systems as the wave migrates, it must be supplied with energy from point to point along its path. This energy is supplied by a generator. which introduces the wave for the reactance change. Therefore be this one
Generator referred to as the "pump generator" and the wave of reactance change as the "pump wave".
As has already been explained, this pump wave travels along the transmission line or a waveguide from the generator to the other end of the line. To prevent reverse pump waves from occurring, the pump line must be terminated by an impedance which is equal to the characteristic impedance of the pump line. This impedance can be created by an ordinary resistor, but then pump power in this resistor is destroyed. This reduction in performance serves no useful purpose and should therefore be avoided as far as possible for economic reasons. The pump power occurring on the output side is therefore expediently fed back to the input terminals of the pump line, the matched impedance of the input side of the pump line becoming effective at the output terminals of the pump line.
It has already been mentioned that in a traveling wave tube of the type in which there is an interaction of a forward traveling electromagnetic wave and an electron flow, the occurrence of a backward wave is harmless because it does not interact with the electron flow. This also applies in the case of the present invention. If one assumes that the signal wave and the jackwave or jackwaves only have forward moving components, the pump wave can have a considerable retrograde component without any harmful interaction with the signal wave or the jackwave taking place. If the pump wave has components moving forwards and backwards of a considerable amount, the overall result is a standing wave.
The pump power can accordingly be supplied to the traveling signal wave and to the jackwave also from a stationary pump wave. These conditions can be achieved by providing a reflective termination at the end of the pump wave path. This measure, like the recovery explained earlier, also serves the purpose of saving pump power.
At. a relatively low frequency amplifier; d. H. For frequencies in the range from 60 Hz to 1 MHz, the component along which the traveling wave propagates can be formed by a large number of identical, separately constructed circuit sections, all of which contain concentrated inductances and capacitances, whereby the variable parameters which the coupling between cause the wave paths, depending on the circumstances, can preferably be capacitive or inductive.
A variable capacitance can be formed by a reactance tube or by a PN semiconductor diode. which is biased by a direct voltage in the reverse direction, while a coil wound on a saturable core can be used as the variable inductance.
For frequencies in a range in which switching elements of this type are already unsuitable, the paths for the signal and the dummy waves can be formed by two open transmission lines or by two different types of oscillation in one or more waveguides, with the mutual coupling then either by one suitably arranged rod or core made of ferrite material is effected, as will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments, or by a stacking
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the wires of the signal line can be arranged in a horizontal plane and the two wires of the dummy line in a vertical plane in the middle between the first-mentioned two wires, so that the four wires lie at the four corners of a rectangle when viewed in cross section.
A circular waveguide, which surrounds these wires and the coupling ferrite, can be used as the pump line. In another embodiment, the signal wave and the jackwave can exist side by side as electromagnetic fields of crossed modes in a common waveguide of rectangular cross-section, a second waveguide of rectangular cross-section being coupled to this waveguide with the help of a common longitudinal slot on adjacent walls. The coupling between the different types of vibration can be effected by a rod made of ferrite material,
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which fills this slot and extends from one end to the other.
In both cases, the ferrite rod is exposed to a stationary magnetic field that can be generated, for example, by an external magnet. The strength of this field is regulated according to known principles in such a way that an abnormal resonance phenomenon occurs, which in a desired part of the frequency range brings about a coupling between the various types of vibration.
All embodiments of the three-frequency system with variable inductance and all variants of this
Systems meet the following coupling conditions:
1. the magnetic vector of one of the two waves of lower frequency (f or f2) has a component that runs parallel to the stationary magnetic field;
2. the magnetic vector of the other of the two waves of lower frequency (f. Or f has a
Component that is perpendicular to the stationary magnetic field and
3. The magnetic vector of the pump wave has a component that runs perpendicular to the stationary magnetic field.
The coupling material should show the explained resonance behavior when using the parametric amplification systems working with variable inductances; for example a
Manganese ferrite of high resistivity can be used. The sharper the ferromagnetic resonance absorption line of the material, the more favorable the mode of operation of the traveling wave amplifier, especially with regard to the pump power requirement. Accordingly, yttrium iron garnets and rare earth iron garnets are preferred for this purpose because of their extremely sharp resonance lines.
In a ferromagnetic amplifier working with standing waves according to Austrian patent specification no. 206022, the components are chosen so that the frequencies of the different standing waves or types of vibration are in harmonic relationship with one another. This requirement does not apply to the four-frequency amplifier according to the present invention. On the contrary, the frequencies used can be incommensurable to one another. This fact offers the advantage that any harmonics of a wave, which may possibly arise from undesired secondary effects, cannot be mixed with the desired signal wave.
In addition, the mode of operation of the ferromagnetic amplifiers with standing waves according to Austrian patent specification No. 206022 is tied to the condition that the pump power of the amplifier is kept below the instability threshold, because otherwise undamped natural oscillations occur which cover the signal to be amplified. With the parametric amplifiers discussed here, there is no such threshold of instability and accordingly these amplifiers do not have the aim. to change into natural vibrations. This is based on the traveling wave character of the energy.
An increase in wave energy that occurs at one point in the system and, if it remains confined to that point. would cause a natural oscillation, is namely immediately withdrawn when the traveling wave progresses to another point in the system. In other words, the signal wave grows spatially, but not temporally. The amplifier therefore has a high degree of stability.
In the parametric amplifiers discussed here, the amplifier is operated without the use of hot cathodes or without the use of charge transport via semiconductors. All sources of noise voltages are therefore absent, and the only noise that can be introduced into the signal in the course of its amplification is the so-called Johnson noise, which is based on the fact that the switching elements, and in particular the consumers, move towards absolute zero are at an elevated temperature. This single source of noise can be largely reduced by sub-dividing the entire amplifier. Since the main source of the noise is the consumer, it is preferred that only this is supercooled and coupled to the amplifier with the help of a transformer.
The special design of a four-frequency system according to the invention as an improvement of the three-frequency systems according to Austrian patent specification no. 204603 will be easy to understand following the preparatory detailed description of three exemplary embodiments of three-frequency systems with reference to the drawings after explaining the changes required for the transition to four-frequency systems; finally, a four-frequency system according to the invention will be described in detail.
1 shows the schematic circuit diagram of a traveling wave amplifier according to the Austrian patent specification no. 204603 with transmission paths formed from concentrated switching elements which are coupled to one another by variable inductances. FIG. 2 is a schematic circuit diagram of a modification of the amplifier according to FIG. 1, in which the coupling between the two transmission paths takes place by means of variable capacitances. Fig. 3 is a perspective view partly in section
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Representation of a traveling wave amplifier designed as a three-frequency system with two waveguides of rectangular cross-section, in which a coupling with distributed constants is provided.
4 is a partially sectioned perspective view of a traveling wave amplifier designed as a four-frequency system according to the invention, in which two pairs of conductors are arranged within a circular waveguide and are coupled to one another by resonance phenomena in a ferromagnetic material.
1 shows a traveling wave amplifier having three elongated wave transmission paths, each of which comprises a transmission line which is dimensioned so that it can maintain a traveling wave of suitable frequency. The first line or signal line 1 consists of a group of identical filter sections which are connected in a chain and contain inductances L and capacitances C. This line is attached to their. Input terminals fed by a generator 5 with the frequency f1 and is terminated at their output terminals with a load impedance 6 adapted.
The second line 2, which is referred to as a dummy line, has a similar structure, only that the inductances of the individual sections
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Value L, conductivity L. of the third line 3 switched. This third line, which is referred to as the pump line, is fed at its input terminals by a pump generator 9 via directional transmission elements (amplifiers) 10, 11 with the frequency f. The output terminals are connected to the input terminals of this line via a feedback path 12, which also contains a directional transmission element 13. At the output terminals of the pump line 3, the input impedance of the same line is therefore effective as an adapted terminating impedance.
This serves to avoid the loss of that energy that would otherwise have to be supplied by the pump generator in a terminating resistor of the pump line so that traveling waves can be maintained on this third line as well as on the first two lines.
In the operation of the three-frequency system shown, energy at the frequency f is fed into the third line 3 by the pump generator 9 and this energy travels along the line 3 in the form of a wave unS caused by partial saturation of the cores in the successive transformers 8 a change in the mutual inductance, which different sections of the signal line 1 with the corresponding sections of the dummy line 2 couples. This creates a wave of changes in inductance which travels both along the signal line and along the stub line at the rate of propagation effective in the pump line. This speed of propagation depends on the values of the inductances L3 and the capacitances C.
If under these conditions the signal
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leg, a wave travels along this line from its input terminals to its output terminals, the amplitude of which increases from section to section as a result of the energy supplied by the pump generator 9 within the individual sections, which is transmitted via the transformers 8. The signal therefore appears at the consumer 6 to be significantly stronger than the signal emitted by the generator 5.
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If energy with this frequency allows for low losses, a traveling wave with frequency f is created in the stub line, which runs from the input terminals of this line, which are open and therefore cause complete reflection, to the output terminals, where the energy in the adapted terminating impedance 7 is destroyed.
The signal occurring in this terminating impedance is thus also an amplified copy of the signal from the generator 5, only that its frequency has changed from the value f1 to the value f2. If a frequency change of the signal is desired in addition to the amplification, the impedance 7 can be used as the actual consumer instead of the impedance 6. There is no restriction on the relative amounts of f1 and f2. The frequency change can therefore take place in the direction of higher or lower frequencies, depending on whether f is chosen to be greater or less than 2f.
In addition, there is a tendency for an energy to appear with a frequency equal to the sum
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from signal and pump frequency. Preferably, however, the dummy line is dimensioned in such a way that it prevents the transmission of this energy, so that no wave of sum frequency can form.
FIG. 2 shows another embodiment of a traveling wave amplifier with three-frequency operation, in which the signal line 1 and the dummy line 2 can be designed in the same way as the corresponding lines in FIG. Each section of these lines is coupled to the corresponding section of the other line by a variable capacitance 8a, which is expediently electronically, i. H. with a so-called reactance tube. The effective capacitance of this network is introduced into the signal line through a transformer 8b and into the stub line through a further transformer 8c. The input terminals of the variable electronic capacitance 8a are connected in each line section to the inductance L. of a section of the third line 3, that is to say the pump line.
The output terminals of the pump line are connected to their input terminals via a feedback path 12 which contains directional transmission elements 11 and 13. As in the circuit according to FIG. 1, the matched impedance, which is presented by the input terminals of the same line, is therefore effective at the output terminals of the pump line.
The mode of operation of the circuit according to FIG. 2 is, apart from minor deviations, the same as that of the circuit according to FIG. 1. When energy at the frequency f is applied to the third line 3 by the pump generator 9, the signal line 1 and the dummy line travel along the signal line 1 2 waves of capacitance changes with a wave speed which corresponds to the wave speed in the pump line 3, which in turn depends on the values of the inductances L and the capacities Cs per section.
If a signal with the frequency f1 is now applied to the signal line 1 from the signal source 5, it travels from the input terminals of the signal line 1 as a traveling wave to the output terminals of this line, and as a result of the changes in capacitance, the amplitude of the traveling wave signal increases from section to section the path from the source 5 to the consumer 6. In this way, an amplified image of the input signal is obtained at the consumer 6. As has already been explained in connection with FIG. 1, a blind wave with the frequency f also arises in the dummy line 2. which acts on the load impedance 7 with considerable strength. If apart from a reinforcement too
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Instead of the signal at impedance 6, the signal at impedance 7 can be evaluated.
In this circuit arrangement, too, it is advisable to keep the formation of the other main products of the modulation caused by the interaction of the signal and pump frequency as low as possible.
It is now to be proven analytically that the traveling signal wave grows exponentially during its migration as a result of the introduction of the energy supplied by the pump generator. This analysis is to be carried out, for example, for the circuit according to FIG. 2, in which the coupling between the different transmission lines takes place with the aid of common capacitors. The reciprocal of these capacities is denoted by g (z, t). The signal line 1 has a phase constant ('(1 and at the angular frequency wu the characteristic impedance,.
The dummy line 2 has a phase constant a2 and at the angular frequency there is a characteristic impedance Z. It is therefore true
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The signal line 1 is excited at its input by the signal source 5. In order to achieve the most favorable results, the dummy line 2 should be open at the input end and closed with its characteristic impedance at the output end, as shown in the drawing. If the variable capacitance g (z, t) is present, the equations of the coupled system result as follows
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Here, V1 and 11 represent the current and voltage on the signal line and V2 and 12 the current and voltage on the stub line, respectively.
With z the position coordinate along these lines, measured in the direction of propagation of the waves, and with t the time. The expressions that contain g (z, t) are the coupling terms that are decisive for the functioning of the system. To make the analysis easier, assume that g (z, t) represents a sinusoidal wave; H. has the following form:
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Equation (11) says that the coupling reactance is caused by a traveling wave having a phase constant? and an angular frequency w, which progresses along the pump line 3, is regulated and, in particular, changed in a sinusoidal manner.
The following consideration is initially limited to three-frequency systems in which the waves with the angular frequency M on the signal line 1 and the waves with the angular frequency # 2 on the stub line 2 with the angular frequency w of the pump wave in the relationship
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stand. From equations (6) and (8) it can be seen that waves of other frequencies are out of synchronicity with the other terms of the equations and therefore cannot result in any significant effects.
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Similar equations can be written for 11 * (z, t) and I, (z, t) simply by swapping the indices 1 and 2 in equations (15) and (16). The index * here means the complex conjugate quantity.
In equations (15) and (16), the terms on the right are coupling terms. If these were not available, each equation would contain only one variable and represent the well-known wave equation in the simplified form in which the effects of resistances are neglected. If a term is added to this equation that takes the influence of resistances into account, the known solution results:
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where A and B are arbitrarily selectable constants. It is noteworthy that the forward moving wave represented by the first term decreases exponentially as a function of location, whereas the apparently location dependent increasing component represented by the second term is a backward moving wave.
Since such a reverse wave normally originates from a reflection at the terminating resistor on the output side, it also decreases in its direction of travel.
In the case of a matched closure, the constant B becomes zero and the solution consists only of the first term indicating a forward traveling wave that weakens as it travels.
Under the prerequisites that (a) the signal line and the stub line are closed without reflection, so that retrograde waves on these lines do not have to be taken into account, and that (b) the coupling terms are treated as disturbances whose influence within a short time or short distances is minor is and that (c) the relationship
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+ "z =" (2) applies, which can easily be adhered to by appropriately dimensioning the inductances and capacitances of the three lines, a solution can be given for equations (15) and (16) according to known methods according to which the forward running wave on the signal line through the relationship
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given is. Similar equations can also be given for V1 'and V2.
Here, a is an arbitrary constant which can be determined depending on the amplitude and phase of the signal wave, and
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Equation (17a) shows that, in contrast to the forward-traveling current wave on an ordinary transmission line, the forward-traveling signal current wave on signal line 1 of the system according to the invention is composed of two components that travel forward at the same speed and one of them decreases, while the other increases. The corresponding equations lead to the same result for the signal voltage wave and for the current and voltage wave on the dummy line 2.
In the case of lines that are several wavelengths long, the decreasing component drops in any case up to the consumer 6 or 7 to such a low value that it can be neglected compared to the increasing component.
A similar analysis shows that when using a current-dependent change in inductance according to FIG. 1 instead of a voltage-dependent change in capacitance according to FIG. 2, analogous results are obtained. A somewhat more complicated analysis can also prove that with a suitable choice of the phase relationships, an even faster location-dependent increase in the traveling wave can be achieved if inductances and capacitances are changed at the same time. For this purpose, the changes in the series inductances must take place in phase opposition to the changes in the shunt capacitances.
Another analogous analysis shows that for the general case
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3 shows a further three-frequency system in which the signal wave is formed by one type of oscillation within a waveguide 31 of rectangular cross-section that is idle on one side and the blind wave is formed by another type of oscillation within the same waveguide, this latter type of oscillation preferably spatially crossing the former in the waveguide . The loops of the magnetic vectors of one of these types of vibration can run parallel to the wider side surfaces of the waveguide lying horizontally in the drawing, the magnetic vector loops of the other type of vibration then being parallel to the narrower ones. in the drawing are vertical side walls.
The third path, which guides the pump wave, can be formed by a second waveguide 32, the dimensions of which are smaller than those of the first waveguide 31 and which is coupled through a slot which extends from one end to the other end of the wall in a common wall of the two waveguides. same extends. The coupling between the different types of vibration can be brought about by a rod 33 made of ferrite material, which runs from one end to the other within this slot and completely fills the slot.
The required magnetic bias, by which the material of the ferrite rod is set into resonance in a suitable part of the frequency range, can be generated by a magnetic transverse field of suitable strength, which comes from a magnet
Poles N and S have been indicated in the drawing. It can be seen that the course of these three magnetic fields within the volume occupied by the coupling rod 33 is selected in this way. that the coupling conditions specified in the introduction are met.
The signal generator 5 is e.g. B. connected approximately to the center points of the upper and lower surfaces of the larger waveguide 31 at its input-side end. Furthermore, a pump generator 9 is shown, which is connected in a similar manner to the upper and lower surfaces of the smaller waveguide 32. The output end of the larger waveguide is for the signal wave with the help of a
Load impedance in which the amplified signal occurs, adapted to the end. The waveguide 31 is also terminated with a load resistor 7 for the jackshaft. The output-side end of the waveguide 32 for the pump shaft is similarly equipped with an adapted termination impedance 24 for reasons of simplicity of the illustration.
For economic reasons, however, it is advisable to avoid the loss of essential parts of the pump power in such an impedance 24.
This can be done by using a closed pump wave line in which a standing wave is present, or by utilizing the feedback measures explained in connection with FIGS. 1 and 2.
So far, amplifier systems with elongated components have mainly been dealt with in which three waves (which are related to one another in such a way that the frequency of the pump wave is equal to the sum of the frequencies of the signal wave and jackwave) are coupled to one another by variable reactances, i.e. H. Amplifier systems with three-frequency operation. According to the invention, the principles explained can also be applied to parametric traveling wave amplifiers in which a signal wave, a pump wave and two or more dummy waves are coupled, the frequency of the pump wave in particular being smaller than that of the signal wave, so that generally an n-frequency system results .
To explain the invention in more detail, the example of a four-frequency system will now be treated. In particular, it has been found that an amplification can be achieved in a system according to the principles of the invention if, when a signal wave and a pump wave are supplied in the system
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and fB2, one of which advances in the lower line (signal line) and another in the upper line (stub). The jackwave in the signal line is called the "first" jackwave. It serves as an effective input wave for the parametric amplifier part of the system.
The wave that occurs in the upper line is called the "second" jackwave; it serves the same purpose as the single jackwave in the three-frequency system. In this modified circuit arrangement, waves of four different frequencies interact via variable reactances.
The first requirements that must be met for successful four-frequency operation are the following frequency and phase relationships:
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parameters according to Fig. 1 should meet the following relationship:
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where Z and Z- are the characteristic impedances of the signal line at the signal frequency and the stub line at the frequency of the second stub wave. It is not necessary to satisfy equation (23) if n is 3 or is an odd number; Likewise, this condition does not apply to the larger even-numbered values of n.
The conditions expressed in equations (21), (22) and (23) can be met simply by appropriate selection of the switching elements as a function of the frequencies of the waves supplied to the modified circuit arrangement according to FIG.
In the modification of the circuit arrangement according to FIG. 1 explained here, a signal wave increasing in amplitude and a likewise increasing (first) blind wave travel in the signal path and a (second) blind wave increasing in amplitude in the blind path. In the signal path there is advantageously a filter which is dimensioned such that only the signal wave reaches the terminating resistor of the signal path. On the other hand, the filter can also be dimensioned so that it only transmits the (first) jackwave to the terminating resistor of the signal path. If necessary, the amplified copy of the signal wave to the frequency of the second jackwave with a changed frequency can also be taken from the blind path.
The principles explained in connection with the embodiment according to FIG. 1 can also be applied in the same way to the embodiment according to FIG.
Another embodiment of the invention, in which more than one jackshaft is used, is shown in FIG. In this exemplary embodiment, a gain is obtained in four-frequency operation if, in addition to relationships (21) and (22), relationship (23) is also modified in a modified form, namely in the form
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are, and not to be fulfilled for odd values of n. The fill factor here means the ratio of that part of the magnetic field of the system which fills a ferromagnetic body in the system to the total magnetic field in the system.
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The system shown in FIG. 4 contains the pole pieces N and S of a magnet as well as a circular waveguide 43. Inside the waveguide 43 there is a guide system, similar to that shown in FIG. 3, the individual conductors of which are designated 41a, 41b and 42a, 42b and form the signal path on the one hand and the blind path on the other. The conductor elements 42a and 42b are held within the waveguide 43 by a body 40 made of suitable ferrite material, which in turn is fastened in the waveguide 43, for example by wedging.
The conductor elements 41a and 41b are held within the waveguide 43 by supporting bodies 44 made of a suitable dielectric material, for example foamed plastic.
The system of FIG. 4 also includes a generator 45 for supplying a signal wave to the
Signal path, a generator 49 for the supply of pump energy to the waveguide 43 and terminations for the blind path. the signal path and the pump path. These terminations are formed by an impedance 47, by a filter 46a with a terminating impedance 46b or by an impedance 48.
The ferrite body 40 shown in FIG. 4 is shaped so that the fill factor of the blind path is greater than the fill factor of the signal path; it has been found that the arrangement shown then passes through
Equation (23a) is satisfied. In addition, by suitable selection of the frequencies of the signal wave and the pump wave, taking into account the dimensioning of the elongated component
4, equations (21) and (22) can easily be satisfied.
As in the previous case, it is important that the region within which the various
Waves are coupled to one another, has a length which corresponds to at least several wavelengths of the signal wave.
If the conditions (21), (22) and (23a) are met, an increasing signal wave and an increasing jackwave advance in the signal path 41 in the system according to FIG. 4 (the filter 46a in the output circuit of the signal path is used for blocking of one or the other wave in front of the impedance 46b); Furthermore, a reactance-changing wave results along the waveguide 43 and a blind wave increasing in amplitude in the blind path 42.
The system according to FIG. 4 embodies only one possibility for satisfying the relationship (23a) and it goes without saying that in a similar manner other designs can also be used to satisfy this relationship; the measures required for this are known to those skilled in the art of transmission lines. For example, the relationship (23a) can also be fulfilled in the case of a four-frequency system in which the total volume within the waveguide 43, with the exception of the space taken up by the conductor elements of the signal line and the dummy line, is taken up by a ferrite body. In such a system, only an appropriate selection of the diameter and spacing of the elements of the conductor pairs 41 and 42 needs to be made in order to satisfy equation (23a).
The elongated component according to FIG. 3 can be modified in an analogous manner in such a way that it fulfills the relationships \ 21), (22) and (23a), so that in this component, too, four are coupled to one another
Waves progress. A component modified in this way can be dimensioned so that the smaller one
Waveguide forms the signal path and the wandering signal wave maintains the first wandering jackwave, while the larger waveguide defines the blind path and maintains the second wandering jackwave.
Likewise, in a four-frequency system, the reactance space can contain only one pair of separate transmission paths between which the four coupled waves are divided.
The principles that govern the operation of the four-frequency system also apply more generally to operation with n different frequencies, of which n-2 are dummy frequencies. The signal frequency can not only be higher per se, but even several times higher than the pump frequency and in particular also be above the frequency of each of the dummy waves. For this procedure, equations (19) and (20) are replaced by the following equations:
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In this case too, the group velocities of all waves, with the exception of the pump wave, should be the same in order to achieve an optimal bandwidth.
The relationship should therefore apply:
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For successful operation, precautions must be taken to ensure that all reactive waves migrate and that a power flow takes place at the reactive frequencies. On the other hand, waves with frequencies other than those of interest should be suppressed. These considerations obviously make the sizing of the system a little more complicated as the number of jackwaves increases. Even with optimal dimensioning, the efficiency of the amplifier decreases with an increasing number of reactive waves. For this reason, operation in the form of a three-frequency system is preferred, except when a pump wave of a correspondingly high frequency with sufficient power is not available.
The illustrated embodiment is only intended to explain the principles of the invention and allows various modifications within the scope of the invention.
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