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System für die Signalverstärkung
Die Erfindung bezieht sich auf die Verstärkung von Signalen und betrifft neue Bau- und Arbeitsprinzipien für Signalverstärker, die insbesondere auch bei ausserordentlich hohen Frequenzen anwendbar sind und es ermöglichen, das Rauschen sehr niedrig zu halten.
Das Verständnis der Erfindung soll dadurch erleichtert werden, dass zuerst ein niederfrequentes Analogon der Erfindung behandelt wird.
Es ist seit langem bekannt, dess ein dynamisches System, das bei der Frequenz fo eine Resonanz aufweist, mit dieser Frequenz in Schwingungen versetzt werden kann, indem in dieses System eine Energie mit der Frequenz 2fo und mit einem Betrag eingeführt wird, der ausreicht, um die inneren Verluste des Systems zu überwinden. Ein solches System wird als subharmonischer Oszillator bezeichnet. Verschiedene mechanische Ausführungsformen solcher Systeme sind von Lord Rayleigh in dem Buch "Theory of Sound", Dover 1945, Band l, Seite 81, behandelt worden. Eine elektrische Ausführung mit einem einzigen, geschlossenen Kreis, der eine Induktivität, einen Widerstand und eine Kapazität enthält, ist sowohl analytisch als auch experimentell ausführlich von W. L.
Barrow in den "Proceedings of the Institute of Radio Engineers", 1933, Band 21, Seite 1182, 1934, Band 22, Seite 201, behandelt worden. Eine Möglichkeit, die Energie doppelter Frequenz in das System einzuführen oder"hineinzupumpen"liegt in der geregelten Änderung eines Blindwiderstandselementes, wie z. B. einer Kapazität oder einer Induktivität bzw. eines mechanischen Analogons dieser Schaltelemente. Durch diese Änderung eines Parameters wird in das System solange keine Wirkleistung eingeführt, bis im System Eigenschwingungen einsetzen. Nach dem Schwingungseinsatz wird hingegen auf diese indirekte Weise genau so eine Leistung übertragen, wie dies bei einer beliebigen direkten Einkopplung geschieht, wobei aber bestimmte Nachteile, die andern Einkopplungsarten anhaften, vermieden werden.
Bisher war dieses Phänomen nur wegen der ungewöhnlichen Beziehung, die zwischen der "Pumpfre- quenz"und der Frequenz der resultierenden Schwingungen besteht, von Interesse. Deshalb wurde auch dem Verhalten solcher Systeme bei der Einführung einer Energie, die unter dem zur Erzeugung ungedämpfer Schwingungen liegenden Schwellenwert liegt, keine Beachtung gewidmet.
Die vorliegende Erfindung beruht zum Teil auf der Erkenntnis, dass die Einführung einer Energie auf die beschriebene Weise und mit einem Betrag, der unter dem kritischen, zu Eigenschwingungen führenden Schwellenwert liegt, besonderes Interesse verdient und die Grundlage für eine neuartige Verstärkung von Signalen bildet. Insbesondere beruht sie auf der Entdeckung, dass jenes Schaltelement, durch das die Energie in das System injiziert oder hineingepumpt wird, dem übrigen System als frequenzabhängiger negativer Widerstand erscheint, dessen grösster negativer Wert bei der Resonanzfrequenz f liegt. Wenn die injizierte Energie den Schwellenwert überschreitet, so übertrifft der negative Widerstand die Summe aller positiven Widerstände, so dass der Gesamtwiderstand des Systems negativ wird.
Das System ist dann unstabil und geht in ungedämpfte Schwingungen bei der bevorzugten Frequenz fo über. Die Amplituden dieser Schwingungen werden in der Praxis durch irgendein nichtlineares Schaltelement des Systems begrenzt, das entweder parasitärer Natur oder absichtlich in das System eingefügt worden sein kann. Wenn anderseits der frequenzabhängige negative Widerstand kleiner als die Summe der positiven Widerstände im System ist, dann ist der resultierende Widerstand positiv und das System ist stabil.
Eine Einregelung des Betrages des negativen Widerstandes durch Einregelung des Betrages der eingeführten Energie doppelter Frequenz ermöglicht es, den verbleibenden positiven Gesamtwiderstand des Systems beliebig klein zu
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machen, wobei dann das Anlegen eines schwachen Signals oder einer Spannung der Frequenz fo oder einer Frequenz, die innerhalb des um die Mittenfrequenz fo gruppierten Bandes liegt, starke signalfrequente Bewegungen bzw. Ströme in dem System hervorruft. Insbesondere erzeugt im Spezialfall einer elektrischen Schaltung der starke Strom mit der Signalfrequenz, der durch einen Verbraucher fliesst, welcher eines der positiven Widerstandselemente bildet, die nahezu, aber nicht ganz durch den negativen Widerstand kompensiert werden, eine starke signalfrequente Spannung am Verbraucher.
Auf diese Weise wird durch die Wirkung des negativen Widerstandes, der seinerseits durch die Injektion von Energie doppelter Frequenz erzeugt wird, eine Signalverstärkung erreicht.
Die Entdeckung, auf der die Erfindung beruht, geht zum Teil auf eine Analyse eines elektrischen Schaltkreises zurück und ist experimentell bewiesen worden.
Es sei nun ein elektrischer Schaltkreis betrachtet, der auf die Resonanzfrequenz fo abgestimmt ist und einen Last- oder Verbraucherwiderstand RL, verschiedene parasitäre Widerstände, die zusammengenommen mit r bezeichnet seien, und einen veränderlichen Blindwiderstand enthält, durch den Energie in das System hineingepumpt wird und dessen Wirkung durch einen negativen Widerstand RN darges'. ellt werden kann ;
ungeachtet einer allfälligen Abweichung der Frequenz der Spannung e cner Signalquelle von der
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fund daraus ermittelt sich die am Verbraucherwiderstand RL auftretende Spart f irH
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Wie im Falle von andern Verstärkern mit negativem Widerstand, nimm. der Koeffizient von e auf der rechten Seite infolge der Wirksamkeit des negativen Widerstandes RN einen Wert an, der grösser als 1 ist. Im Prinzip kann dieser Koeffizient durch genaue Einregelung des Widerstandes RN unendlich gross gemacht werden.
In der Praxis muss jedoch die Einregelung des Kreises mit grösser werdendem Betrag dieses Koeffizienten entsprechend genauer erfolgen, um zu vermeiden, dass geringfügige Abweichungen und Störeffektediesen Koefizienten auf Unendlich anwachsen lassen und dadurch den Schaltkreis instabil machen.
In der Praxis kann die Einregelung der Resonanzfrequenz f des Schaltkreises auf genaue Überein- stimmung mit der Frequenz f eines ankommenden Trägersignals Schwierigkeiten bereiten. Selbst wenn eine solche genaue Übereinstimmung mit der Trägerfrequenz erzielbar wäre, würden die Seitenfrequen- zen, die bei Modulation des Trägers vorhanden sind, nicht mit der Resonanzfrequenz übereinstimmen.
Wenn die Abweichung einer ausgewählten Seitenfrequenzkomponente von der Resonanzfrequenz f mit Af bezeichnet wird, so beträgt die Frequenz dieser Komponente f = f aF Af
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kann diese Welle noch so demoduliert werden, dass sie die Signalmodulation liefert. Unter bestimmten Umständen kann diese Massnahme aber unerwünscht sein.
Nach einer Weiterbildung des beschriebenen einfachen Systems wird diese Schwierigkeit durch die Anwendung von zwei Resonanzkreisen bzw. Maschen an Stelle eines einzigen Kreises behoben. Diese beiden Kreise sind so bemessen, dass sie Resonanzen bei Eigenfrequenzen f und f2 zeigen, die vorzugsweise verschieden sind. Miteinander sind die beiden Kreise durch das die Energie injizierende Blindwiderstandselement gekoppelt.
Bei dieser Anordnung wird die Energieinjektion so eingeregelt, dass sie mit einer Pumpfrequenz
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erfolgt, wobei der erste Kreis einen Verstärker für die innerhalb eines Bandes mit der Mittelfrequenz f liegende Signalenergie und der zweite Kreis in analoger Weise einen Verst1irJ. : er für die innerhalb eines
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Bandes mit der Mittenfrequenz f liegende Signalenergie bildet. Zwar führt jeder Kreis Strom beider Frequenzen, doch können diese Ströme, wenn die Frequenzen. auf welche die beiden Kreise oder Maschen abgestimmt sind, hinreichend weit auseinanderliegen, z. B. um eine Oktave od. dgl., mit Hilfe üblicher Filter ohne weiteres voneinander getrennt werden.
Der Umstand, dass in jeder Masche Ströme mit der der andern Masche zugeordneten Frequenz vorhanden sind, ermöglicht die wahlweise Anwendung der Schaltung als Frequenzwandler oder als Verstärker. Bei den vorstehend erläuterten Einstellungen des Systems kann beispielsweise ein ankommendes Signal mit einer innerhalb des Bandes mit der Mittenfrequenz f liegenden Trägerfrequenz, das eine Information in Form einer Modulation enthält, in die erste Masche eingeführt werden und Energie einer andern Trägerfrequenz, die innerhalb des Bandes mit der Mittenfrequenz f liegt und die gleiche Information in Form einer ähnlichenModulation enthält, von einem Verbraucherwiderstand abgenommen werden, der einen Teil der zweiten Masche bildet.
Diese Energie ist, verglichen mit der Eingangsenergie, in hohem Masse verstärkt und überdies ist die informationstragende, Modulation einem Träger aufgedrückt, dessen Frequenz in einem gewünschten Ausmass von der Frequenz der ankommenden Trägerwelle abweichen kann.
Die Erfindung kann zu einem System mit drei oder mehr Freiheitsgraden erweitert werden, beispielsweise durch Anwendung von drei oder mehr resonanzfähigen Maschenkreisen, von denen jeder eine eigene Resonanzfrequenz aufweist und mit zumindest einer der übrigen Maschen mit Hilfe eines Blindwiderstandselementes gekoppelt ist, durch dessen Änderung eine Pumpenergie eingeführt wird.
Für jedes Maschenpaar ist dabei die Pumpfrequenz gegeben durch
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Für den Fall von zwei gekoppelten Maschen der zuletzt erörterten Art (Fall II) reduziert sich diese Beziehung, wie erkennbar ist, auf die bereits angegebene Formel
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Gleichung (3a) drückt die subharmonische Beziehung aus und zeigt, dass ein. einmaschiges System, das nur einen Freiheitsgrad aufweist, tatsächlich nur ein Spezialfall der allgemeineren zweimaschigen Systeme mit zwei Freiheitsgraden ist.
Die vorliegende Erfindung verwertet ferner die Erkenntnis, dass ein ferromagnetischer Körper, der einem stationären Magnetfeld geeigneter Stärke und Orientierung ausgesetzt ist, die Hochfrequenzenergie eines Feldes mit der Energie eines andern Felde : abweichender Hochfrequenz koppeln kann. Wenn man daher an den ferromagnetischen Körper ein veränderliches Feld mit einer Orientierung anlegt, die in geeigneter Beziehung zu dem stationären Feld steht, dann tritt eine Veränderung dieser Kopplung auf. Diese Prinzipien können somit zur erfindungsgemässen Signalverstärkung bei sehr hohen Frequenzen, also im sogenannten Mikrowellenbereich, ausgenützt werden.
In besonders einfacher Anwendung dieser Prinzipien wird ein Resonator mit einem Hohlraum angewendet, der so bemessen ist, dass er zwei Resonanzschwingungen mit den Frequenzen fund f2 aufrechterhalten kann, die bevorzugt, aber nicht notwendigerwei- se voneinander verschieden sind, wie dies vorstehend für einen zweimaschigen Kreis erläutert worden ist.
Ein erfindungsgemässes System für die Signalverstärkung mit einem elektromagnetischen Resonator, der einen Resonanzhohlraum aufweist, welcher so bemessen ist, dass er wenigstens zwei verschiedene Schwingungsarten (Wellentypen) bestimmter Frequenz aufrechterhalten kann, ist somit gekennzeichnet durch eine ferromagnetische, resonanzfähige Einrichtung zur Kopplung der Wellen einer ersten dieser Schwingungsarten mit den Wellen einer zweiten dieser Schwingungsarten, durch eine Einrichtung zur Anderung dieser Kopplung mit einer Frequenz, die zumindest ungefähr gleich der Summe der Frequenzen dieser beiden Schwingungsarten ist, und um einen Betrag, der kleiner ist als jener, der erforderlich wäre, um in dem System Eigenschwingungen bei der Frequenz einer dieser Schwingungsarten anzuregen, ferner
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durch eine Einrichtung,
die dem System ein Signal zuführt, welches innerhalb eines Frequenzbandes liegt, in dessen Mitte sich eine der Frequenzen dieser Schwingungsarten befindet, sowie durch eine Einrichtung zur Entnahme der verstärkten Signalenergie vom System.
Vorteilhaft wird der Hohlraum so bemessen, dass er auch bei der Pumpfrequenz f = fi + f in Resonanz kommt. Die Kopplung zwischen der Schwingungsart der Pumpfrequenz und den Schwingungsarten mit den Frequenzen f und f wird beispielsweise durch einen ferromagnetischen Körper aus Manganferrit hohen spezifischen Widerstandes bewirkt, der innerhalb des Hohlraumes in einer solchen Lage angeordnet ist, dass in jenem Teil des Hohlraumes, wo sich der ferromagnetische Körper befindet, die magnetischen Kraftlinien der einen Schwingungsart die Kraftlinien von zumindest einer der andern Schwingungsarten kreuzen. Der ferromagnetische Körper wird durch Anlegen eines stationären Magnetfeldes H vorgespannt.
Wenn nun in den Hohlraum Energie der Pumpfrequenz eingeführt wird, beispielsweise durch eine übliche
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Yttrium-Eisen-Granate und Seltene Erde-Eisen-Granate.
Gegebenenfalls können an Stelle von Hohlraumresonanzen auch eine oder mehrere ferromagnetische Resonanzen des ferromagnetischen Körpers ausgenutzt werden. So kann beispielsweise der ferromagnetischeKörper magnetisch so vorgespannt werden, dass er bei der Frequenz f eine ferromagnetische Resonanz zeigt, und im Hohlraum so angeordnet werden, dass er die Kopplung der Schwingungsart mit der Pumpfre- quenz f mit einer der Schwingungsarten des Hohlraumes begünstigt, u. zw. vorzugsweise mit der Schwingungsart niedrigerer Frequenz f. Überdies können mehrere solcher ferromagnetiseher Körper angewendet und so angeordnet werden. dass eine Kopplung mit der andern Schwingungsart der Frequenz f unterdrückt wird.
Die Resonanzfrequenz des Ferritkörpers kann innerhalb weiter Grenzen durch Anlegen eines statio- nären Magnetfeldes geeigneter Stärke geändert werden.
In allen Fällen muss der ferromagnetische Körper innerhalb des Resonanzhol1lraumes an einer solchen Stelle angeordnet und das stationäre Feld H so orientiert werden, dass folgende drei Arbeitsbedingungen erfüllt werden : 1.) Eines der beiden Felder niedrigerer Frequenz (f oder f) muss eine magnetische Komponente haben, die parallel zu H verläuft;
2.) das andere der beiden Felder niedrigerer Frequenz (f bzw. f) muss eine Komponente haben, die senkrecht zu H verläuft
3. ) das Feld höherer Frequenz muss eine Komponente haben, die senkrecht zu H verläuft.
Unabhängig von den erläuterten Ausführurgsmöglichkeiten des Gerätes kann eine zu verstärkende Si-
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beaufschlagte Ferritkörper wirkt sich für die Signalenergie als negativer Widerstand aus und führt infolgedessen zu einer Signalverstärkung. Das verstärkte Signal kann mit gleicher Frequenz durch eine Auskopplungsöffnung üblicher Form dem Hohlraum entnommen werden.
Die zuerst erläuterte Ausführungsform der Erfindung kann überdies als Frequenzwandler wirken, so dass die Signalenergie, die mit der Frequenz f eingeführt wird, gegebenenfalls mit der Frequenz f entnuJ11- men werden kann, oder umgekehrt. Die Einführung und Abnahme des Signals kann dabei wieder mit üblichen Kopplungsöffnungen erfolgen.
In der wissenschaftlichen Literatur wird über experimentelle Untersuchungen bestimmter anormaler ferromagnetischer Resonanzerscheinungen in Ferriten, die starken hochfrequenten Feldern ausgesetzt sind, berichtet. Beispielsweise sind solche Resonanzerscheinungen von H. Suhl in"PhysicalReview", 1956, Band 101, Seite 1437 behandelt worden. In diesem Aufsatz wird auch der innere Mechanismus der Ferrite erläutert, auf den die subharmonischen Resonanzen und somit auch die Kopplung zurückzuführen sind, welche solche Körper zwischen Schwingungen der einen Art mit der Frequenz fo und einer andern Schwin-
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matisch von H.
Suhl in dem Aufsatz "The Nonlinear Behavior of Ferrites at High Micro-WaveSignal Levels" in den "Proceedings of the Institute of Radio Engineers", 1956. Band 44, Seite 1270, behandelt worden.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Verstärkung oder sonstige Signalumformung ohne Anwendung geheizter Kathoden oder von Ladungstransporten durch Halbleiter stattfindet. Da diese Rausch-
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quellen vermieden sind und daher im Verlaufe der Verstärkung in das Signal ein Rauschen nur im Ausmass des sogenannten"Johnson"-Rauschens eingeführt werden kann, das auf der Tatsache beruht, dass sich die Schaltelemente und insbesondere der Verbraucher auf erhöhter Temperatur, d. h. auf einer über dem absoluten Nullpunkt liegenden Temperatur befinden, ist das Gesamtrauschen sehr gering. Die erwähnte einzig verbleibende Rauschquelle kann durch eine Kühlung des Verstärkers wesentlich vermindert werden.
Noch günstiger ist es im Hinblick darauf, dass die Hauptquelle für die Erzeugung dieses Rauschens der Verbraucher ist, bloss diesen einer Kühlung zu unterwerfen und mit dem übrigen Verstärker transformatorisch zu koppeln.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen genauer erläutert werden.
Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Niederfrequenzsystems mit nur einem Freiheitsgrad, das die Prinzipien der Erfindung verkörpert. Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild einer Abänderung des Syitems nach Fig. 1. Fig. 3 stellt in einem schematischen Schaltbild das niederfrequente Analogon eines erfindungsgemässen Systems mit zwei Freiheitsgraden dar. Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild einer Abänderung des Systems nach Fig. 3. Fig. 5 ist ein Querschnitt durch einen Hohlraumresonator, der den Verlauf des magnetischen Feldes von drei Schwingungsarten innerhalb des Hohlraumes erkennen lässt. Die Fig. 6,7 und 8 sind. vereinfachte Darstellungen der einzelnen Feldverläufe für diese drei Schwingungsarten.
Fig. 9 stellt perspektivisch und teilweise im Schnitt einen die Prinzipien der Erfindung verkörpernlen Verstärker für Mikrowellen dar. Fig. 10 ist eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht mier Abänderung des Verstärkers nach Fig. 9, bei der sowohl eine Verstärkung als auch eine Frequenzwandlung möglich ist, und Fig. 11 ist eine perspektivische teilweise geschnittene Darstellung einer wei- : eren Abänderung des Verstärkers nach Fig. 9.
Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten erfindungsgemässen Schaltung ist ein einmaschiger Kreis vorgesehen, der eine Induktivität L, eine Kapazität C (t), einen Verbraucher widerstand 1\ und einen Widerstand r enthält, in denalle parasitären Widerstände der übrigen Schaltelemente, beispielsweise der Dhmische Widerstand der Spule L, einbezogen sind. Der Mittelwert der veränderlichen Kapazität C und ier Betrag der Induktivität L sind so bemessen, dass der Kreis bei der Frequenz fo in Resonanz kommt. Mit RL ist der im einmaschigen Kreis wirksame, durch einen Impedanzwandler 11 transformierte Wideritand des Verbrauchers 10 bezeichnet. Ferner ist an den Kreis mit Hilfe eines Eingangstransformators 13 eine Quelle 12 eines schwachen Signals der Frequenz f1 angekoppelt.
Erfindungsgemäss ist die Kapazität C (t) in geregelter Weise veränderlich, wobei diese Kapazitäts- linderung mit der Frequenz 2fo erfolgt. Zu diesem Zwecke kann eine elektronisch veränderliche Kapazi- : ät 14 in Form einer sogenannten Reaktanzröhre angewendet werden, die durch die Spannung einer Hilfsquelle 15 mit der Pumpfrequenz 2fo gesteuert wird.
Wenn die Kapazität C des Kreises mit der Frequenz 2f um einen hinreichenden Betrag verändert wird, so treten in dem Schaltkreis bekanntlich Eigenschwingungen mit der Resonanzfrequenz f auf. Er- Indungsgemäss wird die Kapazität mit der Frequenz 2f aber um einen Betrag geändert, der nicht aus- eicht, um solche Eingenschwingungen auszulösen. Durch die Einführung eines Signals von der Quelle 12 über den Transformator 13 wird dann. vorausgesetzt dass die Frequenz f dieses Signals nur wenig von der Resonanzfrequenz f verschieden ist, ein starker Stromfluss innerhalb des einmaschigen Kreises hervorge- ufen, wodurch am Verbraucher 10 eine verstärkte Spannung auftritt.
Wenn die Abweichung der Frequenz ler Signalquelle 12 von der Resonanzfrequenz vernachlässigt und die Wirkung der Pumpenergie, welche
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(t)dargestellt und überdies die in den Kreis eingeführte Signalspannung mit e bezeichnet wird, dann ist der m Kreis fliessende Strom gegeben durch
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md damit ergibt sich die Spannung E am äquivalenten Verbraucherwiderstand RL mit
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Wie bei andern mit negativem Widerstand arbeitenden Verstärkern nimmt der Koeffizient von e auf ter rechten Seite dieser Gleichung infolge der Wirkung des negativen Widerstandes RN einen Wert an, der grösser als 1 ist. Prinzipiell kann dieser Koeffizient, wie bereits erwähnt, durch genaue Einregelung des Widerstandes RN unendlich gross gemacht werden.
In der Praxis ergibt sich aber, dass mit zunehmendem
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Betrag dieses Koeffizienten die Einstellung des Kreises immer kritischer wird, weil vermieden werden muss, dass geringfügige Abweichungen und schwache Störeffekte diesen Koeffizienten auf den Wert Unendlich anwachsen lassen und dadurch den Kreis instabil machen.
Der Verstärker nach Fig. 1 enthält keine Rauschquelle mit einer geheizten Kathode oder einem Halbleiter, über den Ladungen befördert werden. Die einzige beachtliche Rauschquelle wird durch den Verbraucher 10 selbst gebildet. Wenn man diesen Verbraucher in einen Kühler 16 einschliesst, so kann das darin entstehende Rauschen weitgehend herabgesetzt werden ; die Vorteile dieser Rauschverminderung wirken sich über den Transformator 11 im Resonanzkreis aus. Demnach bietet der Verstärker nach Fig. 1 einen ausserordentlich günstigen Störabstand.
Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild einer Abänderung des Verstärkers nach Fig. 1. Diese Schaltung stimmt im wesentlichen mit Fig. 1 überein, nur dass an Stelle einer elektrisch veränderlichen Kapazität C (t) eine elektrisch veränderliche Induktivität L (t) vorgesehen ist, wogegen die Kapazität einen festen Wert hat. Beim Mittelwert der veränderlichen Induktivität ist der Kreis wieder wie im vorhergehenden Falle auf die Frequenz f abgestimmt. Die veränderliche Induktivität kann beispielsweise durch einen ferromagnetischen Kern 17 gebildet werden, der eine erste Wicklung 18 trägt, welche in Serie mit den andern Schaltelementen des Kreises liegt, sowie eine zweite Wicklung 19, die vorzugsweise in einer zur Richtung der ersten Wicklung orthogonalen Richtung angeordnet ist.
Der Stromfluss über die zweite Wicklung 19 ändert in bekannter Weise die Permeabilität des Kernes 17 und damit den Betrag der Indukti- vität, die dem Kreis durch die erste Wicklung 18 dargeboten wird. Gemäss der Erfindung erfolgt diese Induktivitätsänderung mit einer Frequenz, die doppelt so gross ist wie die Resonanzfrequenz des Kreises. Bei einem Kern, dessen Magnetisierungskurve den üblichen Verlauf hat, kann diesem Erfordernis dadurch entsprochen werden, dass ein Pumposzillator 15 mit der Frequenz 2f in Serie mit einer Vorspannungbatterie 20 geschaltet wird.
Gegebenenfalls kann die Vorspannungsbatterie auch weggelassen und die Frequenz des Oszillators 15 auf den Wert fo eingeregelt werden, wobei dann die nichtlineare Magnetisie-
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Quelle 12 eines Signals mit einer Frequenz f, die nahe der Frequenz f liegt, im Kreis ein Strom erhalten, der am Verbraucher 10 ein verstärktes Ebenbild des Eingangssignals liefert.
Fig. 3 zeigt die Weiterbildung der Erfindung zu einem System mit zwei Freiheitsgraden. Hiebei wird ein erster Maschenkreis verwendet, der auf die Resonanzfrequenz f abgestimmt ist, und ein zweiter Maschenkreis, der auf die davon verschiedene Frequenz f abgestimmt ist, wobei diese beiden Kreise miteinander durch einen veränderlichen Blindwiderstand gekoppelt sind, der im dargestellten Beispiel durch eine veränderliche Kapazität C (t) gebildet wird. Die Induktivität, die parasitären Widerstände und der
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ten Maschenkreis mittels eines weiteren Transformators 28 angekoppelt ist.
Der wirksame Verbraucher- widerstand RL1 des ersten Maschenkreises entspricht dem durch den Impedanzwandler 30 transformierten Widerstand des ersten Verbrauchers 29, während der wirksame Verbraucherwiderstand R, des zweiten Maschenkreises in analoger Weise dem durch den Impedanzwandler 32 transformierten Widerstand des zweiten Verbrauchers 31 entspricht.
Gemäss der Erfindung wird die die beiden Maschenkreise koppelnde Impedanz, im vorliegenden Falle die Kapazität C (t), durch eine Pumpquelle 35 mit der Frequenz
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geändert. Wenn das Ausmass der Kapazitätsänderungen knapp unter dem Schwellenwert der Instabilität gehalten wird, der durch die ohm ischen Widerstände des Kreises festgelegt ist, so wirkt sich diese Kapazitätsänderung für den ersten Maschenkreis als negativer Widerstand mit einem bestimmten Betrag und für den zweiten Maschenkreis als negativer Widerstand mit einem ändern Betrag aus.
Es gilt daher für jeden der Maschenkreise eine mit der Gleichung (4) identische Beziehung, und die auf die erste Masche von der Signalquelle 25 her angelegten Signale können in verstärkter Form vom ersten Verbraucher 29 abgenommen werden und ebenso können, falls erwünscht, Signale der zweiten Quelle 27 in verstärkter Form vom zweiten Verbraucher 31 abgenommen werden.
Im Normalfall, in dem eine Frequenzwandlung nicht erwünscht ist, bleibt eine der beiden Signalquellen 25, 27 natürlich abgetrennt. Beispielsweise kann die zweite Signalquelle 27 weggelassen werden, wobei dann nur die Signalquelle 25 eine Eingangsspannung liefert, die verstärkt werden soll. Auch unter
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diesen Umständen führt jeder Maschenkreis zusätzlich zu seinem eigenen Resonanzstrom einen Strom von der Frequenz, auf welche der andere Maschenkreis abgestimmt ist. Es ist deshalb vorteilhaft, in Serie zwischen dem ersten Ausgangstransformator 30 und dem Verbraucher 29 ein Filter 37 einzuschalten.
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fden.
Da die Schaltung mit Ausnahme der Werte der einzelnen Parameter vollkommen symmetrisch ist, gilt Gleiches auch für den zweiten Maschenkreis. Demnach wird zweckmässig zwischen dem zweiten Ausgangstransformator 32 und dem zweiten Verbraucher 31 ein Filter 38 eingeschaltet, das so bemessen ist, dass es die Ströme der Frequenz f1 aussperrt.
Falls zusätzlich zur Verstärkung eine Frequenzwandlung erwünscht ist, kann dies in einfacher Weise erzielt werden, indem das zu verstärkende Signal in jenen Maschenkreis eingefühlt wird, dessen Abstimmung näher bei der Signalfrequenz liegt, und das verstärkte Signal vom andern Maschenkreis abgenommen wird. Wenn beispielsweise die Frequenz des ankommenden Trägersignals der Quelle 25 den Wert f 6 hat, kann über den Ausgangstransformator 32 und durch das zweite Filter 38 dem zweiten Verbraucher 31 ein Signal zugeführt werden, das einen verstärkten Träger mit der Frequenz f2 und die gleiche Modulation wie das ursprünglich ankommende Signal aufweist.
Wie schon in'Verbindung mit den Fig. 1 und 2 dargetan wurde, ist es nicht von Bedeutung, ob der veränderliche Blindwiderstand kapazitiver oder induktiver Natur ist. Fig. 4 ist eine schematische Schaltung eines Systems, bei dem das gemeinsame Blind widerstandselement durch eine veränderliche Induk- tivität L (t) gebildet wird. Die konstanten Induktivitäten L und L von Fig. 3 sind in Fig. 4 durch kon- stanteKapazitätenC undC ersetzt. Die veränderliche Induktivität, welche die beiden Maschenkreise miteinander koppelt, kann beliebigen Aufbau haben, also beispielsweise aen an Hand von Fig. 2 erläuterten. Alle andern Schaltelemente von Fig. 4 stimmen mit jenen von Fig. 3 überein.
Wenn das induktive Schaltelement L (t) durch die Pumpquelle 35 mit der Frequenz
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geändert wird, ergeben sich wieder alle Arbeitsvorgänge und Ergebnisse, die an Hand von Fig. 3 erläutert worden sind, auch bei der Schaltung nach Fig. 4.
Wie schon in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben worden ist, können auch die Verbraucher nach den Fig. 3 und 4 gegebenenfalls gekühlt werden.
Die Bandbreite eines gemäss der Erfindung aufgebauten und betriebenen Verstärkers kann ohne weiteres mehrere Prozent der Signalfrequenz betragen, ohne dass dabei ein unzulässiger Verstärkungsabfall auftritt. Beispielsweise ergibt sich bei einer Blindwiderstandsänderung um 20 % und einer Verstärkung von 100 (20 Dezibel) die Bandbreite mit 1, 4 % der Signalfrequenz. Diese Bandbreite ist mit den Bandbreiten üblicher Hochfrequenzverstärker, Klystronverstärker u. dgl. vergleichbar. Ein Signal, dessen Frequenz innerhalb dieses Bandes liegt, wird im wesentlichen in gleicher Weise verstärkt wie ein Signal, dessen Frequenz genau der Resonanzfrequenz des Maschenkreises entspricht, in den es eingeführt wird.
Fig. 5 zeigt den Querschnitt durch einen elektromagnetischen Hohlraumresonator, der die Form eines rechtwinkeligen Parallelepipeds mit zwei gleich langen Seiten hat, so dass eine, u. zw. die in der Zeichenebene liegende Querschnittsfläche, quadratisch ist. Dieser Hohlraumresonator ist so bemessen, dass er in drei verschiedenen Schwingungsarten mit drei verschiedenen'Frequenzen in Resonanz kommen kann. Die Schwingungsart mit der ersten und niedrigsten dieser Frequenzen, nämlich ist durch ma- gnetische Kraftlinien dargestellt, die einen einfachen Satz von konzentrischen Schleifen bilden, deren Mittelpunkte mit dem Mittelpunkt der in der Zeichenebene liegenden Querschnittsfläche des Resonantors zusammenfallen. Diese Feldlinien sind als volle Linien gezeichnet.
Die Feldlinien der zweiten Schwingungsart bilden vier Gruppen solcher Schleifen, die mit gestrichelten Linien dargestellt sind. Ihre Fre-
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Das Feldbild dieser Schwingungsart kann in der Zeichenebene neun Schleifengruppen umfassen. Diese Feldlinien sind strichpunktiert dargestellt.
Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen die magnetischen Feldbilder der ersten, zweiten und dritten Schwingungsart voneinander getrennt.
In Fig. 5 sind auch zwei Sätze von ferromagnetischen Körpern A und B eingezeichnet, die innerhalb
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des Hohlraumes an verschiedenen Stellen liegen. so dass sie mit den magnetischen Feldern in unterschiedlicher Weise zusammenwirken. Es seien zunächst die Körper B ausser Acht gelassen und rur die Körper A, insbesondere einer dieser Körper, nämlich l (A), betrachtet ; dieser Körper bewirkt, wie ohne weiteres erkennbar ist, eine Kopplung zwischen der dritten und den ersten beiden Schwingungsarten. Der in Fig. 9 dargestellte Resonator 110, der den Körper 1 (A) und drei ähnliche Körper A enthält, weist einen Hohlraum auf, in dem sich die Felder nach Fig. 5 ausbilden können.
Die Anordnung des Körpers l (A) in bezug auf die hochfrequenten Felder innerhalb des Hohlraumes 110 und in bezug auf das von aussen her angelegte stationäre Magnetfeld H muss so gewählt sein, dass die bereits früher angegebenen drei Bedingun- gen erfüllt werden. Hiebei handelt es sich um Minimalbedingungen. Für die optimale Arbeitsweise soll jedoch der Körper l (A) überdies vorzugsweise an einer Stelle angeordnet werden, wo eine der Schwin- gungsarten niedrigerer Frequenz, beispielsweise jene mit der Frequenz f, einen im wesentlichen vertikalen Feldverlauf und die andere Schwingungsart niedriger Frequenz, also z.
B. der Frequenz f, einen im wesentlichen horizontalen Feldverlauf aufweibt und wo ferner das äussere Feld H in vertikaler Richtung verläuft ; das Feld der höherfrequenten Schwingungsart mit der Frequenz f hat dann im wesentlichen horizontale Richtung. Mit andern Worten befindet sich dieser Körper an einer Stelle, wo eine erhebliche Anzahl von Kraftlinien der Schwingungsart mit der Frequenz f eine erhebliche Anzahl von Kraftlinien der Schwingungsart mit der Frequenz f kreuzt, wogegen zumindest eine wesentliche Anzahl von Kraftlinien des höherfrequenten Feldes mit der Frequenz fp parallel zu den Linien des einen oder andern der Felder niedrigerer Frequenz, im vorliegenden Falle parallel zum äusseren Feld H und damit parallel zu den.
Kraftlinien des Feldes mit der niedrigsten Frequenz f, verläuft. Der Körper 1 (A) wird also an einer Stelle des Hohlraumes 10 und innerhalb einer Fläche angeordnet, wo diese Bedingungen möglichst gut erfüllt sind, ohne dass er dabei gleichzeitig Flächenteile ausfüllt, in denen diese Bedingungen nicht befriedigend sind.
Für die optimale Arbeitsweise. d. h. für eine starke Kopplung zwischen den einzelnen Schwingungsarten, soll das gesamte Volumen an ferromagnetischem Material innerhalb des Hohlraumes 110 möglichst . gross sein. Falls dieses Volumen aber einen wesentlichen Bruchteil der Querschnittsfläche des Hohlraumes einnehmen würde, müsste es auch Regionen umfassen, in denen die vorstehend angegebenen Bedingungen nicht erfüllt sind, d. h. in denen Feldkonfigurationen anderer Art vorliegen. Dies würde zu einer störenden Interferenz zwischen den Feldern in einem Teil des ferromagnetischen Körpers und gegensinnig gerichteten Feldern in einem andern Teil desselben führen.
Ein Körper, in dem die Felder weitgehend gleich ausgerichtet sind, hat eine Länge von ungefähr 1/4 der Seitenabmessung der Querschnittsfläche des Hohlraumes und eine Höhe von ungefähr der halben Länge desselben. Um ein grosses Gesamtvolumen an ferromagnetischem Material zu erzielen, können mehrere ähnliche Körper voneinander getrennt an andern Stellen des Hohlraumes angeordnet werden, um ein Zusammenwirken der Felder in diesen Körpern zu verhindern. So ist ein zweiter Körper 2 (A) symmetrisch unter dem Körper l (A) angeordnet und von diesem durch einen Abstand getrennt, der etwas grösser als die Dicke beider Körper ist. Die magnetischen Felder im zweiten Körper 2 (A) können nun entgegengesetzt den Feldern im ersten Körper 1 (A) verlaufen, ohne dass dabei eine ferromagnetische Kopplung zwischen diesen Feldern auftritt.
Diese Bauweise ergibt den Vorteil eines hohen Gesamtvolumens der ferromagnetischen Körper ohne Inkaufnahme der Nachteile, die bei einstückiger Ausführung auftreten.
Nach den gleichen Prinzipien kann ein zweites Paar ferromagnetischer Körper 3 (A), 4 (A) in der Nahe der rechten Seitenwandung des Hohlraumes und in analoger Weise bezüglich der horizontalen Achse angeordnet werden. Die vorstehenden Erläuterungen gelten auch für dieses zweite Paar von ferromagnetischen Körpern.
Die Anordnung eines jeden dieser Körper längs einer senkrecht zur Stirnfläche des Hohlraumes verlaufenden Achse und der Tiefenerstreckung dieser Körper in der gleichen Richtung stellen einen Kompromiss zwischen den Erfordernissen einer starken Kopplung, die ein grosses Volumen dieser Körper erfordert, und dem Wunsche dar, die Felder innerhalb des Hohlraumes nicht übermässig zu verzerren, was kleine Volumina erfordern würde. Ein günstiger Kompromiss liegt darin, die Tiefenerstreckung eines jeden Körpers 1/10-1/2 der Tiefe des Hohlraumes zu bemessen. Die Körper können an die Vorderwandung oder an die Rückwandung des Hohlraumes angekittet oder zwischen diesen Wandungen an Tragbolzen aus elektromagnetisch nicht wirksamem Material abgestützt werden.
In der in Fig. 9 durch einen Pfeil angedeuteten Richtungwird ein stationäres magnetisches Feld H angelegt, beispielsweise durch einen Magneten, dessen Polschuhe 111 und 112 in der Zeichnung darge- stellt sind. Die von einem Pumpgenerator 115 kommende Energie mit der Frequenz f wird über einen Wellenleiter 116 bekannter Bauart übertragen und in den Hohlraum 110 durch eine Kopplungsöffnung J 17
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geeigneter Grösse und Gestalt eingeführt. Diese Kopplungsöffnung befindet sich in einem Maximalpunkt des magnetischen Feldes der dritten Schwingungsart, also mit der Frequenz f-, beispielsweise im Abstand von 1/6 der Länge l zwischen Oberkante und Unterkante der Stirnfläche des Resonantors 110 und nahe einer Seitenwandung.
Die Abmessungen der Kopplungsöffnung und des Wellenleiters werden zweck- mässig so gewählt, dass unter der Frequenz f, aber oberhalb der Frequenzen f und f, ein Sperrbereich auftritt. P
Wenn der Betrag der Pumpenergie nur wenig unterhalb jenes Betrages liegt, der zu einer Eigenschwin-
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eines Bandes mit der Mittenfrequenz f oder f liegt und in den Hohlraum 110 eingeführt wird, wie ein negativer Widerstand. Dieser wirksame negative Widerstand kompensiert nahezu die positiven Widerstände des Systems, einschliesslich der parasitären Verluste in den Hohlraumwandungen und im Verbraucher.
Demnach verhält sich das gesamte System wie ein Verstärker für ein Signal der einen oder andern dieser Frequenzen. Ein solches Signal, das innerhalb des Bandes mit der Mittenfrequenz f liegt und von der Signalquelle 120 geliefert wird, wird von einem zweiten Wellenleiter 121 durch eine zweite Kopplungs- öffnung 122, die sich in der Rückwandung des Resonators befindet, in den Hohlraum eingeführt, während die verstärkte Energie durch eine dritte Öffnung 125 von einem zugeordneten Wellenleiter 126, der symmetrisch an der Vorderwand des Resonators 110 angeordnet ist, abgenommen und dem Verbraucher 127 zugeführt wird. Ein Vergleich mit Fig. 5 zeigt, dass die zweite Öffnung 122 und die dritte Öffnung 125 so angeordnet, orientiert und bemessen sind, dass sie Felder der ersten und dritten Schwingungsart nicht durchlassen.
Es gelangt daher praktisch keine Energie der ersten oder dritten Schwingungsart zurück zur
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einen Stab abgeschlossen, dessen Einstellung bezüglich der Kopplungsöffnung veränderbar ist, so dass die Energieübertragung vom Wellenleiter in den Hohlraum bzw. in umgekehrter Richtung eingeregelt werden kann.
Da innerhalb des Hohlraumes eine erhebliche Energie der ersten Schwingungsart mit der Frequenz f und auch Energie der zweiten Schwingungsart mit der Frequenz f besteht, kann das System gleichzeitig mit der Verstärkung auch die Funktion einer Frequenzwandlung ausüben. Um diese Möglichkeit auszunützen, muss bloss die zweite oder dritte Kopplungsöffnung samt dem zugeordneten Wellenleiter geändert werden. Es sei beispielsweise der Fall angenommen, dass eine ankommende hochfrequente Welle in eine abgehende Welle niedrigerer Frequenz umgewandelt werden soll die ankommende Welle habe eine Frequenz, die im Band f liegt, und die Frequenz der abgehenden Welle soll im Band f liegen. Fig. 10 stellt die geringfügige Änderung dar, die vorgenommen werden muss, damit das System in diesem Sinne wirkt.
In diesem Falle sind die Quelle 115 für die Pumpenergie, der Wellenleiter 116, die Kopplungs- öffnung 117, die Quelle 120 für das Eingangssignal, der Wellenleiter 121 und die Kopplungsöffnung 122 in gleicher Weise wie in Fig. 9 ausgebildet, wogegen die ausgangsseitige Kopplungsöffnung 128 und der Wellenleiter 129 nunmehr so bemessen und angeordnet sind, dass eine Energieentnahme im Band f erfolgt und diese Energie dem Verbraucher 130 zugeführt wird. Die Öffnung 128 befindet sich zu diesem Zweck an einer Stelle der Stirnfläche des Hohlraumes 110, wo die Energie der Schwingungsart niedrigster Frequenz ein Maximum hat und die Energie der Schwingungsart mit der dritten Frequenz, also die Pumpschwingung, praktisch gleich Null ist.
Die Anordnung und Orientierung der Kopplungsöffnung 128 sind ferner so gewählt, dass nur eine minimaleKopplung mit der dazwischenliegenden Schwingungsart der Frequenz f auftritt. Überdies können gegebenenfalls Wellenleiterfilter bekannter Bauart angewendet werden, um eine Energieübertragung zum Verbraucher seitens der zweiten oder dritten Schwingungsart, also mit den Frequenzen f oder fp zu verhindern.
Bei geeigneter Einregelung der Stärke des magnetischen Feldes H kann das Material des Ferritkörpers selbst bei einer der in Frage stehenden drei Frequenzen, beispielsweise bei der Frequenz f, eine Resonanz zeigen, wobei dann eine solche Bemessung des Hohlraumes, dass dieser bei der erwähnten Frequenz in Resonanz kommen kann, an sich unnötig ist, aber dennoch nützlich sein kann.
Fig. 11 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung einer ändern Ausführungsform eines Verstärkers nach dem Schema der Fig. 5. Der Hohlraum 110 ist so bemessen, dass er bei den gleichen drei Schwingungsarten in Resonanz kommen kann. In diesem Falle ist aber nur die Schwingungsart niedrigster
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in Wirklichkeit nicht besteht. Der Grund hiefür ist aus den nachfolgenden Darlegungen verständlich. Von der Pumpquelle 115 wird über einen Wellenleiter 116 durch eine Kopplungsöffnung 117, ähnlich wie beim System nach Fig. 9, Energie in den Hohlraum eingeführt.
Die verstärkte Energie der niedrigeren Frequenz kann durch eine Kopplungsöffnttng 136 mittels eines Wellenleiters 137 in der in Verbindung mit Fig. 10 beschriebenen Weise einem Verbraucher 138 zugeführt werden. Die zu verstärkende Energie der niedrigsten Frequenz f, die von einer Signalquelle 133 kommt, wird über einen Wellenleiter 134 durch eine Kopplungsöffnung 135 in der Rückwand des Hohlraumes 110 eingeführt, die sich direkt gegenüber der in der Vorderwand des Hohlraumes vorgesehenen ausgangsseitigen Kopplungsöffnung 136 befindet.
Aus einer Betrachtung der Feldbilder nach Fig. 5 geht hervor, dass nahe jeder Ecke an der Vorderwand des Hohlraumes eine Region vorhanden ist, in der die magnetischen Kraftlinien der ersten und zweiten Schwingungsart parallel zueinander verlaufen, anstatt sich zu überkreuzen, wie dies nach der ersten der einleitend angegebenen Bedingungen erforderlich wäre. Wenn daher ein ferromagnetischer Körper in einer dieser Regionen zur Kopplung der Schwingungsarten angeordnet wird, wie dies in Fig. 5 durch die Körper B angedeutet worden ist, kann nur eine dieser beiden Schwingungsarten als Hohlraumschwingung erzeugt werden, wogegen die andere nicht auftritt. Welche der Schwingungen jeweils auftritt, hängt von der Frequenz der eingeführten Signalenergie ab.
Die notwendigen Arbeitsbedingungen, die im vorliegenden Falle durch die Hohlraumfelder allein nicht erfüllt werden, werden aber dadurch erfüllt, dass in dem ferromagnetischen Körper, der sich an der angegebenen Stelle des Hohlraumes befindet, ein ferromagnetisches Resonanzfeld geeigneter Orientierung erzeugt wird. Es wird also ein solcher Körper B, etwa der Körper 5 (B) nach Fig. 5, in einer Eckenregion des Hohlraumes 110 angeordnet. Der Körper 5 (B) kann beispielsweise ein Block aus Ferritmaterial sein, dessen horizontale und vertikale Abmessungen ungefähr 1/6 der entsprechenden Abmessungen des Hohlraumes betragen, wobei die Mitte des Blockes gegen die rechte Hohlraumwandung um den gleichen Betrag, d. h. um 1/6 der Breite des Hohlraumes, versetzt sein soll.
Der Körper 5 (B) kann aber dicht an der Bodenwandung des Hohlraumes angeordnet werden. Wie bei den früher beschriebenen Figuren kann seine
Tiefenerstreckung normal zur Zeichenebene zwischen 1/10 und 1/2 der Tiefenerstreckung des Hohlraumes liegen ; die Lage des Körpers 5 (B) in Richtung der Tiefenerstreckung des Hohlraumes kann beliebig sein.
Da die Feldbilder nach Fig. 5 symmetrisch sind, befinden sich in den übrigen drei Ecken des Hohlraumes Regionen, wo gleiche Bedingungen vorliegen, und somit können auch in diesen Ecken Körper B angeordnet werden, die mit 6 (B), 7 (B) und 8 (B) bezeichnet sind. Der grosse Abstand zwischen den Körpern beseitigt die Möglichkeit von schädlichen gegenseitigen Beeinflussungen, und die Symmetrie der Gesamtanordnung begünstigt weiterhin die Unterdrückung der Schwingungsart mit der Frequenz f. Falls erwünscht, können noch zusätzliche Massnahmen zur Unterdrückung dieser Schwingungsart angewendet werden.
Die schon angegebenen notwendigen Arbeitsbedingungen des Systems werden also dadurch befriedigt, dass innerhalb jedes dieser ferromagnetischen Körper ein magnetisches Resonanzfeld erzeugt wird, von dem zumindest eine erhebliche Komponente in vertikaler Richtung verläuft. Dieses Feld kann durch Einregelung der Stärke eines äusseren Feldes H einjustiert werden, das von einem Magneten herrührt, dessen Polschuhe 111 und 112 in der Zeichnung dargestellt sind. Die erwähnte (vertikale) Komponente dieses ferromagnetischen Resonanzfeldes verläuft parallel zu dem äusseren Feld H, und seine nicht dargestellten Kraftlinien kreuzen die Kraftlinien der Schwingungen mit der niedrigeren Frequenz f und der Hohlraum- schwingungen mit der hohen Frequenz f ungefähr unter rechten Winkeln.
Bei der in Fig. 11 dargestellten Anordnung arbeitet das System als Verstärker für Energie der Fre- quenz f. Diese Energie, die von der Signalquelle 133 kommt, wird über einen Wellenleiter 134 durch eine Öffnung 135 in den Hohlraum eingeführt und in verstärkter Form durch eine weitere Öffnung 136 über einen Wellenleiter 137 aus dem Hohlraum entnommen und dem Verbraucher 138 zugeführt. Wie bei den Systemen nach den Fig. 9 und 10 bewirkt das Material der ferromagnetischen Körper B, wenn darauf eine Pumpenergie einwirkt, eine Kopplung von je zwei andern Schwingungsarten, von denen eine, nämlich jene mit der Frequenz f, eine Hohlraumschwingung ist, wogegen die andere, nämlich die mit der Frequenz f, eine ferromagnetische Resonanzschwingung darstellt.
Da sich die ferromagnetischen Körper auf die Signale von der Quelle 133 als ein negativer Widerstand auswirken, welche die positiven Wider- stände des Systems einschliesslich der parasitären Verluste an den Hohlraumwandungen und im Verbraucher 138 nahezu kompensiert, wirkt das System als Verstärker.
Wie bei den Fig. 9 und 10 sind die Kopplungsöffnungen 117,135, 136 vorzugsweise an solchen Stellen der Hohlraumwandungen und in solcher Art angeordnet, dass sie Energie einer gewünschten Schwingungsart unter Ausschluss von Energie unerwünschter Schwingungsart in den Hohlraum einführen bzw. aus
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diesem austreten lassen. Die Anordnung nach Fig. 11 eignet sich besonders für diesen Zweck, weil nur Schwingungen von zwei Arten, nämlich mit den Frequenzen f und f, als Hohlraumschwingungen vorliegen, wogegen die verbleibende Schwingungsart mit der Frequenz f2 auf das Volumen der ferromagnetischen Körper B und kleiner Bereiche in unmittelbarer Nähe dieser Körper beschränkt bleibt.
Es kann daher die Pumpenergie an einer Stelle eingeführt werden, wo gemäss Fig. 5 die Energie der dritten Schwingungsart ein Maximum hat, und der Wellenleiter 116 sowie die Kopplungsöffnung 117, durch welche die Einführung der Energie erfolgt, können leicht so bemessen werden, dass die Frequenz der ersten Schwingungsart unterhalb der Grenzfrequenz liegt. Es kann dann keine Energie der ersten Art zum Pumpgenerator 115 zurückgelangen. Die Eingangsöffnung 135, durch welche das Signal in den Hohlraum eingeführt wird, um die Schwingungen der ersten Art anzufachen, sowie die Ausgangsöffnung 136, durch welche die Energie abgenommen wird, können an solchen Stellen der Hohlraumwandungen angeordnet werden, wo die Energie der ersten Schwingungsart einen Maximalwert und die Energie der dritten SchwiLgungsart eine Nullstelle hat.
Es wird dann praktisch keine Energie der dritten Schwingungsart durch diese Kopplungs- öffnungen für das Signal durchgelassen.
Die Bandbreite eines nach den vorstehend erläuterten Prinzipien aufgebauten und betriebenen Verstärkers kann ohne weiteres einen Betrag annehmen, der mehrere Prozente der Signalfrequenz ausmacht, ohne dass dabei ein wesentlicher Verstärkungsverlust entsteht. Im Vergleich mit den Bandbreiten üblicher Hochfrequenzverstärker, Klystronverstärker u. dgl. sind diese Verhältnisse durchaus günstig. Da ein Signal, dessen Frequenz innerhalb dieses Bandes liegt, im wesentlichen gleich verstärkt wird wie ein Signal, dessen Frequenz genau gleich der Resonanzfrequenz der betreffenden Kreismasche ist, in die eb eingeführt wird, ergibt sich eine im wesentlichen gleichmässige Verstärkung im gesamten Frequenzband.
Das System nach der Erfindung wirkt als Signalverstärker, wenn die Pumpenergie auf einen Betrag beschränkt wird, der etwas unterhalb der Instabilitätsschwelle liegt. Wird anderseits diese Schwelle überschritten, so geht das System in Eigenschwingungen mit den niedrigeren Frequenzen f und f über. In einem solchen Falle kann die eingangsseitige Signalquelle weggelassen und die eingangsseitige Kopplungsöffnung geschlossen werden ; das System arbeitet sodann als Generator für Energie mit den Frequen-
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der verstärkten Signalenergie beschrieben worden ist.
Die in Verbindung mit den Fig. 9,10 und 11 erläuterte Anordnung und Orientierung der Kopplungsöffnungen in bezug auf den Hohlraum und die angegebene Bemessung der ausgangsseitigen Wellenleiter ermöglichen die Auswahl von Energie einer gewünschten Schwingungsart und die Unterdrückung von Energie unerwünschter Schwingungsarten.
Die erläuterten Prinzipien der Erfindung können in zahlreichen andern Schaltungen und Systemen ausgenützt werden, in denen nur Hohlraumschwingungen, Hohlraumschwingungen in Verbindung mit ferromagnetischenResonanzschwingungen oder nur ferromagnetische Resonanzschwingungen auftreten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. System für die Signalverstärkung mit einem elektromagnetischen Resonator, der einen Resonanzhohlraum aufweist, welcher so bemessen ist, dass er wenigstens zwei verschiedene Schwingungsarten (Wellentypen) bestimmter Frequenz aufrechterhalten kann, gekennzeichnet durch eine ferromagnetische, resonanzfähige Einrichtung [1 (A), 2 (A), 3 (A), 4 (A)] zur Kopplung der Wellen einer ersten dieser Schwingungsarten mit den Wellen einer zweiten dieser Schwingungsarten, durch eine Einrichtung (115,116, 117) zur Änderung dieser Kopplung mit einer Frequenz (f), die zumindest ungefähr gleich der Summe der Frequenzen (f und f) dieser beiden Schwingungsarten ist, und um einen Betrag, der kleiner ist als jener, der erforderlich wäre, um in dem System Eigenschwingungen bei der Frequenz (f bzw.
f) einer dieser Schwingungsarten anzuregen, ferner durch eine Einrichtung (120,121, 122), die dem System ein Signal zuführt, welches innerhalb eines Frequenzbandes'liegt, in dessen Mitte sich eine (f) der Frequenzen (f und f) dieser Schwingungsarten befindet, sowie durch eine Einrichtung (125,126, 127) zur Entnahme der verstärkten Signalenergie vom System.