DE1177212B - Verstaerkereinrichtung fuer elektromagnetische Schwingungen - Google Patents

Verstaerkereinrichtung fuer elektromagnetische Schwingungen

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DE1177212B DES84504A DES0084504A DE1177212B DE 1177212 B DE1177212 B DE 1177212B DE S84504 A DES84504 A DE S84504A DE S0084504 A DES0084504 A DE S0084504A DE 1177212 B DE1177212 B DE 1177212B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: H03f
Deutsche KL: 21 a2-18/08
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
S 84504 VIII a / 21 a2
1. April 1963
3. September 1964
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkereinrichtung für elektromagnetische Schwingungen. Von besonderem Vorteil ist der Erfindungsgegenstand bei Anwendung im Gebiet der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen.
Als Verstärkereinrichtungen sind für den Bereich niedriger Frequenzen vor allem der Transistor und die Elektronenröhre bekannt. In spezieller Ausgestaltung lassen sich die Verstärkungsprinzipien derselben auch für höchste Frequenzen verwenden. Beispiele hierfür sind die Scheibentriode und die Hochfrequenztransistoren in Koaxialbauweise. Bei diesen Bauelementen ist jedoch nachteilig, daß der Eingangskreis nicht von dem Ausgangskreis entkoppelt ist. Diese Rückwirkung macht sich insbesondere dann störend bemerkbar, wenn der Verstärker, wie es in der Höchstfrequenztechnik allgemein üblich ist, selektiv ist. Bei den bereits erwähnten bekannten Elementen wie der Scheibentriode und dem Hochfrequenztransistor kommt die Rückwirkung durch eine kapazitive Kopplung zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkerelementes zustande. Die Rückwirkung derartiger Elemente stört bei manchen Schaltungsanwendungen auch im Bereich niedrigerer Frequenzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkereinrichtung bis zu höchsten Frequenzen hin rückwirkungsfrei zu gestalten.
Bei einer Verstärkungseinrichtung für insbesondere im Bereich der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen gelegene Schwingungen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Eingang wenigstens eine Emissionsdiode und als Ausgang wenigstens eine Photodiode vorgesehen ist und daß die räumlich getrennte Elemente bildenden Dioden optisch miteinander gekoppelt sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß als Eingang der Verstärkereinrichtung mehrere getrennte Anschlüsse aufweisende Emissionsdioden vorgesehen sind. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß als Ausgang mehrere getrennte Anschlüsse aufweisende Photodioden vorgesehen sind. Es ist auch daran gedacht, mehrere Emissionsdioden und mehrere Photodioden gleichzeitig strahlungsmäßig miteinander zu koppeln. Diese Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ermöglichen bekannte Röhrensysteme mit Trioden nachzubilden, so z. B. eine Triode mit zwei oder drei Steuergittern und einer für alle Gitter gemeinsame Anode bzw. eine Triode, bei der ein oder mehrere Steuergitter auf getrennte Anoden arbeiten. Diese Systeme lassen sich demzufolge zur additiven Verstärkereinrichtung für elektromagnetische
Schwingungen
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Hans Norbert Toussaint, München
Zusammensetzung von Signalen' bzw. zur getrennten Entnahme eines verstärkten Signals von mehreren Anschlüssen verwenden. Wesentlich ist jedoch, daß die erfindungsgemäße Verstärkereinrichtung im Gegensatz zu üblichen Trioden und Transistoren praktisch rückwirkungsfrei ist.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn Mittel zur optischen Strahlenführung, insbesondere Bündelung der Strahlung der einzelnen Emissionsdiode auf wenigstens eine der Photodioden vorgesehen sind.
Für die technologische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorteilhaft, wenn die Emissionsdioden und die Photodioden in einem zumindest optisch abschirmenden Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse kann vorteilhaft auch elektrisch abschirmend ausgebildet werden. In diesem Zusammenhang ist daran gedacht, eine elektrische Schirmung auch zwischen den Emissionsdioden und/oder den Photodioden unter Freilassung des optischen Kopplungsweges zwischen den Emissionsdioden und den Photodioden vorzusehen.
Eine Steigerung der erzielbaren Verstärkungswerte läßt sich in vielen Fällen noch dadurch erreichen, daß die einzelnen Dioden gekühlt werden, beispielsweise auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff.
Die Erfindung wird an Hand von Beispielen näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung. Die Eingangsklemmen 1, 1' der Verstärkereinrichtung sind durch die Klemmen einer sogenannten Emissionsdiode 2 gebildet. Diese Diode hat die Eigenschaft, nahezu monochromatische elektromagnetische Strahlung 3 auszusenden, wenn sie in Flußrichtung gepolt ist. Die Strahlungsintensität ist dem durch die Diode fließenden Strom proportional. Wird der die Emissionsdiode in Durchlaßrichtung durchfließende Strom moduliert, so ist im gleichen
409 659/305
3 4
Maße auch die Intensität der ausgesendeten elektro- Anwendung der Verstärkeranordnung bei hohen magnetischen Strahlung moduliert. Bei den derzeit Frequenzen ist der Gleichspannungsabfall unerhältlichen Emissionsdioden ist eine wirkungsvolle erwünscht, da sich mit diesem die Sperrschicht-Modulation bereits mit Frequenzen der Größen- kapazität der Photodiode ändert, was zu einer anordnung Gigahertz möglich. Die Gleichspannungs- 5 ausgangsseitigen Fehlanpassung des Verbrauchers quelle 4 dient der Festlegung des Arbeitspunktes führen kann. Der Gleichspannungsabfall am Verder Emissionsdiode. Die Quelle 4 ist in Reihe mit braucherwiderstand läßt sich vermeiden, wenn dieser einer Wechselspannungsquelle 5 geschaltet, die das induktiv in den Ausgangskreis eingekoppelt ist. An zu verstärkende Signal liefert. Die Spannung der Stelle der ohmschen Widerstände sind auch von Quelle 5 überlagert sich der Spannung der Batterie 4. io diesem Nachteil freie Resonanzkreise und Netzwerke Wie bereits weiter oben erläutert, wird durch die mit Blindwiderständen verwendbar, die aus kon-Spannung der Quelle 5 eine entsprechende Intensi- zentrierten oder verteilten Elementen bestehen tätsmodulation der ausgesendeten Strahlung hervor- können.
gerufen. Die elektromagnetische Strahlung 3 wird Für die Verstärkereinrichtung gemäß der Er-
nach Durchlaufen eines geeigneten Mediums in der 15 findung ist es wesentlich, daß Emissionsdiode und
Photodiode 6 absorbiert. In der Photodiode 6 wird Photodiode räumlich unabhängig voneinander an-
durch Absorption von Lichtquanten (Photonen) eine geordnet werden können. Die räumliche Anordnung
entsprechende Anzahl elektrischer Ladungsträger ge- wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß keine
bildet. Diese Ladungsträger machen sich in dem elektrische Kopplung zwischen den beiden EIe-
Ausgangskreis der Verstärkeranordnung (Ausgangs- 20 menten besteht. Unabhängig von der bestehenden
klemmen 7, T, Batterie 8, Lastwiderstand 9) in einem elektrischen Kopplung, läßt sich die notwendige
entsprechenden Strom bemerkbar. Die Batterie 8 ist optische Kopplung durch an sich bekannte Mittel,
so gepolt, daß durch sie die Photodiode 6 in Sperr- z. B. Linsen, Spiegel und/oder optische Wellenleiter,
richtung vorgespannt ist. Bezeichnet man den söge- oder durch optische Ausrichtung vornehmen,
nannten Quantenwirkungsgrad der Emissionsdiode 2 25 Als Materialien für die Emissionsdioden eignen
mit ηΕ und den Quantenwirkungsgrad der Photo- sich vorzugsweise Gallium-Arsenid-Kristalle bzw.
diode mit ηΡ, so gilt für die Stromverstärkung der Mischkristalle aus Gallium—Arsenid—Phosphid.
Anordnung (d. h. für das Verhältnis von Ausgangs- Das Halbleitermaterial für die Photodiode ist
Kurzschlußstrom L2 zu Eingangsstrom Z1): zweckmäßigerweise so gewählt, daß die Photodoide
j 30 im Frequenzbereich der von der Emissionsdiode
.2 = tjE · >jp. emittierten Schaltung eine große Empfindlichkeit
1 besitzt. Für die obenerwähnten Emissionsdioden aus
Zum Beispiel mit ηΕ = ηΡ = 70% ergibt sich Gallium-Arsenid-Kristall bzw. Gallium—Arsenid—
I2 ACA j Ttu AOA- c* ™ Phosphid einen sich besonders Silizium-Photodioden. --;- ä;0,5. Aus der Tatsache, daß die Strom- r> · . τ-·· j-j <. u-j*
I1 35 Bei den Emissionsdioden unterscheidet man zwei
verstärkung kleiner als Eins ist, darf noch nicht Typen, die vor allem hinsichtlich der Geometrie des auf eine Leistungsverstärkung kleiner als Eins ge- Halbleiterkristalls verschieden sind. Der eine Typ schlossen werden. Bezeichnet man mit R2 den sendet scharf gebündelte kohärente Strahlung aus, differentiellen Widerstand der Emissionsdiode 2, mit der andere weniger scharf gebündelte und iniig den Wert des Lastwiderstandes 9, so ist die 40 kohärente Strahlung. Grundsätzlich sind beide Leistungsverstärkung Γ gegeben durch Typen von Emissionsdioden geeignet. Wegen des ρ η η höheren Quantenwirkungsgrades beim erstgenannten Γ = ~ ■—-■ = (ηε ■ //ρ)2 · u9 . Typ ist dieser jedoch vorzuziehen.
^1 ' 2 ^2 Die F i g. 2 zeigt schematisch ein Beispiel für
Der differentielle Widerstand der Emissionsdiode 45 eine zweckmäßige räumliche Anordnung der Emisbeträgt z. B. bei Strömen von größenordnungsmäßig sionsdiode und der Photodiode in einem Verstärker 10 mA etwa 1 Ω. Demgegenüber beträgt der dy- in Koaxialbauweise. Die Emissionsdiode 10 ist in namische Widerstand der Photodiode größen- einer Koaxialleitung 11 eingefügt. Der Imaginärteil ordnungsmäßig 100 kQ. Bei diesen großen Wider- der Impedanz der Emissionsdiode wird durch ein standswerten sind Lastwiderstände 9 mit wesentlich 50 geeignetes Abstimmelement, z. B. kapazitiv wirhöherem Widerstandswert als der des Eingangs ohne kende Schraube 12 in A/4-Abstand, herausgestimmt Einbuße an Stromverstärkung realisierbar. Der Wert (x = Wellenlänge in der Leitung). Durch ein Transdes Lastwiderstandes 9 wird zwar im Mikrowellen- formatiosglied 13, über das gleichzeitig die der Vorbereich im Hinblick auf die Kapazität der Photo- spannung in Flußrichtung dienende Batterie 14 andiode im allgemeinen in der Größenanordnung von 55 geschlossen ist, wird der verbleibende Realteil auf zehn bis einigen hundert Ohm gewählt werden. einen Widerstandswert transformiert, für den der Aber selbst diese Widerstandswerte ergeben noch Generator 15 (mit dem Innenwiderstand 16) über eine Leistungsverstärkung. Wesentlich ist aber, daß die Leitung 17 an das Transformationsglied 13 andie Kapazität der Photodiode keine Rückwirkung gepaßt ist. Das Transformationsglied ist zur Verdes Ausgangskreises auf den Eingangskreis ver- 60 meidung von Verlusten vorzugsweise aus Reaktanzen ursacht. Eine Rückwirkung tritt deswegen nicht auf, aufgebaut. Je nach Frequenzbereich werden konzenweil eine (in Sperrichtung gepolte) Photodiode keine trierte oder verteilte Reaktanzen (d. h. Leitungs-Strahlung emittieren kann. kreise) verwendet. Die emittierte Strahlung 18 ge-
Der im Ausgangskreis der Verstärkeranordnung langt durch ein kleines Loch 19 in der Wand der
(Fig. 1) befindliche ohmsche Arbeitswiderstand 65 Koaxialleitung 11 ins Freie und wird über nicht
bedingt einen Gleichspannungsabfall, der dem Wert näher dargestellte optische Einrichtungen auf die
dieses Widerstandes und der mittleren Belichtung lichtempfindliche Schicht der Photodiode 20 ge-
der Photodiode proportional ist. Speziell bei einer richtet. Die Photodiode 20 ist in einer weiteren
Koaxialleitung 21 angeordnet. Mittels entsprechender Abstimmelemente 22 wird die Kapazität der Photodiode herausgestimmt. Ein geeignet bemessenes Transformationsglied transformiert den Realteil der Impedanz der Photodiode in einen geeigneten Wert, der bei gegebenem Widerstand des Verbrauchers 24 diesem maximale Leistung zuführt. Auch das Transformationsglied 23 ist zur Vermeidung von Verlusten vorzugsweise aus Reaktanzen aufgebaut. Je nach Frequenzbereich werden konzentrierte oder verteilte Reaktanzen (d.h. Leitungskreise) verwendet. Die die Photodiode in Sperrichtung vorspannende Batterie 25 ist über das Transformationsglied 23 angeschlossen. Das Loch 19 im Koaxialleiter 11 und das Loch 26 im Koaxialleiter 21 sind derart ausgebildet und in den koaxialen Leitern angeordnet, daß durch die Löcher (Austritts- bzw. Eintrittsöffnung) für die optische Strahlung die über die Wand fließenden Ströme möglichst wenig behindert sind. Hierfür besonders geeignet ist ein in Richtung ao der Wandströme verlaufender Schlitz, dessen Form dem Querschnitt des optischen Strahlenweges anzupassen ist. Entsprechende Überlegungen gelten auch für den Fall, daß Emissionsdiode und Photodiode in Hohlleitern angeordnet sind. Werden die Löcher entsprechend den oben erläuterten Gedanken angeordnet, so treten durch die Löcher praktisch keine Feldlinien aus den Wellenleitern aus, d. h., es tritt keine Rückwirkung auf. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Lichtaustritts- und/oder die Lichteintrittsöffnung mit einem optisch durchlässigen Material hoher Dielektrizitätskonstante oder hoher Permeabilität auszufüllen. Ob ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante oder hoher Permeabilität vorzuziehen ist, hängt davon ab, an welcher Stelle in der Wand des Leiters das Loch angeordnet ist. Es kann auch zweckmäßig sein, beide Löcher mit einem gemeinsamen Material, das optisch durchlässig ist, auszufüllen. Form und Abmessungen des Materials sind dann zweckmäßigerweise so zu wählen, daß das emittierte Licht gebündelt auf die lichtempfindliche Stelle der Photodiode gerichtet ist. Es ist bekannt, daß eine in Flußrichtung gepolte Emissionsdiode Strahlung emittiert, während sie, wenn sie in Sperrichtung betrieben ist, als Photodiode wirkt. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird dies zur Realisierung einer rückwirkungsfreien Verstärkeranordnung mit umschaltbarer Übertragungsrichtung in der Weise verwendet, daß Eingangs- und Ausgangskreis der Ver-Stärkeranordnung je eine Emissionsdiode besitzen. Jeweils die als Eingang vorgesehene Diode ist in Flußrichtung, die andere in Sperrichtung vorzuspannen. Durch einfaches Umpolen der Betriebsspannungen ist dann die Übertragungsrichtung umschaltbar. Zwar wird bei Verwendung gleicher Dioden als Strahlungssender und Strahlungsempfänger im Regelfall die Wellenlänge der abgestrahlten Energie nicht im Bereich maximaler Empfindlichkeit liegen, doch bleibt auch hier in der Regel noch eine Leistungsverstärkung. Man kann dieser Schwierigkeit beispielsweise dadurch abhelfen, daß man im Eingang und im Ausgang der Verstärkereinrichtung jeweils die Reihenschaltung einer Gallium-Arsenid-Diode und einer Silizium-Photodiode vorsieht, wobei die Dioden, in der einzelnen Reihenschaltung betrachtet, gleichsinnig gepolt sind. Wird die ausgangsseitige Reihenschaltung so hoch in Sperrichtung vorgespannt, daß die Gallium-Arsenid-Diode im Durchbruchgebiet arbeitet, also einen sehr kleinen differentiellen Widerstand, so wirkt ausgangsseitig zur Stromsteuerung nur die Silizium-Photodiode, die hochohmig im Vergleich zur Gallium-Arsenid-Diode dieser Reihenschaltung ist und ihren Widerstandswert in Abhängigkeit von der auftreffenden Strahlung ändert.
Vorteilhaft wird die Gallium-Arsenid-Diode der einen Reihenschaltung mit der Silizium-Photodiode der jeweils anderen Reihenschaltung strahlungsmäßig möglichst gut gekoppelt.
Die galvanische Trennung von Eingangs- und Ausgangskreis (s. F i g. 1) läßt eine Reihe von Anwendungen auch bei tiefen Frequenzen oder bei Gleichstrom sinnvoll erscheinen. Beispielsweise ist es möglich, den in einer Leitung (mit hoher Spannung gegen Erde) fließenden Gleichstrom gefahrlos zu messen. Die Emissionsdiode wird in die Leitung eingeschaltet. Die in sicherem Abstand befindliche Photodiode liefert einen Strom, der der Anzahl der je Zeiteinheit von der Emissionsdiode emittierten Photonen proportional ist. Der Photonenstrom ist aber andererseits dem zu messenden Strom proportional.
Auch für die Verstärkung elektrischer Schwingungen im Bereich der niedrigen Frequenzen ist der Erfindungsgedanke mit Vorteil anwendbar, weil eine Rückwirkung nicht auftritt.

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Verstärkereinrichtung für elektromagnetische Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingang wenigstens eine Emissionsdiode und als Ausgang wenigstens eine Photodiode vorgesehen ist und daß die räumlich getrennte Elemente bildenden Dioden optisch miteinander gekoppelt sind.
2. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingang mehrere getrennte Anschlüsse aufweisende Emissionsdioden vorgesehen sind.
3. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgang mehrere getrennte Anschlüsse aufweisende Photodioden vorgesehen sind.
4. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur optischen Strahlenführung, insbesondere Bündelung der Strahlung der einzelnen Emissionsdiode, auf wenigstens eine der Photodioden vorgesehen sind.
5. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsdioden und die Photodioden in einem zumindest optisch abschirmenden Gehäuse angeordnet sind.
6. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse auch elektrisch abschirmend ausgebildet ist.
7. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Schirmung auch zwischen den Emissionsdioden und/oder den Photodioden vorgesehen ist unter Freilassung des optischen Kopplungsweges zwischen den Emissionsdioden und den Photodioden.
8. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Emissionsdiode eine Gallium-Arsenid-Diode und als Photodiode eine Silizium-Photodiode vorgesehen ist.
9. Verstärkereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Emissionsdiode gekühlt ist.
10. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Messung von auf hohem Potential liegenden Gleichströmen in der Weise, daß die Emissionsdiode in die Leitung eingeschaltet ist und in sicherem Abstand hiervon die Photodiode optisch mit der Emissionsdiode gekoppelt angeordnet ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 659/305 S. 64 © Bundesdruckerei Berlin
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