De parametrische versterker
Bij het ruimte-onderzoek worden graag hoge frequenties gebruikt, welke veelal liggen in het gebied van de GHz. De beschikbare bandbreedte, maar ook de afmetingen van de toe te passen apparatuur (bijv. antennes) spelen daarbij een grote rol. Voorts is de radio-astronomie aangewezen op frequenties, die bij het te bestuderen natuurverschijnsel nauw zijn betrokken. Bekend zal zijn dat voor de bestudering van waterstofwolken de frequentie van 1,4 GHz essentieel is. De techniek heeft op dit terrein vele nieuwe ontwikkelingen voortgebracht en de halfgeleiders hebben daarbij de radiobuizen geevenaard en soms zelfs overtroff en. Juist bij deze hoge frequenties en veelal kleine signalers gaat de ruis een grote factor spelen. Vooral bij ontvangers, waar reeds vanaf de eerste trap de ruis wordt medeversterkt, zal worden gestreefd naar een zo groot mogelijke ruisarme ingangstrap. De maser werd al eerder besproken als een ruisarme ontvanger-ingangstrap met vele elektrische voordelen, doch ook met technische madden, waaronder de hoge koelingseisen. Op vele stations wordt dan ook steeds meer gebruik gemaakt van de parametrische versterker als eerste ontvangertrap, maar ook in zenders als modulator van de GHz-draaggolf.
Het mengen van frequenties en later weer uitfilteren van verschil- en somfrequentie is in de radiotechniek zeer gebruikelijk. In de superheterodyne ontvanger wordt het ontvangen signaal gemengd met het signaal van een hulposcillator en de verkregen verschilfrequentie als middenfrequentie in de volgende trap-pen van het apparaat verder verwerkt.
Nog ingewikkelder wordt het gemaakt in de 'dubbelsuper', waar het ontvangen signaal tot tweemaal toe met een hulposcillator wordt bewerkt. Ook in zenders wordt veel gewerkt met frequentiemenging en -vermenigvuldiging. Toch wordt in de literatuur weinig aandacht besteed aan het verlies of de winst die wordt verkregen bij een dergelijke bewerking, die conversie wordt genoemd.
Onder conversieversterking wordt verstaan de verhouding tussen de spanning van het middenfrequentie signaal en die van het ontvangen signaal. In de conventionele schakelingen is deze versterking kleiner dan 1, zodat kan worden gesteld, dat er verliezen optreden bij de frequentietransformatie. Het is de parametrische versterker, die dit getal tot een waarde groter dan 1 kan brengen; m.a.w. deze is in staat door frequentieconversie versterking van het ontvangen signaal te verkrijgen.
Een der typische constructie-eigenschappen van een parametrische versterker is, dat de resonantiekringen voor de optredende frequenties met elkaar zijn gekoppeld. Een tweede opvallendheid is, dat van de verschilfrequentie Been verder gebruik wordt gemaakt en de ontvangen frequentie versterkt bij de ingang wordt afgenomen.
Voor een juist begrip van de optredende versterking in een parametrische versterker, kan worden uitgegaan van een resonerende parallel LC-kring. Wordt deze kring verliesvrij gedacht, dan zal de maximale waarde van een sinusvormige wisselspanning onveranderd blijven. De aanwezige energie zal periodiek heen en weer gaan tussen spoel en condensator met 90° fazeverschil.
Het ene tijdstip wordt in de spoel magnetische energie opgeslagen tot een totaalwaarde van ½LI2 en 90° later in de condensator als elektrische energie tot een totaalwaarde van ½CU2. Vanzelfsprekend moeten beide waarden gelijk zijn:
Waarbij,
C = condensator capaciteit
L = spoelzelfiriductie
U = condensatorspanning
I = spoelstroom
Wordt op het moment van maximale spanning over de condensator de afstand tussen de condensatorplaten vergroot, dan zal de condensatorcapaciteit (C) afnemen, immers
waarbij,
E = dielektrische constante
A = plaatoppervlak van de condensator
d = afstand tussen de condensatorplaten
Aangezien de momentele lading op de condensator niet direct verandert, zal de spanning over de condensator evenredig stijgen met de capaciteitsafname. Dit volgt uit de betrekking
Waarbij,
Q = condensatorlading
Uit de eerder genoemde betrekking ½CU2 volgt dat het elektrisch vermogen is toegenomen door vergroting der plaatafstand van de condensator. Als nu op het moment van condensator-nulspanning de plaatafstand naar de oorspronkelijke waarde wordt teruggebracht, kan geen energie aan de condensator worden onttrokken, want op dat moment bevat de condensator geen vermogen. Het blijkt dus mogelijk het wisselspanningsvermogen in de resonantiekring te verhogen door de capaciteitswaarde van de condensator op het juiste tijdstip periodiek te varieren. De energie-overdracht is maximaal wanneer C wordt verkleind op het moment dat U maximaal is (zie fig. 1). Vindt er een fazeverschuiving plaats t.o.v. dit punt, dan neemt de energie-overdracht of en zal bij 45° fazeverschil nihil zijn. Tussen 45° en 135° zal juist energie worden onttrokken aan de resonantiekring, met maximale energie-onttrekking bij 90° fazeverschil.
Fig. 1 - Energieverhoging in resonerende LC-kring door capaciteitsvariatie.
Het vergroten en verkleinen van de capaciteit van een condensator op mechanische wijze, zoals hierboven werd aangenomen, zal in de praktijk veelal niet uitvoerbaar zijn. De moderne varactor (capaciteitsdiode) brengt hier de oplossing. Door een speciaal fabricageproces is het mogelijk halfgeleider dioden te produceren, waarvan de eigen-capaciteit verandert met de spanning over de diode. Figuur 2 geeft deze spanningsafhankelijkheid in het spergebied. Door een gelijkstroomspanning in de sperrichting wordt de varactor ingesteld op een gunstig werkpunt. Door deze spanning vormt zich een overgangslaag tussen het P- en Nmateriaal, waarvan de dikte afhankelijk is van de sperspanning. Het P- en N-materiaal moet worden gezien als de condensatorplaten, waartussen de overgangslaag als dielektricum dienst doet.
Fig. 2 - Capaciteit/spanningskromme van een varactor.
Het periodiek varieren van de capaciteit wordt gerealiseerd door een wisselspanning (pompspanning) over de varactor aan te leggen. Samen met de signaalfrequentie ontstaat dan o.a. een verschilfrequentie, die bij een parametrische versterker de leegloopfrequentie (Engelse benaming is 'idler') wordt genoemd. Deze is werkelijk een leegloper, want de resonantiekring wordt alleen weer teruggekoppeld met de ingangskring en doet verder geen dienst. Het versterkte uitgangssignaal wordt van de ingangskring afgenomen door mid-del van een circulator. Schematisch ziet een parametrische versterker eruit als weergegeven in fig. 3.
Fig. 3 - Schematische diagram van een parametrische versterker.
Het blijkt, dat bij gebruik van een pompfrequentie, die afwijkt van tweemaal de signaalfrequentie en er dus een leegloopfrequentie optreedt als 3e frequentie, geen strenge eisen worden gesteld aan de juiste faze tussen capaciteitsverandering van de varactor en de momentele signaalspanning. Er zijn dan ook diverse mogelijkheden. De pompfrequentie ligt veel hoger dan de signaalfrequentie, terwijl de leegloopfrequentie tussen beide in ligt. De leegloopfrequentie is veel hoger dan de signaalfrequentie en de pompfrequentie ligt er tussen in. Ook kan de pompfrequentie tweemaal de signaalfrequentie zijn en de leegloopfrequentie gelijk aan de signaalfrequentie. Een praktische, wel wat amateuristische uitvoering van een parametrische versterker met fs, fp en fi geeft fguur 4. De verschillende elementen zijn ook terug te vinden op de afb. van de Mullard parametrische versterker, die afstembaar is tussen 2,7 GHz en 3,3 GHz door de frequentie en het vermogen van het klystron, dat als pomp dienst doet, te veranderen.
Fig. 4 - Parametrische versterker.
Behalve van een constructie, die zo min mogelijke verliezen oplevert, is optimale werking van een parametrische versterker, met minimale ruistemperatuur bij maximale bandbreedte vooral afhankelijk van de varactor capaciteit/spanningskarakteristiek A C/C en de verhouding van de varactorgrensfrequentie fc (cut off) en de signaalfrequentie L. Hoe lager het produkt van
des te lager is de temperatuur. De maximale capaciteitszwaai van de varactor blijft beperkt tussen de spanningspunten waar of geleiding Of doorslag optreedt, m.a.w. het maximaal toelaatbare vermogen van de pompfrequentie wordt bepaald door de varactoreigenschappen. De doorslagspanning beperkt zich bij een varactor tussen -50 a -100 volt; de capaciteit varieert veelal tussen 0,2 en 5 pF. De grensfrequentie ligt in de buurt van 100 GHz. Typische waarden van een parametrische versterker zijn:
versterking: 17 - 20 dB
3 dB bandbreedte: 50 MHz
signaalfrequentie: 7,2 - 7,35 GHz
ruistemperatuur: 160 K
Om versterking over een grotere bandbreedte te verkrijgen is de lopende golf parametrische versterker ontwikkeld. In feite bestaat deze versterker uit vier of meer in cascade gekoppelde trilholten. Het patroon van het elektrische veld in elke holte is zodanig dat in het midden maximale spanning voorkomt, waar dan ook de varactor is geplaatst. De breedte van de banddoorlaat wordt bepaald door de wederzijdse koppeling tussen de holten.
Grotere koppeling betekent grotere bandbreedte en wordt gevormd door de afmeting van de iris-opening.
Om de bandbreedte te veranderen kunnen irissen van verschillende opening worden toegepast. Voor een beoordeling van de eigenschappen van een parametrische versterker wordt het begrip versterkingsbreedte gebruikt. Dat is het produkt van spanningsversterking en bandbreedte, uitgedrukt in MHz. De versterking zal meestal afnemen, wanner naar maximale bandbreedte wordt gestreefd. De versterkingsbandbreedte zou dan wel eens heel ongunstig kunnen uitvallen.
Bij een schotelantenne wordt haast altijd in het focus-punt een parametrische versterker geplaatst, gevolgd door een lopende golfbuis. Vervolgens wordt het signaal, niet of wel getransformeerd naar een lagere frequentie, per golfgeleider of coaxiaalkabel verder gevoerd voor versterking en verdere bewerking.
Een leuke toepassing van deze versterker is de parametrische versterker antenne. Deze actieve antenne bestaat uit twee van elkaar geisoleerde holle pijpen, die als dipool antenne dienst doen. Hierin is geisoleerd opgesteld een massieve pijp, waarvan de lengte is aangepast aan de pompfrequentie. In- en uitwendige pijp worden door twee varactors aan weerszijden met elkaar verbonden. Via een koppellus wordt het versterkte signaal afgenomen. Met een gelijkspanning worden de varactors op hun werkpunt ingesteld. Ten opzichte van een passieve dipool van dezelfde afmetingen wordt met deze actieve antenne een versterking verkregen van ongeveer 20 dB!
Fig. 5 - Parametrische versterker van Mullard Ltd met klystron als pomp en circulator als uitgang.
Fig. 6 - Lopende golf parametrische versterker.
Fig. 7 - Actieve antenne.
Fig. 8 - Afregeling van de parametrische versterker, zoals in gebruik op Goonhilly (Engeland).
A. Poortvliet.