DE1041549B - Nicht reziproke elektrische Kopplungsvorrichtung mit zwei senkrecht zueinander gekreuzten Wicklungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine nicht reziproke elektrische Kopplungsvorrichtung, bei der -die Energieübertragung in einer Richtung gleich Null ist.

Solche Vorrichtungen finden z. B. Anwendung als Mikrowellenisolator, z. B. in einer Verbindung zwischen einem Generator und einer Belastung zwecks Beseitigung der Rückwirkung der Belastung auf den Generator. Es sind bereits mehrere Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen ein Körper aus vorpolarisiertem hochfrequenzmagnetischem Material, z. B. aus Ferrit, in einem Hohlleiter angeordnet ist in der Weise, daß Wellen im Hohlleiter in einer Richtung nahezu unbehindert durchgelassen und in der entgegengesetzten Richtung beträchtlich gedämpft werden. Solche Vorrichtungen sind aber für niedrigere Frequenzen, z. B. von der Größenordnung von 500 MHz, nicht verwendbar, da die Abmessungen des Hohlleiters dann unpraktisch groß werden würden.

Es sind auch Einrichtungen zur veränderbaren Kopplung zweier Lecherleitungen bekanntgeworden, bei der zwischen den ineinandergreifenden entkoppelten Lecherleitungsstücken ein einen gyromagnetischen Effekt aufweisender Ferritkörper liegt. Abgesehen von der nicht immer verwendbaren offenen Lecherleitung würden auch in einem solchen Falle die Abmessungen des Wellenleitersystems bei niedrigen Frequenzen -relativ groß werden.

Ferner ist bereits eine nicht reziproke elektrische Kopplungsvorrichtung bekannt, welche zwei sich kreuzende Spulen besitzt, deren Wickelflächen senkrecht zueinander angeordnet sind und einen gemeinsamen Kern aus hochfrequenzmagnetischem Material umfassen, der in einer zur Schnittlinie der Wickelflächen parallelen Richtung vorpolarisiert ist: Eine solche Kopplungsvorrichtung wird in gewissen Fällen mit dem Namen »Gyrator« bezeichnet. Es wurde bereits vorgeschlagen, eine äußere Widerstandskopplung zwischen dem Eingang ■und dem Ausgang der Kopplungsvorrichtung anzubringen zwecks Erhöhung der Übertragung in einer Richtung. Diese Vorrichtung ist weniger geeignet für Wellen mit einer Wellenlänge von der Größenordnung von 50 cm, da die Widerstandskopplung zusätzliche Verluste einleitet und außerdem schwer einstellbar ist. Die Erfindung begegnet diesem Nachteil. Bei einer nicht reziproken elektrischen Kopplungsvorrichtung mit zwei senkrecht zueinander gekreuzten Wicklungen, welche einen gemeinsamen Kern aus Hochfrequenzmaterial umfassen, der in einer zur Schnittlinie der Wickelflächen parallelen Richtung voipolarisiert ist und wobei eine äußere elektrische Kopplung zwischen den Wicklungen vorhanden ist, hat erfindungsgemäß das vorpolarisierer.de Feld eine solche Stärke, daß bei einer bestimmten Frequenz, bei der in einer Richtung keine Energieübertragung erfolgen darf, das hochfrequenziTiagnetische Material in magnetischer Resonanz ist, und Nicht reziproke elektrische

Kopplungsvorrichtung mit zwei senkrecht zueinander gekreuzten Wicklungen

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 9. November 1956

Gerrit De Vries, Eindhoven (Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

zwischen den beiden Wicklungen erfolgt die äußere Kopplung über einen reinen Blindwiderstand und hat einen solchen Wert, daß bei der erwähnten Frequenzder resultierende Kopplungsfaktor in einer Richtung (Sperrichtung) gleich Null ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.

In Fig. 1 sind zwei sich senkrecht zueinander kreuzende Wicklungen 1 und 2 dargestellt, welche gegebenenfalls jeweils aus einer einzigen Windung bestehen können und einen gemeinsamen Kern 3 aus hochfrequenzmagnetischem Material, z. B. Ferrit, umfassen. Der Kern 3 ist durch nicht näher dargestellte Mittel, z. B. durch einen Elektromagnet, in zur Schnittlinie der Wickelflächen paralleler Richtung vorpolarisiert, wie es durch den Pfeil H angedeutet ist. Die Wicklungen sind an einem Ende miteinander verbunden und über eine gemeinsame Impedanz Z mit den Klemmen K₂ und Ji₄ der Kopplungsvorrichtung und am anderen Ende jeweilig mit den Klemmen K₁ und K₃ verbunden. Die Komponenten B_x und B,j der magnetischen Induktion in zwei gegenseitig senkrechten Richtungen senkrecht zur Vorpolarisation H können in den entsprechenden Komponenten H_x und H_y der magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes durch folgende Beziehungen ausgedrückt werden:

ID _χ =

Xl _χ

Hy

Darin stellen μ_χ und μ_% Permeabilitäten dar, welche im allgemeinen Komplexwerte sind. Die Spannungen F₁

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und F₂ an den Klemmen K₁ und K₂ bzw. K₃ und K_i - Setzt man die Ausgangsimpedanz Z_n gleich G + jD, der Kopplungsvorrichtung können in den Strömen J₁ so gilt

und J₂ durch die Wicklungen 1 und 2 durch" folgende F₂ = — (G + /D) J₂,

Vierpolgleichungen ausgedrückt werden: so daß

F₁=- (Z₊JCoL₁)L_{1 +} (Z-JCoM^I₂

F₂ = (Z₊Jw M_a) L_{1 +} (Z₊]Oi L₂) I₂. Die vom Generator GiV abgegebene Energie ist gleich

Darin stellen L₁ und L₂ die Induktivitäten der Wick- ^R|A|²»

lungen 1 und 2 dar, welche der Permeabilität μ_χ pro- io

portional sind, und M_a ist ein der Permeabilität μ₂ und die von der Impedanz Z_u aufgenommene Energie ist proportionaler magnetischer Kopplungsfaktor. Wenn gleich

Z — j ω M_a = 0, kann von den Ausgangsklemmen K_s, K± G | J₂1²,

auf die Eingangsklemmen K₁₁K₂ keine Energieübertragung erfolgen, da in diesem Falle die Spannung F₁ un- 15 so daß die Übertragungsleistung gleich
abhängig vom Ausgangsström J₂ ist.

Nach einem Merkmal der Erfindung hat das vor- G|J₂|² G 4 Y²

polarisierende Feld H einen solchen Wert, daß das . , == ~ ₍ . _a . _v _. ₂

Magnetmaterial des Kernes 3 bei der Kreisfrequenz ω ^ I ^²1 ^K (^taJ +(A + r+ΰ)

in magnetischer Resonanz ist. Die Permeabilität μ₂ ist 20 ist.

dann reell und hat einen Höchstwert. Der Kopplungs- Wenn die Belastungsimpedanz Z_u = G + jD ein

faktor M ist dann gleichfalls reell, so daß die Kopplungs- additiver Komplex ist gegenüber der inneren Impedanz impedanz Z ein reiner Blindwiderstand sein muß. Dies R₊JX ₊ jY der Kopplungsvorrichtung, d. h. G = R bietet den Vorteil, daß die äußere Kopplung keine zu- und D = — (X ₊ Y), so ist die Übertragungsleistung sätzlichen Verluste einleitet und leicht einstellbar ist, 25 gleich

was insbesondere bei höheren Betriebsfrequenzen wichtig ' γζ

ist, da bei einer ohmschen oder komplexen äußeren ~m'

Kopplung eine Änderung der ohmschen Komponente
auch eine Änderung der Bündkomponente, herbeiführen

würde, und umgekehrt. Verbindet man die Eingangs- 30 Dann ist Y proportional zur Permeabilität μ₂, und R Memmen K₁, K₂ mit einem Generator GN und die ist proportional zur Permeabilität μ_χ, und bei ferro-Ausgangsklemmenif₃,i?₄mit einerBelastungsimpedanzZ_a) magnetischer Resonanz des magnetischen Materials so ist die Belastung des Generators durch die Kopplungs- werden die Absolutwerte von μ_χ und μ₂ etwa einander vorrichtung also gleich Z ₊ j ω L₁, und zwar unab- gleich, so daß auch Y etwa gleich R und somit die hängig von der Größe der Belastungsimpedanz Z_n. 35 Übertragungsleistung gleich 1 ist.

Der Kopplungsfaktor für die Energieübertragung in Theoretisch kann dies auch wie folgt erklärt werden:

der Durchlaßrichtung, d. h. von den Eingangsklemmen Wenn nur eine der Wicklungen von einem Hochfrequenz-Ji₁, Ji₂ auf die Ausgangsklemmen K₃, K_t, ist gleich wechselstrom durchlaufen wird, tritt eine starke Polari- Z + jco M_a — 2 jω M_a. Dieser Kopplungsfaktor ist sation des Magnetmaterials auf, was mit großen magneverhältnismäßig groß, da die Permeabilität μ₂, welcher 40 tischen Verlusten einhergeht. Wenn aber Z_n ein additiver der Faktor M_a proportional ist, bei fenomagnetischer Komplex gegenüber der inneren Impedanz ist, so folgt Resonanz maximal ist. Die Permeabilität μ_τ ist dann aus der obenerwähnten Beziehung zwischen J₁ und J₂ aber gleichfalls maximal, und zwar annähernd imaginär, und unter Berücksichtigung des Umstandes, daß bei und im Absolutwert gleich der Permeabilität μ₂, so daß Resonanz gilt Y=R, daß J₁ = j J₂. Dies bedeutet, die Glieder j ω L₁ und j co L₂, die bei einer symmetrischen 45 daß die Wicklungen von Strömen durchflossen werden, Ausbildung der Kopplungsvorrichtung einander gleich deren Absolutwerte gleich sind und deren Phasensind, in folgender Form geschrieben werden können: unterschied 90° beträgt. Hierdurch wird ein magnetisches

Drehfeld erzeugt, das zur Präzessionsrichtung der

JmL = R₊JX, Elektronenspinne im Magnetmaterial entgegengesetzt

50 gerichtet ist; mit anderen Worten, die beiden Ströme

wobei die ohmsche Komponente R groß ist gegenüber wirken einander entgegen hinsichtlich der Auswirkung der reaktiven Komponente R. Setzt man die Kopplungs- auf die Präzession, so daß die magnetischen Verluste impedanz Z = j ω M_a gleich jY, so können die Vierpol- gering sind. Die wirksame magnetische Kopplung gleichungen bei symmetrischer Ausbildung in folgender zwischen den Wicklungen ist in der Durchlaßrichtung Form geschrieben werden: 55 somit praktisch gleich Null, so daß nur die äußere

Kopplung über die Impedanz Z wirksam ist, die aber

F₁ = (R + jX + jY) L₁ keine Verluste einleitet wegen der Abwesenheit einer

F₂ = 2jY L₁ + (R ₊jX ₊jY) I₂- Widerstandskomponente in der Impedanz.

Eine geeignete Ausführungsform der Kopplungs-

Die innere Impedanz sowohl der Eingangsseite als 60 vorrichtung nach der Erfindung ist in den Fig. 2 und 3 auch der Ausgangsseite der Kopplungsvorrichtung ent- dargestellt, von denen
hält also die große Verlustkomponente R. Bei einer be- Fig. 2 eine Draufsicht und

stimmten Wahl der Ausgangsimpedanz Z_n ist aber trotz Fig. 3 eine Vorderansicht ist.

dieses Umstandes die Ubertragungsleistung überraschen- Diese Ausführungsform besitzt zwei sich senkrecht

derweise sehr hoch und nähert sich theoretisch sogar 65 zueinander kreuzende Leiter 1 und 2, welche um den 100%. Es wurde experimentell festgestellt, daß bei einer Kern 3 aus Hochfrequenzmaterial herumgebogen und Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung die Dämpfung an einem Ende mit einer stromleitenden Grundplatte 4 in der Durchlaßrichtung von der Größenordnung von verbunden sind. Die Leiter 1 und 2 sind am anderen nur 1 db sein kann, wobei also auch die dielektrischen Ende mit den Innenleitern der konzentrischen Leitungen 5 Verluste u. dgl. eine Rolle spielen. 70 und 6 verbunden, deren Außenleiter mit der Grund-

platte 4 gekoppelt sind (Fig. 2). Die Leiter 1 und 2 bilden je mit der Grundplatte 4 eine unsymmetrische Lecherleitung. Der Kern 3 ist wieder durch nicht •dargestellte Mittel in axialer Richtung mit einem Feld H vorpolarisiert, welche das Ferromagnetmaterial bei der Betriebsfrequenz in magnetische Resonanz bringt. Die Punkte α und δ auf den Leitern 1 und 2 sind durch einen Kopplungsleiter 7 miteinander verbunden, dessen Mitte 8 durch den Leiter 9 mit der Grundplatte 4 verbunden ist (Fig. 3). Die Leiter 7 und 9 verhalten sich wie Induktivitäten bei den hohen Frequenzen, für welche die Vorrichtung bestimmt ist. Durch Regelung der Länge des Leiters 9 kann die Größe der äußeren Kopplung zwischen den Leitern 1 und 2 geändert und auf einen solchen Wert eingestellt werden, daß die Gesamtkopplung .zwischen dem Leiter 5 und dem Leiter 6 in einer Richtung beseitigt ist.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Nicht reziproke elektrische Kopplungsvorrichtung mit zwei senkrecht zueinander gekreuzten Wicklungen, die einen gemeinsamen Kern aus hochfrequenzmagnetischem Material umfassen, welcher in einer zur Schnittlinie der Wickelflächen parallelen Richtung vorpolarisiert ist, und wobei eine äußere elektrische Kopplung zwischen den Wicklungen vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das vorpolarisierende Feld eine solche Stärke hat, daß bei einer bestimmten Frequenz das Hochfrequenzmaterial in magnetischer Resonanz ist, und daß die äußere Kopplung über einen reinen Blindwiderstand erfolgt und einen solchen Wert hat, daß bei der erwähnten Frequenz der resultierende Kopplungsfaktor in einer Richtung (Sperrichtung) gleich Null ist.

2. Kopplungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung der Kopplungsvorrichtung, in der Durchlaßrichtung gesehen, ein additiver Komplex zur scheinbaren inneren Impedanz der Kopplungsvorrichtung ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 938021.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 803 659/28T 10.5S