DE1055623B - Nichtreziproker Vierpol - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtreziproken Vierpol für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Abschnitt einer Koaxialleitung, in deren Feldraum vormagnetisiertes gyromagnetisches Material vorgesehen ist.

Nichtreziproke Vierpole bzw. Bauelemente dieser Art wurden bisher in der Weise ausgebildet, daß der Innenleiter einer Koaxialleitung gewendelt wird und in " dem durch die Innenleiterwendelung bewirkten Feldbereich mit zirkulär polarisierter magnetischer Wechselfeldkomponente vormagnetisiertes gyromagnetisches Material angeordnet wird. Mit derartigen Bauelementen lassen sich zufriedenstellende richtungsabhängige Übertragungseigenschaften erzielen; doch wird es als störend empfunden, daß der Innenleiter der Koaxialleitung gewendelt sein muß, da dies eine Reihe wesentlicher bautechnischer Schwierigkeiten mit sich bringt. Zur Realisierung einer nichtreziproke Übertagungseigenschaften aufweisenden Hochfrequenzleitung wurde vorgeschlagen, zwischen den beiden Leitern einer Koaxialleitung mit gestrecktem Innenleiter einen Streifen aus dielektrischem Material anzuordnen, der zu beiden Seiten mit in radialer Richtung (von der Achse der Koaxialleitung aus betrachtet) magnetisierten Streifen aus ferromagnetischem Material, wie Ferrit, versehen ist. Dieser im älteren Patent 1 028 638 niedergelegte Vorschlag ist jedoch nicht vorbekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nichtreziproken Vierpol der Koaxialbauweise hinsichtlich der auftretenden Schwierigkeiten zu verbessern, indem von der Wendelung des Innenleiters abgegangen wird.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem nichtreziproken Vierpol für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Koaxialleitungsabschnftt mit gestrecktem Innenleiter, in dessen Feldraum vormagnetisiertes gyromagnetisches Material in einem der Bereiche angeordnet ist, in dem eine zirkulär polarisierte Komponente des magnetischen Wechselfeldes der Wellen auftritt, gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Querschnittsabmessungen des Koaxialleitungsabschnittes derart groß gewählt sind, daß in dem Abschnitt bei der Betriebsfrequenz die Ausbreitungsbedingungen für einen HohIrohfwellentyp mit zirkulär polarisierter Komponente des magnetischen Wechselfeldes, vorzugsweise für den H₁₁-Wellentyp, erfüllt sind.

Es ist an sich bekannt, eine übliche Koaxialleitung mit gestrecktem Innenleiter, im Feldraum mit vormagnetisiertem gyromagnetischem Material zu versehen. DieseAnordnung besitzt indes keine richtungsabhängigen Übertragungseigenschaften, wie es für einen, nichtreziproken Vierpol gefordert wird, sondern Niclitreziproker Vierpol

Anmelder:

SiemeriiS & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. rer. nat. Josef Deutsch, München-Großhadern,
ist als Erfinder genannt worden

lediglich in beiden Übertragungsrichtungen gleichartig regelbare Übertragungseigenschaften. Diese Anordnung ist daher im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand ein Vierpol, für den der Umkehrsatz gilt.

Es wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß in Koaxialleitungen bei Querschnittsabmessungen, die einen bestimmten Wert überschreiten, außer den Leitungswellen (TEM-Wellentyp) auch Hohlrohrwellen angeregt werden können, die bei üblicher Ausbildung der Koaxialleitung mit gestrecktem Innenleiter Feldbereiche mit zirkulär polarisierten Komponenten des magnetischen Wechselfeldes besitzen. Besonders deutlich ist dies für die in üblichen Koaxialleitungen meist unerwünschten H₁₁-Wellen gegeben. Das Feld-bild einer derartigen Welle in einer Querschnittsebene der Koaxialleitung betrachtet, ist in der Fig. 1 dargestellt, worin die stark ausgezogenen Linien B die elektrischen und die gestrichelt ausgezogenen Linienii die magnetischen Feldlinien bedeuten. Die Wellenausbreitungsbedingungen für diesen Wellentyp sind dann erfüllt, wenn der mittlere Umfang der Koaxialleitung größer ist als die Wellenlänge der Betriebswelle. Beispielsweise sind bei einer Koaxialleitung mit einem Innenleiterdurchmesseer von 6 mm. und einem Innendurchmesser des Außenleiters von 16 mm für eine Betriebswellenlänge von 3,3 cm die Wellenausbreitungsbedingungen in der H₁₁-Wellenfofm 'bereits erfüllt. Kommt es darauf an, bei relativ geringen Abmessungen von Innen- und Außenleiter längere Wellen der gyromagnetischen Wirkung ztt unterwerfen, so empfiehlt es sich, wie in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen wird, zu diesem Zweck den Raum zwischen Innen- und Außenleiter* ganz, oder teilweise mit einem dielektrischen Material auszufüllen, das beispielsweise eine Dielektrizitätskonstante von etwa 10 oder mehr hat. Es wird bier-

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durch die Grenzwellenlänge nach wesentlich längeren Wellen hin verschoben. Im Feldbild der H₁₁-Wellen, wie in Fig. 1 gezeigt ist, existieren im wesentlichen vier Bereiche, in denen eine zirkulär polarisierte_ Komponente des magnetischen Wechselfeldes auftritt. Es sind dies etwa die Bereiche, die durch die eingezeichneten Pfeile a, b, c und d angedeutet sind. Wenigstens in einem dieser Bereiche ist demnach das Material! mit- den gyromagnetischen Eigenschaften vorzusehen und derart in an sich bekannter Weise zu magnetisieren, daß das statische Magnetfeld in Rich' tung einer Normalen auf der . Ebene steht, in der die zirkulär polarisierte Komponente des magnetischen Wechselfeldes liegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Fig. 2. Die Koaxialleitung mit dem Innenleiter 1 und dem Außenleiter 2, deren Durchmesser entsprechend ■den vorstehend gegebenen Bedingungen für die H₁₁-Welle gewählt ist, ist in den Bereichen der zirkulär polarisierten Komponente des magnetischen Wechselfeldes mit radial gerichteten, in Leitungsrichtung verlaufenden Platten aus Material mit gyromagnetischen Eigenschaften, beispielsweise Ferrit, versehen. Die einzelnen Platten sind mit 5, 6, 7 und 8 bezeichnet. Zur Festlegung der Schwingungsebene der H₁₁-Welle, deren Feldbild aus Fig. 1 -ersichtlich ist, sind zwei Leitbleche 3, 4 in einer zur Richtung der elektrischen Feldstärke senkrechten Ebene in Längsrichtung der Koaxialleitung verlaufend angeordnet, die den Innenleiter 1 und den Außenleiter 2 verbinden. An Stelle von Leitblechen können auch entsprechende Metall-folien oder sonstige bekannte Mittel vorgesehen werden. Die Vormagnetisierung des Materials mit den gyromagnetischen Eigenschaften muß bei einer derartigen Anordnung in ganz besonderer Weise erfolgen. Wie aus dem Feldbild aus Fig. 1 entnehmbar, sind die zirkulär polarisierten Komponenten des magnetischen Weehselfeldes in den mit den Pfeilen a und ei. angedeuteten Bereichen derart, daß die statische Vormagnetisierung gleichartig, ■ beispielsweise .vorn Innenleiter zum Außenleiter gerichtet sein muß. Jn'iden beiden übrigen Bereichen b und c, die wiederum beide gleichartige Vormagnetisierung erfordern, muß" die Vormagnetisierung die entgegengesetzte Richtung wie in den Bereichen» und d besitzen. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind diese Vormagnetisierungsbedingungen dadurch realisiert, daß je ein zylinderschal enförmiger Permanentmagnet 13,14 in der aus der Fig, 2 ersichtlichen Polarität außen an die Koaxialleitung 1,2 so angelegt ist, daß d}e Magnetpole unmittelbar den dem Innenleiter 1 abgewandten Enden der Ferritplatten 5, 6, 7 und 8 gegenüberstehen. Die unmittelbar an dem Außenleiter anliegenden Teile der Permanentmagneten können indessen auch durch Weicheisenpolschuhe od. ä. gebildet werden, die über einen entsprechenden Permanentmagneten magnetisch verbunden sind.

In" manchen Fällen können die Leitbleche 3, 4 in der Leitung störende Reflexionen verursachen. Diese Reflexionen lassen sich indes in relativ leicht auf ein vernachlässigbares Maß verringern, wenn gemäß dem weiteren Vorschlag die Leitbleche 3> 4 in an sich bekannter Weise mit ihren in Leitungsrichtung gelegenen Enden in Übertragungsrichtung betrachtet jeweils um eine Viertelbetriebswellenlänge gegeneinander versetzt werden. Es ist auch möglich, nur einzelne Querstege zu setzen, die gegebenenfalls alternierend auf der einen und der anderen Seite des Innenleiters 1 zum Innenleiter und Außenleiter vorgesehen sind und die in Übertragungsrichtung

betrachtet etwa um eine Viertelbetriebswellenlänge versetzt sind. Ähnliche Überlegungen gelten auch bezüglich der einzelnen Ferritplatten 5, 6, 7 und 8, für die zur Vermeidung einer Reflexion zweckmäßig ebenfalls die Viertelbetriebswellenlängenversetzung angewandt wird. Der restliche Innenraum der Koaxialleitung 1, 2 ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 als mit einem dielektrischen Material ausgefüllt angenommen, das zweckmäßig eine Dielektrizitätskonstante besitzt, die etwa der des verwendeten Materials mit den gyromagnetischen Eigenschaften entspricht.

Bei der Anordnung des Materials mit den gyromagnetischen Eigenschaften im Raum zwischen Innen- und Außenleiter der Koaxialleitung.!, 2 ist darauf zu achten, daß das Material unter Umständen eine Änderung des Ortes mit sich bringt, indem eine zirkulär polarisierte Komponente des magnetischen Wechselfeldes auftritt. Ohne das Material lassen sich die Bereiche aus den bekannten Gleichungen für die H₁₁-Welle in der Koaxialleitung berechnen, indem die Tangentialkomponente und die Axialkomponente des magnetischen Wechselfeldes berechnet und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. In den Bereichen, in denen das Verhältnis der Radialkomponenten zur Tangentialkomponenten des magnetischen Wechselfeldes gleich 1 wird, liegt bei dem sich dann ergebenden Umfangswinkel φ eine Zirkularpolarisation des magnetischen Wechselfeldes vor (<p = O an der Metallfolie 3 bzw. 4). Dieser Bereich entspricht auch in etwa dem bei im Leitungsinnern angeordneten ..: gyromagnetischen Material.

Die Anordnung nach Fig. 2 kann sowohl mit permanenter Magnetisierung (z. B. als Richtungsleitung) oder mit veränderbaren Magnetfeldern arbeiten (z. B.

als Modulator oder veränderbares nichtreziprokes Dämpfungs- oder Phasenglied). Je nach der Stärke der Vormagnetisierung können die an sich bekannten Bedingungen eingestellt werden, daß die gyromagnetische Resonanzfrequenz kleiner, gleich oder größer als die Frequenz der Betriebswellen ist. Für den Fall der Verwendung der Anordnung nach Fig. 2 als nichtreziproken Phasenschieber ist die magnetische Feldstärke der Vormagnetisierung derart zu wählen, daß die gyromagnetische Resonanzfrequenz kleiner oder größer als die Frequenz der Betriebswellen ist. Der Bereich, in dem die gyromagnetische Resonanzfrequenz größer als die Frequenz der Betriebswellen ist, besitzt im allgemeinen einen stärkeren Frequenzgang als der andere Bereich, doch kann dies gegebenenfalls zur Kompensation sonstiger in der Schaltung oder in mit dem nichtreziproken Vierpol zusammenarbeitenden Geräten auftretenden Frequenzgängen benutzt werden. Für den Fall der Resonanzrichtungsleitung ist die magnetische Feldstärke so zu wählen, daß die Frequenz der Betriebs wellen mit der Präzessionsfrequenz des magnetischen Vektors, also mit der gyromagnetischen Resonanzfrequenz, übereinstimmt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 3 dargestellt, die einen Querschnitt durch eine Richtungsleitung der Koaxialbauweise zeigt, die nach dem Prinzip der Feldverzerrung arbeitet. Mit 1, 2, 3 und 4 sind gleichartig zu Fig. 2 der Innenleiter, der Außenleiter und die metallischen Leitbleche bezeichnet. 5, 6, 7 und 8 sind wiederum Ferritstreifen bzw. Platten, die bei diesem Ausfüh- - rungsbeispiel jedoch den Leitblechen enger benachbart angeordnet sind als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Die Magnetisierung erfolgt wieder entsprechend den eingezeichneten Pfeilen, und zwar durch lediglich schematisch dargestellte, am Außen-

Claims (8)

leiter anliegende Magnetisierungseinrichtungen N und 5". Durch die Anordnung der Ferritstreifen wird bei entsprechender Magnetisierung erreicht, daß das Maximum der elektrischen Feldstärke für die eine Übertragungsrichtung in die Nähe der Ferrite 5 und 8 gezogen wird und in der umgekehrten Übertragungsrichtung in die Nähe der Ferrite 6 und 7. Werden daher Streifen aus wellenabsorbierendem Material 9, 10 an den Ferriten 5, 8 oder in deren Nähe angeordnet, so wird dieses wellenabsorbierende Material bei der Übertragungsrichtung stärker erfaßt, für die das Maximum der elektrischen Feldstärke in der Nähe der Ferritplatten 5, 8 gezogen wird. Soll diese Übertragungsrichtung im wesentlichen unbeeinflußt bleiben und nur die andere Übertragungsrichtung beeinflußt werden, so ist das wellenabsorbierende Material 9,10 fortzulassen und beispielsweise in Form von Streifen an den Stellen Ili 12 anzuordnen. 20 Patentansprüche:

1. Nichtreziproker Vierpol für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Koaxialleitungsabschnitt mit gestrecktem Innenleiter, in dessen Feldraum vormagnetisiertes gyromagnetisches Material in einem der Bereiche angeordnet ist, in dem eine zirkulär polarisierte Komponente des magnetischen Wechselfeldes der Wellen auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer-Schnittsabmessungen des Koaxialleitungsabschnittes derart groß gewählt sind, daß in dem Abschnitt bei der Betriebsfrequenz die Ausbreitungsbedingungen für einen Hohlrohrwellentyp mit zirkulär polarisierter Komponente des magnetischen Wechselfeldes, vorzugsweise für den H₁₁-Wellentyp, erfüllt sind.

2. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Feldraum der Koaxialleitung Mittel zur Festlegung der Schwin-

gungsebene der Hohlrohrwelle, beispielsweise Leitbleche, vorgesehen sind.

3. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Feldraum der Koaxialleitung zusätzlich zu dem gyromagnetischen Material wellenabsorbierendes Material derart angeordnet ist, daß es von Wellen der einen Übertragungsrichtung stärker erfaßt wird als von Wellen der anderen Übertragungsrichtung.

4. Nichtreziproker Vierpol nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gyromagnetische Material stab- oder plattenförmig ausgebildet ist.

5. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das stab- oder plattenförmig ausgebildete gyromagnetische Material im Feldraum der Koaxialleitung in radialer Richtung angeordnet ist.

6. Nichtreziproker Vierpol nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mehreren im Feldraum angeordneten Teilen, die Reflexionen verursachen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsstellen in Leitungsrichtung gegenseitig um λ/ί versetzt sind (2 = Wellenlänge der Betriebswelle in der Leitung).

7. Nichtreziproker Vierpol nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldraum der Koaxialleitung zusätzlich mit einem dielektrischen Material, vorzugsweise mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von etwa 10 und mehr, ausgefüllt ist.

8. Nichtreziproker Vierpol nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter der Koaxialleitung aus magnetisch leitendem Material, wie Weicheisen, besteht, das gegebenenfalls oberflächenvergütet, beispielsweise versilbert ist.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 028 638.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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