DE1055624B - Magnetisch veraenderbarer ? fuer koaxiale Leitungen - Google Patents

Description

• Magnetisch veränderbarer" für koaxiale Leitungen °' Die Erfindung betrifft ein einstellbares reziprokes Dämpfungsglied für die koaxiale Leitungstechnik, bestehend aus einem koaxialen Leitungsabschnitt und einem Hohlzylinder aus magnetisch weichem Ferrit, der zwischen Innen- und Außenleiter konzentrisch mit ihnen angeordnet ist und dessen Vormagnetisierung einstellbar ist, wobei die koaxiale Leitung so ausgebildet ist, daß sich in dieser nur die elementare TEM-Welle (Doppelleitungswelle) ausbreiten kann. Erfindungsgemäß verläuft das Vormagnetisierungsfeld längs des kreisförmigen Umfanges des Ferritzylinders. Ein wesentlicher Vorteil dieses Dämpfungsgliedes besteht darin, daß es auch noch mit sehr hohen Steuerfrequenzen arbeitet.
• Bei der Konstruktion koaxialer Bauelemente mit Ferriten hat man zwei Schwierigkeiten zu überwinden. Da nichtreziproke Effekte mit TEM-Wellen nicht zu erzielen sind, muß man eine geeignete Leitungsform wählen, die eine zirkular polarisierte Komponente des HF-Feldes sicherstellt. Das geschieht z. B. durch Wendeln des Innenleiters oder dadurch, daß sich das Ferrit nicht auf den ganzen Umfang des koaxialen Leiters erstreckt. Die zweite Schwierigkeit ist eine reine Materialfrage. Die Linienbreite der ferromagnetischen Resonanz und die Nullpunktsverluste bestimmen die untere Frequenzgrenze, die heute für kommerzielle Resonanzrichtleiter bei 3000 MHz liegt.
• Das erste Problem ist hier nicht von Bedeutung, da das erfindungsgemäße Dämpfungsglied reziprok ist und mit TEM-Wellen arbeitet, also mit Doppelleitungswellen, die keine Feldkomponente in Ausbreitungsrichtung haben. Als Leitung wird eine Doppelleitung in koaxialer Ausführung angewendet. Die Materialschwierigkeiten werden dadurch überwunden, daß die nicht zu vermeidenden Nullpunktsverluste zur Erzielung des gewünschten Dämpfungseffektes ausgenutzt werden.
• Unter den Nullpunktsverlusten werden diejenigen magnetischen Verluste verstanden, die das Ferrit ohne magnetisierendes Feld besitzt. Sie können erhebliche Werte annehmen und kommen so zustande, daß einzelne Elektronenspins zusammen mit dem an ihrem Ort herrschenden inneren Feld bei der Betriebsfrequenz die Resonanzbedingung der ferrromagnetischen Resonanz erfüllen. Bei magnetisch weichen Ferriten kann man diese Verluste bereits mit kleinen äußeren Feldern stark reduzieren und bei Sättigung des Materials ganz zum Verschwinden bringen. Bei weiterer Steigerung der Feldstärke treten erneut Absorptionsverluste auf, wenn Betriebsfrequenz und außen angelegte Feldstärke die Bedingung der ferromagnetischen Resonanz erfüllen.
• Bei allen bisherigen Ferritanordnungen strebt man Materialien kleiner Nullpunktsverluste an und vermeidet zudem ihren Bereich durch genügend große äußere Felder, wobei man in oder in der Umgebung der ferromagnetischen Resonanz arbeitet. Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Dämpfungsglied vorteilhaft ein Ferrit hoher Nullpunktsverluste verwendet und die beim Feld Null vorhandene Dämpfung durch ein kleines äußeres Feld schrittweise verringert. Ein derartiger Abschwächer umgeht die oben skizzierte Problematik der unteren Frequenzgrenze, die jedenfalls nicht durch Materialfragen bestimmt wird.
• Bei den bisherigen Ferritanordnungen liegt das magnetisierende Gleichfeld senkrecht zum hochfrequenten Magnetfeld der geführten Welle. Im Sättigungszustand wird durch die Ausrichtung der Elektronen.spins in die zum magnetischen HF-Feld senkrechte Richtung die größtmögliche Wechselwirkung zwischen diesem und der die Materialeigenschaften bestimmenden Spinbewegung erreicht. Demgegenüber wird bei dem erfindungsgemäßen Dämpfungsglied das magnetisierende Feld parallel zum magnetischen HF-Feld gewählt, so daß im Sättigungszustand die Elektronenspins parallel zu dieser Richtung liegen und eine Wechselwirkung mit dem HF-Feld nicht möglich ist. Demzufolge sind im Sättigungszustand auch die magnetischen Verluste Null, und ferromagnetisch,e Resonanz und die damit verbundenen Absorptionsverluste können nicht eintreten.
• Die in der Praxis meistverwendete Doppelleitung ist die Koaxialleitung. Die magnetischen Feldlinien haben in diesem Fall die Gestalt konzentrischer Kreise um den Innenleiter. Das Ferrit hat die Form eines zylindrischen Rohres zwischen Innen- und Außenleiter rind wird entgegen ähnlichen Konfigurationen nicht longitudinal, sondern gemäß dem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung circumferential, d. h. längs seines Umfanges, magnetisiert. Ein großer Vorzug dieser Struktur besteht darin, daß wegen des geschlossenen magnetischen Weges der Entmagnetisierungsfaktor Null ist und man daher mit sehr kleinen magnetisierenden Feldern auskommt. Die beschriebene Anordnung ist deshalb ideal geeignet für Schalter und `;Iodulatoren bis herauf zu sehr hohen Steuerfrequenzen, wo sonst die Erzeugung des magnetisierenden Steuerfeldes in der erforderlichen Stärke auf erhebliche Schwierigkeiten führt.
• Die circumfereiitiale Magnetisierung des Ferritzylinders ist hier denkbar einfach. Sie kann entweder direkt über den Innenleiter der koaxialen Leitung erfolgen oder durch eine oder mehrere auf den magnetischen Körper aufgebrachte Drahtwindungen. Da der Magnetisierungszustand die Dämpfung der Welle bestimmt, kann diese- durch den Magnetisierungsstrom eingestellt werden. Mit periodisch veränderbarem Strom wird die Anordnung zum Modulator oder Schalter. Insbesondere kann der jeweilige Arbeitspunkt durch ein zusätzliches circumferentiales Gleichfeld geeignet festgelegt werden.
• Das Feld der TEi1-1-Welle in der koaxialen Leitung hat seine größte Konzentration unmittelbar am Innenleiter und nimmt zum Außenleiter hin umgekehrt proportional mit dem radialen Abstand vom Zentrum ab. Zur Erzielung großer Anfangsdämpfung pro Längeneinheit und guter elektrischer Anpassung kann man daher z. B. dünne zylindrische, auf den Innenleiter passende Ferritrohre verwenden. Man kann aber auch den zwischen Innen- und Außenleiter verbleibenden Raum ganz ausfüllen und die elektrische Anpassung durch geeignete dielektrische oder metallische Übergangsstücke an beiden Enden des Ferritzylinders bewerkstelligen, z. B. durch Hohlzylinder geeigneter Länge, Dicke und Dielektrizitätskonstante oder durch Kegelstümpfe geeigneter Länge, die etwa dieselbe Dielektrizitätskonstante haben wie das Ferrit und einen graduellen Übergang vom Durchmesser des Ferritzylinders auf den des Innenleiters der Koaxialleitung ergeben. Anpassung über einen größeren Frequenzbereich kann auch dadurch erzielt werden, daß man den Ferritzylinder ersetzt durch eine entsprechende Anzahl von Ferritringen gleicher magnetischer Wirksamkeit. Diese können eventuell verschiedene Durchmesser haben und sind längs der Leitung konzentrisch mit dieser und in definierten Abständen voneinander angeordnet. Die entstehenden Zwischenräume können frei bleiben oder geeignet dimensionierte dielektrische oder metallische Zwischenringe erhalten, so daß die bekannte Struktur eines koaxialen Filters entsteht.
• Das beschriebene reziproke Dämpfungsglied in Koaxialbauweise arbeitet mit TEM-Wellen. Das Auftreten von Hohlleiterwellen kann bei gegebener höchster Betriebsfrequenz ohne Schwierigkeiten durch richtige Dimensionierung der Durchmesser von Innen-und Außenleiter der Koaxialleitung vermieden werden, wobei der relativ hohen Dielektrizitätskonstante des Ferrites Rechnung zu tragen ist.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Einstellbares reziprokes Dämpfungsglied für die koaxiale Leitungstechnik, bestehend aus einem koaxialen Leitungsabschnitt und einem Hohlzylinder aus magnetisch weichem Ferrit, der zwischen Innen- und Außenleiter konzentrisch mit ihnen angeordnet ist und dessen Vormagnetisierung einstellbar ist, wobei die koaxiale Leitung so ausgebildet ist, daß sich in dieser nur die elementare TEM-Welle (Doppelleitungswelle) ausbreiten kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormagnetisierungsfeld längs des kreisförmigen Umfanges des Ferritzylinders verläuft.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritzylinder ersetzt wird durch eine entsprechende Anzahl von Ferritringen, eventuell auch verschiedenen Durchmessers, die einen definierten Abstand voneinander haben, wobei die entstehenden Zwischenräume frei bleiben oder dielektrische oder metallische Zwischenringe enthalten.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden des magnetisch wirksamen Materials dielektrische Übergangsstücke angebracht werden, z. B. Hohlzylinder oder Kegelstümpfe, die einen graduellen Übergang vom Durchmesser des magnetisch wirksamen Materials auf den des Innenleiters ergeben.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung des Ferritzy linders bzw. der Ferritringe von einem elektrischen Strom durch den Innenleiter der Koaxialleitung bewirkt wird.
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung des magnetisch wirksamen Materials durch eine oder mehrere stromdurchflossene Drahtwindungen auf dem Ferritzylinder bzw. den Ferritringen erfolgt.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine bestimmte Dämpfung erforderliche Magnetisierung durch einen konstanten Magnetisierungsstrom bewirkt wird.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung mit nieder- oder hochfrequentem Wechselstrom erfolgt. B. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gewünschte Arbeitspunkt durch eine geeignete Vormagnetisierung des F errits eingestellt wird, z. B. durch weitere stromdurchflossene Drahtwindungen auf dein Ferritzylinder bzw. den Ferritringen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 961109; schweizerische Patentschrift Nr. 272 407; »The Bell System Technical Journal«, 1955, January, S. 88 bis 91; »Proceedings of the IRE«, 1956, October, S. 1421 bis 1430; »Nachrichtentechnik«. April 1954, S. 153.