DE1056211B - Nichtreziproker Vierpol - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen temperaturkompensierten nichtreziproken Vierpol für elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Abschnitt einer Hochfreqenzleitung, in deren Feldraum ein Stoff mit gyromagnetischen Eigenschaften angeordnet ist, der durch ein äußeres Magnetfeld vormagnetisiert wird.

Derartige Anordnungen finden vor allem in der Technik der sehr kurzen elektromagnetischen Wellen dazu Verwendung, Schaltelemente zu schaffen, die richtungsabhängige Übertragungseigenschaften besitzen. Bei einer bekannten Ausführungsform dieser Anordnungen ist beispielsweise in einem Hohlleiter rechteckförmigen Querschnitts im Inneren, nahe einer schmalen Wandseite des Hohlleiters und etwa parallel zu dieser verlaufend, eine Platte aus gyromagnetischem Material, beispielsweise Ferrit, eingefügt. Die Hohlleitung dient zur richtungsabhängigen Übertragung von elektromagnetischen Wellen in der H₃₀-Wellenform. Die richtungsabhängigen Eigenschaften erhält diese Anordnung dadurch, daß senkrecht zu den breiten Seiten der Hohlleitung der Ferritkörper mittels eines außen an der Hohlleitung anliegenden Permanentmagneten vormagnetisiert wird. Je nach der Stärke dieser Vormagnetisierung liegt die gyromagnetische Resonanzfrequenz unterhalb oder in der Nähe oder über der Frequenz der in der Hohlleitung zu übertragenden Wellen, Wenn lediglich eine richtungsabhängige Phasenlaufzeit erreicht werden soll, wird die gyromagnetische Resonanzfrequenz niedriger oder höher eingestellt als die Frequenz der zu übertragenden Wellen, Wird hingegen eine richtungsabhängige Absorption gewünscht, so wird für die Übertragungsrichtung, in der die Absorption auftreten soll, die gyromagnetische Resonanzfrequenz wenigstens angenähert gleich der Frequenz der zu übertragenden Wellen gewählt. Mit diesen Bemessungsbedingungen lassen sich auch sogenannte Feldverzerrungsvorrichtungen schaffen, bei denen von der Tatsache Gebrauch gemacht wird, daß das elektromagnetische Feld der zu übertragenden Wellen durch das gyromagnetische Material richtungsabhängig konzentriert wird. In der Praxis hat sich gezeigt, daß sich die Übertragungseigenschaften derartiger Vierpole während des Betriebes der Einrichtung unter Umständen beträchtlich ändern. Dieser Nachteil stellt in manchen Fällen die Anwendbarkeit von Anordnungen, die gyromagnetische Wirkungen ausnutzen, unter Umständen gänzlich in Frage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe, zugrunde, einen Weg zu weisen, auf dem es möglich ist, nichtreziproke Vierpole, wie derartige Anordnungen auch bezeichnet werden, gerade hinsichtlich dieser Schwierigkeiten wesentlich zu verbessern.

Niclitreziproker Vierpol

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. Josef Deutsch,
München-Großhadem,
und Dr. rer. nat. Wolfgang Haken, München,
sind als Erfinder genannt worden

Diese Aufgabe wird bei einem nichtreziproken Vierpol der einleitend beschriebenen Art gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Vormagnetisierung in Abhängigkeit von der Temperatur derart geändert wird, daß die bei Änderung der Temperatur des gyromagnetischen Stoffes auftretenden Änderungen der gyromagnetischen Eigenschaften, z. B. der gyromagnetischen Resonanzfrequenz, wenigstens nahezu ausgeglichen werden.

Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, daß ferromagnetische Stoffe, also solche, die den gyromagnetischen Resonanzeffekt besitzen, eine Magnetisierungskurve besitzen, wie sie in der Fig. 1 a schematisch dargestellt ist. Auf der Abszisse des Diagramms in Fig. la ist die absolute Temperatur des gyromagnetischen Materials, bezogen auf die Curie-Temperatur, aufgetragen und in der Ordinate, die zugehörige Sättigungsmagnetisierung. Unter der Curie-Temperatur wird dabei die Temperatur verstanden, oberhalb deren die Sättigungsmagnetisieruing M des Materials Null ist. Dieser Zustand des Materials entspricht dem Wert > 1 der Abszisse. Bei einigen Ferritsorten wird M bereits unterhalb der Curie-Temperatur an einem Punkt Null (Inversionspunkt). M hat dann zwischen dieser Inversionstemperatur und der Curie-Temperatur negative Werte (s. Fig. lb). Die magnetischen Teile der üblichen den Ferromagnetismus ausnutzenden Einrichtungen, wie Transformatoren, usw., arbeiten stets in dem Bereich, in dem das Verhältnis der absoluten Temperatur zu Curie-Temperatur so gering ist, daß sich die Magnetisierung M nur unwesentlich innerhalb des Betriebstemperaturbereiches ändert. Wie Untersuchungen gezeigt haben, besitzen demgegenüber Ferrite und ferromagnetische Oxyde Curie-Temperaturen, die wesentlich niedriger

909 508306

liegen als die der sonst gebräuchlichen ferromagnetischen Stoffe, so daß der Betriebsbereich in einem Teil der Magnetisierungskurve liegt, indem sich die Sättigungsmagnetisierung M bei Änderung der Betriebstemperatur T_abs bereits sehr wesentlich ändert. Das ist offenbar die Ursache für die starke Temperaturabhängigkeit der gyromagnetischen Eigenschaften dieser Stoffe, denn die gyromagnetische Resonanzfrequenz ist durch die Magnetisierung mitbestimmt. Diesem Nachteil kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dadurch abgeholfen werden, daß ein magnetischer Haupt- oder Nebenschluß zu der Vormagnetisierungsvorrichtung vorgesehen, wird, der aus einem Material besteht, das ebenfalls eine stark temperaturabhängige Magnetisierung besitzt. Es ist dies ein Material, dessen Curie-Temperatur im Vergleich zu dem der üblichen ferromagnetischen Stoffe relativ niedrig liegt.

Es ist an sich bekannt, die Temperaturabhängigkeit von nichtreziproken Vierpolen zu kompensieren, und zwar in der Weise, daß in den verschiedenen Temperaturbereichen unterschiedlich ansprechende nichtreziproke Vierpole hintereinandergeschaltet werden. Die Vierpole sind dabei für sich unkondensiert. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist derart, daß in einem ersten Temperaturbereich, beispielsweise der erste nichtreziproke Vierpol in Aktion tritt, in einem benachbarten Temperaturbereich der darauffolgende nichtreziproke \^/ierpol usw. Beim Erfindungsgegenstand hingegen werden die bei einer Änderung der Temperatur des gyromagnetischen Stoffes auftretenden Änderungen der gyromagnetischen Eigenschaften in sich ausgeglichen. Dies führt zu einem besseren Ausgleich und auch zu geometrisch und elektrisch einfacheren Anordnungen.

Es ist weiterhin bekannt, einen nichtreziproken Vierpol, der in bekannter Weise temperaturkompensiert ist, aus einem einzigen Körper aus gyromagnetischem Material aufzubauen und unterschiedliche gyromagnetische Resonanzfrequenzen für die einzelnen Abschnitte des gyromagnetischen Stoffes durch ein in Achsrichtung des gyromagnetischen Materials abgestuftes Magnetfeld wenigstens näherungsweise herbeizuführen. Dieser Anordnung haften, im Vergleich zum Erfindungsgegenstand, dieselben Mängel an wie der bereits erwähnten bekannten temperaturkompensierten Anordnung.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist ein Hohlleiter 1 rechteckförmigen Querschnitts vorgesehen, der zur Übertragung elektromagnetischer Wellen in der H₁₀-Wellenform dient. Im Inneren des Hohlleiters 1 sind zwei Ferritplatten 2 und 3 angeordnet. Die Ferritplatten verlaufen wenigstens angenähert parallel zu den schmalen Wandseiten der Hohlleitung 1. Zur Vormagnetisierung dient ein Permanentmagnet 4, der mit zwei Polschuhen 5 und 6 yersehen ist und außen auf der einen Breitseite an der Hohlleitung 1 anliegt. Auf der gegenüberliegenden Breitseite der Hohlleitung^l sind zwei weitere Polstücke 7 und 8 vorgesehen,. die über ein Zwischenstück 9 aus ferromagnetischem Material magnetisch leitend verbunden sind. Es wird so erreicht, daß die Ferritplatten 2, 3 gegensinnig vormagnetisiert werden. Dies ist erforderlich, .weil bei den angenommenen Ausbreitungsbedingungen. *der Wellen in der Hohlleitung 1 die zirkulär oder elliptisch polarisierten Magnetfeldkomponenten iri,'den Bereichen der Platten 2, 3 gegensinnigen Drehsinn .besitzen. Zur Kompensation des Temperatur'efnnusses ist "in Anwendung der Lehre nach der Erfindung ein magnetischer Neben-

Schluß vorgesehen, der aus zwei längsstegartigen Teilen 10 und 11 aus Material besteht, dessen Sättigungsmagnetisierung stark temperaturabhängig ist. Die Teile 10 und 11 sind weiterhin zur Vervollständigung des Nebenschlusses über ein Zwischenstück 12 aus ferromagnetischem Material magnetisch leitend verbunden. Die Teile 5, 6, 7, 8, 9 und 12 sind beispielsweise aus üblichem Weicheisen, während die Teile 10 und 11 etwa aus dem unter dem Handelnamen » Thermoflux« der Vakuumschmelze Hanau bekannten Material oder aus einem Ferrit mit niedriger Curie-Temperatur bestehen.

Die Abmessungen der Teile 10, 11 und 12 werden bei vorgegebenen Abmessungen der übrigen Teile der Magnetanordnung und der Ferritplatten 2, 3 so gewählt, daß innerhalb eines weiten Temperaturbereiches die bei Zunehmen der absoluten Temperatur der Ferritplatten 2, 3 eintretende Verschiebung der gyromagnetischen Resonanzfrequenz wenigstens nahezu kompensiert wird.

Der temperaturabhängige magnetische Nebenschluß wird durch einen temperaturabhängigen Hauptschluß ersetzt, wenn die Ferritplatten in der Hohlleitung 1 parallel zu den Breitseiten liegen. Den Grund hierfür kann man darin erblicken, daß sich bei derartiger Anordnung das innere magnetische Gleichfeld bei Temperaturänderung relativ stark ändert, und zwar mit steigender Temperatur zunimmt. Ein Ausführungsbeispiel für einen Hauptschluß zeigt die Fig. 3, bei der im Hohlleiter 1 vier in Leitungsrichtung verlaufende Ferritplatten 13, 14, 15 und 16 flach auf den Breitseiten des Hohlleiters aufliegend, vorgesehen sind. Die Magnetisierung erfolgt wiederum gegensinnig, und zwar so wie durch die im Hohlleiter eingezeichneten beiden Richtungspfeile angedeutet. Die Wellenausbreitungsbedingungen sind gleichartig zu denen, der Anordnung nach Fig. 2 angenommen. Die Vormagnetisierung erfolgt über den nach Art eines in der Mitte längsgeteilten Rohres ausgebildeten Permanentmagneten 17. In Reihe mit den beiden Rohrhälften sind die magnetischen Hauptschlüsse 18, 19, 20 und 21 vorgesehen, die beim Ausführungsbeispiel aus länglichen Platten, z. B. von » Thermoflux« oder Ferrit, bestehen können. Durch Wahl der Stärke sowie der Breitenabmessung der einzelnen Platten 18 bis 21 lassen sich auch hier die magnetischen Eigenschaften nach der Theorie für übliche magnetische Kreise derart wählen, daß die gyromagnetische Resonanzfrequenz der Ferritplatten 13 bis 16 über einen weiten Temperaturbereich wenigstens angenähert konstant bleibt.

Bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen wird man im allgemeinen in an sich bekannter Weise die Querschnitte der Hohlleitungen 1 möglichst schmal bemessen, damit der magnetische Widerstand zwischen gegenüberliegenden Polen, die einen TeiLder Hohlleitung zwischen sich einschließen, nicht zu groß wird. Die Lehre nach der Erfindung ist indes auch bei anderen von dieser Bemessung abweichenden Formen von Hohlleitern und Leitungen anwendbar, die mit gyromagnetischem Material versehen sind. Zwei Ausführungsbeispiele hierfür sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt, wobei es sich in beiden Fällen um Einrichtungen zur Drehung der Polarisationsebene linear polarisierter Wellen handelt, die in einer Hohlleitung, kreisförmigen Querschnitts geführt werden. Zur Drehung der Polarisationsebene der linear polarisierten Wellen dient ein an den Enden in Kegelspitzen auslaufender Ferritstab 22, der mittels eines die Hohlleitung 1 umschließenden rohrförmigen

Claims (6)

Permanentmagneten 23 in Achsrichtung der Hohlleitung 1 vormagnetisiert ist. Bei der Anordnung nach Fig. 4 erfolgt die Temperaturkompensation mittels eines magnetischen Nebenschlusses, der die Form eines Rohres 24 besitzt, das im Inneren des rohrförmigen Permanentmagneten 23 angeordnet ist. Durch im jeweiligen Fall entsprechende gewählte Länge und Stärke des den Nebenschluß bewirkenden Rohres 24 sowie durch geeignete Wahl des hierfür verwendeten Materials läßt sich eine weitgehende Temperaturkompensation für die gyromagnetischen Eigenschaften erzielen. Bei der Anordnung nach Fig. 5 ist der rohrförmige Permanentmagnet in drei Rohrabschnitten 24', 24'', 24"' in Längsrichtung der Leitung unterteilt. Aufein anderfolgende Rohrabschnitte sind über ringartig ausgebildete Zwischenstücke 25, 26 aus in der Sättigungsmagnetisierung stark temperaturabhängigem Material verbunden. Die Temperaturkompensation hinsichtlich der gyromagnetischen Eigenschaften im Betriebsbereich, beispielsweise der gyromagnetischen Resonanzfrequenz, ist demnach bei sämtlichen Anordnungen anwendbar, die Material mit gyromagnetischen Eigenschaften verwenden und die durch Permanentmagnetfelder vormagnetisiert sind. Bei Anordnungen, die zumindest teilweise mit Elektromagneten arbeiten, z. B. Ferritmodulatoren, ist die Anwendung der Lehre nach der Erfindung ebenfalls möglich, indem gleichartig wie bei Anordnung mit Permanentmagneten magnetische Haupt- oder Nebenschlüsse vorgesehen werden, die teilweise aus einem in der Sättigungsmagnetisierung vorzugsweise stark temperaturabhängigen Material bestehen, oder indem der Elektromagnet unmittelbar über eine Steuerschaltung geregelt wird, die aus der Änderung der gyromagnetischen Resonanzfrequenz bei Temperaturänderung ein Regelkriterium in an sich bekannter Weise ableitet. Die Anwendung der Lehre nach der Erfindung ist auch nicht auf sogenannte Faraday-Dreher, von denen die Fig. 4 und 5 Ausführungsbeispiele zeigen, beschränkt, sondern sie kann auch·, wie die Ausführungsbeispiele der Fig. 2 und 3 zeigen, bei Anordnungen Anwendung finden, die eine gyromagnetische Resonanzabsorption, eine gyromagnetische Phasenschiebung oder eine auf gyromagnetische Wirkungen beruhende Feldverzerrung ausnutzen. Letzteres kann beispielsweise bei den Anordnungen nach den Fig. 2 und 3 dadurch erreicht werden, daß die Ferritplatten beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 an einer der der Leitungsmitte zugewandten Schmalseite mit wellenabsorbierendem Material überzogen werden. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 könnten zum gleichen Zweck Blättchen aus wellenabsorbierendem Material an der Stelle und in Richtung der eingezeichneten Richtungspfeile vorgesehen werden. Die vorstehenden Ausführungsbeispiele betreffen im wesentlichen den Fall, daß die Temperaturänderungen des gyromagnetischen Materials durch die Außentemperatur bestimmt werden. In der Praxis kann jedoch auch der Fall auftreten, daß das gyromagnetische Material, insbesondere bei hohen Leistungen, durch Wellenabsorption erwärmt wird. Auch in diesem Fall ist die Lehre nach der Erfindung anwendbar, indem unmittelbar von der Materialerwärmung aus die magnetische Feldstärke im kompensierenden Sinne beeinflußt wird, die zur Vormagnetisierung des Materials mit den gyromagnetischen Eigenschaften dient. Beispielsweise kann dies bei einer Anordnung ähnlich der in.Fig. 3 gezeigten, in der Weise geschehen, daß das »Thermoflux«vMaterial 18 bis 21 durch die Hohlleiteranwendung hindurchgeführt und zweckmäßig gut wärmeleitend mit den Ferrirplatten bis 16 in Verbindung gebracht wird (Hauptschluß). Ein anderer Lösungsweg (Nebenschluß) besteht beispielsweise darin, daß der Teil der Hohlleiterbreitseite (n), der im Nebenschluß zu dem (den) Permanentmagneten liegt, aus entsprechend bemessenem und temperaturabhängigem ferromagnetische™, Material ausgebildet wird, beispielsweise aus »ThermofLux«. Gegebenenfalls empfiehlt sich die Anwendung^ von Wärmeisolatoren, um einen möglichst großen Teil der im Ferrit erzeugten Wärme der Kompensationsvorrichtung zukommen zu lassen. Patentansprüche:

1. Ternperaturkompensierter nichtreziproker Vierpol für elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Abschnitt einer Hochfrequenzleitung, in deren Feldraum ein Stoff mit gyromagnetischen Eigenschaften angeordnet ist, der durch ein äußeres Magnetfeld vormagnetisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierung in Abhängigkeit von der Temperatur derart geändert wird, daß die bei Änderung der Temperatur des gyromagnetischen Stoffes auftretenden Änderungen der gyromagnetischen Eigenschaften, z. B. der gyromagnetischen Resonanzfrequenz, wenigstens nahezu ausgeglichen werden.

2. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vormagnetisierungskreis des gyromagnetischen Stoffes mit einem magnetischen Haupt- und/oder Nebenschluß versehen ist, der aus einem magnetischen Material mit stark temperaturabhängiger Sättigungsmagnetisierung besteht und dessen Abmessungen derart gewählt sind, daß die gyromagnetischen Eigenschaften des gyromagnetischen Stoffes im Betriebsbereich der Anordnung wenigstens angenähert konstant bleiben.

3. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 2 mit plattenförmig ausgebildetem gyromagnetischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vormagnetisierung der Platte aus gyromagnetischem Material in Richtung der Plattenebene das in der Magnetisierung stark temperaturabhängige Material im Nebenschluß zum Vofmagnetisierungsweg und abgeschirmt gegen das Wellenfeld angeordnet ist.

4. Nichtreziproker Vierpol nach Anspruch 2, bei dem das gyromagnetische Material plattenförmig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vormagnetisierung der gyromagnetischen Platte senkrecht zur Plattenebene das in der Magnetisierung stark temperaturabhängige Material im Hauptschluß zum Vormagnetisierungsweg und gegen das zu beeinflussende Wellenfeld abgeschirmt angeordnet ist.

5. Nichtreziproker Vierpol nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung der Vormagnetisierungseinrichtung als rohrförmiger Permanentmagnet, der den FIochfrequenzleitungsabschnitt umschließt, im Inneren des rohrförmigen Permanentmagneten ein vorzugsweise ebenfalls ringförmiger Körper aus dem in der Magnetisierung stark temperaturabhängigem Material vorgesehen ist.

6. Nichtreziproker Vierpol nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei