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Ubertragungsanordnung für sehr kurze elektromagnetische Wellen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Resonanzrichtungsleitung für sehr kurze elektromagnetische
Wellen.
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Es ist bekannt, mittels in einer Hohlleitung entsprechend angeordnetem
vormagnetisiertem gyromagnetischem Material übertragungsrichtungsabhängige Resonanzabsorptionseffekte
zu erzielen. Solche Anordnungen werden in verschiedenartigster Weise ausgebildet
und angewendet. Den bekannten Anordnungen ist indes im allgemeinen ein grundsätzlicher
Nachteil zu eigen, nämlich die ausgeprägte Temperaturabhängigkeit der jeweils erzielten
Wirkungen. Das wirkt sich vor allem dann störend aus, wenn die jeweilige Anordnung
in nicht klimatisierter Umgebung arbeiten muß oder wenn sie größere Hochfrequenzenergiemengen
aufzunehmen hat. Zur Verminderung des störenden Einflusses von äußeren Temperaturschwankungen
ist es bekannt, in benachbarten Temperaturbereichen unterschiedlich wirksame Anordnungen
hintereinanderzuschalten. Man erreicht hierdurch zwar eine gewisse Kompensation
des Einflusses äußerer Temperaturschwankungen, jedoch wird die gesamte Anordnung
außerordentlich aufwendig, und die Abhängigkeit von der inneren Aufheizung des gyromagnetischen
Materials bleibt unvermindert.
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Zur Behebung der störenden Temperaturabhängigkeit, unter Vermeidung
der komplizierten Mehrfachanordnung wurde bereits vorgeschlagen, eine Resonanzrichtungsleitung,
bestehend aus einem vorzugsweise rechteckigen Hohlleiter, in dem ein streifenförmiges
Dämpfungsglied oder streifenförmige Dämpfungsglieder angeordnet sind, insbesondere
Ferritstreifen, wobei ein quer zur Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen
Wellen im Hohlleiter verlaufendes magnetisches Gleichfeld vorhanden ist, das so
bemessen ist, daß gyromagnetische Resonanz in diesen Dämpfungsgliedern erzeugt wird,
in der Weise auszubilden, daß das Seitenverhältnis des Streifens oder der Streifen
in solcher Weise gewählt wird, daß eine Temperaturkompensation der gyromagnetischen
Resonanz eintritt.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß bei einer Anordnung nach
dem älteren Vorschlag das gyromagnetische, Streifenform aufweisende Material unmittelbar
an einer elektrisch leitenden und/oder einer magnetisch leitenden Fläche anliegt
und daß das gyromagnetische Material aus wenigstens zwei gleichen, parallel zueinander
angeordneten Streifen besteht, die in Richtung des magnetischen Gleichfeldes einander
gegenüberstehen.
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Die Erfindung wird an Hand der Figuren näher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt einen Rechteckhohlleiter 1 mit einem darin in an
sich bekannter Weise angeordneten, durch ein äußeres Magnetfeld H vormagnetisierten
Streifen 2 aus gyromagnetischem Material, beispielsweise Ferrit. Der Streifen 2
habe die Breite b und die Dicke d. Für eine bestimmte Größe des äußeren
Magnetfeldes H hat dann die Resonanzabsorption a des gyromagnetischen Materials
eine Frequenzabhängigkeit, wie sie z. B. in der Fig.2 angedeutet ist, in der als
Parameter zwei unterschiedliche Temperaturen T1 und T2 des gyromagnetischen Materials
berücksichtigt sind. Im allgemeinen ist der Temperatureinfluß derart, daß für
b >d
die Temperatur T2 höher als die Temperatur T1 ist. Diese Temperaturabhängigkeit
ist darin begründet, daß die Magnetisierung M des gyromagnetischen Materials mit
zunehmender Temperatur im allgemeinen abnimmt. Es gibt allerdings auch Fälle; in
denen die gegensätzliche Abhängigkeit gegeben ist, doch gelten die nachfolgenden
Betrachtungen und Regeln sinngemäß. Die gegensätzliche Abhängigkeit ist in der Fig.
3 dargestellt und im allgemeinen bei b << d gegeben.
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Für die weitere Erläuterung wird aus Gründen der Vereinfachung zugrunde
gelegt, daß die MagnetisierungM mit zunehmender Temperatur T abnimmt. Wird für die
in der Fig.1 dargestellte Anordnung das Verhältnis b/d > 1 gewählt, so läßt
sich theoretisch und empirisch zeigen, daß die gyromagnetische Resonanzfrequenz
coo mit der Temperatur zunimmt. Für b/d << 1 läßt sich zeigen, daß
co,) bei zunehmender Temperatur T abnimmt. Somit hat im ersten Fall der Differentialquotient
seinen größten positiven Wert und im zweiten Fall seinen größten negativen. Wie
sich weiterhin durch umfangreiche Untersuchungen theoretischer und experimenteller
Art feststellen ließ, lassen sich durch Zwischenwerte von b/d zwischen der größten
negativen und der
größten positiven Temperaturabhängigkeit liegende
Temperaturabhängigkeiten der gyromagnetischen Resonanzfrequenz coo erzielen, so
vor allem nach dem älteren Vorschlag die für Richtungsleitungen wichtige Temperaturunabhängigkeit
Für den Fall der Resonanzrichtungsleitung (Resonanzabsorption in der einen Übertragungsrichtung)
gelten im wesentlichen theoretisch folgende Bemessungsregeln.
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Wir legen in den Hohlleiter ein Koordinatensystem, wie in Fig.4 dargestellt,
so daß die Fortpflanzungs-
Bei Normaltemperatur (in der Mitte des Temperaturbereichs, der als Arbeitsbereich
vorgesehen ist) sei für die verwendete Ferritsorte M =Mo. Die Arbeitsfrequenz, d.
h. die Mitte des Frequenzbandes, in dem die Richtungsleitung arbeiten soll, sei
coA. Man muß also H einen solchen Wert Ho geben, daß bei M = Mo die Größe
co" = coA wird. Nx, Nv und N" müssen solche Werte und
Wie man aus den Gleichungen (3) unmittelbar sieht, hängt die temperaturunabhängige
Plattenform nicht von dem absoluten Betrage der Sättigungsmagnetisierung Mo ab,
sondern nur von dem Verhältnis coA zu
zweckmäßig, für aOA und Ho normierte
Größen
und dem Verhältnis #to Ho zu Mo. Es ist daher
einzuführen. Aus (3) läßt sich Ho eliminieren. Dabei ist zu beachten, daß Ho positiv
sein muß. Damit ergeben sich als Bedingung für N", Ny und Nz
Es wird angenommen, eine in z-Richtung sehr lange Ferritplatte der Breite
b (in x-Richtung) .und der Höhe d
(in y-Richtung) mit b und
d<<,. (2. = Wellenlänge) liege im freien Raum oder im Innern eines Hohlleiters,
so daß die Abstände der Platte von den Hohlleiterwänden groß gegenüber
b und d sind. Für die Entmagnetisierungsfaktoren N", N?, und N, dieser
Platte kann man dann in (4) die magnetostatisch berechneten Entmagnetisierungsfaktoren
einsetzen. Für einen in z-Richtung liegenden Zylinder von elliptischem Querschnitt
mit dem Achsenverhältnis b : d ist bekanntlich
richtung mit der z-Richtung und die Richtung von H mit der y-Richtung zusammenfällt.
Die Ferritstreifen liegen dann ebenfalls in z-Richtung. Für die Resonanzfrequenz
co,) der Ferrite gilt bekanntlich
Dabei bedeuten Nx, Ny und IV" die Entmagnetisierungsfaktoren der Ferritplatten 2
in den drei Koordinatenrichtungen und y das gyromagnetische Verhältnis. Für die
Änderung von aoo mit M ergibt sich daraus haben, daß
bei M = Mo und H = Ho verschwindet. Dies ergibt die Gleichungen Dasselbe gilt angenähert
auch für die Ferritplatte mit rechteckigem Querschnitt. Damit ergibt sich aus (4)
für das Seitenverhältnis a = b/d der Ferritplatte
In Fig.5 ist diese Beziehung graphisch dargestellt. Die co*-Werte liegen bei den
meisten Anwendungen zwischen 0,5 und 2, die Breite b der Ferritplatte muß dann also
das 0,2- bis 0,4fache der Höhe d betragen.
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Die Fig. 6 zeigt verschiedene Möglichkeiten, die Ferritplatten einer
Resonanzrichtungsleitung im Rechteckhohlleiter anzuordnen. Untersuchungen bei 4
und bei 7 GHz haben ergeben, daß die Anordnungen nach Fig. 6b und 6 c mit b
>d wesentlich bessere Dämpfungsverhältnisse ergeben als die Anordnung 6a
mit b << d. Nach dem vorher ermittelten Ergebnis könnte man
erwarten, daß für eine temperaturunabhängige Anordnung b< 1/Z d
sein müßte,
wobei also wesentlich mehr Ähnlichkeit zur Anordnung 6 a als zu den Anordnungen
6 b oder 6 c bestehen würde. Hiernach dürfte es nicht möglich sein, mit einer temperaturunabhängigen
Plattenanordnung auch nur annähernd so gute Dämpfungsverhältnisse zu erzielen, wie
mit den Anordnungen 6b und 6c. Messungen z. B. bei 4 und bei 7 GHz zeigten jedoch,
daß infolge des Einflusses der Hohlleitcrwand auf das gyromagnetische Material und
infolge der :endlichen Hohlleiterhöhe h bei 4 GHz b,. d und bei 7 GHz b
--2d sein muß, was zu den Anordnungen nach den Fig. 6e und 6f mit b>_d führt,
die noch ebenso gute Dämpfungsverhältnisse ergeben wie die Anordnungen nach den
Fig. 6b und 6c.
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Es kommt also wesentlich darauf an, die Entmagnetisierungsfaktoren
IV", Ny und N, der Ferritplatten so zu beeinflussen, daß die Gleichung (4) zeit
Plattenabmessungen b_> d erfüllt werden kann. Es muß also erreicht werden,
daß N. und N, größer werden als bei einer Platte im
freien Raum
nach Gleichung (5) und daß N, kleiner wird. Für eine derartige Beeinflussung der
Entmagnetisierungsfaktoren gibt es folgende Möglichkeiten: a) Liegt eine Ferritplatte
unmittelbar an einer elektrisch leitenden Fläche an, so vergrößern sich dadurch
die für hochfrequente Magnetfelder wirksamen Entmagnetisierungsfaktoren für die
Richtungen parallel zu der Fläche. Diese HF- Entmagnetisierungsfaktoren sind so
zu berechnen, als ob eine Platte im freien Raum vorläge, die die Form der wirklich
vorhandenen Platte, vereinigt mit ihrem Spiegelbild an der leitenden Fläche, hat.
Die Platte wirkt also doppelt so dick, wie sie tatsächlich ist. Dadurch, daß die
Ferritplatten direkt an den Hohlleiterwänden angebracht werden (wie etwa in Fig.
4 dargestellt), läßt sich also eine wesentliche Vergrößerung von N" erzielen.
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b) Liegt eine Ferritplatte unmittelbar an einer magnetisch leitenden
(etwa eisernen) Fläche an, so verkleinert sich dadurch der für statische Magnetfelder
wirksame Entmagnetisierungsfaktor für die Richtung senkrecht zu der Fläche. Dieser
Entmagnetisierungsfaktor ist bekanntlich ebenfalls so zu berechnen, als ob eine
mit ihrem Spiegelbild vereinigte Platte im freien Raum vorläge. Da bei einer Richtungsleitung
nach Fig. 4 der Entmagnetisierungsfaktor N, nur auf das statische Feld H wirkt,
läßt sich Ny also dadurch wesentlich verkleinern, daß die eisernen Magnetpolschuhe,
wie in Fig. 7 dargestellt, bis unmittelbar an die Ferritplatten herangeführt werden.
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c) Liegen zwei Fercitplatten einander in y-Richtung gegenüber (etwa
wie bei Anordnung nach Fig.6f, im Gegensatz zur Anordnung nach Fig.6e), so ist N,
verkleinert und Nx vergrößert.
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Bei Arbeitsfrequenzen coA von 4,0 und 7,3 GHz wurden temperaturunabhängige
Plattenformen experimentell ermittelt. Als Material diente ein besonders hochwertiges
Ferrit. Es hat eine Sättigungsmagnetisierung Mo von etwa 1950 Gauß und gestattet,
Dämpfungsverhältnisse von über 100 bei 100/, Bandbreite zu erzielen. Bei
4 GHz wurden die Messungen in einem Hohlleiter mit den Querschnittsabmessungen
b' = 58,2 mm und h = 7 mm durchgeführt. Es ergab sich zunächst, daß
bei Einsatz von nur zwei Ferritplatten (Anordnung nach Fig.6e) für die Temperaturunabhängigkeit
Abmessungen von bld<0,8 erforderlich waren, dabei trat eine erhebliche Abnahme
des Dämpfungsverhältnisses auf. Bei Einsatz von vier Platten (Anordnung nach Fig.6f)
ergab sich dagegen die Temperaturunabhängigkeit bei bld = 0,94 ohne merklichen Verlust
an Dämpfungsverhältnis. Bei einer Arbeitsfrequenz wA von 7,3 GHz wurde im Hohlleiter
mit den Querschnittsabmessungen b' = 34,85 mm und h = 5 mm gemessen. Hier ergab
sich Temperaturunabhängigkeit bei b/d = 2,25 (Anordnung nach Fig.6f) ohne jeglichen
Verlust an Dämpfungsverhältnis.
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Im Diagramm der Fig. 5 sind die beiden experimentell ermittelten Meßpunkte
für 4 und 7;3 GHz mit eingezeichnet. Es ist ersichtlich, daß die b/d-Werte dabei
infolge der Hohlleitereinflüsse wesentlich größer sind als für eine Platte im freien
Raum. Sowohl bei 4 GHz als auch bei 7,3 GHz wurde festgestellt, daß das Heranziehen
der Polschuhe bis an die Ferritplatten (Fig. 7) die erforderlichen b/d-Werte merklich
vergrößert.
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Wie aus den Messungen hervorgeht, ist es erforderlich, alle drei im
vorigen Abschnitt genannten Möglichkeiten zur Beeinflussung der Entmagnetisierungsfaktoren
auszunutzen, zum wenigsten aber die dritte Möglichkeit mit einer der beiden ersten
Möglichkeiten gleichzeitig anzuwenden, um ohne Verlust an Dämpfungsverhältnis die
Temperaturunabhängigkeit zu erzielen. In den Fig.4, 6c, 6f und 7 sind Beispiele
derartiger erfindungsgemäßen Resonanzrichtungsleitungen dargestellt.