DE1161600B - Stern-Zirkulator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H Ol p;

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H 03 h

Deutsche Kl.: 21 a4 - 74

B 62842 IXd/21 a4

9. Juni 1961

23. Januar 1964

In der Technik der sehr hohen Frequenzen stellt sich mitunter die Aufgabe, bei einer gemeinsamen Verbindung zwischen mehreren Wellenleitern (Hohlleiter oder koaxiale Kabel) eine Umleitung derart zu schaffen, daß die über einen der Leiter der Verbindung zugeführte Energie diese nur über einen bestimmten anderen Leiter verläßt. Sind z. B. drei Leiter A₁ B und C vorhanden, so soll die über A zugeführte Energie über B austreten, die über B zugeführte über C und die über C zugeführte über A.

Zu diesem Zweck verwendet man Vorrichtungen, die man als Stern-Zirkulatoren (oder, wenn nur drei Leiter vorhanden sind, als Y-Zirkulatoren) bezeichnet und die, um die gewünschte selektive Umleitung zu bewirken, die anisotropen magnetischen Eigenschaften von gewissen ferrimagnetischen Stoffen (etwa von Ferrit oder Granat) ausnutzen. Wenn eine elektromagnetische Welle ein aus einem solchen von einem geeigneten magnetischen Feld magnetisierten Stoff bestehendes Hindernis durchdringt, ergibt sich zwischen dem Spin der Atome dieser Stoffe und der elektromagnetischen Welle eine solche Wechselwirkung, daß die Welle eine Verdrehung erfährt und in die gewünschte Richtung umgelenkt wird.

Man verwendet zu diesem Zweck einen sternförmigen Zirkulator, welcher ein leitendes Glied mit radial gerichteten streifenartigen Armen enthält und welcher ein senkrecht zur Fläche des Gliedes magnetisiertes Elementenpaar aus magnetisch anisotropem Material besitzt, das kreisförmig ausgebildet und in der Mitte auf beiden Seiten des Gliedes angeordnet ist, wobei das Glied und das Elementenpaar in einer zylindrischen Kammer angeordnet sind, die durch zwei parallel voneinander auf Abstand gehaltenen Platten sowie einen Ringkörper gebildet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zirkulator der beschriebenen Art zu schaffen, der eine verbesserte Übertragungsbandbreite aufweist, der sich einfach herstellen läßt, robust ist und der geringe Abmessungen hat. Diese Verbesserung erfolgt also nach beiden Seiten.

Bei einem diese Bedingungen erfüllenden Stern-Zirkulator der vorbeschriebenen Ausführung sind erfindungsgemäß dielektrische Abstandsstücke zwischen jedem Arm und den Platten innerhalb der Kammer und unter Abstand von dem Ringkörper angeordnet.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Arme über einen Teil ihrer Länge von der Mitte des Gliedes aus im wesentlichen in dem von den anisotropen Elementen überdeckten Bereich in ihrer Breite reduziert.

Weiter können gemäß der Erfindung zwischen Stern-Zirkulator

Anmelder:

The Bendix Corporation,

Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 10. Juni 1960

(Nr. 35 281)

jedem Element aus magnetisch anisotropem Material und der benachbarten Grundfläche des Gehäuses zusätzlich zu den dielektrischen Abstandsstücken dünne Elemente aus dielektrischem Material angeordnet werden.

Eine derartige Vorrichtung hat gegenüber den be~ kannten Vorrichtungen wesentlich verbesserte Eigenschaften: Die Anwesenheit der dielektrischen Elemente, die zwischen den Armen des sternförmigen Leiters und den Gehäuseflächen angeordnet sind, ruft lokale Veränderungen der Kapazität und des magnetischen Feldes hervor und gestattet durch die daraus resultierenden Diskontinuitäten die sonst vorhandenen Reflexionen der nutzbaren Wellen fast vollständig zu unterdrücken. Die genaue radiale Lage der zwischengelegten dielektrischen Elemente weist einen großen Einfluß auf die Eingangsverluste und die Übertragungsbandbreite auf. Andererseits hat die Verringerung der Breite der Arme im Bereich der Ferritoder Granatelemente die Wirkung, daß die durch die Anwesenheit dieser Elemente hervorgerufene örtliche Verringerung der Impedanz kompensiert wird.
Von den Figuren zeigt

F i g. 1 eine zum Teil geschnittene Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 einen Längsschnitt entlang der Linie 2-2 der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den sternförmigen Leiter 56.

Die dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse 20, das sich aus zwei miteinander verschraubten

So Platten 22 und 24 zusammensetzt. Diese beiden vorzugsweise aus Aluminium bestehenden Platten sind an ihren Innenflächen ausgehöhlt, so daß zwischen

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ihnen eine zylindrische, abgeplattete Kammer 26 ge- Arm (z. B. 60) umgelenkt wird, der bei einem bebildet wird, deren beide Querwände, die z. B. einen stimmten Drehsinn auf den erstgenannten Arm folgt. Abstand von 6,35 mm voneinander haben, die beiden Lediglich ein sehr geringer Bruchteil der ankommen-Massenflächen 27 und 27 a bilden. Jede der beiden den Welle geht auf den anderen benachbarten Arm Platten 22 und 24 weist eine äußere koaxiale Aus- 5 (z. B. 62) über. Wird das magnetische Feld zwischen nehmung mit einer zylindrischen Vertiefung 28 auf, den Polschuhen 36, 37 umgekehrt, so ändert sich der in die jeweils ein aus zwei übereinanderliegenden Drehsinn ebenfalls, d. h., bei dem genannten Beispiel Scheiben 32 und 34 gebildeter Magnet eingesetzt ist. wird die über den Arm 58 ankommende Welle auf Die Scheiben bestehen vorzugsweise aus einem bis den Arm 62 umgeleitet.

zur Sättigung magnetisierten keramischen Material. io Wie Fig. 1 deutlich zeigt, fällt der schmale Teil Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel hat jedes der drei Arme 58, 60, 62 mit dem Radius der jede Magnetscheibe einen Durchmesser von 27,41 mm Granatscheiben 66 und 68 zusammen. Die Anwesen- und eine Dicke von 6,35 mm. Jeder der beiden durch heit dieser Scheiben verändert die Impedanz der die beiden Scheiben gebildeten Magnete weist weiter Übertragungsleitung in dem von diesen Scheiben einen Polschuh 36 bzw. 37 aus Weicheisen auf, der i₅ überdeckten Bereich. Die beschriebene Verschmälean der inneren Scheibe des Magnets anliegt und in rung der Arme bewirkt eine Kompensation, die sichereine weitere Vertiefung 38 oder 40 am Boden der stellt, daß die resultierende Impedanz annähernd zylindrischen Vertiefungen 28 eingelassen ist. gleichförmig ist und die Reflexion niedrig hält. Weiter An drei jeweils um 120° gegeneinander versetzten wird dadurch ein sehr niedriger Eintrittsverlust über Abflachungen des Gehäuses 20 sind drei identische 20 ein breites Frequenzband sichergestellt. Zwischen der Anschlußstutzen 42, 44 und 46 festgeschraubt. In Massenfläche 27 und 27« des Gehäuses 20 und der jedem Anschlußstutzen ist mit Hilfe einer in eine Scheibe 66 oder 68 ist eine kleine isolierende Scheibe Ausnehmung am Ende des Stutzens eingelassenen 70 angeordnet, die vorzugsweise aus Tetrafluoräthylen isolierenden Scheibe 48 ein rohrförmiger Stecker 50 besteht. Die relative Dielektrizitätskonstante dieses montiert, dessen äußerer Teil gespalten ist, so daß 25 Materials beträgt 2,1 und der Tangens des Verlustzwei Finger 53 gebildet werden, von denen im Be- winkeis 0,0002.

trieb der Mittelleiter des nicht weiter dargestellten Jede dieser Scheiben hat bei dem gewählten Auskoaxialen Kabels gehalten wird. führungsbeispiel einen Durchmesser von 12,70 mm In der Symmetrieebene des Gehäuses ist ein aus und eine Dicke von 0,127 mm. Diese Scheiben haben leitendem Blech ausgestanztes, aus drei symmetri- 30 ebenfalls die Aufgabe, den Impedanzverlauf gleichsehen Armen 58, 60, 62 (s. F i g. 3) bestehendes Glied mäßiger zu machen und die Reflexionen zu ver- 56 so angeordnet, daß die Enden der drei genannten ringern.

Arme in Einschnitten 52 an den inneren Enden der Zwischen jeder der beiden gegenüberliegenden drei Stecker eingreifen. Das Glied 56 ist der oben- Flächen jedes der Arme 58, 60, 62 und der entspregenannte sternförmige Leiter. Bei dem gewählten 35 chenden Grundfläche 27 oder 27 a des Gehäuses ist Beispiel hat jeder Arm eine Länge von 25,4 mm und ein Abstandsstück oder eine Scheibe 72 aus Tetraeine Breite von 5,54 mm über den größten Teil seiner fluoräthylen angeordnet. Der Mittelpunkt jedes dieser Länge. Die Breite vermindert sich dann bis auf Abstandsstücke, die einen Durchmesser von 6,96 mm 3,18 mm bei einem Abstand von 6,35 mm von dem und eine Dicke von 2,44 mm haben, ist 13,85 mm Mittelpunkt des Gliedes. Der Abschnitt, in dem sich 40 von der Mittelachse der Vorrichtung entfernt. Gemäß die Breite von dem genannten größten Wert auf den der Erfindung bilden diese dielektrischen Elemente, genannten kleinsten Wert stetig vermindert, hat eine wiez. B. 72, ein geeignetes, starkes und empfindliches radiale Länge von 4,75 mm. Diese Bemessungs- Abstimmittel dadurch, daß eine sehr geringe Verangaben sind jedoch lediglich Beispiele. DieVerringe- Schiebung dieser Elemente entlang den Armen eine rung der Breite der Arme in dem mittleren Bereich 45 bedeutende Veränderung des Durchlaßfrequenzbandes sternförmigen Leiters 56 soll insbesondere die des der Vorrichtung bewirkt. Weiter erlauben diese Gleichförmigkeit der Impedanz über die gesamte Elemente, wenn sie geeignet angeordnet werden, eine Länge jedes Armes sicherstellen, damit Signal- Reduktion der Reflexionen auf einen sehr niedrigen reflexionen in diesen Armen auf ein Minimum redu- Wert und folglich der Energieverluste in der Vorziert werden. 50 richtung, wahrscheinlich dank der örtlichen Ver-Wie in F i g. 2 dargestellt, sind beiderseits des Glie- änderungen der Kapazität zwischen den leitenden des 56 symmetrisch zwei Scheiben 66, 68 angeordnet, Armen und den Massenflächen, die aus einem Material mit geeigneten anisotropen Die Wirkungsweise ergibt sich bereits aus der vormagnetischen Eigenschaften, etwa aus Ferrit oder aus stehenden Beschreibung. Es sei darauf hingewiesen, Granat, bestehen. Bei dem hier beschriebenen Aus- 55 daß es, um die Richtung der Drehung zwischen der führungsbeispiel bestehen die Scheiben aus Yttrium- eintretenden Welle und der austretenden Welle um- und Eisen-Granat. Die Sättigungsmagnetisierung die- zukehren, ausreicht, die drei Kabel zu lösen, die Vorses Materials liegt bei 1880 Gauß und seine Feld- richtung über Kopf zu drehen und die Kabel wieder stärke bei 55 Örsted. Der Curiepunkt liegt bei 290° C. anzuschließen.

Die Scheiben haben einen Durchmesser von 12,70 mm 60 Die Kenndaten der Vorrichtung gemäß der Erfin-

und eine Dicke von 2,26 mm (+ 0,025, — 0). Dank dung sind außerordentlich günstig. Bei dem beschrie-

ihrer anisotropen magnetischen Eigenschaften rufen benen Ausführungsbeispiel mit einem Frequenzband

die Scheiben 66 und 68 beim Konzentrieren des zwischen 4700 und 5700MHz liegt die Isolation

zwischen den beiden Polschuhen 36 und 37 erzeugten mindestens bei 20 db und im Maximum bei 35 bis

magnetischen Feldes eine Kreisdrehung des elektro- 65 40 db. Das Verhältnis der stationären Wellen liegt

magnetischen Feldes hervor, derart, daß eine über bei 1,15, und die Eintritts Verluste sind geringer als

einen der Arme (beispielsweise den Arm 58) des Glie- 0,4 db. Es kann eine mittlere Leistung von 10 W mit

des 56 zugeführte elektromagnetische Welle auf den Spitzen von 10 kW übertragen werden. Die Abmes-

sungen sind außerordentlich gering: 60,33 mm Durchmesser und 25,4 mm Höhe. Die Vorrichtung wiegt nur 312 g und arbeitet befriedigend bei Temperaturen zwischen -55 und +125° C.

Claims (3)

5 Patentansprüche:

1. Stern-Zirkulator zum Umleiten hochfrequenter, elektromagnetischer Wellen von einem wählbaren Eingangskanal auf den folgenden Ausgangskanal, welcher ein leitendes Glied mit einer der Anzahl der Kanäle gleichen Anzahl von radial gerichteten streifenartigen Armen enthält, von denen jeweils einer mit einem Kanal verbunden ist und welcher ein senkrecht zur Fläche des Gliedes magnetisiertes Elementenpaar aus magnetisch anisotropem Material besitzt, das kreisförmig ausgebildet und in der Mitte auf beiden Seiten des Gliedes angeordnet ist, wobei das Glied und das Elementenpaar in einer zylindrischen Kammer angeordnet sind, die durch zwei parallel voneinander auf Abstand gehaltene Platten sowie einen Ringkörper gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß dielektrische Abstandsstücke (72) zwischen jedem Arm und den Platten innerhalb der Kammer und unter Abstand von dem Ringkörper angeordnet sind.

2. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (58, 60, 62) über einen Teil ihrer Länge von der Mitte (64) des Gliedes (56) aus im wesentlichen in dem von den anisotropen Elementen (66, 68) überdeckten Bereich in ihrer Breite reduziert sind.

3. Zirkulator nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch dünne Elemente (70) aus dielektnschem Material zwischen jedem Element aus magnetisch anisotropem Material (66, 68) und der benachbarten Grundfläche (27, 27<z), die zusätzlich zu den dielektrischen Abstandsstücken (72) angebracht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Proceedings of the IRE«, Januar 1960, S. 115
und 116.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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