-
Anordnung zur nichtreziproken Drehung der Polarisationsebene sehr
kurzer linear polarisierter elektromagnetischer Wellen -Die Erfindung bezieht sich
auf eine Anordnung zur nichtreziproken Drehung der Polarisationsebene sehr kurzer
linear polarisierter elektromagnetischer Wellen unter Verwendung von einer Wellenführung
und von gyromagnetischem Material, das von einem der Vormagnetisierung dienenden
Solenoid im Abstand umschlossen ist.
-
Anordnungen dieser Art werden beispielsweise für Mikrowellen-Modulatoren
benötigt. Bei der Verwendung derartiger Anordnungen als Modulatoren ist es bekannt,
daß der üblicherweise das gyromagnetische Material enthaltende metallische Hohlleiter,
der von der Modulationsspule umschlossen wird, die im Takt der Modulation das gyromagnetische
Material magnetisiert, starke Wirbelstromverluste verursacht. Dies bedingt nicht
nur einen hohen Aufwand für die Vormagnetisierung des gyromagnetischen Materials,
sondern auch eine Absenkung der maximal erreichbaren Modulationsfrequenz. Zur Vermeidung
dieses Nachteils wurde bei diesen bekannten Anordnungen der metallische Hohlleiter
entweder mit einer Längsschlitzung versehen oder als dünner metallischer Film ausgebildet,
der für Wechselströme mit Modulationsfrequenz einen sehr hohen Widerstand und für
die Mikrowellen einen sehr geringen Widerstand hat. Die obere Grenze der Modulationsfrequenz
wird dadurch zwar angehoben, doch ist es mit derartigen Anordnungen schwierig, Modulationsfrequenzen
zu verarbeiten, die in der Größenordnung von mehreren Megahertz und nennenswert
darüber liegen. Eine andere bekannte Ausbildung einer Anordnung zur nichtreziproken
Polarisationsdrehung, die in der Zeitschrift »The Bell system technical Journal«,
Januar 1955, S. 92, dargestellt und beschrieben ist, vermindert diesen Nachteil
dadurch, daß auf eine metallische Wellenführung überhaupt verzichtet wird und, ausgehend
von einer aus einem dielektrischen Stab bestehenden Wellenführung, ein stabförmiger
Abschnitt gyromagnetischen Materials vorgesehen wird, der von einer hinreichend
starken Hülse aus dielektrischem Material umgeschlossen ist und an seinem anderen
Ende in gleicher Weise wieder in eine stabförmige dielektrische Leitung übergeht.
Es wird hierbei von der Eigenschaft einer dielektrischen Wellenführung Gebrauch
gemacht, daß sie das Feld der elektromagnetischen Wellen im wesentlichen im Stabinnern
konzentriert überträgt, bei exponentiell abklingendem Außenfeld. Eine derartige
Anordnung, die zwar nicht als Modulator, sondern nur als Polarisationsdreher vorbekannt
ist, vermeidet somit den metallischen Hohlleitermantel, doch ist es wegen der durch
die Länge des gyromagnetischen Materials bedingten Länge der Vormagnetisierungsspule
auch hier nur bis zu einem gewissen Grad möglich, die obere Grenze für die Modulationsfrequenzen
anzuheben. .
-
Es sind auch bereits Anordnungen der vorgenannten Art bekannt, bei
denen von einer das gyromagnetische Material umschließenden Hülse aus dielektrischem
Material abgesehen ist. Dadurch wird erreicht, daß die elektromagnetische Energie
in dem ausschließlich als Wellenführung benutzten gyromagnetischen Stab stärker
konzentriert wird und als Folge hiervon das Solenoid .den gyromagnetischen Stab
in einem verhältnismäßig geringen Abstand umfassen kann, ohne daß seine innenliegenden
Windungen in den Bereich des wesentlichen Feldes der elektromagnetischen Energie
geraten. Die Verringerung der Abmessungen des Svlenoids einerseits und die stärkere
Feldkonzentration der im gyromagnetischen Stab geführten elektromagnetischen Energie
andererseits wirkt sich zwar im. Sinne einer möglichst hohen Grenzfrequenz der Modulationsspannung
positiv aus, jedoch reichen die mit diesen Anordnungen erzielten Werte für manche;Anwendungsbereiche
noch nicht aus.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung zur
nichtreziproken Polarisationsdrehung die mit den vorstehend geschilderten bekannten
Anordnungen erreichbare obere Frequenzgrenze für die Modulatiönsfrequenz nennenswert
anzuheben.
-
Bei einer Anordnung zur nichtreziproken Drehung der Polarisationsebene
sehr kurzer linear polarisierter elektromagnetischer Wellen unter Verwendung von
einer Wellenführung und von gyromagnetischem Material, das von einem der Magnetisierung
dienenden Solenoid im Abstand umschlossen ist, bei der
das gyromagnetische
Material ein die Wellenführung selbst darstellender Stab ist, der durch übergangsstücke
mit den auf beiden Seiten sich anschließenden metallischen Wellenführungsabschnitten
verbunden ist und bei der der radiale Abstand des Solenoids von der Außenfläche
des aus gyromagnetischem Material bestehenden Stabes derart groß gewählt ist, daß
sich die in Radialrichtung innengelegenen Windungen der Spule bereits außerhalb
des wesentlichen Feldes der elektromagnetischen Welle um den Stab aus gyromagnetischem
Material befinden, wird erfindungsgemäß die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stabdurchmesser
derart größer als die Stablänge gewählt ist, daß eine Temperaturkompensation der
Phasendrehung gegeben ist, und daß die übergangsstücke i/4-Stufentransformatoren
sind.
-
Es sind zwar bereits nichtreziproke, die gyromagnetische Resonanzabsorption
- ausnutzende Bauelemente bekannt, bei denen der teilweise mit streifenförmigem
gyromagnetischem Material angefüllte Hohlleiterabschnitt auf beiden Seiten über
),/4 Transformatorstufen an die sich hieran anschließenden weiteren Hohlleiterabschnitte
angepaßt ist. Hiervon unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand jedoch grundsätzlich
dadurch, daß er einerseits vom Prinzip der Faradaydrehung Gebrauch macht und andererseits
die bekannte Anordnung für Modulationszwecke völlig ungeeignet ist.
-
Auch ist es bereits bekannt, Faradaydreher oder Phasenschieber für
sehr kurze elektromagnetische Wellen in der Weise zu temperaturkompensieren, daß
das in Achsrichtung in einer Wellenführung angeordnete zylinderförmige gyromagnetische
Material ein Verhältnis von Durchmesser zu Länge größer als eins erhält. Die Anwendung
dieser an sich bekannten Maßnahme bei einer Modulatoranordnung für sehr hohe Modulationsfrequenzen
in der besonderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung ermöglicht es aber in überraschender
nicht vorhersehbarer Weise, neben der Temperaturkompensation die obere Grenzfrequenz
der Modulationsspannung solcher Anordnungen gegenüber bekannten Modulatoren dieser
Art wesentlich heraufzusetzen. Ohne besonderen Aufwand für den Modulationsspannungsgeber
lassen sich beim Erfindungsgegenstand noch Modulationsfrequenzen in der Größenordnung
von 300 MHz einwandfrei verarbeiten. Abgesehen von der durch das gyromagnetische
Material selbst gegebenen Frequenzgrenze ist diese hohe Grenzfrequenz vor allem
dem besonders kurz gehaltenen gyromagnetischen Leiterabschnitt zuzuschreiben. Die
geringe Länge dieses Leiterabschnitts hat nämlich den großen Vorzug, daß nur ein
geringer Raum dem steuernden Magnetfeld ausgesetzt werden muß. Bei der erfindungsgemäßen
Verwendung eines kurzen gyromagnetischen Leiterabschnitts können mit anderen Worten
erheblich induktivitätsärmere Spulen für die Erzeugung des magnetischen Steuerfeldes
vorgesehen werden.
-
Hinsichtlich der Eigenresonanz der magnetischen Steueranordnung, die
für die obere Grenzfrequenz der Modulationsspannung von ausschlaggebender Bedeutung
ist, lassen sich somit wesentlich höhere Werte erzielen, als dies bei den bekannten
Anordnungen dieser Art, bei denen der gyromagnetische Leiterabschnitt relativ lang
ist, möglich ist.
-
Zu den bereits geschilderten Vorteilen des Erfindungsgegenstandes
kommt hinzu, daß die geringe Länge des gyromagnetischen Leiterabschnitts bei einem
relativ großen Durchmesser eine praktisch vernachlässigbare Dämpfung des Energieflusses
in diesem Abschnitt mit sich bringt. Dieser Vorteil ist um so höher zu veranschlagen,
als die sich zu beiden Seiten an diesen Abschnitt anschließenden dielektrischen
Leiterabschnitte die hochfrequente Energie bereits durch Teilabstrahlung in unerwünschter
Weise dämpfen.
-
Diese erfindungsgemäße Ausbildung hat nicht nur Bedeutung für die
Verwendung der Anordnung als Modulator, sondern auch für die Verwendung der Anordnung
als Schalter, weil damit gleichzeitig die Schaltzeit nennenswert herabgesetzt wird.
-
Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
-
Die F i g. 1 zeigt die Anordnung zur Drehung der Polarisationsebene
einer über eine Hohlleitung 1 rechteckförmigen Querschnitts angelieferten linear
polarisierten elektromagnetischen Welle. Die Polarisationsrichtung entspricht dabei
dem im Eingang des Höhlleiters eingezeichneten Pfeil. Die Hohlleitung l rechteckförmigen
Querschnitts ist an ihrem anderen Ende mit einer metallischen Hohlleitung kreisförmigen
Querschnitts in der Weise verbunden, daß beide Hohlleitungen an ihren aneinanderstoßenden
Enden mit metallischen, hochfrequenzmäßig dichten Abschlußplatten versehen sind
und die eigentliche Verbindung durch eine dem rechteckigen Querschnitt entsprechende
t)ffnung in den metallischen Abschlußwänden geschieht. Die Hohlleitung 2 kreisförmigen
Querschnitts ist im Innern mit dielektrischem Material 3 ausgefüllt und an dem der
Hohlleitung 1 abgewandten Ende offen. Die relative Dielektrizitätskonstante e.,
dieses Materials genügt der Bedingung, daß der Leitungswellenwiderstand in der Hohlleitung
kreisförmigen Querschnitts dem in der Hohlleitung rechteckförmigen Querschnitts
entspricht. An die Hohlleitung 2 schließt sich ein Impedanztransformator 4 aus dielektrischem
Material in Form eines abgestuften Bolzens an, der, in Achsrichtung der Anordnung
betrachtet, eine elektrische Länge von einem Viertel der Betriebswellenlänge in
dem dielektrischen Material des Bolzens hat. Die relative Dielektrizitätskonstante
e" dieses Materials entspricht dem geometrischen Mittel aus der relativen Dielektrizitätskonstanten
e" des scheibenförmig ausgebildeten Ferrits 5 und der relativen Dielektrizitätskonstanten
ez. Die Durchmesser von 1, 2, 3 und 4 sind so groß gewählt, daß sich für alle diese
Wellenführungsabschnitte etwa die gleiche Grenzfrequenz ergibt. Außerdem sind die
Durchmesser noch so klein gewählt, daß alle Abschnitte im Eindeutigkeitsbereich
für die Betriebswellen arbeiten. Auf der dem Bolzen 4 abgewandten Seite des stabförmig
ausgebildeten gyromagnetischen Materials ist ein gleichartiger Bolzen 4' mit einem
ebenfalls zur Eingangsseite gleichartig ausgebildeten Übergang 2' auf den ausgangsseitigen
rechteckigen Hohlleiter 1'
vorgesehen. In der Abschlußplatte 6' des ausgangsseitigen
Hohlleiters 1' ist die vorerwähnte Verbindungsöffnung 9 zwischen dem Hohlleiter
2' kreisförmigen Querschnitts und dem Hohlleiter 1' rechteckigen Querschnitts teilweise
sichtbar. In bekannter Weise ist außerdem eine folienartige Dämpfungsschicht 7 in
den Abschnitten 3', 4' derartig vorgesehen, daß sie Wellen absorbiert, deren
Polarisationsebene parallel zur Breitseite des Ausgangshohl-
Leiters
1' liegt. Die Magnetisierung des gyromagnetischen Materials 5 wird mittels einer
dieses Material umschließenden einlagigen Spule 8 durchgeführt. Dabei ist der Innendurchmesser
dieser Spule 8 derart groß zu wählen, daß sich die inneren Spulenwindungen noch
hinreichend außerhalb des elektromagnetischen Wechselfeldes befinden, das durch
den als Wellenführung dienenden Stab 5 aus gyromagnetischem Material geführt wird.
Auch ist dafür Sorge zu tragen, daß der Abstand der metallischen Rundhohlleiterteile
2 und 2' von den Spulenwindungen 8 groß genug ist, gegebenenfalls empfiehlt sich
eine Längsschlitzung dieser Teile zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt außerordentlich günstige Abmessungen.
Nimmt man beispielsweise an, daß die Anordnung bei einer Frequenz der Mikrowellen
in der Größenordnung von 40 MHz arbeiten soll, dann hat unter Anwendung eines üblichen
Ferrits als gyromagnetisches Material der Ferritstab für einen Drehwinkel von 45°
- betrachtet bei einmaligem Durchlauf - einen Durchmesser von etwa 2,1 mm und eine
axiale Länge von etwa 1 mm. Bei diesen Maßen ergibt sich eine Temperaturkompensation
der Phasendrehung. Zur Längsmagnetisierung reicht dann in der Regel eine zweilagige
Spule mit einem mittleren Durchmesser von 3,2 mm, einer axialen Länge von 0,9 mm
und mit sieben Windungen aus 0,4 mm starkem Draht aus. Die Induktivität einer derartigen
Spule (ohne Ferrit betrachtet) beträgt etwa 150 Nanohenry. Daraus folgt beispielsweise
für eine Modulationsfrequenz von 30 MHz und einem Maximalwert des magnetischen Längsfeldes
(wenn Sättigungsbetrieb angewendet wird) von etwa 80 Oersted ein Spulenstrom von
3 A. Für linearen Betrieb ergeben sich um Größenordnungen niedrigere Werte sowohl
für das magnetische Längsfeld als auch den Spulenstrom. Es können dann noch dünnere
Drähte verwendet werden.
-
Durch Wahl des maximalen Drehwinkels in Abhängigkeit vom Modulationsstrom
und einer konstanten Vormagnetisierung, die entweder über die Spule selbst und/oder
ein äußeres Feld, z. B. von einem Permanentmagneten erzeugt werden kann, lassen
sich symmetrische und unsymmetrische Aussteuerungen erreichen.
-
Eine Anordnung, die sich vor allem für die Erzeugung von Impulsserien
eignet, ist in der F i g. 2 gezeigt. Bei dieser Anordnung sind zwei Körper 5 und
5' aus gyromagnetischem Material vorgesehen, zwischen denen ein stabförmiger Bereich
aus dielektrischem Material liegt, der die Dämpfungsschicht 7 enthält. Entsprechend
hat die Anordnung zwei Spulen 8 und 8', die mit zwei frequenzverschiedenen Modulationsströmen
betrieben werden und die im Zusammenhang mit dem gyromagnetischen Material 5, 5'
wie folgt arbeiten. Der nichtreziproke Polarisationsdreher 5 dreht im Takte seiner
Modulation, von der Ausgangslage (Pfeilrichtung am Eingang des Hohlleiters
1) aus gerechnet, zwischen -45 bis -i-45°, der nichtreziproke Polarisationsdreher
5' dreht, von der Ausgangslage aus gerechnet, im Takte seiner Modulation, deren
Frequenz höher als die in der Spule 8 gewählt ist, von -90 bis +90°. Zu diesem Zweck
muß die Spule 8' mit mehr Windungen als die Spule 8 versehen und/oder ihr Spulenstrom
stärker bemessen werden. Die übrige Ausgestaltung der Anordnung entspricht der nach
der F i g. 1.