DE1113478B - Vorrichtung zur Amplitudenmodulation und Schaltung von Mikrowellen und Schaltung von Mikrowellen - Google Patents

Description

Vorrichtungen zur Amplitudenmodulation und Schaltung von Mikrowellen mit Rechteck-Hohlleiter und einem in ihm angeordneten, durch ein Magnetfeld beeinflußbaren Ferritstab sind bekannt. Sofern diese Vorrichtungen ferromagnetische Resonanzerscheinungen in magnetisch gesättigten Ferriten ausnutzen, benötigen sie starke Magnetfelder und erhebliche Steuerleistungen, wodurch die Anwendung hoher Modulationsfrequenzen bzw. kurzer Schaltzeiten behindert wird. Ferner sind die Steilheit der Modulationscharakteristik und die Bandbreite des Modulators bzw. Schalters sehr von der Linienbreite des benutzten Ferritmaterials abhängig.

Eine weitere Möglichkeit, Ferritveriuste zu Modulations- und Schaltzwecken durch Magnetfelder zu steuern, ist im Bereich unterhalb der magnetischen Sättigung des Ferrits gegeben. Man kommt hier zwar mit relativ kleinen Steuerfeldern aus, doch bedarf es zur Erzielung größerer Dämpfungen erheblicher Ferritvolumina. Diese begünstigen jedoch die Anregung höherer Ausbreitungsmoden in der Hohlleiter-Ferrit-Struktur, was starke Reflexionen der eingespeisten Energie und daraus resultierende Nichtünearitäten der Modulationscharakteristik zur Folge hat.

Modulationsanordnungen für Mikrowellen mit Rechteck-Hohlleiter und einem in ihm angeordneten, durch ein Magnetfeld beeinflußbaren, an seinen beiden Enden spitz zulaufenden Ferritstab, der koaxial zum Hohlleiter und parallel zum äußeren Magnetfeld angeordnet ist, sind bekannt. Diesen bekannten Anordnungen gegenüber ist die neue Modulationsanordnung dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritstab aus zwei über eine zur breiteren Seite des Hohlleiters parallele Widerstandsfolie aneinanderliegenden Längshälften besteht. Die neue Anordnung gestattet es, mit relativ geringer Modulationsleistung mit kleinen Ferritvolumina auszukommen. Während die senkrecht zu den elektrischen Feldlinien der eingespeisten H₁₀-WeIIe orientierte Widerstandsfolie ohne angelegtes Magnetfeld keine Absorption verursacht, findet mit wachsender longitudinaler Magnetisierung des Ferrits eine monoton zunehmende Dämpfung der Mikrowellenenergie durch die Folie statt. Dies geschieht infolge der im Rechteckhohlleiter bei kleinen Stabquerschnitten unterdrückten Drehung der Polarisationsebene nahezu reflexionsfrei. Ein anderer Vorteil der Anordnung liegt darin, daß auch die Anwendung hoher Modulationsfrequenzen bzw. kurzer Schaltimpulse möglich ist.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigt

Vorrichtung zur Amplitudenmodulation
und Schaltung von Mikrowellen

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G. m. b. H.,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Dr. Ernst Neckenbürger, Hamburg-Stellingen,
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 1 eine Modulationsanordnung für die Dämpfungsmodulation,

Fig. 2 diese Anordnung im schematischen Querschnitt,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 dessen schematischen Querschnitt,

Fig. 5 ein Diagramm.

Ein in seiner Längsrichtung halbierter, angespitzter Ferritstab 1 mit den Hälften 1' und 1" wird unter Zwischenlegung einer Dämpfungsfolie 2 wieder zusammengefügt und koaxial in einem Rechteck-Hohlleiter 3 so gehaltert, daß die elektrischen Feldlinien der eingespeisten H₁₀-WeIIe senkrecht zur Folie 2 stehen. Die Halterungen für die Ferritstäbe 1 sind nicht eingezeichnet, sie können beispielsweise aus Polystyrolschaum (Polyfoam) hergestellt sein und die Ferritstäbe in der Mitte oder an den Enden stützen. Der Mittelteil des Ferritstabes liegt in einer Magnetspule 4. Die wesentlichen Eigenschaften dieses Leitungselementes lassen sich mit Hilfe eines vereinfachten Modells erklären: Eine ebene Welle durchläuft ein gyromagnetisches Medium mit elektrischer Anisotropie, das außerdem alle elektrischen Feldkomponenten senkrecht zum Ε-Vektor der einfallenden Welle stark absorbiert. Die Rechnung zeigt, daß bei hinreichender Magnetisierung eines solchen Mediums in Ausbreitungsrichtung Fortpflanzung nur in Form einer elliptischen Welle möglich ist, die eine starke, von der Magnetisierung abhängige Verlustdämpfung erfährt.

Die Anordnung nutzt weder einen Resonanzeffekt noch die Faradaydrehung aus. Sie ist breitbandig und vermag prinzipiell auch in Leitungsstrukturen mit rein transversalen Feldern (Bandleitung usw.) zu arbeiten.

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Die Dämpfung einer derartigen Anordnung wächst monoton und über einen großen Bereich fast linear mit einem angelegten longitudinalen Magnetfeld der Magnetspule 4 (Fig. 2). Modulationssteilheit und Sättigungsdämpfung wachsen im allgemeinen mit den Dimensionen sowohl des Ferritstabes als auch der Folie sowie mit der Dielektrizitätskonstanten und der Sättigungsmagnetisierung des Ferrits, ferner mit der spezifischen Flächenleitfähigkeit des Folienmaterials. Dabei ist jedoch zu beachten, daß eine monotone Sättigungscharakteristik gemäß Fig. 5 im allgemeinen nur dann erhalten wird, wenn der Stabquerschnitt eine gewisse Größe nicht überschreitet, von der an Faradaydrehung auftritt. Als Abszisse der Kurve nach Fig. 5 ist das magnetische Steuerfeld und als Ordinate die Dämpfung der Mikrowellenenergie in db aufgetragen. Beim Überschreiten des kritischen Querschnittes verläuft die Charakteristik nicht mehr monoton, sondern zeigt Extremwerte. Bei Wahl der Flächenleitfähigkeit der Folie ist wichtig, daß die Foliendicke die Größenordnung der Eindringtiefe der Mikrowelle behält. Anderenfalls erhält man Interferenzerscheinungen am Ausgang der Anordnung.

Wählt man den Ferritstab hinreichend dick, ohne jedoch den kritischen Querschnitt zu überschreiten, so kann man auf Grund des Feldkonzentrationseffektes auf einen Teil der Hohlleiterwände 3' und 3" verzichten (Fig. 3 und 4), günstigenfalls sogar auf drei der Wände, d.h. auf 3', 3" und 5a bzw. 3', 3" und 5 b. Die angespitzten Enden des Stabes 1 müssen jedoch zwecks Anpassung an die H₁₀-WeIIe in die angrenzenden Hohlleiterpartien 3 α und 3 b hineinragen, während die Länge der Modulationsspule gegebenenfalls nur so groß zu wählen ist, daß die anschließenden Hohlleiterteile nach Möglichkeit keine Kurzschlußeffekte bedingen. Wenn genügend Modulationsenergie vorhanden ist, was bei niedrigen Modulationsfrequenzen immer der Fall sein wird, sind selbstverständlich auch bei geschlossenem Hohlleiter Kurzschlußeffekte kaum zu befürchten. Durch diese Maßnahme werden hohe Modulationsfrequenzen bzw. kurze Schaltimpulse nicht durch allseitig geschlossene Hohlleiterwände abgeschirmt. Die Modulationscharakteristik und die Betriebsdämpfung werden dadurch nicht merklich beeinflußt. Die übrigbleibenden Wandteile Sa und Sb' können gegebenenfalls etwas verschmälert werden.

Bei Verwendung dünner Stäbe und stark absorbierender Folien läßt sich die Phasen- bzw. Frequenzmodulation stark reduzieren, was dem Ziel einer reinen Amplitudenmodulation entgegenkommt. Da in diesem Fall, d. h. bei dünnen Stäben, kein Feldkonzentrationseffekt auftritt, ist dieser Vorteil nur in geschlossenen Hohlleitern nutzbar. Bei Anwendung als Mikrowellenschalter ist der Sperrstrom nicht sonderlich kritisch im Gegensatz zu einem solchen Gerät, das auf der Basis der Faraday-Rotation arbeitet.

Zur Erzielung einer niedrigen Grunddämpfung soll der Stab möglichst genaue Mittellage haben und die Folie parallel zur breiteren Wand des Hohlleiters liegen.

Bei Verwendung von üblichen Rechteck-Hohlleitern wurden mit 5 bis 7 mm starken und 90 bis mm langen Stäben aus Ni-Cu-Mn- bzw. MnAl-Ferritmaterial bei 9275 MHz gute Ergebnisse erzielt. Besonders geeignet sind im X-Band Mg-Mn-Ferrite. Die Länge der angespitzten Enden betrug 30 bis mm. Die Stabquerschnitte können quadratisch oder rund sein. Als Folien empfehlen sich Graphitpapier mit Flächenwiderständen von etwa 100 Ohm/ cm² und etwa 0,1 mm Stärke. Sättigungswerte oberhalb 40 db lassen sich bereits mit Feldern von weniger als 100 Oe erreichen, bei Grunddämpfungen unterhalb 2 db. Die Reflexion lag im ganzen Variationsbereich durchweg unter 5¹⁰Io, bei Bandbreiten von mindestens 10% im X-Band. Nach Abschalten des Sättigungsfeldes zeigt sich die Restdämpfung in allen Fällen um höchstens 0,1 bis 0,3 db erhöht.

Bei Verzicht auf allzu große Modulationssteilheiten im linearen Teil der Charakteristik sind auch dort die Hystereseerscheinungen gering. Bei Verwendung von Stäben aus verlustarmen Mg-Mn-Ferriten und wesentlich dünneren Folien, z. B. aus Glimmer mit aufgedampftem Tantal, läßt sich die Grunddämpfung noch weiter reduzieren.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Modulationsanordnung für Mikrowellen mit Rechteck-Hohlleiter und einem in ihm angeordneten, durch ein Magnetfeld beeinflußbaren, an seinen beiden Enden spitz zulaufenden Ferritstab, der koaxial zum Hohlleiter und parallel zum äußeren Magnetfeld angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritstab aus zwei über eine zur breiteren Seite des Hohlleiters parallele Widerstandsfolie aneinanderliegenden Längshälften besteht.

2. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Widerstandsfolie in der Größenordnung der Eindringtiefe der Mikrowelle liegt.

3. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ferritstäbe aus verlustarmen Mg-Mn-Ferriten verwendet sind und die Folie vorzugsweise aus Glimmer mit aufgedämpftem Tantal besteht.

4. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der den Ferritstab-Mittelteil umgebenden Hohlleiterwände innerhalb der Magnetspule weggelassen ist.

5. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden schmaleren Wände des Rechteck-Hohlleiters fehlen und die einander gegenüberliegenden breiteren Rechteck-Hohlleiterwände etwas verschmälert sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»The Bell System Technical Journal«, September 1953, S. 1166, 1167.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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