-
Nichtreziprokes Bauelement der Mikrowellentechnik Die Erfindungbetrifft
einnichtreziprokes Bauelement der Mikrowellentechnik, welches aus einem Rundhohlleiterabschnitt
besteht mit einem darin koaxial angeordneten Zylinder aus gyromagnetischem Material,
auf welchen ein longitudinal gerichtetes magnetisches Gleichfeld einwirkt. Der Raum
zwischen diesem Zylinder und dem Hohlleiter enthält hierbei ein Dielektrikum.
-
Anordnungen dieser Art sind bekannt und arbeiten beispielsweise mit
dem sogenannten HrMode einer Welle unter Ausnutzung der Faraday-Rotation. Als gyromagnetisches
Material wird gewöhnlich ein Ferrit verwendet. Der Raum zwischen dem gyromagnetischen
Kern und der Hohlleiterwand ist mit einem Dielektrikum ausgefüllt, z. B. mit Luft
oder einem verlustarmen festen dielektrischen Material. Solche Anordnungen werden
für die verschiedensten Zwecke verwendet, z. B. als sogenannte Isolatoren oder für
Mikrowellenzirkulatoren, wobei die Faraday-Rotation dem jeweiligen Zweck entsprechend
gewählt wird. Es ist bereits ein solches nichtreziprokes Bauelement derMikrowellentechnik
bekanntgeworden, beiwelchem durch besondere Wahl der Radiusverhältnisse von Hohlleiter
zu Ferrit eine maximale Rotation pro Dämpfungseinheit erzielt wird. Diese Dimensionierung
bedingt jedoch eine sehr kleine Bandbreite der Anordnung, was insbesondere bei kommerziellen
Anlagen von großem Nachteil ist, da man in solchen Anlagen eine möglichst große
Bandbreite benötigt. Die erzielbare Bandbreite soll für solche Anlagen außerdem
unabhängig von der Dämpfung sein. Der Nachteil dieser bekannten Anordnungen besteht
somit in der starken Frequenzabhängigkeit des Faraday-Effektes, so daß sie sehr
schmalbandig sind.
-
Ziel der Erfindung ist es deshalb, diesen Nachteil zu beseitigen und
auf relativ einfache Art eine solche Anordnung zu schaffen, welche über ein breites
Frequenzband nahezu frequenzunabhängig ist.
-
Bei einem nichtreziproken Bauelement der Mikrowellentechnik, bestehend
aus einem Rundhohlleiterabschnitt mit einem darin koaxial angeordneten Zylinder
aus gyromagnetischem Material, auf welchen ein longitudinal gerichtetes magnetisches
Gleichfeld einwirkt, wobei der Raum zwischen dem Zylinder und dem Hohlleiter ein
Dielektrikum enthält, wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Radiusverhältnis
bla vom gyromagnetischen Zylinder 1 zum Hohlleiterabschnitt 2 so gewählt
wird, daß die spezifische Rotation 0" aufgetragen über dem Radiusverhältnis bla
mit dem normierten Hohlleiterradius a/20 als Parameter annähernd maximal ist, wobei
spezifische Rotation die Faraday-Rotation ist, welche von einem Abschnitt der Anordnung
erzeugt wird, welche eine Wellenlänge A" lang ist.
-
Bevor die Erfindung näher beschrieben -wird, seien zuerst einige Ausdrücke
erläutert: Unter spezifischer Rotation 0" wird die wirksame Faradaya-Rotation verstanden,
welche auf einer Längeneinheit der Anordnung erzeugt wird, wobei die Einheit dieser
Länge die Wellenlänge A, ist in einem unbegrenzten beliebigen Medium (im
allgemeinen Luft), welches als dielektrisches Füllmaterial zwischen dem Kern und
dem Hohlleiter Verwendung findet.
-
Als Kernmaterial dient ein gyromagnetischer Körper, insbesondere ein
Ferritkörper. 0" wird gemessen in Einheiten von 7v einer Länge
2, der Anordnung. Es gilt
wobei 21 die Wellenlänge ist, welche eine Welle besitzt, deren Rotation bezüglich
ihrer Polarisation in einer Richtung gerichtet ist, und A, die Wellenlänge
einer Welle in der Anordnung, deren Rotation bezüglich
ihrer Polarisation
entgegengesetzt verläuft-. Die Beziehung zwischen ß,.' und ß, sowie fl2'
und ß2 ist durch folgende Gleichungen gegeben-
Ferner werden folgende Abkürzungen verwendet: a = innerer Radius des
Rundhohlleiters, b = Radius des gyromagnetischen Zylinders, bla =
Radiusverhältnis, algo = normierter Hohlleiterradius, s
= Dielektrizitätskonstante des Kernmaterials, bezogen auf die Dielektrizitätskonstante
des dielektrischen Füllmaterials, Iz = das Diagonalelement der relativen Permeabilität
des Kerninaterials, k = das nicht in der Diagonale vorkommende Matrixelement
der relativen Permeabilität des Kernmaterials.
-
Ein gyromagnetischer Kein, welcher durch ein longitudinales Gleichfeld
vormagnetisiert ist, ist anisotrop, so daß sich der Permeabilitätstensor durch folgende
Matrix angeben läßt.
Die erfindungsgemäße Breitbandigkeit der Anordnung wird durch ein besonders gewähltes
Radiusverhältnis bla erreicht. Nimnit man an, daß der Hohlleiter leer ist, so erhält
man den Extremfall, in welchem das Radiusverhältnis Null wird. Die Faraday-Rotation
wird dann Null, sofern das Verhältnis des Hohlleiterradius a zur Wellenlänge
2, groß genug ist für die Ausbreitung einer Welle. Vergrößert man, ausgehend
von diesem theoretischen Extremwert, das Verhältnis bla, so nimmt die spezifische
Rotation 0, ebenfalls zu, wobei vorausgesetzt wird, daß das Verhältnis all,
oberhalb der Grenzfrequenz des nicht ausgefüllten HohReiters liegt. Man erhält auf
diese Art eine Kurvenschaar mit O# als Ordinate und bla als Abszisse in der Form,
wie sie Fig. 1 darstellt.
-
Als Parameter der Kurven dienen verschiedene Werte von all,. In der
Fig. 1 sind drei dieser Kurven dargestellt, bei denen all, 0,2,
0,25 und 0,3 betrug. Manerkennt, daßjede derKurveneinflaches Maximum
durchläuft. Bei den dargestellten Kurven wurden je-
weils die Werte tz = l,.k
1/2 und s = 10 zugrunde gelegt.
-
Erfindungsgemäß, wird nun das erwähnte Radiusverhältnis der Anordnung
so gewählt, daß die zugehörige spezifische Rotation annähernd ihren maximalen Wert
erhält. Zweckmäßigerweise legt man die Mittenfrequenzen des Bereiches der Anordnung
mit Hilfe des Radiusverhältnisses so, daß die spezifische Rotation genau ihren maximalen
Wert hat, wie das an der mit R bezeichneten Stelle der Fall ist. Da das Maximum
sehr flach verläuft, wird auch bei einer Ab-
weichung von zLIOO/,) von diesem
Maximuni noch eine ausreichende Frequenzunabhängigkeit, d. h. eine entsprechende
Breitbandigkeit der Anordnung erreicht, wie man aus dem Kurvenverlauf innerhalb
des Bereiches von R, bis R, ersehen kann. In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Schnitt dargestellt. Mit 1 ist ein weicher Ferritzylinder
bezeichnet, welcher koaxial in dem RundhohReiter 2 angeordnet ist. Unter einem weichen
Ferrit wird hierbei ein Ferrit verstanden, der eine kleine Remanenz besitzt. Der
Raum zwischen diesem gyromagnetischen Kern 1 und dem Hohlleiter 2 ist mit
einem festen dielektrischen Material 3 ausgefüllt. Es können auch andere
dielektrische Stoffe verwendet werden, z. B. Luft; es muß dann lediglich für eine
entsprechende Halterung des Ferritzylinders 1 innerhalb des Hohlleiters 2
gesorgt werden.
-
An jedem Ende der Hohlleiterlänge 2 schließen sich weitere Hohlleiterabschnitte
4 und 5 an, deren Durchmesser groß genug sein muß, damit Wellen der gewünschten
Frequenz in ihnen ausbreitangsfähig sind. Die Durchmesser dieser Abschnitte 4 und
5 können selbstverständlich verschieden -sein. Der innere Radius a des Hohlleiters
2 bezüglich des Kernradius b ist hierbei wie oben beschrieben gewählt, beispielsweise
so, daß für die Kurve X der Fig. 1 dieses Verhältnis im Bereich zwischen
R, und R2 liegt, wobei der optimale Wert an der Stelle R liegt bei einem Verhältnis
al.AO von 0,25.
-
Aus Anpassungsgründen erfolgt der Übergang des Hohlleiterabschnittes
2 auf die anschließenden Hohlleiterabschnitte 4 und 5 durch Übergangsstücke
6 und 7.
Der gyromagnetische Kern sowohl als auch die dielektrische
Füllung 3 sind an ihren Enden in an sich bekannter Weise so ausgebildet,
daß möglichst keine Reflexionen auftreten.
-
. Im Hohlleiterabschnitt 4 ist eine Koppelanordnung
8
angeordnet zum Einkoppeln von eben polarisierten Wellen des Hll-Mode. Mit
Hilfe der koaxialen Spulenanordnung 9 wird das longitudinal gerichtete magnetische
Gleichfeld für den gyromagnetischen Kern erzeugt. Die Speisung erfolgt durch eine
Gleichstromquelle 11, welche mit Hilfe des Umschalters 10 umgepolt
werden kann, so daß die Richtung der Polarisation der bei 12 austretenden Welle
umdrehbar ist.
-
Der Durchmesser des Rundhohlleiters 2 ist bei dem Ausführungsbeispiel
kleiner gewählt bezüglich der beiden anschließenden Hohlleiterabschnitte 4 und
5,
um das Auftreten unerwünschter Moden zuverhindern.