DE1117675B

DE1117675B - Non-reciprocal component of microwave technology

Info

Publication number: DE1117675B
Application number: DEM45426A
Authority: DE
Inventors: Richard Arthur Waldron
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1959-06-03
Filing date: 1960-05-25
Publication date: 1961-11-23

Description

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.Microwave Non-Reciprocal Device The invention relates to a non-reciprocal component of microwave technology, which consists of a circular waveguide section consists of a cylinder made of gyromagnetic material coaxially arranged therein, on which a longitudinally directed constant magnetic field acts. The space between this cylinder and the waveguide contains a dielectric.

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.Arrangements of this type are known and work with, for example the so-called HrMode of a wave using the Faraday rotation. As a gyromagnetic Material is usually a ferrite. The space between the gyromagnetic The core and the waveguide wall is filled with a dielectric, e.g. B. with air or a low loss solid dielectric material. Such arrangements will be used for various purposes, e.g. B. as so-called isolators or for Microwave circulators, the Faraday rotation according to the respective purpose is chosen. It is already one such non-reciprocal component in microwave technology became known, with which by special choice of the radius ratios of the waveguide to ferrite a maximum rotation per damping unit is achieved. This sizing However, it requires a very small bandwidth of the arrangement, which is particularly important in the case of commercial Systems of great disadvantage is that in such systems one as large as possible Bandwidth required. The achievable bandwidth should also be achieved for such systems be independent of the attenuation. These known arrangements have the disadvantage thus in the strong frequency dependence of the Faraday effect, so that it is very are narrow-band.

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.The aim of the invention is therefore to eliminate this disadvantage and to create such an arrangement in a relatively simple way, which over a wide Frequency band is almost independent of frequency.

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.In a non-reciprocal component of microwave technology, consisting of a circular waveguide section with a cylinder made of gyromagnetic material coaxially arranged therein, on which a longitudinally directed constant magnetic field acts, the space between the cylinder and the waveguide containing a dielectric, it is therefore proposed according to the invention that the Radius ratio bla of the gyromagnetic cylinder 1 to the waveguide section 2 is chosen so that the specific rotation 0 "plotted against the radius ratio bla with the normalized waveguide radius a / 20 as a parameter is approximately maximum, the specific rotation being the Faraday rotation, which of a section of the array which is a wavelength ″ long.

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.Before the invention is described in more detail, some expressions should first be explained: The specific rotation 0 "is understood to mean the effective Faradaya rotation which is generated on a unit length of the arrangement, the unit of this length being the wavelength A i in an unlimited arbitrary Medium (generally air) which is used as a dielectric filling material between the core and the waveguide.

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.A gyromagnetic body, in particular a ferrite body, serves as the core material. 0 "is measured in units of 7v of length 2, the array. It applies where 21 is the wavelength possessed by a wave whose rotation is directed in one direction with respect to its polarization, and A, the wavelength of a wave in the arrangement whose rotation is opposite in respect to its polarization. The relationship between ß ,. ' and ß, as well as fl2 'and ß2 is given by the following equations- The following abbreviations are also used: a = inner radius of the circular waveguide, b = radius of the gyromagnetic cylinder, bla = radius ratio, algo = standardized waveguide radius, s = dielectric constant of the core material, based on the dielectric constant of the dielectric filler material, Iz = the diagonal element of the relative permeability of the core material, k = the non-diagonal matrix element of the relative permeability of the core material.

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.A gyromagnetic none, which is premagnetized by a longitudinal constant field, is anisotropic, so that the permeability tensor can be given by the following matrix. The broadband capability of the arrangement according to the invention is achieved by a specially selected radius ratio bla. If one assumes that the waveguide is empty, one obtains the extreme case in which the radius ratio becomes zero. The Faraday rotation then becomes zero if the ratio of the waveguide radius a to the wavelength 2 is large enough for a wave to propagate. If, starting from this theoretical extreme value, one increases the ratio bla, then the specific rotation 0, also increases, whereby it is assumed that the ratio all, lies above the cutoff frequency of the empty HohReiters. Obtained in this way, a curve with Schaar O # as ordinate and abscissa bla as in the form in which it is to FIG. 1.

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.Various values of all, serve as parameters of the curves. In Fig. 1 three of these curves are shown in which all, 0.2, 0.25 and 0.3 . It can be seen that each of the curves passes through a flat maximum. The curves shown are based on the values tz = 1, .k 1/2 and s = 10 .

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.According to the invention, the mentioned radius ratio of the arrangement is now chosen so that the associated specific rotation is approximately its maximum value. The center frequencies of the area of the arrangement are expediently set with the aid of the radius ratio in such a way that the specific rotation has exactly its maximum value, as is the case at the point indicated by R. Since the maximum very runs flat, is also at a deviation from zLIOO /,) of this Maximuni still a sufficient frequency independence d. H. A corresponding broadband of the arrangement is achieved, as can be seen from the curve shape within the range from R to R. In Fig. 2, an embodiment of the invention is shown in section. 1 denotes a soft ferrite cylinder which is arranged coaxially in the round tube 2. A soft ferrite is understood here to be a ferrite that has a small remanence. The space between this gyromagnetic core 1 and the waveguide 2 is filled with a solid dielectric material 3. Other dielectric materials can also be used, e.g. B. Air; it then only has to be provided for a corresponding mounting of the ferrite cylinder 1 within the waveguide 2.

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. At each end of the waveguide length 2, further waveguide sections 4 and 5 are connected , the diameter of which must be large enough so that waves of the desired frequency can propagate in them. The diameters of these sections 4 and 5 can of course be different. The inner radius a of the waveguide 2 with respect to the core radius b is selected as described above, for example so that this ratio lies in the range between R 1 and R 2 for curve X in FIG with a ratio al.AO of 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.For reasons of adaptation, the transition of the waveguide section 2 to the subsequent waveguide sections 4 and 5 takes place through transition pieces 6 and 7. The gyromagnetic core as well as the dielectric filling 3 are designed at their ends in a manner known per se so that as few reflections as possible occur.

. 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. . A coupling arrangement 8 is arranged in the waveguide section 4 for coupling in plane polarized waves of the HII mode. With the help of the coaxial coil arrangement 9 , the longitudinally directed constant magnetic field is generated for the gyromagnetic core. Power is supplied by a DC power source 11, which can be reversed by means of the changeover switch 10 so that the direction of polarization of the exiting at 12 shaft is reversible.

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.In the exemplary embodiment, the diameter of the circular waveguide 2 is selected to be smaller with respect to the two adjoining waveguide sections 4 and 5, in order to prevent the occurrence of undesired modes.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Non-reciprocal component of microwave technology, consisting of a circular waveguide section with a cylinder made of gyromagnetic material coaxially arranged therein, on which a longitudinally directed constant magnetic field acts, the space between this cylinder and the waveguide containing a dielectric, characterized in that the Radius ratio (bla) from the gyromagnetic cylinder (1) to the waveguide section (2) is selected so that the specific rotation (0,), plotted against the radius ratio (bla) with the normalized waveguide radius (a12,) as the parameter, is approximately maximum, where specific rotation is the Faraday rotation produced by a portion of the array that is one wavelength (.Z, » long.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the radius ratio (bla) is chosen so that it deviates from the value belonging to the maximum specific rotation by approximately ± 10 1/0. 3. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the space between the gyromagnetic cylinder (1) and the waveguide (2) is at least partially filled by a solid dielectric.

Publications considered: "The Bell System Technical Journal", Sanuary 1955, pp. 26 to 3 1.