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NichtreziprokerVierpol Die Erfindung bezieht sich auf einen nichtreziproken
Vierpol für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Hohlleiter
kreisförmigen Querschnitts, in dem ein vorzugsweise durch ein äußeres Magnetfeld
vormagnetisiertes, mittels dielektrischem Material im Hohlleiter gehaltenes gyromagnetisches
Material vorgesehen ist.
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Nichtreziproke Vierpole dieser Art, die auch als Faraday-Dreher bezeichnet
werden, dienen beispielsweise in Verbindung niit Polarisationsweichen zur übertragungsrichtungsabhängigen
Polarisationsdrehung von elektromagnetischen Wellen in Richtungsweichen bzw. Zirkulatoren.
Betrachtet man das elektrische Verhalten derartiger Anordnungen in einem größeren
Frequenzbereich, so zeigt sich, daß die Polarisationsdrehung frequenzabhängig ist,
und zwar nimmt die Polarisationsdrehung mit zunehmender Frequenz zu. Dieser Effekt
beruht darauf, daß mit zunehmender Frequenz das gyromagnetische Material zunehmend
als Wellenführung wirkt und das Feld demnach zunehmend in sich konzentriert. Der
Grund hierfür ist in der relativ hohen Dielektrizitätskonstante des gyromagnetischen
Materials im Vergleich zu dem dieses umgebende Medium zu suchen. Um diesem Nachteil
zu begegnen, ist es bekannt, das gyromagnetische Material in ein Dielektrikum mit
von Eins verschiedener relativer Dielektrizitätskonstante einzubetten, wobei dieses
z. B. die Form einer auf der Hohlleiterinnenseite anliegenden Hülse hat, gegen deren
Innenfläche das gyromagnetische Material mit Stützscheiben aus dielektrischem Material
abgestützt ist. Vor allem bei der Verwendung eines derart aufgebauten nichtreziproken
Vierpols in einerRichtungsweiche zeigt sich jedoch, daß eine störende Verkopplung
für unter 901 zueinander liegenden Polarisationen gegeben ist bzw. daß eine
elliptische Polarisation am Eingang des nichtreziproken Vierpols auftritt.
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Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung ist in der schlechten Ableitung
der durch Verluste im gyromagnetischen Körper entstehenden Wärme zu sehen. Abgesehen
davon, daß Phasenschieber dieser Bauart nur geringen Belastungen ausgesetzt werden
können, ist ihr elektrisches Verhalten auch in hohem Maße belastungsabhängig, weil
die Temperatur im gyromagnetischen Körper den Drehwinkel der Polarisation stark
beeinflußt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, auf
dem es möglich ist, unter anderem gerade diesen Schwierigkeiten in einfacher Weise
zu begegnen.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem nicht-Te-7:ip-£z'ken Vierpol
für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Hohlleiter kreisförmigen
Querschnitts, in dem ein vorzugsweise durch ein äußeres Magnetfeld vormagnetisiertes
gyromagnetisches Material vorgesehen ist, das unmittelbar von einer längshomogenen
I-Iülse aus dielektrischem Material mit geringer relativer Dielektrizitätskonstante
umschlossen ist, die ihrerseits in einer die Verbindung zur Innenseite der Hohlleiterwandung
herstellenden Hülse aus einem dielektrischem Material mit größerer relativer Dielektrizitätskonstante
als das der inneren Hülse gehalten ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Materials
der äußeren Hülse sehr viel größer als die der Luft ist, gemäß der Erfindung dadurch
gelöst, daß die Wärmeleitfähigkeit auch der inneren Hülse sehr viel größer als die
Wärmäleitfähigkeit der Luft gewählt ist.
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Es sind zwar Faraday-Dreher bekannt, bei denen der Ferritstab unmittelbar
von einer Schaumstoffhülle umgeben ist, die wiederum in einer sie umschließenden,
den Innenraum des kreisrohrförmigen Wellenleiters ausfüllenden Hülse aus dielektrischem
Material gehalten ist. Derartige Anordnungen vermögen jedoch das Problem einer guten
Ableitung der Wärme des gyromagnetischen Körpers nicht zu lösen. Außerdem ist die
Struktur von Schaumstoffen im allgemeinen nicht in dem für solche Anwendungsfälle
gewünschtem Maße homogen, so daß ähnliche Störungen (90'-Verkopplung, ellyptische
Polarisation) wie bei Anordnungen mit Stützscheiben zu befürchten sind.
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Bei der Erfindung wird von folgenden überlegungen ausgegangen. In
der Fig. 1 der Zeichnung ist ein bekannter Faraday-Dreher, bestehend aus
einem Hohlleiter 1 kreisförmigen Querschnitts und einem an den
Enden
spitz auslaufenden Stab 2 aus gyromagnetischem Material, beispielsweise einem Ferrit,
gezeigt. Zur Kompensation der mit der Frequenz zunehmenden Wellenführungseigenschaften
des Stabes 2 aus ,-yroma2netischem Material ist aui der Linenwand des Hohlleiters
1 dielektrisches Material in Form einer Hülse 3 vorgesehen. Zwischen
dem Stab 2 aus cyromagnetischem Material und dieser Hülse 3 ist ein Zwischenraum
belassen. Gegen die Innenwand der Hülse 3 ist der Stab durch Zentrier- bzw.
Stützscheiben 4, 4' abgestützt. Wird in eine derartige Anordnung in Richtung des
am einen Ende der Hohlleitung eingezeichneten Pfeiles eine linear polarisierte Welle
Ei eingespeist, und ist das gyromagnetische Material 2 entsprechend vormagnetisiert,
so tritt bis zu der Stützscheibe 4 eine Polarisationsdrehung um den Winkel 19, ein.
Die Polarisationsrichtung , der Welle liegt dann in der durch die
Ausbreitungsrichtung und den eingezeichneten PfeilE, festgelegten Polarisationsebene.
Diese Stützscheibe 4 hat, wenn von umständlichen Kompensationsmaßnahmen, wie Eindrehungen
u. dgl., abgesehen wird, eine gewisse Reßexion der Welle Ei zur Folge, so
daß zum Ein gang der Anordnung eine Welle zurückwandert, deren Betrag
E,' sei. Am Ort der Reflexion decken sich die Polarisationsebenen von
Ei und E,'. Durch die nichtreziproken übertragungseigenschaften des Faraday-Drehers
erscheint E,' am Eingang um den doppelten Winkel, also um 2 0-, gegenüber
der Ausgangslage von Ei gedreht. Die reflektierte Welle kommt also mit einer
Polarisationslage an, wie sie an der Einspeisungsstelle mit E, bezeichnet
ist. Diese reflektierte Komponente verfälscht demnach das Wellenbild am Eingang
der Anordnung. Einen ähnlichen Beitrag liefert noch die am anderen Ende der Hohlleitung
vorgesehene Stützscheibe 4'.
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Wie die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen weiterhin
gezeigt haben, läßt sich diesen Schwierigkeiten dadurch begegnen, daß zur Halterung
des Stabes 2 aus gyromagnetischem Material ein über die Gänge des Stabes längshomogenes
Dielektrikum verwendet wird. Hierdurch läßt sich aber nicht nur die störende Bildung
in der Polarisation gedrehter reflektierter Wellen wirksam unterbinden, sondern
zugleich läßt sich durch besondere Wahl dieses dielektrischen Materials eine wesentliche
Erhöhung der Unabhängigkeit der übertragungseigenschaften von der Belastung erreichen.
Hierfür ist es erforderlich, daß einerseits die Dielektrizitätskonstante der inneren
Hülse geringer ist als die Dielektrizitätskonstante des Materials für die äußere
Hülse und daß auch für die innere Hülse ein Material verwendet wird, welches eine
möglichst gute Wärmeleitfähigkeit hat. Als besonders vorteilhaft hat sich hierfür
das Material Polytetrafluoräthylen für die innere Hülse erwiesen. Für die äußere
Hülse kann das Material beispielsweise Polystyrol, besser jedoch Quarz sein. Es
ist auch die Verwendung des Materials Polytetrafluoräthylen für die innere Hülse
und Polystyrol für die äußere Hülse möglich, um diesen Effekt, wenn auch nicht so
ausgeprägt wie bei Verwendung der Kombination Polytetrafluoräthylen-Quarz, zu erreichen.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Fig.
2 gezeigL In dem Rundhohlleiter 1
ist eine äußere Hülse 3 vorgesehen,
die vorzugsweise aus Polystyrol, z. B. mit einer relativen Dielektrizitätskonstante
von 2,5, besteht. In der Hülse ist eine weitere, innere Hülse 5 über
Endscheiben 6, 6', ge-Jagert, die in ihrem Inneren einen Ferritstab 2 trägt.
Die Länge der Hülse 5 ist derart groß gewählt, daß sie über die Enden des
Ferritstabes 2 jeweils um ein Achtel der mittleren Betriebswellenlänge im Hohlleiter
1 hervorsteht. Die Stärke der Hülse 5 ist längs ihrer Gesamterstreckung
relativ gering, so daß sie hinsichtlich der übertragungseigenschaften praktisch
nicht in Erscheinung tritt. Die Endscheiben 6, 6'
haben jedoch in diesem Fall
eine besondere Wirkung, die darin besteht, daß die durch sie verursachten Querkapazitäten
im Hohlleiter jeweils in Verbindung mit dem Leitungsabschnitt zwischen der Scheibe
und dem benachbarten Ferritstabende als zusätzliches Anpassungsglied dienen. Außerdem
hat die Hülse den großen Vorteil, daß die Bruchgefahr für das gyromagnetische Material
bzw. beim Ausführungsbeispiel den Ferritstab 2 wesentlich verringert wird. Die Wandstärke
der Hülse 3 ist beim Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit vom Durchmesser
des Ferritstabes und von der Stärke der Hülse 5 derart gewählt, daß sich
innerhalb des Betriebsbereiches der Anordnung eine konstante Polarisationsdrehung
ergibt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig.
3 ist die innere
Hülse
5 derart stark gewählt, daß sie eine unmittelbare Verbindung vom Ferritstab
2 zu der äußeren Hülse
3 herstellt. Auch in diesem Fall ist es erforderlich,
für die Hülse
5 ein Material zu verwenden, daß zwar eine gute Wärmeleitfähigkeit,
aber eine kleinere Dielektrizitätskonstante hat als die Hülse
3.
Besonders
günstig sind für die Erfüllung dieser Forderung die Materialien Polystyrol, Polytetrafluoräthylen
und Quarz. Betrachtet man die Stoffe Luft, Polystyrol, Polytetrafluoräthylen und
Quarz hinsichtlich der gestellten Probleme, so zeigt sich, daß diese folgende Eigenschaften
haben:
| Wärmeleitung |
| er t9 Öl cal |
| grad - cm - sec |
| Luft ........... 1 10-5 5,7.10--, |
| Polystyrol ...... 2,5 10-3 38 |
| Polytetrafluor- |
| äthylen ...... 2,0 2-10-4 98 -10-5 |
| Quarz ......... 3,78 10-4 320 -10-5 |
Hieraus läßt sich erkennen, daß die Kombination Quarz-Polytetraftuoräthylen besonders
gut die gestellten Forderungen erfüllt. Das ist deshalb von Bedeutung, weil beim
Betrieb eines Faraday-Drehers zwangläufig im gyromagnetischen Material Hochfrequenzenergie
in Wärme umgesetzt wird. Diese Wärme führt zu einer Aufheizung des gyromagnetischen
Materials, das damit seine elektrischen Eigenschaften im Hohlleiter ändert.
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Wird beispielsweise bei einem konstanten äußeren Magnetfeld die Temperatur
gegenüber einer Ausgangstemperatur verändeM so ergibt sich ein Verhalten, wie es
in der Fig. 4 gezeigt ist. In dem Schaubild der Fig. 4 ist hierzu auf der Abzisses
die Temperaturänderung A T in ' C aufgetragen, während
die Ordinate einen Maßstab für die Änderung J 19 in Winkelgrad der Verringerung
der Polarisationsdrehung trägt. Man sieht hieraus, daß mit zunehmender Temperatur
die
pro Längeneinheit erreichbare Polarisationsdrehung zurückgeht.
Man könnte an sich durch Nachregelung des äußeren Magnetfeldes, welches in an sichbekannter
Weise zur Vormagnetisierung des gyromagnetischen Materials dient, die Änderung
A (9 zu Null machen, doch würde dies für eine derart exakte Nachregelung
einen außergewöhnlich großen Aufwand erfordern. Wesentlich einfacher ist es jedoch,
einer derartigen temperaturabhängigen Drehwinkeländerung dadurch zu begegnen, daß
eine Ausbildung für die Anordnung gewählt wird, die von dem Prinzip der in der Fig.
3 dargestellten Anordnung Gebrauch macht. Obwohl die Wärmeleitung in Quarz
im Vergleich zu der in Metallen nicht sonderlich gut ist, tritt trotzdem eine wirksame
Vermeidung einer Aufheizung des Stabes 2 aus gyromagnetischem Material ein, und
zwar deshalb, weil die Fläche, über die die Wärme nach außen abgeführt wird, relativ
groß ist.
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Um ein Beispiel für die Wirkung der erfindungsgemäßen Ausbildung hinsichtlich
der Temperaturabhängigkeit der übertragungseigenschaften des nichtreziproken Vierpols
zu geben, ist in der Fig. 5 in Abhängigkeit von der im gyromagnetischen Material
absorbierten Leistung N in Watt die Temperaturänderung des Stabes 2 aus gyromagnetischem
Material aufgetragen, und zwar für mehrere Materialzusammenstellungen. Für alle
gezeigten Kurven ist der gleiche Ferritstab und die gleiche Gesamtpolarisationsdrehung
zugrunde gelegt. Für die Kurve a ist der Ferritstab von Luft umgeben, und im radialen
Abstand vom Ferritstab schließt sich eine Hülse aus Polystyrol an, welche die Verbindung
zur Hohlleiterwand 1 herstellt. Bei der Kurve b sind eine innere Hülse
und eine äußere Hülse aus Polystyrol vorausgesetzt, die beide schlüssig aneinanderliegen
und von denen die innere sich an den Ferritstab und die äußere an die Hohlleiter-Innenwandung
anschmiegt. Für die Kurve c ist angenommen, daß die an den Ferritstab sich anschmiegende
innere Hülse aus Polytetrafluoräthylen besteht, an die sich zur HohReiter-Innenwand
hin eine Hülse aus Polystyrol anschließt. Für die Kurve d ist der Ferritstab
wiederum durch eine Hülse aus Polytetrafluoräthylen umschlossen. Die schlüssige
Verbindung zur Hohlleiter-Innenwand stellt jedoch eine Hülse aus Oarz her. Die Abmessungen
der einzelnen Hülsen und des Stabes 2 aus gyromagnetischem Material, in Radialrichtung
betrachtet, sind in Abhängigkeit von den Dielektrizitätskonstanten der verwendeten
Materialien derart gewählt, daß die Polarisationsdrehung praktisch unabhängig von
der Betriebswellenlänge innerhalb des Betriebsbereiches ist. Aus der Fig.
5 ist erkennbar, daß bei gleicher im Ferritstab absorbierter Leistung die
absolute Erwännung des gyromagnetischen Materials von der Kurve a nach der Kurve
d hin stetig abnimmt, so daß z. B. zur Erzielung gleicher Erwärmung bei einer
Zusammenstellung, wie sie für die Kurve d
maßgebend ist, eine etwa 17mal so
hohe Hochfrequenzleistung in dem Faraday-Dreher übertragen werden kann, im Vergleich
zu einer Zusammenstellung, wie sie der Kurve a zugrunde liegt.
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Ebenso wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind bei der Anordnung
nach der Fig, 3 Querkapazitäten im Hohlleiter vorgesehen, die sich im Abstand
von etwa einem Achtel der mittleren Hohlleiterwellenlänge von den Enden des Stabes
2 entfernt befinden. Diese Querkapazitäten werden durch Endscheiben 6, 6'
gebildet, die zugleich dem Abschluß der Hülse 5 dienen und ebenso wie diese
aus entsprechend gewähltem dielektrischem Material bestehen.