DE1125011B - Hohlleitermodulator mit einem Ferritgyrator fuer Mikrowellenoszillatoren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

R24278IXd/21a⁴

ANMELDETAG: 28. 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 8. MÄRZ 1962

Die Erfindung betrifft Hohlleitermodulatoren mit einem Ferritgyrator für Mikrowellenoszillatoren.

Hohlleitersysteme mit Ferritgyratören sind bereits bekannt. Dabei wirkt der Ferritgyrator als richtungsabhängiger Übertrager. Infolge eines in dem Ferritkern erzeugten longitudinalen Magnetfeldes erfolgt nach dem Faraday-Effekt eine Drehung der Polarisationsebene einer linear polarisierten Welle, wobei die Richtung dieser Drehung von der Ausbreitungsrichtung der linear polarisierten Welle abhängig ist. Dabei wirkt der Ferritgyrator jeweils mit einem oder zwei T-Gliedern zusammen, deren verschiedene Zweige jeweils für Wellen durchlässig sind, deren Polarisationsrichtungen aufeinander senkrecht stehen.

Bei bekannten Anordnungen sind die an den Ferritgyrator angeschlossenen T-Glieder mit rechteckförmigem Hohlleiterquerschnitt um denjenigen Winkelbetrag gegeneinander verdreht, um welchen die Polarisationsebene einer linear polarisierten Welle in dem Ferritgyrator verdreht wird. Normalerweise wählt man den Drehwinkel zu 45°. Die vom Mikrowellenoszillator herkommende Welle wird also um 45° gedreht und von dem Ausgangs-T-Glied an die Belastung abgegeben. Von der Belastung reflektierte Energieanteile werden in dem Ferritgyrator um 45° gedreht, wobei jedoch nach Durchgang durch denselben ihre Polarisation senkrecht auf derjenigen der Sendeenergie steht. Diese Wellen können in eine Zweigleitung des zwischen Mikrowellenoszillator und Ferritgyrator liegenden T-Gliedes eintreten und werden dort absorbiert, da die betreffende Zweigleitung entsprechend abgeschlossen ist. Durch ein derartiges Hohlleitersystem mit einem Ferritgyrator kann die Frequenzänderung des Oszillators weitgehend verhindert werden, wenn derselbe an eine nicht angepaßte Belastung angeschlossen ist.

Die Erfindung ermöglicht unter Ausnutzung des Faraday-Effektes eine Amplituden-, Frequenz- oder gemischte Modulation des Mikrowellenoszillators unter Verwendung eines entsprechend gebauten Hohlleitersystems. Ein Hohlleitermodulator mit einem Ferritgyrator für Mikrowellenoszillatoren, wobei je eine Zweigleitung aufweisende T-Glieder zu beiden Seiten des Ferritgyrators angeschlossen sind und wobei die Zweigleitung des dem Mikrowellenoszillator zugelegten ersten T-Gliedes so angeordnet und abgeschlossen ist, daß an der Belastung reflektierte Wellenanteile absorbiert werden, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigleitung des zweiten T-Gliedes mit einer Kurzschlußplatte abgeschlossen und so an den Hauptzweig desselben angesetzt ist, daß die von dem Hohlledtermodulator mit einem Ferritgyrator für Mikrowellenoszillatoren

Anmelder:

Raytheon Manufacturing Company,
Waltham, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. Holzer, Patentanwalt,
Augsburg, Philippine-Welser-Str. 14

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. Oktober 1957 (Nr. 694 699)

Willard W. McLeod jun., Lexington, Mass.

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Mikrowellenoszillator durch das Hohlleitersystem übertragene Hohlleiterwelle beim Fehlen eines Modulationssignals nicht in die Zweigleitung eintreten kann.

An die Erregerspule des Ferritgyrators kann neben einer Gleichstromquelle noch eine Wechselstromquelle angeschlossen sein, so daß in dem Ferritgyrator ein veränderliches Magnetfeld erzeugt werden kann. Die Drehung der Polarisationsebene in dem Ferritgyrator schwankt daher um einen Grundbetrag von beispielsweise 45°. Die um den Grundbetrag gedrehte Mikrowelle wird über den Hauptzweig des zweiten T-Gliedes an die Belastung weitergegeben. Der Hauptzweig des zweiten T-Gliedes kann auch Mikrowellen mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu derjenigen der um den Grundbetrag gedrehten Mikrowellen weiterleiten. Die Zweigleitung des zweiten T-Gliedes ist so angeordnet, daß die senkrecht zu den um den Grundbetrag gedrehten Wellen polarisierten Wellen, welche beim Vorhandensein einer Modulationsspannung auftreten, in die Zweigleitung eintreten.

Die Kurzschlußplatte in der Zweigleitung ist verschiebbar. Sie kann einerseits so eingestellt werden, daß die Zweigleitung eine rein Ohmsche Belastung für den Mikrowellenoszillator darstellt, wodurch eine Amplitudenmodulation der Oszillatorschwingung erzeugt wird. Andererseits kann die Kurzschlußplatte auch so eingestellt werden, daß sie eine rein imaginäre Belastung darstellt, wodurch eine Frequenzmodulation erzielt werden kann. Bei anderen Einstel-

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hingen der Kurzschlußplatte erhält man eine ge- Bohrungen 29 Befestigungsmittel aufnehmen können, mischte Modulation. mit deren Hilfe der Hohlleitermodulator an festen

Wird beispielsweise der Grunddrehimg der Polari- Geräteteilen befestigt werden kann. In dem Flansch sationsebene um 45° durch eine Wechselspannung 28 ist ein Einsatzstück 30 befestigt, durch welches eine Drehung um ±1° überlagert, so gelangt ein 5 eine in einem Gewinde laufende Einstellschraube 31 entsprechender Anteil der Mikrowellenenergie in die hindurchgeführt ist. Dieselbe hält eine Kurzschlußkurzgeschlossene Zweigleitung des zweiten T-Gliedes platte 32, deren Einstellung den Scheinwiderstand der und wird von dort reflektiert. Die reflektierte Welle Belastung bestimmt.

erfährt durch den Ferritgyrator eine solche Drehung Der Ferritgyrator 14 ist mittels eines Flansches 33

der Polarisationsebene, daß sie von dem ersten io an den Hauptzweig des T-Gliedes 12 angeschlossen. T-Glied zu dem Mikrowellenoszillator übertragen Zur Verbindung mit dem Flansch 34 dienen wird. Entsprechend der Einstellung der Kurzschluß- Schrauben 35.

platte ändert sich die Phase der reflektierten Welle, Der Gyrator 14 enthält ein zylindrisches Ferrit-

so daß die Kurzschlußplatte als reelle oder imaginäre element 36, welches in einem zylinderförmigen Belastung an dem Mikrowellenoszillator erscheint. 15 Wellenleiterabschnitt 38 mittels verlustarmer, dielek-Die Größe der Belastung schwankt im Rhythmus und irischer Körper 39 und 39 α gehalten ist. Die dielektrientsprechend der Modulationsspannung, so daß sich sehen Körper bestehen beispielsweise aus Teflon. Wie in bekannter Weise eine entsprechende Amplituden- aus der Zeichnung zu ersehen, kann das Ferritelement und/oder Frequenzmodulation des Mikrowellenoszil- in diese Teflonstücke eingeschoben werden. An Stelle lators ergibt. 20 von Teflon kann auch ein anderes dielektrisches

Mit einer derartigen Anordnung lassen sich die An- Material in einer beliebigen Weise für die Befestigung teile an Frequenz- oder Amplitudenmodulation nach des Ferritelementes 36 Verwendung finden. Wunsch einstellen. Bei der üblichen bekannten Eine Erregerspule 42 dient zur Erzeugung eines

Anodenmodulation von Mikrowellenoszillatoren er- longitudinalen Magnetfeldes in dem Ferritelement 36. gibt sich im allgemeinen immer eine Mischung von 25 Einerseits kann mittels einer Gleichspannungsquelle Frequenz- und Amplitudenmodulation, wobei das 44, welche in Serie mit einer Drossel 45 liegt, ein gegenseitige Verhältnis der beiden Modulationsarten magnetisches Gleichfeld erzeugt werden. Weiterhin nur schwer beeinflußbar ist. Dieser Nachteil ist also kann eine von einer Wechselspannungsquelle 46 erdurch die Erfindung vermieden. zeugte Wechselspannung über einen Sperrkonden-

Weiterhin kann eine verhältnismäßig große und 30 sator 47 der Gleichspannung überlagert werden. Die weitläufige Modulationseinrichtung und Energiezufüh- Erregerspule ist an den Klemmen 48 und 49 angerungseinrichtung, die normalerweise zur Erzeugung schlossen. Der Kondensator 47 verhindert, daß die einer Anodenmodulation benötigt wird, gemäß der Gleichstromquelle 44 über die Wechselstromquelle 46 Erfindung durch den nur eine verhältnismäßig ge- kurzgeschlossen wird, andererseits hält die Drossel ringe Leistung aufnehmenden einfachen Hohlleiter- 35 45 die Wechselspannung von der Gleichspannungsmodulator ersetzt werden. quelle fern. Infolge der Wirkung des dem magne-Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der tischen Gleichfeld überlagerten Wechselfeldes wird Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand die Drehung der Polarisationsebene der Mikrowellen der Figuren. Es stellt dar variiert.

Fig. 1 eine Ansicht eines Hohlleitermodulators nach 40 Der andere Verbindungsflansch 34 a des Gyrators der Erfindung, die teilweise im Schnitt gezeichnet ist, 14 ist an den Flansch 51 des ersten T-Gliedes 16 an-Fig. 2 eine graphische Darstellung der Frequenz- geschlossen. Der Wellenleiterabschnitt 53 mit rechtabweichung des Mikrowellenoszillators nach der Er- eckigem Querschnitt ist um einen Winkel von 45° findung in Abhängigkeit von der rückwirkenden Be- gegenüber dem Wellenleiterabschnitt 26 mit rechtlastungund 45 eckigem Querschnitt verdreht. Die Zweigleitung 54

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängig- dieses T-Gliedes endigt in an sich bekannter Weise in keit der abgegebenen Leistung des Mikrowellenoszil- einen angepaßten Abschluß 55. Zwei Flansche 56 und lators nach der Erfindung von der Belastung. 57 halten mittels Schraubverbindungen 58 den Ab-

Der Hohlleitermodulator 10 besteht aus einem Schluß 55 an der Zweigleitung 54 fest. Der angepaßte ersten T-Glied 16, dessen Hauptzweig an einen Mikro- 50 Abschluß 55 enthält ein absorbierendes, nichtreflekwellenoszUlatorlS angeschlossen ist, einem Ferrit- tierendes Material 60, z. B. Polyiron. Der andere gyrator 14 und einem zweiten T-Glied 12. An Zweig des ersten T-Gliedes 16 ist über den Wellendieses letztere ist der Einlaßabschnitt 20 einer zu leiterabschnitt 59 unmittelbar an den Mikrowelleneiner auf einem Gestell 23 ruhenden Antenne 22 oszillator 18 angeschlossen.

führenden Wellenleitung angeschlossen. Diese Wellen- 55 Es kann selbstverständlich ein beliebiger Mikroleitung mündet vor der Antenne in den Auslaß- Wellenoszillator, beispielsweise ein Magnetron oder abschnitt 24. Die Antenne ist in der Zeichnung in ein Klystron, verwendet werden. Auch können bekleinerem Maßstab dargestellt. Der Wellenleiter- liebige Anpassungseinrichtungen zur Energieüberabschnitt 20 ist mittels eines Flansches 25 an den tragung vorgesehen sein, beispielsweise ein Ringrechteckigen Teil 26 des T-Gliedes 12 angeschlossen. 60 koppler, ein Viertelwellenlängentransformator, Iris-Die Zweigleitung 27 dieses T-Gliedes ist derart be- Wenden od. dgl., sofern diese Einrichtungen Mikromessen, daß die Hohlleiterwellen, welche in der wellen mit dem gewünschten Ausbreitungsmodus und Zweigleitung 27 und in dem in den Flansch 25 mün- der gewünschten Polarisation übertragen, denden Abschnitt auftreten können, senkrecht zuein- Die linear polarisierte Mikrowellenenergie tritt in

ander polarisiert sind. Eine in dem einen Zweig auf- 65 die Rechteckswellenleitung 53 ein und erreicht den tretende Welle kann also nicht in den anderen Zweig Ferritgyrator 14, wo ihre Polarisationsebene um einen übertreten. bestimmten Winkelbetrag, beispielsweise um 45°, ge-

Die Zweigleitung 27 trägt einen Flansch 28, dessen dreht wird. Über den Rechteckswellenleiter 26 wird

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die Mikrowellenenergie an die als Belastung wirkende Antenne 22 weitergegeben und abgestrahlt. In der umgekehrten Übertragungsrichtung sind die Belastung und der Mikrowellenoszillator entkoppelt. Die von der Belastung 22 reflektierte Energie wird in dem Gyrator 14 nochmals um 45° gedreht, so daß ihre Polarisationsebene beim Eintritt in den Wellenleiterabschnitt 53 senkrecht auf der Polarisationsebene der von dem Mikrowellenoszillator herkommenden Mikrowellenschwingung steht. Diese reflektierte Mikro- wellenenergie gelangt in die Zweigleitung 54 und wird in dem Abschluß 55 absorbiert.

Wenn dem magnetischen Gleichfeld des Ferritgyrators 14 ein Wechselfeld überlagert ist, weicht die Drehung der Polarisationsebene von 45° ab. Daher tritt in dem Wellenleiterabschnitt 26 neben dem um den Grundwinkelbetrag gedrehten Anteil ein weiterer Mikrowellenenergieanteil auf, welcher zu dem erstgenannten Anteil senkrecht polarisiert ist. Dieser tritt in die Zweigleitung 27 ein und wird dort an der Kurzschlußplatte 32 reflektiert. Durch Einstellung der Kurzschlußplatte 32 kann die Phase der reflektierten Energie geändert werden, so daß diese Belastung als Wirk-, Schein- oder Blindwiderstand auf den Mikrowellenoszillator transformiert wird.

Bekanntlich kann man bei vielen Mikrowellenoszillatoren mittels eines veränderlichen Blindwiderstandes eine Frequenzmodulation erzeugen. Infolgedessen kann die Kurzschlußplatte 32 so eingestellt werden, daß sie in bezug auf den Mikrowellenoszillator entweder einen Wirk- oder einen Blindwiderstand darstellt. Wird beispielsweise die Kurzschlußplatte 32 in bezug auf einen Nullpunkt auf einen Abstand von Einachtelwellenlänge eingestellt, so ergibt sich eine Ohmsche Belastung und somit eine Ampliratenmodulation. Bei Einstellung auf eine Viertelwellenlänge erhält man eine rein imaginäre Belastung und somit eine Frequenzmodulation. Der Modulationsgrad hängt von der Amplitude der Wechselspannung ab. Bei Zwischenwerten des Abstandes ergibt sich eine Mischung von Frequenz- und Amplitudenmodulation. Der Phasenwinkel des auftretenden Scheinwiderstandes und damit die Modulation sind ausschließlich eine Funktion der Stellung der Kurzschlußplatte. Bei einem Ausführungsbeispiel ergibt eine Wechselspannungsamplitude von etwa 1V in der Feldspule 42 eine Schwankung der Drehung der Polarisationsebene um 1°. Hierdurch wird die Frequenz des Mikrowellengenerators in der gewünschten Weise verändert. Wegen dieser verhältnismäßig kleinen Abweichung von der Grunddrehung von 45° wird nur ein kleiner Betrag der reflektierten Modulationsenergie in den angepaßten Abschluß 54 gelangen und von dort verlorengehen.

Fig. 2 zeigt ein sogenanntes Rieke-Diagramm, welches die Abhängigkeit der Oszillatorfrequenz von dem Belastungswiderstand darstellt. Es ist ein rein imaginärer Belastungswiderstand angenommen, welcher einer bestimmten Stellung der Kurzschlußplatte entspricht. In diesem Fall wird die Frequenz des Mikrowellenoszillators moduliert, wobei die Modulationskurve im wesentlichen senkrecht zu den Frequenzcharakteristiken verläuft. Bei einem Ausführungsbeispiel ergibt eine Wechselspannung von etwa IV Amplitude und etwa 100 Hz eine maximale Frequenzabweichung von 5 kHz.

Fig. 3 zeigt die Zusammenhänge beim Erzeugen einer Amplitudenmodulation. Wenn die Kurzschlußplatte 32 auf eine einer Viertelwellenlänge entsprechende Stellung eingestellt ist, dann ändert sich der Belastungswiderstand senkrecht zu den Kurven konstanter Ausgangsleistung. Es sind die Kurven für AusgangsleistungenpO + 20%, pO + 10%, pO, pO-10% und pO-2O»/o angegeben. Durch Verstellung der Kurzschlußplatte kann man den Phasenwinkel des Belastungswiderstandes so einstellen, daß sich der Belastungswiderstand senkrecht zu den Kurven konstanter Leistung ändert. Dabei bleibt im wesentlichen die Mittelfrequenz /₀ konstant. Im allgemeinen wird diese Änderung parallel zu den Kurven konstanter Frequenz verlaufen, so daß tatsächlich keine Frequenzmodulation erfolgt, wenn der Mikrowellenoszillator mit einem rein Ohmschen Widerstand belastet ist.

Die oben beschriebenen Schaltungen dienen nur als Beispiel für die Anwendung des Erfindungsgedankens. Unter Benutzung des Grundgedankens der Erfindung stehen dem Fachmann viele andere Schaltungen zur Verfügung. Die Erfindung ist weiterhin nicht auf Einzelheiten der beschriebenen Konstruktionen, Werkstoffe und Verfahren beschränkt.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Hohlleitermodulator mit einem Ferritgyrator für Mikrowellenoszillatoren, wobei je eine Zweigleitung aufweisende T-Glieder zu beiden Seiten des Ferritgyrators vorgesehen sind und wobei die Zweigleitung des dem Mikrowellenoszillator zugelegenen, ersten T-Gliedes so angeordnet und abgeschlossen ist, daß an der Belastung reflektierte Wellenanteile absorbiert werden, dadurch ge kennzeichnet, daß die Zweigleitung (27) des zweiten T-Stückes (12) mit einer Kurzschlußplatte (32) abgeschlossen ist und so an den Hauptzweig desselben angesetzt ist, daß die von dem Mikrowellenoszillator herrührende, durch das Hohlleitersystem übertragene Hohlleiterwelle beim Fehlen eines Modulationssignals nicht in die Zweigleitung eintreten kann.

2. Hohlleitermodulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gleichspannungsquelle (44) zur Versorgung der Erregerspule (42) des Ferritgyrators mit Gleichstrom, wodurch eine Drehung der Polarisationsebene der Mikrowellenenergie um einen Grundbetrag erfolgt, und durch eine Wechselspannungsquelle (46) zur Überlagerung eines modulierenden Wechselstroms in der Erregerspule.

3. Hohlleitermodulator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung der Zweigleitung (27), daß eine Welle, deren Polarisationsrichtung senkrecht auf der Polarisationsrichtung der um den Grundbetrag gedrehten Welle steht, in dieselbe eintreten kann.

4. Hohlleitermodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abweichung des Erregerstromes von dem Gleichstromgrundwert in dem Hauptzweig des zweiten T-Gliedes zwei senkrecht zueinander polarisierte Wellen auftreten, deren eine in die Zweigleitung (27) eintritt.

5. Hohlleitermodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Zweigleitung (27) angeordnete Kurzschlußplatte (32) zur Steuerung der Phase der reflektierten Welle verschieblich ist.

6. Hohlleitermodulator nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Amplitudenmodulation die Kurzschlußplatte (32) so angeordnet ist, daß die Zweigleitung (27) einen rein reellen Scheinwiderstand in bezug auf den Mikrowellenoszillator hat.

7. Hohlleitermodulator nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Frequenzmodulation die Kurzschlußplatte (32)

so angeordnet ist, daß die Zweigleitung (27) einen rein imaginären Scheinwiderstand in bezug auf den MikrowellenosziUator hat.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Proceedings of the IRE, Oktober 1956, S. 1456

bis 1459;

The Bell System Technical Journal, Januar 1955,

S. 38.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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