DE1259421B - Zirkulator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIp

H 03 h

Deutsche Kl.; 21 a4 - 74

M63184IXd/21a4
19. November 1964
25. Januar 1968

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Zirkulatoren, insbesondere für die Frequenzbereiche der Ultrahochfrequenzen und/oder niedrigerer Frequenzen.

Ein Zirkulator im Sinne der Erfindung ist eine Anordnung mit iVZu- bzw. Abgängen, wobei N größer als 2 ist. Er hat die Eigentümlichkeit, daß, wenn die Zu- bzw. Abgänge oder Anschlüsse in geeigneter Weise von 1 bis N nummeriert sind, ein an den Anschluß 1 angelegtes elektrisches Eingangssignal am Anschluß 2 mit einer nur minimalen Abschwächung wieder herauskommt, während die aus den übrigen Anschlüssen jeweils herauskommende Leistung vernachlässigbar klein ist. In gleicher Weise kommt ein an den Anschluß 2 angelegtes Signal aus dem Anschluß 3 wieder heraus usw.

Zirkulatoren sind vor einigen Jahren für den Mikrowellen-Frequenzbereich entwickelt worden, und zwar in Form von Differential-Phasenschieberzirkulatoren und Faraday-Rotationszirkulatoren. Beide Arten machen Gebrauch von einem Ferritelement als nicht-reziprokes Störglied. Infolgedessen ist die brauchbare Bandbreite beschränkt und die Abmessungen des Zirkulators relativ groß.

In neuerer Zeit wurden beträchtliche Fortschritte hinsichtlich der sogenannten Verzweigungszirkulatoren gemacht. Bei dieser Klasse von Zirkulatoren wird an dem Knotenpunkt von drei oder mehr Übertragungsleitungen von Ferritelementen Gebrauch gemacht. Diese Vorkehrung hat die Größe von Zirkulatoren beträchtlich vermindert, teilweise deswegen, weil die Ferrit-Wechselwirkung gegenüber einer Störgliedwirkung vorherrschend ist. Wenngleich für diese Art von Vorkehrung keine passende Theorie zur Verfügung steht, so wurden doch beträchtliche Erfolge hinsichtlich ihrer Ausbildung erreicht, in erster Linie durch die »Maßstabmethode«. Bei dieser Methode wird die Größe oder Abmessung des Ferritelements durch eine Konstante in Beziehung gesetzt zu der Wellenlänge der gewünschten Frequenz.

Bei dieser Klasse von Vorrichtungen werden die Ferritabmessungen so gewählt, daß nicht nur die erwünschte Nicht-Reziprozität erzielt, sondern auch die gewünschte Anpassungskapazität und -Induktanz gebildet und die gewünschte Bandbreite hervorgebracht wird. Die Maßstabmethode war zufriedenstellend für den Mikrowellen-Frequenzbereich; wird sie für den Bereich der Ultrahochfrequenzen (UHF) und niedrigerer Frequenzen benutzt, so ergibt sich im allgemeinen eine große, schwere und teure Einheit.

Zirkulator

Anmelder:

Fa. MELABS, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Werdermann, Patentanwalt,

2000 Hamburg, Innocentiastr. 30

Als Erfinder benannt:

Roy W. Roberts jun., Sunnyvale, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 29. November 1963
(326 850)

Es ist bereits eine nicht-reziproke elektrische Kopplungsvorrichtung mit zwei senkrecht zueinander gekreuzten Wicklungen bekannt, welche mit dem Ferritmaterial gekoppelt sind und bei der ein Blindwiderstand mit Wicklungen verbunden ist. Diese wird bei ferromagnetischer Resonanz betrieben. Es handelt sich um eine Cyclotron-Resonanz der Elektronenwirbel in dem Ferrit, und es gibt daher· keine Kreisresonanzbedingungen (mit Resonanz von L und C). Die Vorrichtung erfordert, daß Energie in dem Ferrit verbraucht wird. Sie hat nur einen Zu- und einen Abgang, ist also kein Zirkulator, und wirkt gewissermaßen als schaltbares Isolator- oder Sperrglied.

Ferner ist bereits ein abstimmbarer Zirkulator bekannt, der Ferritscheiben aufweist, welche Hohlraumresonatoren mit einer der Wellenlänge proportionalen Größe bilden. Hier erfolgt eine Speicherung von magnetischer und elektrischer Energie innerhalb des Ferritmaterials. Die elektrische Energie wird zwischen dem Hauptleiter und dem Erdleiter der Anordnung gespeichert. Die Resonanzfrequenz des Hohlraums wird durch die Abmessungen der Ferritscheiben bestimmt; von ihr ist die Arbeitsfrequenz des Zirkulators abhängig. Derartige Zirkulatoren erfordern verhältnismäßig große Abmessungen, besonders mit Rücksicht auf den Bereich vergleichsweise niedriger Frequenzen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zirkulator für mindestens drei miteinander einen Knotenpunkt

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bildenden Übertragungsleitungen, bei dem an dem Knotenpunkt Ferritmaterial angeordnet ist, an welches ein Magnetfeld angelegt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es hauptsächlich, einen Zirkulator zur Verwendung im Ultrahochfrequenzbereich des elektrischen Frequenzspektrums zu schaffen. Ein solcher Zirkulator soll einfach und gedrängt gebaut sein. Er soll ferner Gebrauch machen von einer Ferrit-Wechselwirkung bei einem Strom-

Die Mittelleiter 31, 32 und 33 jeder der Koaxialleitungen sind jeweils verbunden mit einem Kondensator 36,37 bzw. 38. Jeder dieser Kondensatoren ist mit seiner anderen Klemme an das eine Ende einer Wicklung 41, 42 bzw. 43 angeschlossen. Die Wicklungen sind zyklisch miteinander gekoppelt oder verbunden. Das jeweils andere Ende der Wicklungen kann an ein anderes so angeschlossen sein, daß ein »Y« (Stern) gebildet wird. Für den Fachmann ist

kreis mit mehreren Windungen. Bei einem solchen io ohne weiteres ersichtlich, daß die zyklisch verbunde-Zirkulator sollen ferner die Funktion der Nicht- nen Wicklungen auch in Deltaform (Dreieck) geReziprozität und die Stromkreisabstimmung getrennt schaltet sein können. Die Wicklungen 41, 42 und 43 sein. Der Zirkulator soll breitbandig und nicht auf- haben die Form je mehrerer auf eine Ferritplatte 46 wendig, d. h. möglichst wirtschaftlich sein. gewickelter Windungen; die Ferritplatte 46 bildet

Bei einem Zirkulator der angeführten Ausbildung 15 das nicht-reziproke Element.

sind erfindungsgemäß mit den Übertragungsleitungen Die Reihenkombination von Kondensatoren und

zyklisch gekoppelte Wicklungen verbunden und an dem Knotenpunkt, mit dem Ferritmaterial gekoppelt, angeordnet, so daß das Ferritmaterial zur Speicherung magnetischer Energie dient, und weiterhin ein Kondensator mit jeder dieser Übertragungsleitungen und den Wicklungen elektrisch verbunden, der zur Speicherung elektrischer Energie dient.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

F i g. 1 ist eine Grundrißdarstellung. Der Oberteil ist teilweise aufgebrochen dargestellt, um das Innere freizulegen;

F i g. 2 ist, gleichfalls teilweise aufgebrochen, eine

Seitenansicht des Zirkulators von Fig. 1, um den 30 sein, ein magnetisches Material für die Deckplatten inneren Aufbau zu zeigen; anzuwenden, um den magnetischen Feldern des

F i g. 3 ist eine Schnittansicht längs der Linien 3-3 von F i g. 2;

F i g. 4 ist eine perspektivische Darstellung, welche

die Anordnung mit mehreren Windungen des 35 60 aus magnetischem Material vorgesehen werden, Stromkreises für die Ferrit-Wechselwirkung zeigt; um den Abstand zwischen den Grundplatten zu

F i g. 5 zeigt den äquivalenten elektrischen Stromkreis (Ersatzschema) für eine Verbindung oder Schaltung der Pauschal-Schaltungselemente;

F i g. 6 zeigt ein Ersatzschema für eine andere 40 gehörigen Koaxialleitungen aufweist und eine mit Schaltungsverbindung der Pauschal-Schaltungs- Schrauben 59 befestigte, abnehmbare Deckplatte 58

besitzt.

In Fig. 5 ist schematisch ein elektrisches Ersatzschaltbild für den vorstehend beschriebenen Zirkulator dargestellt. Die elektrische Spannungsquelle 61 und die Widerstände 62 entsprechen dem Signal an jeder der Ubertragungsleitungen. Der Pfeil 63 zeigt die nicht-reziproke Charakteristik des Ferritmaterials, während die Kondensatoren und Induktivitäten den

Pauschal-Schaltungs- 50 vorstehend beschriebenen entsprechen und mit den

gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Wicklungen 36, 41; 3.7, 42 und 38, 43 bildet ein Abstimmittel, so daß der Zirkulator an die dazugehörige Übertragungsleitung angepaßt werden kann.

Die Grundplatten 12 und 13 können je eine Ausnehmung oder Vertiefung 47 bzw. 48 aufweisen, die zur Aufnahme von Dauermagneten 49 bzw. 51 dienen. Darüber sind Dreieckplatten 52 und 53 angeordnet; sie dienen zum Halten des dauermagnetisehen Materials 49 und 51 in der richtigen Lage in bezug auf die Ferritplatte, so daß ein Feld durch das Ferritmaterial hindurch in solcher Richtung erzeugt wird, daß die erwünschte Nicht-Reziprozität zustande kommt. In gewissen Fällen kann es erwünscht

Dauermagneten einen Weg niedrigeren magnetischen Widerstands zu bieten. Zur weiteren Herabsetzung des magnetischen Widerstands können Seitenplatten

überbrücken.

Die Gesamtanordnung kann in ein Gehäuse 56 gesetzt werden, das Öffnungen zur Aufnahme der zu-

elemente;

F i g. 7 zeigt ein Ersatzschema für eine doppelt abgestimmte Schaltungsverbindung von Pauschal-Schaltungselementen;

F i g. 8 zeigt ein Ersatzschema für eine andere doppelt abgestimmte Schaltungsverbindung von Pauschal-Schaltungselementen, und

F i g. 9 zeigt das Ersatzschema für eine Deltaoder Dreieckschaltung der
elemente.

Allgemein ist ein Zirkulator vorgesehen, der er- Wie ersichtlich, ist die Funktion des Abstimmens

findungsgemäß einen Knotenpunkt von mindestens getrennt von der nicht-reziproken Charakteristik des

drei Übertragungsleitungen mit zyklisch abwechselnd Ferrits. Die Wicklungen sind zyklisch miteinander

gekoppelten Wicklungen enthält. Mit den zyklisch 55 und mit dem Ferrit gekpppelt.

abwechselnd gekoppelten Wicklungen zusammen- Die Kondensatoren können auch parallel zu den

wirkend ist ein Ferritmaterial angeordnet. Zwischen Eingangsklemmen statt in Reihe mit diesen liegen,

jeder der Übertragungsleitungen und den Wicklun- Dies ist in Fig. 6 schematisch veranschaulicht, wo

gen ist eine pauschale Kapazität eingeschaltet. Die die gleichen Bezugszeichen auf dieselben Teile hin-

Wicklungen, Kondensatoren und das Ferrit bewirken 60 weisen.

eine Trennung der Funktionen von Nicht-Reziprozi- In Fig. 7 ist ein Eingangskreis gezeigt, der für tat und Stromkreisabstimmung. einen Arbeitsbereich in einem breiteren Frequenz-Gemäß F i g. 1 bis 3 enthält der Zirkulator in band sorgt. Diese Schaltung enthält außerdem zueinem Abstand voneinander Grundebenen bzw. sätzlich zu den vorher beschriebenen Bauelementen Grundplatten (oder geerdete Platten) 12 und 13. An 65 einen abgestimmten Kreis mit einem Kondensator 66 den in einem Abstand befindlichen Grundplatten und einer Induktivität 67 in jedem Verzweigungssind Halteplatten 14,16 und 17 für die Koaxial- arm des Zirkulators. Bei dem abgestimmten Kreis leitungen 18,19 und 21 durch Schrauben befestigt. ist jeweils die eine Klemme geerdet und die Induk-

tivität 67 mittels einer Anzapfung mit der vorher beschriebenen Kapazität und Induktivität verbunden. Die Anordnung nach F i g. 7 stellt das dar, was man in der Fachsprache als »Doppelabstimmung« kennt.

Eine Doppelabstimmung kann in Verbindung mit einem Parallelkreis durch Einführen eines abgestimmten Reihenkreises vorgesehen werden. Dies ist schematisch in F i g. 8 durch die Reihenschaltung aus Kapazität 68 und Drossel 69 gezeigt.

Fig. 9 zeigt die Delta- oder Dreieckverbindung für zyklisch gekoppelte Wicklungen 41 a, 42 α und 43 a. Die Kondensatoren 36,37 und 38 sind als in Reihe mit den zugehörigen Leitungen geschaltet dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die Kondensatoren auch in Parallelschaltung angeordnet sein können. Ferner kann eine Doppelabstimmung, wie vorher beschrieben, vorgesehen werden.

Durch die Erfindung wird somit ein Zirkulator geschaffen, der einfach und billig, d. h. wirtschaftlich, ist. Die Funktion von Abstimmung und Reziprozität ao sind voneinander getrennt, so daß sie unabhängig kontrollierbar und beeinflußbar sind. Infolgedessen läßt sich ein solcher Zirkulator auf einfache Weise anpassen, da hierzu nur konzentrierte Schaltungselemente verstellt zu werden brauchen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Zirkulator für mindestens drei miteinander einen Knotenpunkt bildenden Übertragungsleitungen, bei dem an dem Knotenpunkt Ferrit- material angeordnet ist, an welches ein Magnetfeld angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Übertragungsleitungen zyklisch gekoppelte Wicklungen verbunden und an dem Knotenpunkt, mit dem Ferritmaterial gekoppelt, angeordnet sind, so daß das Ferritmaterial zur Speicherung negativer Energie dient, und daß ein Kondensator elektrisch mit jeder dieser Übertragungsleitungen und den Wicklungen verbunden ist, der zur Speicherung elektrischer Energie dient.

2. Zirkulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kondensator ein abgestimmter Kreis elektrisch verbunden ist.

3. Zirkulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen in Form eines Y verbunden sind (Sternschaltung).

4. Zirkulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen in Form eines Delta verbunden sind (Dreieckschaltung).

5. Zirkulator nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen solche sind, bei denen ein in Abstand von einem Grund- oder Erdleiter bzw. einer Grund- oder Erdebene befindlicher Leiter vorhanden und mit den Wicklungen verbunden ist.

6. Zirkulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsleitungen Koaxialleitungen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1041549;
USA.-Patentschrift Nr. 3 085 212.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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