DE1274692B

DE1274692B - Gyromagnetic microwave switch

Info

Publication number: DE1274692B
Application number: DEW39900A
Authority: DE
Inventors: William J Parris
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1964-09-14
Filing date: 1965-09-13
Publication date: 1968-08-08
Also published as: BE669315A; GB1116953A; US3333214A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.: Int. Cl .:

HOIhHOIh

Deutsche Kl.: 21 a4-72/01 German class: 21 a4- 72/01

Nummer: 1274 692Number: 1274 692

Aktenzeichen: P 12 74 692.8-35 (W 39900)File number: P 12 74 692.8-35 (W 39900)

Anmeldetag: 13. September 1965Filing date: September 13, 1965

Auslegetag: 8. August 1968Opening day: August 8, 1968

Die Erfindung betrifft einen gyromagnetischen Mikrowellenschalter, der aus einem Wellenleiterabschnitt mit zwei parallelen leitenden Hauptseitenwänden von solchen Querabmessungen besteht, daß sich zwischen ihnen eine elektromagnetische Welle bestimmter Frequenz fortpflanzen kann, wobei zwischen den leitenden Wänden mindestens ein gyromagnetisches Element angeordnet ist, dessen remanente Magnetisierung gleiche Größenordnung wie die Sättigungsmagnetisierung hat. Der so aufgebaute gyromagnetische Schalter soll reziprok sein, d. h., seine Wirkung ist unabhängig von der Fortpflanzungsrichtung der elektromagnetischen Wellen.The invention relates to a gyromagnetic microwave switch which consists of a waveguide section with two parallel main conductive side walls of such transverse dimensions that An electromagnetic wave of a certain frequency can propagate between them, with between the conductive walls at least one gyromagnetic element is arranged, the remanent Magnetization has the same order of magnitude as the saturation magnetization. The one built in this way gyromagnetic switches should be reciprocal, i.e. that is, its effect is independent of the direction of propagation of electromagnetic waves.

Die Verwendung gyromagnetischer Werkstoffe zur Erzielung reziproker und nichtreziproker Wirkungen in Mikrowellenleitungen ist bekannt und hat schon zahlreiche Ausgestaltungen erfahren. Die Theorie des gyromagnetischen Verhaltens ist ausreichend erforscht, um die Bedingungen angeben zu können, bei denen derartige Vorrichtungen reziprok oder nichtreziprok sind, und um zu bestimmen, ob die Vorrichtung als Phasenschieber oder als Dämpfungsglied arbeitet (siehe z. B. Bell System Technical Journal, Bd. 34, Januar 1955, S. 5 bis 103 und Bd. 44, Nr. 10, Oktober 1956 der Zeitschrift Proc. I. R. E.).The use of gyromagnetic materials to achieve reciprocal and non-reciprocal effects in microwave lines is known and has already seen numerous designs. The theory of the gyromagnetic behavior has been sufficiently researched to be able to specify the conditions at which such devices are reciprocal or non-reciprocal, and to determine whether the device works as a phase shifter or as an attenuator (see e.g. Bell System Technical Journal, Vol. 34, January 1955, pp. 5 to 103 and Vol. 44, No. 10, October 1956 of the journal Proc. I. R. E.).

Wenn ein gyromagnetiscb.es Element in ein magnetisches Gleichfeld solcher Stärke gebracht wird, daß die Bedingung der Gyroresonanz mit einer fortschreitenden Mikrowelle erfüllt ist, so absorbiert das gyromagnetische Element bekanntlich die Mikrowellenenergie. Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art ist das gyromagnetische Element stets so stark vormagnetisiert, daß es sich im Sättigungszustand oder jenseits desselben befindet, so daß es eine kräftige Dämpfung hervorruft. Solche Anordnungen wirken also als Sperrglieder und sind nichtreziprok, d. h., sie gestatten eine Energieübertragung in einer Richtung, während die Energie einer in entgegengesetzter Richtung fortschreitenden Welle absorbiert wird.When a gyromagnetic element is transformed into a magnetic DC field of such strength is brought that the condition of the gyroresonance with a progressive Microwave is fulfilled, the gyromagnetic element is known to absorb the microwave energy. In known devices of this type, the gyromagnetic element is always so strong biased that it is saturated or beyond the same, so that it is a powerful Causes damping. Such arrangements thus act as blocking elements and are not reciprocal, d. That is, they allow energy to be transferred in one direction, while energy in the opposite direction Direction of the advancing wave is absorbed.

So beschreibt die USA.-Patentschrift 2798 205 eine gyromagnetische Mikrowellenanordnung, bei welcher die Mikrowellenpermeabilität eines Ferrits durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes an einen Hohlleiter parallel zu den elektrischen Vektoren verändert wird. Hierdurch läßt sich der Ferrit selektiv für Mikrowellenenergie einer bestimmten Frequenz durchlässig oder reflektierend machen. Der Ferrit wird hierbei über seine Sättigung hinaus vormagnetisiert und befindet sich dann jenseits der Gyroresonanzbedingung. Hierdurch unterscheidet sich die beschriebene Anordnung von anderen bekannten Vor-Gyromagnetischer MikrowellenschalterFor example, US Pat. No. 2,798,205 describes a gyromagnetic microwave arrangement at which the microwave permeability of a ferrite by applying an external magnetic field to a Waveguide is changed parallel to the electrical vectors. This allows the ferrite to be selective make it transparent or reflective for microwave energy of a certain frequency. The ferrite is in this case premagnetized beyond its saturation and is then beyond the gyroresonance condition. This differs from the described arrangement from other known pre-gyromagnetic devices Microwave switch

Anmelder:Applicant:

Westinghouse Electric Corporation,Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,Dipl.-Ing. G. Weinhausen, patent attorney,

8000 München, Widenmayerstr. 468000 Munich, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

William J. Parris,William J. Parris,

Glen Burnie, Md. (V. St. A.)Glen Burnie, Md. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. September 1964
(396120)Claimed priority:
V. St. v. America September 14, 1964
(396120)

richtungen, bei denen eine veränderbare Dämpfung durch Absorption im Ferrit erzeugt wird, wenn der Ferrit so vormagnetisiert wird, daß er sich in der Umgebung der Gyroresonanz befindet. Die Verwendung von Ferriten mit rechteckiger Magnetisierungsschleife ist jedoch in der genannten Vorveröffentlichung nicht vorgesehen, weshalb keine ausreichende remanente Magnetisierung auftritt. Das äußere Magnetfeld muß also dauernd aufrechterhalten werden und benötigt zu seiner Abschaltung und Einschaltung merkliche Zeiten, weil die Magnetspulen hohe Induktivität aufweisen und weil das Magnetfeld die Wände des Hohlleiters durchsetzt und in ihnen starke Wirbelströme hervorruft.directions in which a variable attenuation is generated by absorption in the ferrite when the Ferrite is premagnetized so that it is in the vicinity of the gyroresonance. The usage of ferrites with a rectangular magnetization loop, however, is in the aforementioned prior publication not provided, which is why there is insufficient remanent magnetization. The external magnetic field must therefore be maintained continuously and required to switch it off and on noticeable times because the solenoids have high inductance and because the magnetic field hits the walls the waveguide penetrates and causes strong eddy currents in them.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten gyromagnetischen Mikrowellenschalter derart zu verbessern, daß eine reziproke Wirkung eintritt, d. h. der Energiedurchgang in beiden Richtungen gesperrt wird, ohne daß dem Schalter dauernd äußere Energie zugeführt werden muß, sowie daß eine raschere Umschaltung ermöglicht wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch ereicht, daß die Mitte des im Wellenleiter befindlichen gyromagnetischen Elements von zwei elektrischen Leitern unter einem Winkel zueinander durchsetzt wird und daß die Leiter mit Impulsquellen zur selektiven Erzeugung remanenterThe object of the invention is to improve the known gyromagnetic microwave switches in such a way that that a reciprocal effect occurs, d. H. the passage of energy is blocked in both directions without the need to continuously supply external energy to the switch, as well as a faster one Switching is enabled. This is achieved according to the invention in that the center of the waveguide located gyromagnetic element of two electrical conductors at an angle to each other is interspersed and that the conductor with pulse sources for selective generation of remanent

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Magnetisierungszustände in dem gyromagnetischen Element verbunden sind.Magnetization states are connected in the gyromagnetic element.

Es genügt also jeweils ein kurzer Stromstoß, um die Sperrung durchzuführen bzw. aufzuheben.A short current surge is sufficient to carry out or cancel the blocking.

Im Gegensatz zu den besprochenen Vorveröffentlichungen wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Mikrowellenenergie nicht absorbiert, sondern reflektiert, d. h., es wird die Bedingung eines Leerlaufs oder Kurzschlusses hergestellt. Das gyromagnetische Element ist hierbei zwar gesättigt, be- ίο findet sich aber nicht in Gyroresonanz. Dies stellt ein gänzlich unerwartetes Verhalten dar, dessen Ursache noch nicht völlig klar ist.In contrast to the discussed prior publications, in the device according to the invention the microwave energy does not absorb but reflects, d. i.e., it becomes the condition of one Open circuit or short circuit established. The gyromagnetic element is saturated in this case, however but is not found in gyroresonance. This is a completely unexpected behavior and its cause is not yet completely clear.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Abweichungen von dem Stand der Technik wird nachstehend kurz die Theorie des Gyromagnetismus geschildert. Den Gyromagnetismus zeigt eine StofE-klasse, zu der insbesondere die Ferrite gehören und die unpaarige Elektronenspins besitzt. Diese parallelen Elektronenspins in bestimmten Bezirken des Materials können durch ein äußeres magnetisches Gleichfeld ausgerichtet werden und zeigen eine deutliche Präzessionsbewegung, wenn sie gleichzeitig senkrecht zur Vormagnetisierung gerichteten magnetischen Kräften unterworfen werden. Diese magnetischen Kräfte sind bei Mikrowellen gewöhnlich die magnetischen Feldvektoren der fortschreitenden elektromagnetischen Wellen. Auf diese Weise trifft eine Wechselwirkung zwischen gewissen Elektronen des gyromagnetischen Materials und der elektromagnetischen Welle ein. Die unpaarigen Elektronenspins stellen magnetische Dipole dar. Da die Elektronen Masse und eine elektrische Ladung haben und ständig um ihre Achse kreiseln, können sie als kleine Kreisel angesehen werden, und die globale Wirkung der unpaarigen Elektronenspins eines Ferrits kann für die Zwecke der Theorie wie ein einziger Kreisel angesehen werden.For a better understanding of the invention and its deviations from the prior art The theory of gyromagnetism is briefly described below. The gyromagnetism shows a substance class, to which in particular the ferrites belong and which has unpaired electron spins. These parallel Electron spins in certain areas of the material can be caused by an external magnetic DC field are aligned and show a distinct precession movement when they are simultaneous perpendicular to the bias magnetic forces are subjected. These magnetic In the case of microwaves, forces are usually the magnetic field vectors of the progressive ones electromagnetic waves. In this way an interaction occurs between certain electrons of the gyromagnetic material and the electromagnetic wave. The unpaired electron spins represent magnetic dipoles. Because the electrons have mass and an electrical charge and constantly spinning around their axis, they can be viewed as small gyroscopes, and global ones Effect of the unpaired electron spins of a ferrite can for the purposes of theory as a single one Gyroscopes are viewed.

Ferrite haben neben den gyromagnetischen Eigenschaften, die alle Ferromagnete zeigen, einen hohen elektrischen Widerstand und mäßig hohe Dielektrizitätskonstante. Da sie zahlreiche unpaarige Elektronenspins aufweisen, sind die gyromagnetischen Eigenschaften sehr ausgeprägt, und die gyromagnetische Wechselwirkung mit elektromagnetischen WeI-len bewirkt, daß die scheinbare Permeabilität für die elektromagnetische Energie durch Änderung des inneren Magnetflusses leicht beeinflußt werden kann. Ferrite und gyromagnetische Elemente werden nachstehend als gleichbedeutend angesehen.In addition to the gyromagnetic properties that all ferromagnets exhibit, ferrites have a high level of properties electrical resistance and moderately high dielectric constant. Because they have numerous unpaired electron spins have, the gyromagnetic properties are very pronounced, and the gyromagnetic Interaction with electromagnetic waves causes the apparent permeability for the electromagnetic energy can be easily influenced by changing the internal magnetic flux. Ferrites and gyromagnetic elements are considered synonymous below.

Wegen der erwähnten Eigenschaften der Ferrite kann Mikrowellenenergie in sie eindringen und sie weitgehend durchsetzen, ohne allzusehr gedämpft oder in der Phase gedreht zu werden, solange der betreffende Ferrit nicht in passender Weise vormagnetisiert ist. Dagegen lassen sich wegen der starken Wechselwirkung zwischen der elektrischen Welle und den kreiselnden Elektronen die scheinbare Permeabilität, die Dämpfung und erfindungsgemäß auch der Blindwiderstand von Ferriten elektronisch sehr schnell ändern, wenn der innere Magnetfluß geändert wird.Because of the mentioned properties of ferrites, microwave energy can penetrate into them and they largely enforce without being overly dampened or turned in phase, as long as the the ferrite in question is not suitably premagnetized. On the other hand, because of the strong Interaction between the electric wave and the spinning electrons the apparent permeability, the attenuation and, according to the invention, also the reactance of ferrites electronically very much change quickly when the internal magnetic flux is changed.

Wird ein vormagnetisierter Ferrit in eine Übertragungsleitung eingebaut, so daß er auch unter dem Einfluß des linear oder zirkulär polarisierten elektromagnetischen Feldes einer fortschreitenden Welle steht, so hängt die Präzessionsbewegung der Dipole davon ab, wie sie zum elektromagnetischen Feld ausgerichtet sind. Ist die Winkelgeschwindigkeit der Präzession der Dipole um die magnetischen Kraftlinien des Vormagnetisierungsfeldes gleich und gleichgerichtet wie der rotierende magnetische Feldanteil der fortschreitenden Welle, so tritt Gyroresonanz ein. Da die Präzessionsbewegung in gyromagnetischen Stoffen stark gedämpft ist, sucht der Vektor des magnetischen Moments in einer Spirale allmählich in die magnetische Feldrichtung einzulaufen. Da das Elektron stets um das Gleichfeld in einer Richtung präzediert, die durch die feste Spinrichtung gegeben ist, wird die eine dieser Richtungen positiv zirkuläre Komponente und die andere negativ zirkuläre Komponente genannt. Auch linear polarisierte Wechselfelder können bekanntlich in zwei in entgegengesetzter Richtung umlaufende zirkulär polarisierte Komponente aufgespalten werden, so daß an jeder Stelle des Wellenleiters, wo sich auch das Ferritelement befindet, eine zirkuläre Feldkomponente vorhanden ist. Bei einer infinitesimalen Drehung dieser Vektoren um das Gleichfeld wird durch die positiv zirkuläre Komponente des Magnetfeldes elektrische Arbeit am Elektron geleistet. Infolgedessen findet ein Energieübergang von dem positiv zirkulären Wechselfeld auf das Elektron statt. Der Momentenvektor für Elektronen fächert infolgedessen auf, d. h., er bildet immer größere Winkel mit der Richtung des magnetischen Gleichfeldes. Eine zirkulär polarisierte Komponente kann also die Präzessionsbewegung des Elektrons mit konstanter Amplitude aufrechterhalten, obwohl diese Bewegung stark gedämpft ist. Die dem Elektron durch das rotierende Magnetfeld zugeführte Energie ersetzt gerade die durch die Dämpfung verbrauchte Energie. Dies ist die Gyroresonanzbedingung, bei welcher das gyromagnetische Material Mikrowellenenergie absorbiert.If a pre-magnetized ferrite is built into a transmission line so that it is also under the Influence of the linear or circularly polarized electromagnetic field of a traveling wave the precession motion of the dipoles depends on how they are aligned with the electromagnetic field are. Is the angular velocity of the precession of the dipoles around the magnetic lines of force of the bias field is the same and in the same direction as the rotating magnetic field component of the advancing wave, gyroresonance occurs. Since the precession motion in gyromagnetic Material is strongly damped, the vector of the magnetic moment looks in a spiral gradually moving into the direction of the magnetic field. Since the electron is always around the constant field in precesses in a direction given by the fixed spin direction, becomes one of these directions called positive circular component and the other negative circular component. Also linearly polarized As is known, alternating fields can be circularly polarized in two rotating in opposite directions Component are split so that at each point of the waveguide where the ferrite element is there is a circular field component. For an infinitesimal rotation These vectors around the constant field become electrical through the positive circular component of the magnetic field Work done on the electron. As a result there is an energy transition from the positively circular Alternating field on the electron instead. The moment vector for electrons fans out as a result on, d. that is, it forms ever larger angles with the direction of the constant magnetic field. One circular polarized component can therefore be the precession motion of the electron with constant amplitude sustained, although this movement is heavily dampened. The electron through the rotating The energy supplied by the magnetic field just replaces the energy consumed by the damping. This is the gyroresonance condition at which the gyromagnetic material absorbs microwave energy.

Die negativ zirkuläre Komponente des Wechselfeldes kann offenbar keinen Energieübergang auf das Elektron bewirken, da das Drehmoment zweimal bei jedem Umlauf seine Richtung umkehrt. Für denjenigen Teil des vormagnetisierten gyromagnetischen Elements, der von der Mittellinie zu einer Seite des Wellenleiters abliegt, überwiegt offenbar die positiv zirkuläre Komponente, während auf der anderen Seite der Mittellinie die negativ zirkuläre Komponente vorherrscht. Für den der Mittellinie benachbarten Teil des gyromagnetischen Elements sind dagegen die positiv und negativ zirkulär polarisierte Komponente nahezu gleich, weshalb die Anordnung hier reziproke Eigenschaften aufweist.The negative circular component of the alternating field obviously cannot transfer energy to the Electron cause the torque to reverse its direction twice with each revolution. For the one Part of the biased gyromagnetic element that runs from the center line to one side of the Waveguide is located, apparently the positive circular component predominates, while on the other hand the center line is dominated by the negative circular component. For the one adjacent to the center line In contrast, the positively and negatively circularly polarized components are part of the gyromagnetic element almost the same, which is why the arrangement here has reciprocal properties.

Diese bekannten Tatsachen reichen aber nicht aus, um zu erklären, daß erfindungsgemäß ein in einem Hohlleiter befindliches gyromagnetisches Element auf ankommende Wellen wie eine glatte Wand wirkt, wenn die Vormagnetisierung zur Sättigung ausreicht, jedoch noch unterhalb der gyromagnetischen Resonanzbedingungen liegt. Da der Effekt frequenzabhängig ist, d. h. der Übergang von der Durchlässigkeit zur Undurchlässigkeit in einem schmalen Frequenzband von den Abmessungen des gyromagnetischen Elements abhängt, zeigt er das Verhalten einer Resonanz, die jedoch nicht mit der bekannten gyromagnetischen Resonanzbedingung, die mit Absorption verbunden ist, verwechselt werden darf.However, these known facts are not sufficient to explain that, according to the invention, one in one Waveguide located gyromagnetic element acts like a smooth wall on incoming waves, if the bias is sufficient for saturation, but still below the gyromagnetic resonance conditions lies. Since the effect is frequency dependent, i. H. the transition from permeability for impermeability in a narrow frequency band of the dimensions of the gyromagnetic Depending on the element, it shows the behavior of a resonance which, however, does not match the known gyromagnetic resonance condition associated with absorption allowed.

Vorzugsweise wird zur Umschaltung des Ferritelements vom reflektierenden auf den durchlässigen Zustand die Magnetisierungsebene des Ferrits ge-Preferably, to switch the ferrite element from reflective to transmissive State the magnetization plane of the ferrite

dreht. Für diese Drehung genügt bei Verwendung eines Ferrits mit rechteckiger Magnetisierungsschleife jeweils ein kurzer Stromstoß, da die remanente Magnetisierung nahezu mit der Sättigung übereinstimmt.turns. This rotation is sufficient when using a ferrite with a rectangular magnetization loop a short current surge in each case, since the remanent magnetization almost corresponds to saturation.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sindTwo exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. Are in it

F i g. 1 und 2 isometrische Darstellungen zweier verschiedener Ausführungsbeispiele.F i g. 1 and 2 isometric representations of two different exemplary embodiments.

Das in F i g. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel weist einen Hohlleiterabschnitt 10 mit rechteckigem Querschnitt auf, worin sich ein Ferritelement 11 befindet, das zwischen den oberen und unteren Breitseiten des Hohlleiters befestigt, z. B. eingeklebt ist. Die Abmessungen der Breitseiten 12 und 13 sind Vorzugsweise gleich einer halben Wellenlänge der elektromagnetischen Welle, für welche die Anordnung bestimmt ist. Hierbei ist zu beachten, daß bekanntlich wegen der starken dielektrischen Vorbelastung durch den Ferrit die Wellenlänge gegenüber dem freien ao Raum erheblich verkürzt ist. Die Schmalseiten 14 und 16 des Hohlleiters haben vorzugsweise etwa die halbe Breite der Breitseiten, um in bekannter Weise eine maximale Kapazität zu erzielen. In einem solchen Hohlleiter pflanzt sich bekanntlich Mikrowellenenergie im überwiegenden TE₁₀-Modus fort, worin die Ebene des magnetischen Feldes der fortschreitenden Welle parallel zu den Breitseiten ist. Die Erfindung ist auch auf andere Wellenleiter vom H-Typ anwendbar.The in Fig. 1 has a waveguide section 10 with a rectangular cross-section, wherein there is a ferrite element 11 which is attached between the upper and lower broad sides of the waveguide, for. B. is glued. The dimensions of the broad sides 12 and 13 are preferably equal to half a wavelength of the electromagnetic wave for which the arrangement is intended. It should be noted here that, as is well known, because of the strong dielectric pre-load caused by the ferrite, the wavelength is considerably shortened compared to the free space. The narrow sides 14 and 16 of the waveguide preferably have approximately half the width of the broad sides in order to achieve maximum capacitance in a known manner. In such a waveguide, as is known, microwave energy propagates in predominantly TE ₁₀ mode, in which the plane of the magnetic field of the advancing wave is parallel to the broad sides. The invention is also applicable to other H-type waveguides.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel füllt das Ferritelement 11 nicht die ganze Höhe des Hohlleiters aus, sondern befindet sich zwischen zwei Metallplatten 12 a und 13 a, die an der oberen bzw. unteren Breitseite befestigt sind. Gegebenenfalls kann auch die Höhe der Schmalseiten 14 und 16 verringert werden, falls der Hohlleiter nicht mit der maximalen Kapazität betrieben werden muß, so daß dann das Element 11 unmittelbar an den Wänden befestigt werden kann.In the illustrated embodiment, the ferrite element 11 does not fill the entire height of the waveguide off, but is located between two metal plates 12 a and 13 a, which are attached to the upper or are attached to the lower broadside. If necessary, the height of the narrow sides 14 and 16 can also be reduced if the waveguide does not have to be operated with the maximum capacity, so that the Element 11 can be attached directly to the walls.

Um einen inneren Magnetfluß in geschlossenen Bahnen im Ferritelement 11 zu erzeugen, ist ein Leitungsdraht 18 durch eine senkrecht zur Fortschreitungsrichtung der Welle verlaufende zentrale Öffnung des Ferritelements mittels einer isolierenden Buchse 19 hindurchgeführt. Über Anschlußdrähte 21 und 20, die auf irgendeine Weise (z. B. mittels Durchführungen 22) isoliert durch die Schmalseiten herausgeführt sind, ist der Leiter 18 an eine Steuersignalquelle angeschlossen, die symbolisch durch eine Batterie 23, einen Schalter 24 und einen Umschalter 26 dargestellt ist. Der Umschalter 26 besitzt einen Kurzschlußbügel 27, so daß in der linken Stellung des Schalters der Stromkreis über die Leiter 18, 20 und 21 geschlossen ist, solange der Schalter 24 geschlossen bleibt.In order to generate an internal magnetic flux in closed paths in the ferrite element 11, is a Conductor 18 through a central one extending perpendicular to the direction of propagation of the wave Opening of the ferrite element passed through an insulating bushing 19. Via connecting wires 21 and 20, which in some way (for example by means of feed-throughs 22) are led out through the narrow sides in an isolated manner are, the conductor 18 is connected to a control signal source symbolically represented by a battery 23, a switch 24 and a changeover switch 26 is shown. The changeover switch 26 has a shorting clip 27, so that in the left position of the switch the circuit via the conductors 18, 20 and 21 is closed as long as the switch 24 remains closed.

Es wurde gefunden, daß ein Gleichstrom ausreichender Stärke durch den Leiter 18, der das Ferritelement 11 in geschlossenen Bahnen magnetisiert, für ein bestimmtes Frequenzband dem Ferritelement reflektierende Eigenschaften verleiht. Die Stromrichtung im Leiter 18 ist in dieser Hinsicht unwesentlich. Diese Eigenschaft wird nachstehend als Reflexionsresonanz bezeichnet, da sie von der Frequenz abhängig ist. Sie ist aber nicht identisch mit der bekannten Gyroresonanz.It has been found that a direct current of sufficient magnitude flows through the conductor 18, which is the ferrite element 11 magnetized in closed paths, the ferrite element for a certain frequency band gives reflective properties. The direction of current in conductor 18 is immaterial in this regard. This property is referred to below as reflection resonance, as it depends on the frequency is. However, it is not identical to the well-known gyroresonance.

Außer dem quer verlaufenden Leiter 18 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein längs verlaufender Leiter 31 vorgesehen, der also rechtwinklig zu dem Leiter 18 verläuft und von diesem isoliert ist. Er kann über Zuleitungen 32 und 33 und einen Schalter 34 von einem zweiten Steuerkreis, der symbolisch durch die Batterie 36 dargestellt ist, mit Strom versorgt werden. Es wurde gefunden, daß bei genügend starker Magnetisierung des Ferritelements 11 in geschlossenen Bahnen um den Leiter 31, und zwar unterhalb der Gyroresonanzbedingung, das Ferritelement 11 die Mikrowellenenergie im wesentlichen ohne Dämpfung oder Reflexion durchläßt. Werden die beiden Leiter 18 und 31 in Reihe geschaltet, so daß sie vom gleichen Strom durchflossen werden, dessen Stärke zu einer Magnetisierung ausreicht, so wird bei Stromfluß in einer Richtung das Ferritelement 11 in beiden Richtungen durchlässig, und bei Stromfluß in der anderen Richtung reflektiert das Element 11 die eintreffende Mikrowellenenergie.In addition to the transverse conductor 18, in the illustrated embodiment there is a longitudinal one Head 31 is provided, which thus runs at right angles to the conductor 18 and is insulated from it. He can via leads 32 and 33 and a switch 34 from a second control circuit, the symbolic shown by the battery 36 can be powered. It has been found that with sufficient strong magnetization of the ferrite element 11 in closed paths around the conductor 31, namely below the gyroresonance condition, the ferrite element 11 substantially absorbs the microwave energy lets through without attenuation or reflection. If the two conductors 18 and 31 are connected in series, so that they are traversed by the same current, the strength of which is sufficient to magnetize, so When current flows in one direction, the ferrite element 11 becomes permeable in both directions, and when current flows in the other direction, the element 11 reflects the incident microwave energy.

Der wirkliche Grund für die überraschende Reflexionswirkung bei Schaltvorgängen gemäß der Erfindung läßt sich auch aus der bekannten reziproken und nichtreziproken Phasendrehung bei der Fortpflanzung von Mikrowellenenergie nicht erklären. Auch die Dämpfung durch Absorption im Bereich der Gyroresonanz ist auf Grund bekannter Prinzipien erklärbar, hat aber mit der Erfindung nichts zu tun. Eine mögliche Erklärung des neuen Effekts beruht darauf, daß eine Magnetisierung in geschlossenen Bahnen in zur Fortpflanzungsrichtung senkrechten Ebenen zu nichtreziproken Eigenschaften führt, während eine Magnetisierung in geschlossenen Bahnen in zur Fortpflanzungsrichtung parallelen Ebenen reziproke Eigenschaften hervorruft. Die gleichzeitige Erregung in beiden Ebenen durch einen in einer bestimmten Richtung fließenden Strom führt nun zu einer resultierenden Magnetisierung in geschlossenen Linien unter einem Winkel von 45° gegen die Fortpflanzungsrichtung, während die Erregung durch einen in entgegengesetzter Richtung fließenden Strom die Magnetisierungsebene um 45° im entgegengesetzten Sinn dreht. Die Schräglage der Magnetisierungsebene in der einen Richtung macht das gyromagnetische Element undurchlässig und in der anderen Richtung macht sie es durchlässig. Der tiefere Grund hierfür ist unbekannt.The real reason for the surprising reflection effect in switching operations according to the invention can also be derived from the well-known reciprocal and non-reciprocal phase rotation during propagation of microwave energy does not explain. Also the attenuation through absorption in the area the gyroresonance can be explained on the basis of known principles, but has nothing to do with the invention to do. A possible explanation of the new effect is based on the fact that a magnetization in closed Trajectories in planes perpendicular to the direction of propagation to non-reciprocal properties leads, while a magnetization in closed orbits parallel to the direction of propagation Levels creates reciprocal properties. The simultaneous excitation in both planes by one Current flowing in a certain direction now leads to a resulting magnetization in closed Lines at an angle of 45 ° against the direction of propagation while the excitation a current flowing in the opposite direction increases the magnetization plane by 45 ° rotates in the opposite sense. The inclination of the magnetization plane in one direction makes the gyromagnetic element impermeable and in the other direction it makes it permeable. Of the deeper reason for this is unknown.

Zur Reihenschaltung der Leiter 18 und 31 dient bei der Ausführungsform nach F i g. 1 der zweipolige Umschalter 26, der außer den Kontakten im Stromkreis der Batterie 23 und des Leiters 18 weitere Kontakte 38 und 39 im Stromkreis der Leiter 32 und 33 hat. Wird der Schalter 26 nach rechts umgelegt, so liegt der Querleiter 18 in Reihe mit dem Längsleiter 31, und wird nun bei offenem Schalter 34 der Schalter 24 geschlossen, so werden die beiden Leiter 18 und 31 in Reihe von der Batterie 23 erregt. Um nun die Stromflußrichtung zwecks Umschaltung des Ferrits von Durchlässigkeit auf Sperrung und umgekehrt umzukehren, ist der zweipolige Umschalter 25 vorgesehen.The series connection of the conductors 18 and 31 is used in the embodiment according to FIG. 1 the bipolar Changeover switch 26, which apart from the contacts in the circuit of the battery 23 and the conductor 18 has further contacts 38 and 39 in the circuit of conductors 32 and 33 has. If the switch 26 is turned to the right, so the transverse conductor 18 is in series with the longitudinal conductor 31, and is now the switch when the switch 34 is open 24 closed, the two conductors 18 and 31 are energized in series by the battery 23. To now to reverse the direction of current flow in order to switch the ferrite from permeability to blocking and vice versa, the two-pole changeover switch 25 is provided.

Ein ausgeführtes Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikrowellenschalters enthielt einen Ferritwürfel von der Seitenlänge 10 mm. Es handelte sich um einen aluminiumsubstituierten Magnesium-Mangan-Ferrit. Wurde er in einem rechteckigen Hohlleiter eingebaut, der solche Abmessungen hatte, daß eine elektromagnetische Welle mit 5600 mHz im TE₁₀-Modus darin fortschreiten konnte, so ergab sich die beschriebene Resonanzreflexion, wenn das Ferritelement mit einem kurzen Impuls von 15 Ampere gesättigt wurde.A executed example of a microwave switch according to the invention contained a ferrite cube with a side length of 10 mm. It was an aluminum-substituted magnesium-manganese ferrite. If it was installed in a rectangular waveguide with dimensions such that an electromagnetic wave at 5600 MHz in TE ₁₀ mode could propagate therein, the resonance reflection described resulted when the ferrite element was saturated with a short pulse of 15 amperes.

Um eine größere Sperrbandbreite zu erzielen, können mehrere Ferritelemente gemäß der Erfindung, vorzugsweise aneinander angrenzend, verwendet werden. Eine solche Kaskadenanordnung ist in F i g. 2 dargestellt. In einem längeren rechteckigen Hohlleiterabschnitt 50 ähnlich F i g. 1 befindet sich ein Ferritelement 51, dessen Länge sechs Ferritelementen 11 in Fig. 1 entspricht. Um die geschlossenen inneren magnetischen Kraftlinien im Ferrit zu erzeugen, ist dieser mit mehreren quer verlaufenden Bohrungen 52 versehen, durch die ein vorzugsweise isolierter Leitungsdraht 53 hin- und hergehend gezogen ist. Die Bohrungen 52 befinden sich in der Mitte der Bereiche, die jeweils einem Element 11 entsprechen. Ihr Abstand ist also gleich der Seitenlänge des Würfels 11. Die Verbindungsbügel 53 α zwischen den einzel nen Leiterabschnitten haben größeren Abstand vom Element 50, so daß der diese Verbindungsbügel umgebende Magnetfluß nicht störend auf das Element 51 einwirken kann.In order to achieve a larger blocking bandwidth, several ferrite elements according to the invention can be used, preferably adjacent to one another. Such a cascade arrangement is shown in FIG. 2 shown. In a longer rectangular waveguide section 50 similar to FIG. 1 there is a ferrite element 51, the length of which corresponds to six ferrite elements 11 in FIG. In order to generate the closed internal magnetic lines of force in the ferrite, the ferrite is provided with several transverse bores 52 through which a preferably insulated conductor wire 53 is drawn back and forth. The bores 52 are located in the middle of the areas which each correspond to an element 11. Their distance is therefore equal to the side length of the cube 11. The connecting bracket 53 α between the individual NEN conductor sections have a greater distance from the element 50, so that the magnetic flux surrounding this connecting bracket can not interfere with the element 51.

Der Leiter 53 ist über Anschlüsse 54 und 56, die durch die Seitenwand des Hohlleiters hindurchgeführt sind, mit einer Steuervorrichtung verbunden, die aus einer Steuerspannungsquelle (z. B. Batterie 57), einem Ausschalter 58 und einem zweipoligen Umschalter 59 besteht. Ein Kurzschlußbügel 61 sorgt dafür, daß in der linken Stellung des Umschalters 59 der Stromkreis durch den Leiter 53 geschlossen ist, wenn Schalter 58 geschlossen wird. Ferner sind wie oben Maßnahmen getroffen, um den Leiter 53 in Reihe mit einem längs verlaufenden Leiter 62 zu schalten, der durch eine zentrale Längsbohrung des Ferritelements 51 hindurchgeht.The conductor 53 is via connections 54 and 56, which passed through the side wall of the waveguide are connected to a control device consisting of a control voltage source (e.g. battery 57), a Off switch 58 and a two-pole changeover switch 59 consists. A shorting clip 61 ensures that in the left position of the switch 59, the circuit through the conductor 53 is closed when Switch 58 is closed. Furthermore, as above, measures are taken to keep the conductor 53 in series with to switch a longitudinal conductor 62, which passes through a central longitudinal bore of the ferrite element 51 passes through.

Zu diesem Zweck ist der Leiter 62 über die Anschlüsse 63 und 64 in einen Steuerkreis eingeschleift, der eine Batterie 66 und einen Ausschalter 67 enthält. Dieser Steuerkreis kann mittels des Schalters 67 und der Batterie 66 getrennt erregt werden oder läßt sich durch Umlegen des Schalters 59 in die rechte Lage in Reihe mit dem Leiter 53 schalten. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform, abgesehen davon, daß das Frequenzband, in welchem die Sperrung eintritt, ein Mehrfaches des Frequenzbandes bei der ersten Ausführungsform ist, und zwar proportional zum Volumenverhältnis der Elemente 50 und 11. Mittels eines zweipoligen Umschalters 70 kann die Stromrichtung durch die Reihenschaltung umgekehrt werden. Die Länge des Elementes 50 mit zusätzlichen Leiterabschnitten 53 kann zwecks Verbreiterung des Sperrbereiches beliebig vergrößert werden. Die Querschnittsabmessungen und die Länge des Ferrits sowie Anzahl und Abstand der Leiterabschnitte 53 bestimmen Betriebsfrequenz, Bandbreite und Schaltwirkung. For this purpose, the conductor 62 is looped into a control circuit via the connections 63 and 64, which contains a battery 66 and an on / off switch 67. This control circuit can be controlled by means of the switch 67 and the battery 66 can be energized separately or by turning the switch 59 to the right Connect layer in series with conductor 53. The operation of this embodiment is the same as in the first embodiment, apart from the fact that the frequency band in which the blocking occurs, is a multiple of the frequency band in the first embodiment, and is proportional to the volume ratio of the elements 50 and 11. By means of a two-pole switch 70, the Current direction can be reversed by the series connection. The length of the element 50 with additional Conductor sections 53 can be enlarged as desired for the purpose of widening the restricted area. The cross-sectional dimensions and determine the length of the ferrite and the number and spacing of the conductor sections 53 Operating frequency, bandwidth and switching action.

Claims

Patent claims:

1. Gyromagnetic microwave switch, consisting of a waveguide section with two parallel main conductive side walls of such transverse dimensions that there are between them can propagate an electromagnetic wave of a certain frequency, as well as at least one gyromagnetic element arranged between the conductive walls, its remanent Magnetization has the same order of magnitude as the saturation magnetization, characterized by at least two the center of the gyromagnetic element (11,51) at an angle mutually penetrating electrical conductors (18, 31) with pulse sources (23, 36) for selective Generating remanent states of magnetization in the gyromagnetic element connected are.

2. microwave switch according to claim 1, characterized in that the pulse sources so are connected that the electrical conductors are separated or simultaneously in different current directions can be excited.

3. Microwave switch according to claim 1 or 2, characterized in that the one conductor in Axis direction of the waveguide section and the other guide perpendicular to the axis and runs parallel to the main side walls (12, 13) of the waveguide.

4. microwave switch according to claim 3, characterized in that several gyromagnetic Elements and associated longitudinal and transverse conductors in the axial direction of the waveguide are arranged one behind the other.

5. microwave switch according to claim 4, characterized by a common, by the axis of the gyromagnetic elements extending longitudinal conductor (62).

6. microwave switch according to claim 5, characterized in that the gyromagnetic Elements are combined into a one-piece structure (51).

7. Microwave switch according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide has two further conductive side walls which, with the main side walls, form a rectangular waveguide in which an electromagnetic wave of the TE ₁₀ type can propagate.

8. Microwave switch according to one of claims 4 to 7, characterized in that the Transverse conductors can be subjected to current pulses together or separately.

Considered publications:

U.S. Patent No. 2,798,205;

“Proc. IRE ", Vol. 44, No. 10, October 1956,
Pp. 1345 to 1468;

Bell System Technical Journal, Vol. 34, January 1955, pp. 5-103.

1 sheet of drawings