DE1279147B - Hohlleiter-Resonanzisolator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES -007¥W PATENTAMT Int. CL:

AUSLEGESCHRIFT

HOIp

H03h

Deutsche KL: 21a4-74

Nummer: 1279 147

Aktenzeichen: P 12 79 147.8-35 (W 41303)

Anmeldetag: 6. April 1966

Auslegetag: 3. Oktober 1968

Hohlleiter-Resonanzisolator

Die Erfindung betrifft nichtreziproke elektromagnetische Wellenübertragungssysteme und insbesondere Resonanzisolatoren, die Wellenenergie eines gegebenen Frequenzbandes in einer Richtung durchlassen, dagegen aber in der entgegengesetzten Riehtung laufende Wellenenergie des Bandes und deren Harmonische dämpfen.

Nichtreziproke Übertragungseinrichtungen, die als Resonanzisolatoren arbeiten, sind unter anderem in den USA.-Patentschriften 3 076 946, 3 063 028 be- ίο schrieben. Sie werden häufig, beispielsweise am Ausgang von Magnetrons, Klystrons usw., in Mikrowellen-Übertragungsanlagen benutzt, um solche Mikrowellenquellen von den Einflüssen langer Leitungen und den Mitzieheffekten für die Oszilla- *5 toren zu isolieren, die durch Reflexionen innerhalb des Absorptionsbandes des Isolators verursacht werden. Bei diesen Einrichtungen ist ein gyromagnetisches Element in einem Rechteck-Hohlleiter an einem Punkt seines Querschnitts angeordnet, in dem die a° vorherrschende Hjj-Schwingungsform zirkulär polarisiert ist. Das Element ist so vormagnetisiert, daß es bei einer Frequenz innerhalb des Grundbandes des Generators in Resonanz ist. Diese Einrichtungen zeigen normalerweise die gewünschte nichtreziproke ^a5 Dämpfung nur für die Resonanz-Linienbreite des gyromagnetischen Materials., wenn auch mit Hilfe neuerer Verfahren das wirksame Absorptionsband etwas verbreitert werden konnte. Aber auch die verbesserten Einrichtungen dieser Art weisen nur eine Bandbreite auf, die kleiner ist als 2:1, so daß Schwingungsformen höherer Ordnung, die in der 2. Harmonischen und allen höheren Harmonischen der Frequenzen der Mikrowellenquelle auftreten, trotz der Einschaltung des Isolators ungedämpft von Diskontinuitäten in der Übertragungsanlage zurückreflektiert werden. Es besteht natürlich die Möglichkeit, getrennte Filter zur Ausschaltung der Harmonischen vorzusehen. Diese zusätzlichen Bauteile führen aber zu einer wesentlichen Erhöhung der Kosten und des Umfangs für die Anlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einheitliche Anordnung zu schaffen, mit der eine nichtreziproke Dämpfung der vorherrschenden Schwingungsform in einem vorbestimmten Frequenzband und eine reziproke Dämpfung von Schwingungsformen höherer Ordnung bei Harmonischen der Frequenzen des vorbestimmten Bandes erreicht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit Vorteil die asymmetrische Verzerrung ausgenutzt, die sich für die Feldverteilung in einem leitend begrenzten WeI-Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Dipl.-Ing. P. G. Blumbach
und Dipl.-Phys. Dr. W. Weser, Patentanwälte,
6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

John Joseph Degan jun., Lehigh, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität: ; ;

V. St. v. Amerika vom 9. April 1965 (446 851)--

lenleiter durch die dielektrische Belastung auf Grund des Ferrit-Elements allein oder in Verbindung mit einer zusätzlichen dielektrischen Belastung ergibt. Erfindungsgemäß ist bei einem Isolator der angeführten Ausbildung wenigstens eine widerstandsbehaftete Fahne im Isolator angeordnet, die sich in Längsrichtung des gyromagnetischen Elementes erstreckt aber in Querrichtung von diesem entfernt ist, wobei die Fahne an einem zweiten Punkt innerhalb des Querschnitts des Hohlleiters angeordnet ist, an welchem die in ihm geführte H₁₀-Schwingungsform kleine elektrische Feldstärke aufweist, und an dem eine im Hohlleiter, geführte Schwingungsform höherer Ordnung, vorzugsweise die H₃₀-Schwingungsform, hohe elektrische Feldstärke besitzt. Bei einer solchen Anordnung führt die Fahne nur zu einer kleinen zusätzlichen Dämpfung der Grundschwingung, bewirkt aber eine wesentliche Dämpfung der Harmonischen, da die Feldverteilung derart verzerrt ist, daß die Energie der Grundschwingung in der Hauptsache durch das Dielektrikum des Ferrit-Elements läuft, während die Harmonischen sich vorzugsweise in der H₃₀-Schwingungsform ausbreiten, die am Ort der Fahne große Feldstärke aufweisen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung noch näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines für Harmonische selektiven Isolators nach der Erfindung,

F i g. 2 zur Erläuterung einen vereinfachten Querschnitt der Anordnung nach Fig. 1 mit der elek-

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irischen Feldverteilung bestimmter Schwingungs- Hohlleiters 10 so angeordnet, daß ihr Abstand von

formen. den Wänden an den Schmalseiten des Hohlleiters

In F i g. 1 ist als übliches Bauteil des Isolators ein kleiner ist als der Abstand von der Mittellinie des

Abschnitt 10 eines leitend begrenzten Rechteck- Hohlleiters. Die widerstandsbehafteten Fahnen kön-Hohlleiters gezeigt, dessen innere Querschnittsabmes- 5 nen aus einer dünnen Karte aus dielektrischem Ma-

sungen so gewählt sind, daß die vorherrschende terial bestehen, die an beiden Enden mit Verjün-

H₁₀-Schwingungsform in dem interessierenden Fre- gungen versehen sind und auf wenigstens einer Fläche

quenzband sich ausbreiten kann, daß aber Schwin- von einem Film aus Widerstandsmaterial bedeckt

gungsformen höherer Ordnung in diesem Frequenz- sind. Alternativ können die Fahnen 15 und 16 auch band gesperrt sind. Im Hohlleiter 10 ist asymmetrisch io aus einem verlustbehafteten Dielektrikum gebildet

an einer nach einer Seite von der Mittellinie des sein.

Hohlleiters abgerückten Stelle und demgemäß in Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Aneinem Bereich, in dem bekanntermaßen vorherr- Ordnung wird an Hand der F i g. 2 verständlich. Dort sehend zirkularpolarisierte Magnetfeldanteile vor- ist die relative Lage der Bauteile nach F i g. 1 gezeigt,, handen sind, eine dünne Fahne 11 aus Ferrit oder 15 überlagert von einer Darstellung der elektrischen einem anderen gyromagnetischem Material angeord- Feldverteilung der vorherrschenden H₁₀-Schwingungsnet. Dicht bei der Fahne 11, und zwar vorzugsweise form bei der Grundfrequenz / und der H₃₀-Schwinauf der Seite der Mittellinie, befindet sich eine dickere gungsform, der Harmonischen 2/. Die durch die Platte 12 mit sich verjüngenden Endabschnitten aus Ferritfahne 11 und die dielektrische Platte 12, die für einem Material hoher Dielektrizitätskonstante, bei- 20 den Augenblick als ein einziges homogenes dielekspielsweise Tonerde oder Aluminiumoxyd. Die Platte irisches Glied angesehen werden sollen, verursachte 12 dient sowohl dem Zweck, die zerbrechliche Fahne dielektrische Belastung verzerrt die vorherrschende 11 mitzutragen und erhöht außerdem auf bekannte Schwingungsform der Grundfrequenz gemäß Kurve Weise den Energiepegel und die Wirksamkeit der 21 derart, daß der größere Teil ihrer Energie im Dizirkularen Polarisation am Ort der Fahne 11. Die 25 elektrikum enthalten ist und auf beiden Seiten schnell Fahne 11 wird magnetisch durch einen C-förmigen und exponentiell abfällt. Obwohl durch diese VerMagneten 13 polarisiert, dessen Polstücke von oben zerrung die Feldverteilung asymmetrisch wird, kann und unten an den Wänden auf der Breitseite des die vorherrschende Schwingungsform nicht in irgend-Hohlleiters 10 anliegen und ein rechtwinklig zu eine andere Schwingungsform entarten, da die vordiesen Wänden durch den Hohlleiter verlaufendes 30 herrschende Schwingungform selbst die einzige ist, Magnetfeld erzeugen/Ein magnetischer Nebenschluß die bei der Frequenz / geführt werden kann. Die 14, der aus einer StahUegierung mit einer geeigneten Kurve 21 stellt daher die Energie dar, für die in beAbhängigkeit des magnetischen Widerstandes von der kannter Weise durch die Ferritfahne 11 eine nichtTemperatur besteht, liegt am Magneten 13 an und reziproke Absorption eingeführt wird,
führt einen sich mit der Temperatur ändernden Teil 35 Bei den Harmonischen ist jedoch die Ausbreitung des Magnetflusses auf einen Nebenweg. Die Grund- von Schwingungsformen höherer Ordnung möglich, lagen dieser Maßnahme sind im einzelnen in einem Für die vorherrschende Schwingungsform der Har-Aufsatz von G. Wheeler und P. Rajcok, »Tem- monischen2/ ist eine beträchtliche dielektrische perature Compensation of Ferrite Isolators«, Micro- Fehlanpassung vorhanden, die einen beträchtlichen wave Journal, Februar 1959, beschrieben. 40 Teil ihrer Energie zu anderen Schwingungsformen Die bisher beschriebene Kombination von Bau- entarten läßt. Experimente haben gezeigt, daß der teilen ist bekannt und bildet nicht Teil der vorliegen- größte Teil der Leistung der Harmonischen in die den Erfindung. Die Funktionen dieser Bauteile sind H₃₀-Schwingungsform umgewandelt wird. Es wird ebenfalls bekannt. Es werden zirkularpolarisierte, angenommen, daß die Erklärung für diese Tatsache sich in einer Richtung entlang des Hohlleiters 10 aus- 45 darauf beruht, daß die Hjj-Schwingungsform von breitende Magnetfeldkomponenten absorbiert, die allen Schwingungsformen am ehesten eine symmeden gleichen Drehsinn und im wesentlichen die irische Feldverteilung im Bereich des Dielektrikums gleiche Frequenz wie die gyromagnetische Präzession entsprechend der Kurve 22 bildet, während andere der Spinn-Elektronen innerhalb des Materials der Schwingungsformen, beispielsweise die H₂₀-Schwin-Fahne 11 haben. Da die Anteile der sich in der ent- 50 gungsform und alle anderen Schwingungsformen gegegengesetzten Richtung ausbreitenden Wellen- rader Ordnung, nur in einer asymmetrischen Verenergie den entgegengesetzten Drehsinn haben, wer- teilung hoher Verzerrung geführt werden können, den sie nicht absorbiert, so daß die Dämpfung nicht Es ist eine bekannte Grundtatsache der elektroreziprok ist und zu der gewünschten Isoliereigen- magnetischen Wellenausbreitung, daß jede Diskontischaft der Anordnung führt. Die Präzessionsfrequenz 55 nuität auf dem Ausbreitungsweg versucht, die WeI-hängt von der Feldstärke der Vormagnetisierung und lenenergie in· diejenige Form umzuwandeln, die die den magnetischen Sättigungseigenschaften des Ferrits höchste Symmetrie aufweist und sich am leichtesten ab. Sie kann daher so eingestellt werden, daß sie eine ausbreitet.

beliebige Grundfrequenz absorbiert, aber keinen Die erzeugte H₃₀-Schwingungsform weist be-

Einfluß auf irgendeine Harmonische der Grund- 60 trächtliche elektrische Feldkomponenten am Ort der

frequenz hat. Fahne 15 und 16 auf und wird von diesen im wesent-

Die Erfindung betrifft die zusätzliche und rezi- liehen aufgezehrt, während die verbleibende Energie

proke Absorption dieser Harmonischen mit Hufe we- der vorherrschenden Schwingungsform bei der

nigstens einer Fahne und vorzugsweise eines Paares Grundfrequenz an diesen Stellen nur eine kleine FeId-

von widerstandsbehafteten Fahnen 15 und 16, ohne 65 stärke hat und nur unwesentlich beeinflußt wird,

die Isolatorwirkung für die Grundfrequenz merk- Es ergibt sich, daß die optimale Lage der Fahnen

bar zu stören. Dazu sind die Fahnen 15 und 16 auf 15 und 16 der maximalen Differenz zwischen der

beiden Seiten der Teile 11 und 12 innerhalb des elektrischen Feldstärke der vorherrschenden H₁₀-

Schwingungsform bei der Grundfrequenz/ und der Feldstärke der H₃₀-Schwingungsform für die Harmonische 2/ entspricht. Dies hängt wiederum von den Abmessungen des Ferrit-Elements und der dielektrischen Fahnen, ihren jeweiligen Dielektrizitätskonstanten und den Abmessungen des Hohlleiters 10 ab und läßt sich am besten empirisch bestimmen. Bei einem praktisch verwirklichten Ausführungsbeispiel betrug die Dicke der Nickel-Tonerde-Ferritfahne 11 etwa ein Zehntel der Dicke des Al₂O₃-TeHs 12, das wiederum eine Dicke von etwa ein Zehntel der Breite des Hohlleiters hatte. Es wurde gefunden, daß die widerstandsbehafteten Fahnen 15 und 16, die jeweils in einer Entfernung von etwa ein Zehntel der Hohlleiterbreite von dessen Schmalseiten entfernt angeordnet waren, eine im Verhältnis 50 :1 größere Vorwärtsdämpfung für die Harmonische 2/ als für die Grundfrequenz / erzeugten.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Hohlleiter-Resonanzisolator zur nichtreziproken Dämpfung der vorherrschenden Schwingungsform in einem vorbestimmten Frequenzband und zur reziproken Dämpfung von Schwingungsformen höherer Ordnung bei Harmonischen von Frequenzen des vorbestimmten Frequenzbandes mit einem belasteten Rechteck-Hohlleiter, der bei Frequenzen des vorbestimmten Bandes nur die H₁₀-Schwingungsform führt, wobei die Belastung ein Element aus gyromagnetischem Material enthält, das zur Erzielung einer Resonanz innerhalb des vorbestimmten Frequenzbandes vormagnetisiert ist und an einem ersten Punkt innerhalb des Querschnitts des belasteten Hohlleiters angeordnet ist, an welchem die H₁₀-Schwingungsform zirkulär polarisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator wenigstens eine widerstandsbehaftete Fahne (15, 16) aufweist, die sich in Längsrichtung des gyromagnetischen Elements (11) erstreckt, aber in Querrichtung von diesem entfernt ist, und daß die Fahne an einem zweiten Punkt innerhalh des Querschnitts des Hohlleiters (10) angeordnet ist, an welchem die in ihm geführte H₁₀-Schwingungsform (21) kleine elektrische Feldstärke aufweist und an dem eine im Hohlleiter geführte Schwingungsform höherer Ordnung, vorzugsweise die H₃₀-Schwingungsform (22), hohe elektrische Feldstärke besitzt.

2. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf entgegengesetzten Seiten des gyromagnetischen Elements (11) je eine widerstandsbehaftete Fahne (15, 16) angeordnet ist.

3. Isolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Harmonischen jeweils die 2. Harmonische der Frequenzen in dem vorbestimmten Band enthalten.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 3 063 028, 3 076 946.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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