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Breitbandig angepaßter, verlustarmer Verzweigungs-Zirkulator Die Erfindung
befaßt sich mit einem breitbandig angepaßten, verlustarinen Verzweigungs-Zirkulator
in Streifenleitungs- oder Koaxialbauweise.
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Es ist bekannt (vgl. M. II Sirvetz, »The Y-junction microwave circulator«,
Techn. Memo., T. 143, March 5 (1959), Research Div. Raytheon Manufacturing
Comp.), daß man ein verlustloses, nicht reziprokes Dreitor - beispielsweise
eine Leitungsverzweigung mit einem entsprechend vormagnetisierten Ferrit im Verzweigungspunkt
- das aber noch kein Zirkulator ist, dadurch zum Zirkulator ergänzen kann,
daß man vor die drei Tore entsprechend dimensionierte, verlustlose, reziproke Anpassungselemente
schaltet. Zirkulatoren ohne solche Anpassungsglieder sind zwar ausführbar (vgl.
H. Bosma, »On stripline Y-circulation at UI-IF«, IEEE Transaet., MTT-12 (1964),
Nr. 1, S. 61 bis 72), doch sind sie meist schmalbandig und erfordern
zur Vormagnetisierung des Ferritkörpers ein Magnetfeld, bei dem die Temperaturabhängigkeit
der Ferritsättigungsmagnetisierung sich störend bemerkbar macht.
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Um einen Breitbandzirkulator zu erhalten, ist es erforderlich, daß
die Reflexionsfaktoren der vorgeschlagenen Anpassungszweitore und die Eigenschaften
des nicht reziproken Dreitores für einen größeren Frequenzbereich nach Betrag und
Phase aufeinander abgestimmt sind. Den erforderlichen Frequenzverlauf des Reflexionsfaktors
des Anpassungszweitores kann man beispielsweise experimentell bestimmen und durch
den Ferrit und seine Vormagnetisierung in gewissen Grenzen verändern. Es stellt
sich dabei jedoch heraus, daß der erforderliche Eingangswiderstand des Anpassungszweitores
(bei Abschluß desselben mit dem gewünschten Wellenwiderstand) in der komplexen Widerstandsebene
eine mehr oder weniger weit geöffnete Schleife durchläuft.
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Diesen Frequenzgang kann man mit entsprechend großem Aufwand an Blindelementen
beliebig genau nachbilden, jedoch ist dabei von Nachteil, daß ein kompliziertes
Netzwerk den Raumbedarf und die Durchlaßdämpfung des Zirkulators erhöht.
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Es sind Zirkulatorbauformen bekannt, die eine breitbandige Anpassung
dadurch erreichen, daß die Streifenleiter zwischen einem oder mehreren Ringpaaren
aus Dielektrikum mit entsprechend gewählter Dielektrizitätskonstante eingebettet
sind. Die dielektrischen Verluste erhöhen jedoch die Durchlaßdämpfung des Zirkulators.
Außerdem ist die Herstellung relativ aufwendig.
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Für Frequenzen unter etwa 1 GHz sind auch Zirkulatoren mit
mehreren konzentrierten Blindwiderständen als Anpassungsnetzwerk bekannt (vgl. »Miniature
VHF-UHF Circulators Use Lumped-Element Design«, Microwaves, Dezember 1963,
S.
46), die jedoch ebenfalls relativ große Durchlaßdämpfungen aufweisen und -somit
für kommerzielle Anwendungen mit ihren hohen Anforderungen kaum geeignet sind.
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Zur Vermeidung der oben geschilderten Nachteile wird bei einem breitbandig
angepaßten, verlustarmen Verzweigungs-Zirkulator in Streifenleitungs- oder Koaxialbauweise,
bei dem ein Teil des Innenleiters Verdickungen und Verjüngungen in abwechselnder
Reihenfolge aufweist, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Arme der Innenleiter
durch die - ebenen oder zylindrischen - Verdickungen und Verjüngungen
als transformierender Tiefpaß ausgebildet sind.
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Durch die USA.-Patentschrift 3 174 116 ist zwar bereits
ein Y-Zirkulator in Streifenleitungstechnik bekanntgeworden, bei dem ein Teil des
Innenleiters ebene Verdickungen und Verjüngungen in abwechselnder Reihenfolge aufweist.
Dieser Teil des Innenleiters ist hierbei der Verbindungspunkt der drei Arme, welcher
kreisförmig verstärkt ist. Die Kreisbögen zwischen den einzelnen in gleicher Breite
ausgeführten Armen sind mit radial verlaufenden Nuten versehen. Diese zahnförmige
Ausbildung des Verbindungspunktes dient jedoch dazu, die Wellenausbreitung in diesem
Bereich zu verlangsamen, um mit einer kleineren Ferritmenge für die Zirkulatoranordnung
auszukommen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß zwei
Verdickungen vorgesehen sind, zwischen denen sich ein bezüglich der Breite bzw.
des Durchmessers verkleinerter Innenleiterabschnitt befindet. Es ist vorteilhaft,
alle Innenleiterarme des Zirkulators gleich auszubilden.
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An Hand der Figuren soll die Erfindung im folgenden noch näher beschrieben
werden.
F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß
aufgebauten Zirkulator. Hierbei ist mit 1 der Innenleiter und mit 2 der Außenleiter
bezeichnet. 3 sind Abgleichschrauben zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen.
Der Ferrit trägt die Bezifferung 4 und wird durch einen Scheibenmagnet
5 in geeigneter Weise vormagnetisiert. Mit 6 ist ein magnetischer
Rückschluß bezeichnet, während mit 7
ein Thermoflux-Ring bezeichnet ist.
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Wird ein Verzweigungs-Zirkulator koaxial ausgeführt, so können, wie
dies in der F i g. 1 dargestellt ist, die einzelnen Innenleiterarme
8 mit je einer geeignet dimensionierten Verdickung 9 und 11
versehen werden, zwischen denen sich ein Innenleiterabschnitt 10 befindet,
der einen verringerten Durchmesser aufweist.
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Von ganz besonderem Vorteil ist die Anwendung der Erfindung bei Zirkulatoren,
die in Streifenleitungstechnik hergestellt sind. Da man hierbei die Möglichkeit
hat, durch Formätzen oder bei entsprechend großen Stückzahlen durch Stanzen die
besonders geformten Innenleiter in einfacher und billiger Weise herzustellen.
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In der F i g. 3 ist der Innenleiter eines Y-Zirkulators dargestellt,
welcher gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Der Mittelpunkt dieses Innenleiters ist
mit 18
bezeichnet. Die drei Zirkulatorarme 12, 13 und 14 sind beim
dargestellten Ausführungsbeispiel gleich aufgebaut. Jeder Arm weist zwei Verdickungen
auf, zwischen denen ein Innenleiterabschnitt mit verringertem Querschnitt angeordnet
ist. Bei dem mit 13
bezeichneten Arm trägt die erste Verdickung die Bezeichnung
15, die zweite Verdickung die Bezeichnung 17. Dazwischen liegt die
mit 16 bezeichnete Verjüngung des Innenleiters. Die dem Mittelpunkt
18 des Zirkulators am nächsten liegende Verdickung 15
weist hierbei
eine größere Oberfläche auf als die Verdickung 17. Die Berandungen
23 und 24 der erwähnten Verdickungen in Achsrichtung des zugehörigen Zirkulatorarmes
verlaufen, wie das beim Ausführungsbeispiel dargestellt ist, beispielsweise parallel
zu diesen. Die Verdickungen 15 und 17
weisen senkrecht zum Zirkulatorarin
verlaufende Berandungen auf, die vorzugsweise kreisbogenförmig ausgebildet sind.
Der Mittelpunkt der Kreisbögen 19,
20, 21 und 22 fällt hierbei mit dem Mittelpunkt
18
des Y-Zirkulators zusammen. Besonders zweckmäßig ist es, bei der Ausbildung
eines derart aufgebauten Innenleiters alle scharfen Kanten und übergangszonen abzurunden.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht Sperrdämpfungen, die größer
als 30 db sind, bei Bandbreiten von mindestens 20%. Bei Verzicht auf große
Sperrdämpfung können sogar Bandbreiten bis zu 80 II/o erreicht werden. Ferner
bietet sich die Mög-Echkeit, mit einer derartigen Anordnung lediglich durch Verändern
des Innenleiters und eventuell des zugehörigen Magnetfeldes den Arbeitsbereich des
Zirkulators in sehr weiten Grenzen zu variieren; dies ist jetzt mit verringerter
Sperrdämpfung bis zu etwa einer Oktave möglich.
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Als besonders großer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung sind
die geringen Verluste (Durchgangsdämpfung < 0, 1 db) zu nennen, was insbesondere
für die Anwendung bei parametrischen Verstärkern von besonderer Bedeutung ist.