DE1280354B

DE1280354B - Broadband adapted, low-loss branching circulator

Info

Publication number: DE1280354B
Application number: DE1965T0030110
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Heinz Junker
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1965-12-23
Filing date: 1965-12-23
Publication date: 1968-10-17

Description

Breitbandig angepaßter, verlustarmer Verzweigungs-Zirkulator Die Erfindung befaßt sich mit einem breitbandig angepaßten, verlustarinen Verzweigungs-Zirkulator in Streifenleitungs- oder Koaxialbauweise.Broadband matched, low-loss branching circulator The invention deals with a broadband adapted, lossy branching circulator in stripline or coaxial design.

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.It is known (cf. M. II Sirvetz, "The Y-junction microwave circulator", Techn. Memo., T. 143, March 5 (1959), Research Div. Raytheon Manufacturing Comp.) That a lossless, not Reciprocal three-gate - for example a line branching with a correspondingly pre-magnetized ferrite in the branching point - which is not yet a circulator and can be supplemented to a circulator by connecting appropriately dimensioned, lossless, reciprocal adjustment elements in front of the three gates. Circulators without such adaptation elements can be implemented (cf. H. Bosma, "On stripline Y-circulation at UI-IF", IEEE Transaet., MTT-12 (1964), No. 1, pp. 61 to 72), but they are they usually have a narrow band and require a magnetic field for the premagnetization of the ferrite body, in which the temperature dependence of the ferrite saturation magnetization is noticeable in a disturbing manner.

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.In order to obtain a broadband circulator it is necessary that the reflection factors of the proposed matching twos and the properties of the non-reciprocal three-gate for a larger frequency range according to amount and Phase are coordinated. The required frequency response of the reflection factor of the second adjustment gate can be determined experimentally, for example, and through change the ferrite and its bias within certain limits. It puts It turns out, however, that the required input resistance of the second matching port (at the end of the same with the desired wave resistance) in the complex resistance level runs through a more or less wide open loop.

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.This frequency response can be achieved with a correspondingly large amount of dummy elements reproduce as precisely as desired, but the disadvantage here is that a complicated Network increases the space requirement and the transmission loss of the circulator.

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.Circulator designs are known that allow broadband adaptation achieve that the strip conductor between one or more pairs of rings embedded from dielectric with appropriately selected dielectric constant are. However, the dielectric losses increase the transmission loss of the circulator. In addition, the production is relatively complex.

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.For frequencies below about 1 GHz, circulators with several concentrated reactances are also known as a matching network (cf. "Miniature VHF-UHF Circulators Use Lumped Element Design", Microwaves, December 1963, p. 46), but they also have relatively large transmission losses and -so are hardly suitable for commercial applications with their high requirements.

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.To avoid the disadvantages outlined above, in a broadband adapted, low-loss branching circulator in stripline or coaxial construction, in which part of the inner conductor has thickenings and tapering in alternating order, proposed according to the invention that the arms of the inner conductor through the - flat or cylindrical - Thickenings and tapers are designed as transforming low-pass filters.

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.By USA. Patent 3,174,116, although a Y-circulator has already been disclosed in stripline technology, in which comprises a portion of the inner conductor plane thickening and tapers in an alternating sequence. This part of the inner conductor is the connection point of the three arms, which is reinforced in a circular manner. The arcs of a circle between the individual arms, which have the same width, are provided with radially extending grooves. However, this tooth-shaped design of the connection point serves to slow down the wave propagation in this area in order to make do with a smaller amount of ferrite for the circulator arrangement.

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.A preferred embodiment of the invention is that two Thickenings are provided, between which a width or the diameter of the reduced inner conductor section is located. It is beneficial to design all inner conductor arms of the circulator in the same way.

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.The invention will be described in more detail below with reference to the figures. F i g. 2 shows a cross section through a circulator constructed according to the invention. Here, 1 denotes the inner conductor and 2 denotes the outer conductor. 3 are adjustment screws to compensate for manufacturing tolerances. The ferrite is numbered 4 and is pre-magnetized by a disk magnet 5 in a suitable manner. 6 shows a magnetic yoke is designated, while 7 designates a Thermoflux ring.

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.If a branching circulator is designed coaxially, as shown in FIG. 1 is shown, the individual inner conductor arms 8 are each provided with a suitably dimensioned thickening 9 and 11, between which an inner conductor section 10 is located, which has a reduced diameter.

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.The application of the invention is of particular advantage in circulators, which are manufactured using stripline technology. Because here you have the opportunity has, by form etching or, in the case of correspondingly large quantities, by punching the produce specially shaped inner conductor in a simple and inexpensive manner.

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.In FIG. 3 shows the inner conductor of a Y-circulator which is constructed according to the invention. The center point of this inner conductor is denoted by 18. The three circulator arms 12, 13 and 14 are constructed in the same way in the illustrated embodiment. Each arm has two thickenings, between which an inner conductor section with a reduced cross section is arranged. In the arm designated by 13 , the first thickening bears the designation 15, the second thickening the designation 17. In between is the tapering of the inner conductor designated 16. The thickening 15 closest to the center 18 of the circulator has a larger surface than the thickening 17. The edges 23 and 24 of the mentioned thickenings run in the axial direction of the associated circulator arm, as shown in the exemplary embodiment, for example parallel to them. The thickenings 15 and 17 have borders running perpendicular to the circulator, which are preferably designed in the shape of a circular arc. The center of the arcs 19, 20, 21 and 22 coincides with the center 18 of the Y-circulator. It is particularly expedient to round off all sharp edges and transition zones when forming an inner conductor constructed in this way.

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.The design according to the invention enables blocking attenuations that are greater than 30 db with bandwidths of at least 20%. If large blocking attenuation is dispensed with, bandwidths of up to 80 I / O can even be achieved. Furthermore, there is the possibility of varying the working range of the circulator within very wide limits with such an arrangement only by changing the inner conductor and possibly the associated magnetic field; this is now possible with reduced stop-band attenuation up to about an octave.

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. The low losses (transmission loss < 0.1 db) should be mentioned as a particularly great advantage of the arrangement according to the invention, which is particularly important for use in parametric amplifiers.

Claims

Comprising 1. The broadband matched, low-loss branch circulator in stripline or coaxial design, wherein the EIRT part of the inner conductor thickening and tapers in an alternating sequence, d a d ur ch in that the arms of the inner conductor by the planar or cylindrical thickening and: Patentanspräche Tapers are designed as transforming low-pass filters.

2. Circulator according to claim 1, characterized in that two thickenings are provided, between which there is an inner conductor section reduced in width or diameter. 3. Circulator according to claim 1 or 2, characterized in that the inner conductor arms of the circulator are designed the same. 4. Circulator according to one of the preceding claims applied to a Y-circulator in stripline technology, characterized in that the inner conductor of each arm has two thickenings with one of the intermediate inner conductor pieces of reduced width. 5. Circulator according to claim 4, characterized in that the thickening closest to the center of the circulator has a larger surface. 6. Circulator according to claim 4 or 5, characterized in that the boundaries of the thickenings extending perpendicular to the circulator arm are formed circular arc shape and that the center of these circular arcs coincides with the center of the circulator. Contemplated publications: USA. Patent No. 3 174 1161 IEEE Transact, MTT-12 (1964), No. 1, pp 61 to 72....