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Mikrowellenmodulator unter Verwendung eines Ferritrotators Die Erfindung
betrifft Mikrowellenmodulatoren unter Verwendung von Ferritrotatoren. Die Mikrowellenmodulatoren
nach der Erfindung dienen gleichzeitig zur rückwirkungsfreien Ankoppelung eines
Belastungswiderstandes an einen Mikrowellenerzeuger, beispielsweise an ein Magnetron.
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Es ist bereits bekannt, die Frequenz eines Magnetrons oder eines ähnlichen
Mikrowellenerzeugers durch Änderung der Speisespannung, also sozusagen durch Anschieben
zu ändern; dabei ergeben sich oft Nichtlinearitäten im Modulationsgang und dadurch
eine merkliche Arnplitudenmodulation.
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Erfolgt dagegen in ebenfalls an sich bekannter Weise eine Frequenzmodulation
eines Magnetrons durch Rückführung eines Teiles der Ausgangsenergie auf das Magnetron,
was man als ein Mitziehen bezeichnen kann, so läßt sich im Idealfall ein reines,
frequenzmoduliertes Signal ohne gleichzeitige merkliche Amplitudenmodulation für
nahezu alle Betriebsbedingungen erzielen. In der Praxis läßt sich jedoch bei derartigen
Einrichtungen eine Rückwirkung der Belastung auf den Mikrowellenerzeuger im allgemeinen
nicht vermeiden, so daß sich hierdurch beträchtliche Schwierigkeiten ergeben.
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Zur rückwirkungsfreien Ankoppelung von Belastungen an Mikrowellenerzeuger
werden außerdem bekanntliche Ferritrotatoren verwendet, bei welchen nach dem sogenannten
Färaday-Effekt eine magnetische Drehung der Polarisationsrichtung linear polarisierter
Wellen erfolgt.
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Die Erfindung schlägt demgemäß zur Mikrowellenmodulation einen Mikrowellenmodulator
mit einem einerseits an eine Gleichspannungsquelle zur Drehung der Polarisationsrichtung
und andererseits an eine Wechselspanung zur Änderung der Drehung der Polarisationsrichtung
angeschlossenen Ferritrotator, ferner mit einem an einen Mikrowellenerzeuger angeschlossenen
Eingangswellenleiterabschnitt mit rechteckförmigem Querschnitt und einem an einen
Belastungswiderstand angeschlossenen Ausgangswellenleiterabschnitt mit ebenfalls
rechteckförmigem Querschnitt vor, welcher durch eine Rückführung eines nicht an
die Belastung abgegebenen wechselnden Energieanteils, welcher der Änderung der Polarisationsdrehung
entspricht und als Modulationsspannung auf den Mikrowellenerzeuger zurückwirkt,
gekennzeichnet ist.
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Ein derartiger Mikrowellenmodulator nach der Erfindung gewährleistet
somit einerseits eine rückwirkungsfreie Ankoppelung einer Belastung an einen Mikrowellenerzeuger
und andererseits eine reine Frequenzmodulation des Mikrowellenerzeugers. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Modulationssignal über eine besondere
Rückführstrecke auf den Mikrowellenerzeuger zurückgeführt. In diesem Fall ist ein
zusätzlicher Ferritrotator als rückwirkungsfreies Koppelglied von Vorteil. Bei dieser
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind je ein Eingangs- und Ausgangs-T-Glied
mit je zwei Hauptzweigen für Wellenformen mit senkrecht aufeinanderstehenden Polarisationsrichtungen
und je einer Verzweigungsstrecke, in welcher sich nur eine der Wellenformen der
Hauptzweige ausbreiten kann, vorgesehen, wobei die Hauptzweige des Eingangs-T-Gliedes
jeweils mit dem weiteren Rotator-Koppelglied und dem Ferritrotator zur Erzeugung
der Modulationsspannung, die Hauptzweige des Ausgangs-T-Gliedes mit dem Ferritrotator
zur Erzeugung der Modulationsspannung und einer an die Belastung angeschlossenen
Ausgangswellenleitung, in welcher sich nur die nicht in die Verzweigungsstrecke
des Ausgangs-T-Gliedes eintretende Wellenform ausbreiten kann, verbunden sind. Ferner
sind die Verzweigungsstrecken der beiden T-Glieder durch eine Rückführstrecke verbunden,
über welche die jeweils der Änderung der Polarisationsdrehung in dem Rotator unter
dem Einfluß der Wechselspannung entsprechenden Energieanteile als Modulationsspannung
auf den Mikrowellenerzeuger zurückwirken.
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Im folgenden wird der zur Erzeugung der Modulationsspannung dienende
Ferritrotator kurz als Ferritmodulator bezeichnet. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher das Modulationssignal
den Ferritmodulator
nur einmal durchläuft, erhält man eine streng lineare Modulation, bei welcher das
Modulationsprodukt der Änderung der Polarisationsdrehung direkt proportional ist.
Zur Erzeugung der Modulationsspannung reicht ein Modulatorwechselfeld, dessen Größe
ungefähr 1 bis 211/o des Modulatorgleichfeldes ausmacht, vollkommen aus. Vorzugsweise
wird die Polarisationsrichtung in jedem Rotator im Mittel um 45° gedreht.
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Bei einem Mikrowellenmodulator nach der Erfindung benötigt man keine
umfangreichen und teueren Einrichtungen zur Änderung der Speisespannungen des Mikrowellenerzeugers.
Ein Mikrowellenmodulator nach der Erfindung zeichnet sich durch einen einfachen
Aufbau aus und besitzt gleichzeitig einen nur geringeren Energieverbrauch.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nunmehr an
Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es stellt dar F i g. 1 eine teilweise
geschnittene Parallelprojektion eines Mikrowellenmodulators nach der Erfindung,
F i g. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung und F i g.
3 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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F i g. 1 zeigt einen Mikrowellenmodulator 10. Dieser enthält ein rückwirkungsfreies
Rotator-Koppelglied 12, ein Eingangs-T-Glied 14, einen Ferritrotator 16 als Ferritmodulator
und ein Ausgangs-T-Glied 18. An einem Hauptzweig des letzteren ist über einen Ausgangswellenleiter
22 mit rechteckförmigem Querschnitt ein Belastungswiderstand, beispielsweise eine
Antenne 20, angeschlossen. Diese ruht mit einer zentralen Halterung auf einem
Gestell 23 und hat einen rechteckförmigen Eingangswellenleiter 24, welcher an den
Ausgangswellenleiter 22 angeschlossen ist. Die Antenne ist in einem anderen Maßstab
dargestellt. Der Wellenleiter 22 ist mittels des flanschförmigen Verbindungsstückes
25 an den, einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Hauptzweig 26 des Ausgangs-T-Gliedes
18 angeschlossen. Die Verzweigungsstrecke 27 hat einen rechteckförmigen Querschnitt,
so daß in ihr nur eine Wellenform des Hauptzweiges auftreten kann. Man erhält so
eine Wellenleiterverzweigung mit zwei konjugierten Armen, bei welcher jeweils eine
in den Ausgangswellenleiter eintretende Welle in der Verzweigungsstrecke nicht auftreten
kann, und umgekehrt. An einen Flansch 28 der Verzweigungsstrecke 27 ist mit Hilfe
von Schrauben 31 ein entsprechender Flansch 32 einer Rückführstrecke 30 angeschlossen.
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Der Ferritmodulator 16 weist einen Flansch 34 auf, welcher durch Schrauben
35 an einen Flansch des quadratischen Abschnitts des Ausgangs-T-Gliedes 18 angeschlossen
ist. An Stelle eines Ferritrotators können auch zahlreiche andere, an sich bekannte
Einrichtungen zur Drehung der Polarisationsrichtung verwendet werden.
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Der Modulator 16 enthält ein zylinderförmiges Ferritelement 36, welches
innerhalb eines Wellenleiters 38 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet ist. Das
Ferritelement 36 ist in Halteglieder 39 und 39 a aus dielektrischem Material mit
geringen Verlusten, wie beispielsweise Teflon, eingebettet. Das Ferritelement kann
jedoch auch in anderer, an sich bekannter Weise innerhalb der Halteglieder festgehalten
werden. Der Ferritmodulator 16 umfaßt ferner eine Einrichtung zur Erzeugung eines
Magnetfeldes, beispielsweise eine Feldspule 42, welche den kreisförmigen Wellenleiter
38 umgibt. Die Feldspule 42 wird von getrennten Spannungsquellen gespeist, welche
zur Erzeugung einer konstanten und einer veränderlichen Drehung der Polarisationsrichtung
innerhalb des Ferritrotators 16 erforderlich sind. Man erkennt eine Gleichspannungsquelle
44, welche ein Gleichfeld erzeugt und in Reihe mit einer Drosselspule 45 liegt,
welche die Gleichspannungsquelle 44 gegen eine Wechselspannungsquelle 46 abschirmt.
Die Wechselspannungsquelle 46 ist über einen Koppelkondensator 47 mit einem Anschluß
48 der Feldspule 42 verbunden. Die andere Seite der Wechselspanungsquelle
46 ist an das entgegengesetzte Ende 49 der Spule angeschlossen. Durch
eine Wechselspannung einer gewünschten Frequenz kann eine Frequenzmodulation des
Magnetrons 50 erzeugt werden. Der Kondensator 47 hält die Gleichspannung von der
Wechselspannungsquelle 46 fern. Somit kann dem Gleichfeld in der Feldspule
42 ein Wechselfeld überlagert werden, welches durch Änderung der Polarisationsdrehung
eine Modulationsspannung erzeugt, welche über die Rückführstrecke 30 auf das Magnetron
50 zurückgekoppelt wird.
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Das Eingangs-T-Glied 14 ist mit Hilfe eines Flansches
51 an den Eingangsflansch 52 des Ferritmodulators angeschlossen. Eine
Verzweigungsstrecke 54 mit rechteckförmigem Querschnitt ist mit dem Eingangs-T-Glied
fest verbunden. Daran ist mittels einer Flanschverbindung 56, 57 und 58 die Rückführstrecke
30 angeschlossen. Ein Hauptzweig des Eingangs-T-Gliedes 14 ist unmittelbar
an den Koppelrotator 12 angeschlossen. Dieser wird über den Wellenleiter 55 mit
rechteckförmigem Querschnitt von dem Magnetron 50 gespeist. Der Wellenleiter
55 ist nach F i g. 1 um einen Winkel von 45° gegenüber der einen Polarisationsrichtung
des Eingangs-T-Gliedes 14 verdreht. Im einzelnen besteht der Koppelrotator 12 aus
einem Wellenleiterabschnitt 60 mit kreisförmigem Querschnitt, der, in Teflon oder
ein ähnliches dielektrisches Material 61 eingebettet, ein axial ausgerichtetes
Ferritelement 62 enthält. Eine Vorrichtung 64 zur Erzeugung eines Magnetfeldes umgibt
den Wellenleiterabschnitt 60. Zur Erzeugung des Magnetfeldes kann man beispielsweise
einen genügend starken Permanentmagneten verwenden. Schließlich dient der Koppelrotator
als verlustloses Koppelglied, um die Modulationsspannung von der Rückführstrecke
30 auf das Magnetron zurückzukoppeln. Zusätzlich erhält man eine vollkommen rückwirkungsfreie
Ankoppelung des Belastungswiderstandes. Daher können über den Koppelrotator nur
die über die Verzweigungsstrecke 54 eintretenden Signale das Magnetron erreichen.
Diese Signale rühren von der Modulationsspannung am Ausgang des Ferritmodulators
16 her.
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Somit werden im Betrieb die in dem Magnetron 50 erzeugten Mikrowellen
über den Wellenleiter 55 in den Koppelrotator 12 eintreten. Dort wird die Polarisationsrichtung
durch ein entsprechendes Magnetfeld um einen bestimmten Winkelbetrag, vorzugsweise
um 45°, gedreht. Der Energiefluß gelangt dann über den Ferritmodulator 16 und das
Ausgangs-T-Glied 18 zu dem Belastungswiderstand. Durch Änderung der Polarisationsdrehung
in dem Ferritmodulator 16 wird jedoch ein Energieanteil in
die Rückführstrecke
30 geleitet und nach nochmaliger Drehung um 45° in dem Koppelrotator 12 auf das
Magnetron 50 zurückgekoppelt, wodurch dessen Arbeitsfrequenz mitgenommen wird. Eine
reine Frequenzmodulation ergibt sich also dadurch, daß die Polarisationsdrehung
nur wenig um den Mittelwert von 45° schwankt und somit nur ein ziemlich kleiner
Energieanteil für das Mitziehen des Magnetrons erforderlich ist.
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F i g. 2 der Zeichnungen zeigt eine andere Ausführungsform eines Mikrowellenmodulators
nach der Erfindung. Zwischen einem nicht dargestellten Magnetron und einem Ausgangswellenleiter
71 ist ein Ferritmodulator 70 angeordnet, welcher eine richtungsabhängige 45°-Drehung
erzeugt. Der Ausgangswellenleiter 71 ist somit um 45° gegenüber der Polarisationsrichtung
der Magnetronwellen verdreht. Bei dieser Anordnung verwendet man vorzugsweise Anpassungsstücke
72 und 73 beim Übergang auf den Ausgangs- und Eingangswellenleiter.
Wenn die Polarisationsrichtung in dem Ferritrotator nicht genau um 45° gedreht wird,
kann nicht alle Energie in den Wellenleiter 71 eintreten. Jeweils ein geringer Energieanteil
wird an dem für die querpolarisierte Wellenform als Kurzschluß wirkenden Wellenleiter
71 reflektiert. Die so reflektierte Energie tritt wieder durch den Ferritrotator
hindurch und wird nochmals um 45° verdreht. Die weitere Drehung um etwa 45° der
zu der Schwingungsform im Ausgangswellenleiter querpolarisierten, reflektierten
Komponente führt zu einer Polarisation der an dem Anpassungsglied 72 abgegebenen
reflektierten Energie, welche einen Eintritt dieser Energie in das Magnetron ermöglicht.
Bei solchen Ausführungsformen, bei welchen man auf einen Ferritrotator als rückwirkungsfreies
Koppelglied verzichten kann, kann man die besondere Rückführstrecke einsparen. Hierdurch
ergibt sich ein außerordentlich raumsparender Modulator, welcher nur etwa 5 cm lang
ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ferritmodulators nach der Erfindung
ist in F i g. 3 der Zeichnungen dargestellt. Dabei ist ein Ferritmodulator 74 an
einen Ausgangswellenleiter 75 angeschlossen, welcher in bezug auf ein Eingangs-T-Glied
76 um einen Winkelbetrag von etwa 45° verdreht ist. Das Eingangs-T-Glied 76 wird
von einem nicht dargestellten Magnetron gespeist. Das Eingangs-T-Glied
76 enthält eine Verzweigungsstrecke 77, welche zu einer an sich bekannten,
angepaßten Absorptionsleitung 78 führt, welche mit Polyiron oder einem ähnlichen
nichtreflektierenden geeigneten Material gefüllt ist. In die angepaßte Leitung tritt
die an der Belastung reflektierte Energie ein. Die reflektierte Energie wird durch
die angepaßte Leitung 78 absorbiert. Derjenige Anteil der Mikrowellenenergie, bei
dem die Drehung der Polarisationsrichtung infolge der auf den Ferritrotator 74 einwirkenden
Modulationsspannung von dem Mittelwert von 45° abweicht, wird zu dem nicht dargestellten
Magnetstrom weitergeleitet, welches an den Eingangsflansch 81 angeschlossen
ist. Mit Ausnahme des zusätzlichen, eine Rückwirkung ausschließenden Absorbers
78 steuert diese Einrichtung das Magnetron in derselben Weise wie der in
F i g. 2 dargestellte Modulator. Somit führen eine rückwirkungsfreie Ankoppelung
und eine Modulation der reflektierten Energie zu einer im wesentlichen reinen Frequenzmodulation
des Magnetrons. Selbstverständlich kann man als Mikrowellenerzeuger ein Klystron
oder ein Magnetron verwenden, unabhängig davon, ob man ein Gerät mit oder ohne Hohlraumstabilisierung
benutzt. Wie in den Figuren angedeutet, wird zur Erzeugung eines eine bestimmte
Drehung der Polarisationsrichtung hervorrufenden Gleichfeldes Gleichstrom verwendet.
Man kann jedoch auch das magnetische Gleichfeld mittels eines Permanentmagneten
herstellen und zusätzlich durch eine oder mehrere Feldspulen einen Wechselstrom
leiten. Hierdurch erhält man auch Abweichungen der Drehung der Polarisationsrichtung
von einem festgelegten Wert, wodurch die Frequenz des Mikrowellenerzeugers mitgenommen
wird.
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Die Erfindung ist nicht auf Einzelheiten der dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.